博士 （情 報科学）高木裕治
学 位 論 文 題 名

半 導体製造プロセスにおける検査・計測のためのパタ ーン識別技術の研究
学位論文内容の 要旨

半導体デバイスの微細化により，携帯電話，デジタルオーディオ，ゲーム機器など，デジタル機器の小型化，高機能化，記憶容量の大容量化が進んでいる。ここ数年はデジタル・メディア・コンテンツを 大量 に記 憶す る 必要 性か らフ ラ ッシ ュメ モり の微 細化の進展が目覚しい。かっ てはDRAMが最先端の微細加工を必要と していたため、その加工寸法が半導体の技術ノードとして定義されていたが ，2005年からはフラッシ ュメモりがDRAMに替わり微 細化を牽引するようになって きている。
現在，大容量化が進むフラ ッシュメモりでは45nmが量産され，マイコン等のロジックデバイスでは65nm世代のデバイスが量産 されている。
半導体製造プロセスは数 百のプロセスから構成されるが，微細パターンの形成に際して最も重要となる製造プロセスが露光 プロセスである。このプロセスではマスクに描画されたパターンを露光光によルウェハ上に転写し ，所望の回路パターンを得る。最も微細な加工を要求されるのはトランジスタのゲートに当たる部 分であり，ゲー卜長を短くすることによルデバイスの高速動作が実現される。加工寸法の誤差はデバイスの電気的特性不良に繋がるため，加工寸法を一定に保っために，露光プロセスパラメータ，す なわち露光光の焦点位置，露光量の高精度を管理は極めて重要となる。
一方．デバイスの微細化に伴い，従来問題にをらなかった微小な寸法の異物や欠陥の管理がますます重要になってきている。こ のため製造プロセス内の適切な箇所で外観検査を行い，検出した欠陥の観察，解析に基づく迅速な 対策の重要性が増している。
本研究では。微細化する半導体製造の検査・計測において重要となる，露光プロセスにおける高精度なプロセスパラメータ推 定法と，外観検査工程における高効率な欠陥観察手法のニっについて検討を行なった。
露光プロセスにおいては ，従来からSEM(ScanningElec
tronMicroscope:走査電子顕微鏡）で撮像した露光・現像後のレジス トの画像からその線幅を計測し，プロセスを監視している。しかしデバ
イスの微細化に伴い，適切 なプロセスパラメータの許容値が狭まる中，寸法管理のみでは安定な露光プロセス管理は困難にな ることが予測される。本検討では，露光シミュレーション及び，電子練シミュレーションを用いて ，露光プロセスパラメータが 変化した場合における，レジストのSEM画像の変化を解析した上で， プロセス変動を適切に表現するための複数の画像特徴量を定めた。この
画像特徴量に基づき，各チ ップで露光量と焦点位置を一定範囲で変化させたウェハを用いてモデルデータを作成しておき，評価対象画像から得た特徴量をモデルデータに照会し，最尤法にて露光量と焦点 位置 を推 定し た 。130nmノー ド以 上の デバ イ スに用 いられるKrFプロセスウェハ を用いて実1150―

験した結果，露光量で誤差0.93mJ／cnP（30），フオーカス位置で75nm（30）を確認した。1【rFプロセスでは，露光量変動土311ニLソ，cm2，焦点変動は土300nm以下が許容値とされており。初期評価としては妥当な結果を得た。
次 に， 90nmノ ード 以下 のデ バイ ス で使 用さ れる ArFプロ セス ウェハへの適用を検 討した。ArF
プロセスでは，微細パタ ーン形成時のレジスト倒壊防 止のためにレジスト塗布の薄膜化が図られており，またレジスト材料の特性から転写パターンの辺縁が粗くなっている。これらの課題に対し，薄膜塗布されたレジストの 微小な形状変化を捉えるため に，画像特徴量の改良を行なった。また、パターン辺縁の粗さに起因する推定精度の低下を，複数回検出と，特徴量のバラツキをその度合いに応じて抑制する処理にて防 止した。ArFプロセスウェハでの評価の結果，露光量で誤差0136mJ／cm2（3o），フオーカス位置で42，m（3ロ）を確認した。ん．Fプロセスでは，露光量変動土2mJ／an2，焦点変動は土250nm以下が許容値 ときれている。評価結果は 変動範囲のlOワ。以内に収ま っており，露光プロセスパラメータを制御するための実用的な手法を確立したと考える。
外観検査工程においては，検査装置で検出された欠陥を効率的に観察（レビュー）し，欠陥種類に応じた対策を講ずること が重要である。欠陥観察の効 率化を目的として，検査装置から出カされるウェハマップ（ウェハ上の欠陥座標マップ）を解析し，レビュー候補点を決定する欠陥点レビューサンプリング技術を開発し た。ウェハマップの比較的広 い領域に見られる有意な分布パターンは製造プロセスの異常と強い関 係がある。この同種の欠陥が 集まる有意パターンの領域内と，それ以外のランダムに分布する部分 を識別し，レビューのサンプ リング方法を変更することで欠陥レビューの効率化が図れる。有意候 補パターンの検出は，欠陥点 ごとの局所的な稠密度をボロノイ図により定義した上で，ウェハマップを最適な解像度の密度画像に変換し，この密度画像に統計的しきい値処理を適用して行った。検出 された候補パターンを，予め 登録された半導体プロセスで想定される分布パターンと効率的ぬ照合を行い有意パターンの検出を行った。
レビュー点のサンプリングにおいては欠陥を，広域分布，ランダム分布の他，距離的に局所密集している三種類のクラスに分類した。サンプリング数については，ランダム欠陥では。そこに含まれる欠陥種類別の比率推定誤 差とその統計的信頼度に基づ き設定し，広域分布欠陥，及ぴ局所密集欠陥については，その分布を 占める主モード欠陥の割合を 実験的に定めた上で統計的信頼度に基づき設定した。実験では，ラン ダム欠陥では欠陥種類別の比 率の全数レビューとサンプリングレビューの差を，広域分布欠陥，及び局所密集欠陥では，主モード欠陥がサンプリングされた点数の半数以上を占め た場 合を 正解として，そ の正解率を評価した。ウェ ハ13枚，合計4802欠陥に対し て実験を行なった結果，15●4％にあ たる741欠陥がサンプリング され，ランダム欠陥における比率推定誤差は9ワD以内，広域分布パターン欠陥における主モード特定は正解率100ワ。（3/3），局所密集欠陥においては正解率86．4ワD（51／59）を確認し，本提案の欠陥点レビューサンプリング技術により欠陥を全数観察
す る こ と な く 部 分 的 な 欠 陥 観 察 で ウ ェ ハ 全 体 の 欠 陥 発 生 状 況 を 把 握 でき る見 通し を 得た 。
半導体の微細化は進行しており，今後ともより高精度なプロセス制御を可能とする検査，計測技術が求められる。露光工程 の計測においてはパターン転 写の正確性の検証，外観検査では欠陥観察の自動化などが，パターン認識，画像処理の今後の課題になると考える。

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学 位論文審査の要旨
主査 教授 金子俊一
副査 教授 中川泰夫
副査 教授 北 裕幸
副査 准教授 田中孝之

学 位 論 文 題 名

半 導体製造 プロセ スにおける検査・計測のためのパター ン識別技術の研究
半導 体の微細化により，デジタル機器の高機能化，記憶容量の大容量化が進んでいる．微細パター
ンの形 成に際 して最 も重要 となる 製造プ ロセス が露光 プロセスである．加工寸法の誤差はデバイスの電気 的特性不良に繋がるため，加工寸法を一定に保っために，露光プロセスパラメータ．すなわち露光光 の焦点位置，露光量の高精度な管理は極めて重要となる．一方，パターンの微細化に伴い，問題とな る欠陥数も増加の傾向にある．このため製造プロセス内の適切な箇所で外観検査を行い，検出した欠 陥の観 察，解 析に基 づく迅 速な対 策の重 要性が 増してい る．
本研 究では，微細化する半導体製造の検査・計測において重要となる，露光プロセスにおける高精度なプ ロセス パラメ ータ推 定法と ，外観 検査工 程にお ける高効率な欠陥観察手法のニっについて検討を行 なった ．
露光 プロセ スにおい ては， 従来か ら走査 電子顕 微鏡で 撮像したレジスト画像からその線幅を計測し，ブ ロセスを監視している，しかしデバイスの微細化に伴い，適切なプロセスパラメータの許容値が狭ま る中， 寸法管 理のみ では安 定な露 光プロ セス管 理は困難になることが予測される．本検討では，露 光シミュレーション及ぴ，電子線シミュレーションを用いて，露光プロセスパラメータが変化した場 合における，レジストの走査電子顕微鏡画像の信号変化を解析した上で，プロセス変動を適切に表現 するための複数の画像特徴量を定めた．その上でこの画像特徴量に基づき，各チップで露光量と焦点 位置を 一定範 囲で変 化させ たウェ ハを用 いてモ デルデータを作成して韜き，評価対象画像から得た 特徴量 をモデ ルデー タに照 会し， 最尤法 にて露 光量と焦 点位置 を推定 した.90nm
ノード以下のデバ イスに 用いら れるArFプ ロセス ウェハ を用い て実験 した結果，露光量で誤差01361nJ／cm2（3o）， フオーカス位置で42nm（30）を確認した．ArF
プロセスでは，露光量変動土2mJ／cn2，焦点変動は土25眦n以下 が許容 値とされ ている ．評価 結果は 変動範 囲の10％ 以内に 収まっ ており，露光プロ
セスパ ラメー タを制 御する ための 実用的 な手法 を確立 したと考 える．
外観 検査に関しては，欠陥観察（レビュー）の効率化を目的として，検査装置から出カされる欠陥マップ を解析し，レビュー候補点を決定する欠陥点レビューサンプリング技術を開発した．欠陥マツ
プ上の 有意な 分布パ ターン は製造 プロセ スの異 常と強 い関係がある．この有意パターンの内外を識別し， レビュ ーのサ ンプリ ング方 法を変 更する ことで 欠陥レビューの効率化が図れる．有意分布パターン の検出は，欠陥点ごとの局所的な稠密度をボロノイ図により定義した上で，欠陥マップを最適‑ 1152 ‑な 解像 度 の 密度 画 像 に変 換 し， この密 度画像に 統計的 しきい値 処理を適 用して 行った．
レビ ュー点のサンプリングは欠陥を前述の有意な分布形状を持つ広域分布，ランダム分布，局所密集の三 クラスに分類して行なった．サンプリング数については，ランダム欠陥では欠陥種類別の比率
推定誤 差を，広域分布欠陥，及び局所密集欠陥では，クラス内の過半数を占める欠陥である主モード
欠陥の 特定率 を統計 的信頼 度に基 づき決 定した .13枚のウ ェハに 対する 実験の結 果，ランダム欠陥
で はサ ン プ リ ング 率 15.4%で 比 率 推 定誤 差 10%以 内， 主 モ ード特 定は広 域分布 欠陥に おいて 正解率100%(3/3)， 局所密 集欠陥 におい て正解 率86.4qo(51/59)を確認し，本提案の欠陥点レビューサン
プリン グ技術 により 欠陥を 全数観 察する ことな く効率的 に欠陥レビューが実現可能であることを確認した ．
本 論 文 で 報告 さ れ た 研究 内 容 は既 存の情 報であ るSEM画像 や欠陥 マップ 情報に 対しパタ ーン識
別技術 を導入することで，より高度な計測や効率的な検査が実現可能であることを示すものである，
また， 報告された手法は実際のデータを基に検証された上で所期の目的を達しており，実用上も意義ある技 術開発 がなさ れたと 言える ．
以上を 要する に，著 者は，半 導体計 測にお いては 回路パ ターン のSEM画像 より露光プロセスパラメータ を推定する手法を確立し，製品プロセスウェハによりその有効性を示した．また，半導体検査におい ては検査 装置で 検出さ れた欠 陥点か ら観察 すべき 欠陥点を選出するために，欠陥マップの分
布パタ ーン認識 手法と 分布パ ターン 別の欠 陥点サ ンプリ ング手法を確立し，欠陥観察の効率を向上させた ．これらの結果は，パターン識別技術を以って半導体製造の検査及ぴ計測の発展に寄与するところ大 なるものがある．よって，著者は北海道大学博士（情報科学）の学位を授与される資格あるものと認 める．

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