目が離せない 次世代リソグラフィ技術の動向（その②） 厚木エレクトロニクス / 加藤 俊夫 本 誌 3 月 号 掲 載 の 本 稿「 そ の ① 」で は、 「DP（Double 量の酸が発生して高分子を切断すると、その反応により酸 Patterning）技術の登場」まで述べた。今回はその続きで 発生材から新たな酸が発生する。100℃程度のPEB（Post ある。 Exposure Bake、現像後のベーキング）すると、この反応が 加速されて次々に酸発生反応がおこり、露光で酸発生反応 1. フォトレジストも進歩した が少なくてもパターンニングができる。この様子を図 1 に フォトレジストの原理は、遥か以前にコダック社が開発 ほとんどすべて化学増幅型になっている。 した時から基本は変わっていない。すわなち、ポジレジス 化学増幅型フォトレジストで注意すべき点として、図 2 トの場合、PMMA（Polymethylmethacrylate）などの高 のようなパターンの変形がある。NH3 ガスの雰囲気では酸 分子が光のエネルギーにより結合が切断され、現像液に と反応してしまってフォトレジストの化学増幅反応が起こ 溶解することによりパターンが形成される。ネガレジス らず、図 2 −①のようになる。一方、下地から NH3 が発生す 示す。現在の微細加工に使われているフォトレジストは、 トの場合は、光のエネルギーでモノマ （Monomer）の架橋反応で重合が起こ り、現像液に溶解しなくなる。 1. 化学増幅型 実用化されているステッパ（スキャ ナ）の仕様では、300mm 径のウエハに 対して 200 枚／時のスループットをう たっている。1 枚のウエハへの露光が 60 ショットと仮定すると（ショット数 はチップサイズにより異なる）、1 ショッ ト に 要 す る 時 間 は 3600 秒 ／ 200 × 図 1 化学増幅型フォトレジスト 60 ＝ 0.3 秒以下となる。このわずかな 時間にチップの移動と位置あわせなど が必要なので、露光にあてられる時間は 0.1秒ぐらいになる。スキャナの場合は、 この間に露光エリアをなぞっていくわ けで、単位面積への露光時間はさらに短 い。したがって、露光によって化学反応 が完了することはありえない。この問 題を解決するため化学増幅型フォトレ ジストが開発された。露光によって少 28 図 2 化学増幅型フォトレジストの異常形状 ると図 2 −④のようになる。下地が SiN 膜の場合は、SiN チングされる速度の比を選択比と呼んで、一般には 10 以 の CVD で NH3 ガスを用いるが、NH3 ガスが膜中または膜 上が必要であり、できれば 50 以上の比が望ましい。選択 表面に吸着しているので、ベーキングするなどの対策が必 比が小さい場合は、フォトレジストの厚さを厚くしておく 要である。また、室内に NH3 ガスがないように活性炭フィ 必要がある。また、フォトレジストをイオン注入のマスク ルタを用いるのも一般的に行われている。 に用いる場合も、イオンの加速エネルギーが高い場合は、 微細化をサポートするフォトレジストの開発にあたって、 500nm より厚い場合もある。フォトレジストの厚さが 解像度、LER、感度の 3 つのパラメータはトレードオフの関 200nm で、開口の幅が 20nm だとアスペクト比（Aspect 係にあって、 この 3 つを最適化する努力が行われている。 Ratio：縦と横の比）が 10 となり、フォトレジストは壁のよ うに立っていることになる。すると図 4 のように、現像後 2. LER（Line Edge Roughness） の水洗中に水の表面張力で壁のようなフォトレジストが引 Gate length 30nm の MOS を作る時、パターンエッジ き合って倒れる場合がある。微細化が進むと倒壊現象が顕 のギザギザ、すなわち LER が 5nm あると、両側から 10nm 著になっている。この対策として水に界面活性剤を入れる も線幅がばらつくことになり、MOS の特性が一定せず設計 ことや、炭酸ガスの超流動を利用することなどが行われて が困難になる。LER の原因はいろいろあるが、なかでも図 いるが、フォトレジスト自身の下地との密着力の向上も求 3 のようにレジストの高分子自身の大きさが問題といわれ められている。 ており、これを避けるレジストの開発が行われている（目標 は 2nm）。 4. ハードマスクによるエッチング MOS のゲート電極などは、リソグラフィの実力以上に微 3. フォトレジストの倒壊 細化されているが、エッチングを過度に行ってサイドエッ フォトレジストはエッチングのマスクに用いられるが、 チングを起こしてスリムにしている。このために、図 5 の 被エッチング物のエッチング速度とフォトレジストがエッ ようにハードマスク技術や Si 含有レジストなどが開発され て い る。DRAM の Trench Capacitor や TSV（Through Silicon Via）などの深堀エッチングでは、長時間のエッチ ング中にマスク材のレジストがなくなったり変形したりす るので、ハードマスクが用いられている。 5. フォトレジストの剥離も意外に難問 フォトレジストは、エッチングのマスクやイオン注入の マスクとして用いられた後、酸素プラズマのダウンフロー アッシング（Ashing：灰化）で剥離されるのが一般的であ る。エッチングにはハロゲン系のプラズマが多く用いられ 図 3 LER の様子 るが、ハロゲンがフォトレジストと反応して酸素プラズマ 図 4 フォトレジストの倒壊 図 5 ハードマスクによるサイドエッチや深堀エッチ 29 で剥離が困難になる場合がある。また、イオン注入のマス クに用いられる場合、注入量が 10 15 〜 16 ／ cm 程度の高濃 2 る。描画時間の短縮にはデータの高速処理が必要で、OPC、 PSM、SMO などの対応が重要になっている。 度になるとフォトレジストが完全に変質してしまい、酸素 このような改善にもかかわらず、1枚のマスクの描画に数 プラズマでは剥離できない。微量のフッ素を入れると剥離 時間もかかるといわれ、マスク価格高騰の一因となってい できるが、下地の Si や SiO2 をフッ素が侵すので、その兼ね る。メモリのような単品種多量生産ならマスク代は大きな 合いが難しく、プラズマだけではなく硫酸＋過酸化水素液 問題にならないが、ロジック系の多品種少量生産では、コス のような溶液での剥離も行われ、専用の薬液も市販されて トに占めるマスク代の割合が非常に大きくなっている。 いる。さらに下地がポーラス膜では、フォトレジスト剥離 Cr 膜のエッチングには、長らく溶液（硝酸第 2 セリウムア 中に下地が変質してしまうなどの対策は簡単でなく、各社 ンモニウム系など）で行われてきたが、最近は CCl4 ／ O2 プ のノウハウとなっている。 ラズマによるエッチングが一般化してきた。 マスク製作に電子ビームでなくレーザ描画装置も市販 2. マスクの製作、価格暴騰、一式数億円に！ されているが、半導体用としては主流技術ではないと思わ マスクの製作は、図 6 のような合成石英基板上の Cr 金属 ジ業界などに使われている。さらにつけ加えると、プリン 膜にフォトレジストを塗布したブランクス（Blanks）に電 ト 基 板 な ど に は、投 影 式 の DMD（Digital Micro Mirror 子ビームを照射し、現像し、Cr をエッチングして行われる Device）などの描画機が用いられている。 れ、高速描画の特徴を生かし、ディスプレー用やパッケー （Cr に代わって、半透明の Mo ／ Si 膜も用いられる） 。ブラ ステッパでは全チップが同一マスクパターンで露光され ンクスの石英は 6 インチ角で、厚さは自重によるたわみや るため、万一、マスクに欠陥があると、生産した全チップが パターンの変形が絶対に起こらないように 6.35mm と非 不良になる恐れもある。そこで、図 7 のようにマスクにダ 常に厚くなっている。 ストが載らないようにペリクル（Pellicle：薄膜）を張って 同図に示した電子ビームの描画装置の電子ビームはナノ いる。ペリクルは、市販されている食品用ラップフィルム メーターまで細く絞れるので、チップの端から一筆書きの のような薄い透明膜で、この上に載っているごみの像は、同 ように走査すればどんなパターンも描ける。（これをラス 図右のようにフォトレジスト中では結像せずウエハ上のパ タースキャン（Raster Scan）と呼んでいる）。 ターンに影響しない。 ただし、非常に描画時間が掛かるので現在はほとんど用 いられなくなり、代わって長方形のスリットを組み合わせ てアパーチャ（Aperture：開口）を形成しビームを通す可 変成形ベクタスキャン（Vector Scan）が用いられている。 これまで液浸 ArF スキャナに各種の超解像技術を駆使し さらに、特定の形状のステンシル（Stencil：穴開きの板）を て 20nm 程度のパターンまで微細化されてきたが、この先 設ける CP（Character Projection）方式が一般化してい も 10nm に向かって開発が進められる。いろいろな技術が 図 6 マスクを描画する電子ビーム装置 30 3. フォトリソグラフィの将来技術 図 7 ペリクルでマスク上のゴミの影響をなくする 検討されているので、以下に順に見て行くことにする。 程度あれば十分なスループットが確保される。現状では数 十 W 程度しか達成できていないので、さらなる開発が待た 1. ArF ステッパ／スキャナでどこまで微細化可能か れている。 実現可能な最少パターンは、露光波長程度といわれたの EUV 光の波長は X 線に近く、透過型のレンズを作ること が夢のようで、ArF エキシマの波長（193nm）の 1/10 の ができず反射型となる。反射膜には Mo ／ Si を数 nm ず 20nm が実現されている。常に限界を突破するのが半導体 つ 80 層も積層した膜が用いられ、反射率は最高で 70 ％で 技術であるが、この先はどうなるか？ ある。レンズ系は図 8 のように 10 枚以上必要であり、仮 まず考えられるのは、DP（Double Pattern）を繰り返し に 13 枚で反射した時の減衰を計算すると、0.7 の 13 乗＝ てさらに微細化する方法である（Quad Patterning と呼 0.01 となり、光の利用率はわずかの 1 ％になってしまう。 ばれることもある）。すなわち、DP を 2 度行うと、1/2 × この光学系の厄介な問題は、プラズマから発生するデブ 1/2 で 1/4 となり、仮に 40nm の Litho の実力があれば、 リス（Debris；堆積物）が光学系を汚染することで、光源機器 10nm のパターンが得られることになる。現在、まじめに メーカーではいろいろな技術を開発して一応解決したとし 量産に導入する検討をしているメーカーもある。 ている。 図 9 に示すのは最先端の EUV 露光機であるが、一説では 2. 次ははたして EUV か？ 価格は 1 台 100 億円といわれている。もちろん、本格的な 露光波長は ArF エキシマレーザ（193nm）から、一挙に波 量産に使うには、数十台設置する必要がある！！！ 長 13.5nm の EUV（Extremely Ultra Violet）に短波長化するステッパが開発 されている。ただし、非常に問題が多く、 はたして実用機がいつ完成するのか業 界の大きな話題となっている。 （1）EUV ステッパとその光源 EUV の 最 大 の 問 題 点 は ス ル ー プ ッ トが低いことで、光源の出力を高める ことが要求されている。光源の方式に は、LPP（Laser Produced Plasma） と 、D P P（ D i s c h a r g e P r o d u c e d 図 8 EUV 光による露光装置の概念図 Plasma）の2種類が検討されているが、 実用化が早いと思われる LPP について 述べる。 す ず（Sn）を プ ラ ズ マ 化 す る と、 13.5nm の軟 X 線が発生するので、こ れ を 集 光 し て 利 用 し て い る。 図 8 の ように、数十μｍ径の Sn（すず）の液 滴を連続的に供給し、YAG レーザで膨 張させてミスト状にし、次いで炭酸ガ ス レ ー ザ で プ ラ ズ マ 化 す る。 発 光 は 360 度 放 射 さ れ る が、同 図 の よ う に、 半球状のミラーで反射して集光した光 を取り出す。この取り出すところを IF （Intermediate Focus；入射側結像点） と呼び、ここの光強度が 250 〜 500W 図 9 ASML 社の最新 EUV 露光機『NXE3300B』 31 （2）EUV マスクの欠陥対策 ンバを開けて洗浄する必要があり、非常に厄介なことにな EUV 露光機に使われるマスクは、Mo ／ Si 多層膜の反射 る。脱ガスのないフォトレジスト材料の開発が求められて 膜の上に、遮光パターンとして Ta（タンタル）系の TaBO ／ いる。 TaBN などが用いられる。ArF ステッパと同様にウエハに 光増感剤生成で感度アップについては、大阪大学産業科 対して 4 倍マスクである。 学研究所から注目すべき技術が発表されているので紹介し EUV 用のマスクは、Mo ／ Si 多層膜の内部に含まれる欠 ておく。図 11 のように 1 回目は EUV 光で露光するが、酸 陥の検出が非常に厄介である。実際にウエハに露光して見 の発生はごく少量である。この時、レジスト中に光増感剤 て検出するしか方法がない、という意見もある。また、ダス を発生させ、ついでこの増感剤を吸収する波長の光で全面 ト対策でペリクルを用いると EUV 光が 10 ％程度は吸収さ 露光すると 10 倍以上の酸が発生する。これにより、大幅な れ、入射と反射で 20 ％ロスが生じる。光源の強度を問題に 高感度化が可能になる。なお、この技術はまだ業界の十分 しているおりから、このロスは痛い。ペリクルなしですま な評価を受けていないようであるが期待したい。 す、という意見が強いが、はたしてそれで良いものか？ マスクの遮光膜は、数十 nm の Ta 系膜であるが、EUV 光 3. 期待される DSA の入射角が 6 °程度であるから、図 10 のようにシャドウ効 光や電子ビームをフォトレジストに照射するのとはまっ 果でパターン幅が影響される。設計時からこの効果を考慮 たく異なるメカニズムで微細パターンを作成する DSA が しておく必要がある。 注目されている。DSA とは、Directed Self Align（境界つ けされた自己整列）の略で、ポリマ（Polymer、高分子）を塗 （3）フォトレジストの問題 布して加熱すれば微細パターンが得られるという、実に楽 EUV 用のフォトレジストが各社から発表されているが、 しい方法である。ポリマとして、一般に PS（Polystyrene） 20nm 程度のパターンが得られた程度で、10nm が楽に達 と PMMA（Polymethylmethacrylate）の よ う な 水 と 油 成できるにはほど遠い。光源の出力が十分でないので、で のように相溶性が低く互いに反発するポリマを組み合わ きるだけフォトレジストの感度を向上させたいが、感度と せて 1 つのポリマにした、ジブロックコポリマ（Dibrock- 解像度はトレードオフの関係にあるので、両者を満足させ Copolymer）が用いられる。これを薄く塗布して加熱する る解は見つかっていないようである。露光機の都合では感 と、図 12 − A のように指紋状に等間隔に並んでくれる。こ 度として 10mJ/cm2 程度が要求されているが、10nm 代 のままでは LSI のパターンにならないが、図 12 − B のよう のパターンを得るには 30mJ/cm が必 2 要となって実用的にはまだ実力不足であ る。 さらに、フォトレジストに EUV 光があ たるとガスが発生するが、化学増幅型レジ ストでは S（硫黄）が含まれており、このガ スが光学系ミラーに付着すると真空チャ 図 11 光増感剤で EUV 露光の感度アップする 図 10 EUV 露光で問題になる 遮光膜の厚さによるケラレ 32 図 12 DSA による Line & Space Pattern などの形成 に障壁パターンを作成し、その上に PS － PMMA を塗布・熱 な技術であるが、ばかにしたものではなく、数 nm の超微細パ 処理すると、図 12 － C のように整列した Line ＆ Space の ターンが押印できる。モールド型を押した後、樹脂を固める パターンが得られる。比較的ラフなパターンをガイドにし には光と熱が用いられるが、加熱するとパターン寸法が狂う て、それより微細なラインが得られ、Line ＆ Space のピッ ので半導体用には光硬化が用いられる。アメリカの会社か チはポリマの分子量で決まる。直線状のラインしか得られ ら LSI 用の装置が発売されているものの、欠陥対策などが難 ていないが、一般の LSI には斜線はほとんどなく、図 12 − しく量産への実用化はかなり困難と見られているが、果敢に D のように横線でエッチングすれば LSI のパターンを得る 挑戦する企業もあり、NAND フラッシュメモリなどに使用さ ことができる。欠陥数を減らすなど、量産導入にはまだ問 れる可能性があるかもしれないので期待したい。 題が山積しているが、2016 年に一部のメモリに使われる 不揮発性メモリでは、フラッシュ・メモリの集積度がどん という意見もある。まず最初は図 13 に示したコンタクト どん上がっているが、それ以上の集積度を実現して先行し ホールに応用される可能性が高い。通常のフォトプロセス ているのが HDD（Hard Disc Drive）であり、ナノインプリ で径 60nm のホールをエッチングし、DSA でホールエッジ ント技術が活用されている。DSA と組み合わせて、10nm をカバーして径を 20nm にする方法は比較的簡単に量産可 以下の微細な磁気ドットパターンを 1 兆個以上もディス 能だろう。EUV のような高価な装置を必要としないので、 ク上にナノインプリントしている。レーザによる熱アシ 早急な実用化が望まれている。 ストを導入して磁性体の保磁力を下げて記録し、10Tb ／ inch2 の声も聞かれて、フラッシュ・メモリごときに追いつ 4. ナノインプリントの出番はあるか？ かれてなるものかと、HDD はドットパターンを微細化して がんばっている。 図 14 左は、3000 年前のメソポタミア時代に使われたは んこ（判子）で、柔らかい粘土板の上を転がして王様が押印し たものである。ナノインプリントも原理はこれと同じであ る。柔らかい樹脂の上にモールド型を押印するだけの単純 5. 電子ビーム直接描画にも注目 マスクの製作に電子ビームが用いられているが、この装 置をウエハへの描画に用いることができる。電子ビーム 直接描画ではマスクを作る必要がないので、マスクレス露 光（Mask Less Lithography：MLL とか ML2）と呼ばれ、 LSI の設計が終われば、ただちにリソグラフィ工程が行える ので多品種少量生産などには便利である。ただし、スルー プットが 1 時間 1 枚にも達しないのでは用途が限られてい る。そこで、図 15 のような電子ビームを 1 万本以上に分割 してウエハに照射するMulti Beam方式が開発されている。 図 13 DSA でコンタクトホールの開口を微細化する 図 14 ナノインプリントはハンコの原理だが 超微細パターンが可能 図 15 1 万本以上の Multi Beam による描画装置 33 現在の実力では、1 時間 1 枚程度で開発は難航しているよ 見もある。 うに思える。せめて 10 枚 / 時程度になれば、多品種少量生 こ れ ま で の リ ソ グ ラ フ ィ 技 術 の 進 展 と NGL（Next 産用に用いられる可能性があるだろう。ウエハの直接描画 Generation Lithography）技術のまとめを図 16 に示す。 ではないが、マスク製作用に 10nm のビームを 26 万本用 喜寿（77 歳）を迎えた筆者としては、革新的なリソグラフィ いた装置を開発しているメーカーもある。 技術により 10nm 時代を見てから冥途へ旅立ちできれば幸 いである。 6. さて結論として微細化の将来は？ 表 1 は、ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductor）2012 より抜粋したものであるが、 6 年後の 2020 年には 10nm の微細化メモリが生産され ていることになっている。はたしてどんなリソグラフィ技 術が用いられているのか？ EUV 技術が完成し生産用装置が得られれば、EUV が第 1 候補という意見が多い。ただし、まだまだスループット が低く、実用化は無理で、ArF ステッパで準備しておくとい う意見が多いようである。ArF ステッパによる Double や Quad の Multi Patterning は 工 程 数 が 増 え て 厄 介 だ が、 既存の技術の応用で行えるので生産導入は容易であろう。 ArF か EUV か？筆者も右を見たり左を見たり、どちらに軍 配を上げるか迷っている。 一方、さらに先走っていえば、EUV でも 13.5nm より微 細パターンを得るにはなんらかの超解像技術が要求される が、EUV の Double Patterning なら 10nm 以下も可能で あるとか、いっそ 6.5nm の波長の EUV（希土類元素 Gd；ガ ドリニウムのプラズマで得られる）を開発しようという意 表 1 2012 年 ITRS 図 16 Lithography 技術の変遷と NGL 34
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