フォトリソグラフィー

フォトリソグラフィーを経たシリコンウエハ

フォトリソグラフィー(光リソグラフィーとも呼ばれる)は、を用いてサンプル(通常はシリコンウェハ)上に堆積されたフォトレジスト層にパターンを転写するプロセスです。集積回路の製造に用いられます。

このプロセスは、フォトレジストと呼ばれる感光性材料を基板に塗布することから始まります。次に、所望のパターンが形成されたフォトマスクをフォトレジストの上に置きます。フォトマスクを通して光を照射すると、フォトレジストの特定の領域が露光されます。露光された領域は化学変化を起こし、現像液に溶解するか不溶かになります。現像後、エッチング化学蒸着物理蒸着めっき、またはイオン注入プロセスによってパターンがサンプルに転写されます。

フォトリソグラフィープロセスは、使用する光の種類によって、紫外線リソグラフィー、深紫外線リソグラフィー、極端紫外線リソグラフィー(EUVL)X線リソグラフィーなどに分類できます。使用する光の波長によって、フォトレジストに形成できる最小パターンサイズが決まります。通常は紫外線(UV)光が使用されます。[ 1 ]

フォトリソグラフィーは、固体メモリマイクロプロセッサなどの集積回路(ICまたはチップ)の半導体製造において最も一般的な方法です。数ナノメートルという極めて微細なパターンを作成できます。また、作成対象物の形状とサイズを正確に制御できます。ウェーハ全体にパターンを1回の工程で、迅速かつ比較的低コストで作成できます。複雑な集積回路では、ウェーハ上でフォトリソグラフィーサイクルを最大50回繰り返すこともあります。また、マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)の製造など、一般的な微細加工においても重要な技術です。しかし、フォトリソグラフィーは完全に平坦でない表面にマスクを作成するためには使用できません。また、すべてのチップ製造プロセスと同様に、極めてクリーンな動作環境が必要です。

フォトリソグラフィーは、パターン化された薄膜を生成するプロセスの総称であるマイクロリソグラフィーのサブクラスです。この広義のクラスに属する他の技術としては、可動電子ビームの利用、あるいはより稀ではありますが、ナノインプリント干渉磁場走査プローブなどがあります。より広義には、マイクロ構造およびナノ構造の誘導自己組織化と競合する可能性があります。[ 2 ]

フォトリソグラフィーは、フォトレジストのパターンを光に当てて作成するという点で、写真といくつかの基本原理を共有しています。光はレンズを通して直接投影するか、コンタクトプリントのように基板上に直接置いたマスクを照射することで得られます。この技術は、プリント回路基板の製造に使用される方法の高精度版とも言えます。この名称は、紙にリソグラフ印刷するための版を作成する従来の写真法との類似性から由来しています。 [ 3 ]しかし、このプロセスのその後の段階は、従来のリソグラフィーよりもエッチングとの共通点が多いです。

従来のフォトレジストは通常​​、樹脂、感光剤、溶剤の 3 つの成分で構成されています。

語源

photolithography という語源はいずれもギリシャ語で、それぞれ「光」、「石」、「書く」という意味です。これらの語源から生まれた名称からもわかるように、フォトリソグラフィーは光が重要な役割を果たす印刷方法(元々は石灰岩の版を用いる方法)です。

歴史

1820年代、ニセフォール・ニエプスは、天然アスファルトであるユダヤのビチューメンを最初のフォトレジストとして使用する写真プロセスを発明しました。金属、ガラス、石のシートにビチューメンを薄く塗布すると、光にさらされた部分の溶解性が低下します。次に、露光されていない部分を適切な溶剤で洗い流すと、下の材料が露出します。その後、酸性の浴槽で化学的にエッチングして印刷版を作成します。ビチューメンは光に対する感度が非常に低く、非常に長い露光時間が必要でしたが、後にもっと感度の高い代替品が導入されたにもかかわらず、低コストで強酸に対する優れた耐性があるため、20世紀初頭まで商業的に使用されました。

1940年、オスカー・ズースはジアゾナフトキノンを使ってポジ型のフォトレジストを開発した。これは逆の働きをするもので、最初は不溶性だったコーティングが光にさらされると可溶性になるというものだった。[ 4 ] 1954年、ルイス・プラムベック・ジュニアはダイクリルポリマー活版版を開発し、これにより製版工程が高速化された。[ 5 ]フォトレジストの現像は、かつては現像液に浸したウェーハのバッチ処理で行われていたが、現代のプロセスでは、プロセス制御を改善するために、一度に1枚のウェーハで現像を行う(シングルウェーハ処理)ようになっている。[ 6 ]

1957年、ジュール・アンドラスはベル研究所で働きながら、半導体製造のためのフォトリソグラフィープロセスの特許を取得しました。[ 7 ] [ 8 ]同じ頃、アメリカ陸軍通信部隊のモー・エイブラムソンとスタニスラウス・ダンコは回路を印刷する技術を開発しました。[ 8 ]

1952年、アメリカ軍は国立標準技術局(後の陸軍ダイヤモンド兵器信管研究所、最終的に現在の陸軍研究所に統合)のジェイ・W・ラソロプとジェームズ・R・ナルに、近接信管内の限られたスペースに必要な回路をうまく収めるため、電子回路のサイズを縮小する方法を見つけるという課題を与えた。[ 9 ]航空機の金属製翼のリベット穴の境界に印をつけるのに使用される感光性液体であるフォトレジストの応用からヒントを得て、ナルは、同様のプロセスを使用してトランジスタ内のゲルマニウムを保護し、光で表面をパターン化することさえできると判断した。[ 10 ]開発中に、ラソロプとナルは、この技術を使用してトランジスタを備えた2D小型ハイブリッド集積回路を作成することに成功した。[ 9 ] 1958年、ワシントンD.C.で開催されたIRE電子デバイス専門家グループ(PGED)会議で、彼らは写真技術を用いたトランジスタの製造について説明した最初の論文を発表し、そのプロセスを説明するために「フォトリソグラフィー」という用語を採用しました。これは、半導体デバイスのパターニングを説明するためにこの用語が初めて公表されたことを示しています。[ 10 ] [ 3 ]

電子部品のフォトリソグラフィーは、従来の石版印刷のように石をエッチングして「マスター」を作成するのではなく、金属の複製をエッチングするものであるにもかかわらず、ラサロップとナルは「フォトエッチング」ではなく「フォトリソグラフィー」という用語を選択しました。これは、前者が「ハイテク」という響きがするためです。[ 9 ]会議の1年後、ラサロップとナルのフォトリソグラフィーに関する特許は1959年6月9日に正式に承認されました。[ 11 ]フォトリソグラフィーは、後に最初の半導体ICと最初のマイクロチップの開発に貢献しました。[ 9 ]

プロセス

半導体微細加工のフォトリソグラフィー工程でポジ型フォトレジストを使用したドライエッチングの簡略図(縮尺どおりではありません)。

フォトリソグラフィーの1回の反復は、複数のステップを順番に組み合わせて行われます。現代のクリーンルームでは、自動化されたロボット式ウェーハトラックシステムを使用してプロセスを調整しています。[ 12 ]ここで説明する手順では、薄化剤などの一部の高度な処理は省略されています。[ 13 ]フォトリソグラフィープロセスは、ウェーハトラックとステッパー/スキャナーによって実行され、ウェーハトラックシステムとステッパー/スキャナーは並んで設置されています。ウェーハトラックシステムは、ウェーハコーター/デベロッパーシステムとも呼ばれ、同じ機能を果たします。[ 14 ] [ 15 ]ウェーハトラックは、装置内でウェーハを運ぶために使用される「トラック」にちなんで名付けられていますが、[ 16 ]現代の装置ではトラックは使用されていません。[ 15 ]

クリーニング

ウェーハ表面に有機または無機の汚染物質が存在する場合、通常は湿式化学処理(例えば、過酸化水素を含む溶液を用いたRCA洗浄法)によって除去されます。トリクロロエチレン、アセトン、メタノールなどを用いた他の洗浄液も洗浄に使用できます。[ 17 ]

準備

まず、ウェハ表面に存在する可能性のある水分を除去するのに十分な温度まで加熱します。150℃で10分間加熱すれば十分です。保管中のウェハは、汚染物質を除去するために化学的に洗浄する必要があります。ビス(トリメチルシリル)アミン(「ヘキサメチルジシラザン」、HMDS)などの液体または気体の「接着促進剤」を塗布して、フォトレジストとウェハの接着を促進します。ウェハ上の二酸化ケイ素の表面層はHMDSと反応してトリメチル化二酸化ケイ素を形成します。これは、車の塗装面のワックス層に似た、撥水性に優れた層です。この撥水性層は、水性現像液がフォトレジスト層とウェハ表面の間に浸透するのを防ぎ、(現像)パターンにおける微細なフォトレジスト構造のいわゆる「浮き上がり」を防ぎます。画像の現像を確実にするためには、カバーをかけてホットプレートの上に置き、温度を120℃に安定させながら乾燥させるのが最適です。[ 18 ]

フォトレジスト塗布

スピンコーティングによって、ウェハーはフォトレジスト液で覆われます。したがって、レジストの最上層はウェハーのエッジからすばやく押し出されますが、最下層はウェハーに沿ってゆっくりと放射状に進み続けます。このようにして、レジストの「バンプ」や「リッジ」が除去され、非常に平坦な層が残ります。ただし、粘性のある膜は、レジストが厚くなるとウェハーまたはフォトマスクのエッジに大きなエッジビードが生じる可能性があり[ 19 ]、その平坦化には物理的な限界があります。[ 20 ]多くの場合、エッジビード除去 (EBR) が実行され、通常はノズルが使用され、余分なレジストが除去されます。そうしないと、粒子汚染の原因となる可能性があります。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] 最終的な厚さは、レジストからの液体溶媒の蒸発によっても決まります。非常に小さく高密度の特徴 (< 125 nm 程度) の場合、高アスペクト比での崩壊効果を克服するために、より薄いレジスト厚 (< 0.5 ミクロン) が必要です。一般的なアスペクト比は 4:1 未満です。

フォトレジストを塗布したウェハは、次に、余分なフォトレジスト溶剤を飛ばすために、通常、ホットプレート上で90~100℃で30~60秒間プリベークされる。[ 24 ]フォトレジストを塗布する前に、BARCコーティング(下部反射防止コーティング)を塗布することがある。これは、フォトレジストの下での反射を防ぎ、45nm以下の微細半導体ノードでのフォトレジストの性能を向上させるためである。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]上部反射防止コーティング(TARC)も存在する。[ 28 ] EUVリソグラフィーは、金属酸化物を含むフォトレジストを使用できるという点で独特である。[ 29 ]

露出と開発

プリベーク後、フォトレジストは強烈な光のパターンに露光されます。露光によって化学変化が起こり、写真現像液に類似した「現像液」と呼ばれる特殊な溶液によってフォトレジストの一部が除去されます。最も一般的なポジ型フォトレジストは、露光すると現像液に溶解します。一方、ネガ型フォトレジストでは、露光されていない部分が現像液に溶解します。

露光後ベーク(PEB)は現像前に行われ、通常は入射光の干渉パターンによる破壊的および建設的パターンによって引き起こされる定在波現象を低減するのに役立ちます。深紫外線リソグラフィーでは、化学増幅型レジスト(CAR)が用いられます。このレジストは、光子が照射されると酸を生成し、その後「露光」反応(酸を生成し、ポリマーを現像液に溶解させ、酸によって触媒される化学反応を起こす)を起こすため、PEBの時間、温度、遅延の影響を非常に受けやすいです。この反応は主にPEBで起こります。[ 30 ] [ 31 ]

現像液は、フォトレジストと同様にスピナーで塗布されます。当初、現像液には水酸化ナトリウム(NaOH)が含まれていることが多かったのですが、ナトリウムはゲート酸化膜の絶縁特性を劣化させるため、MOSFET製造において極めて望ましくない汚染物質とされています(具体的には、ナトリウムイオンがゲートに出入りすることでトランジスタの閾値電圧が変化し、時間の経過とともにトランジスタのオン/オフが難しくなったり、容易になったりする)。現在では、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)などの金属イオンを含まない現像液が使用されています。現像液の温度は、ジャケット付き(二重壁)ホースを用いて0.2℃以内の精度で厳密に制御される場合もあります。[ 6 ]現像液でウェハを塗布するノズルは、必要な現像液の量に影響を与える可能性があります。[ 32 ] [ 15 ]

得られたウェーハは、非化学増幅型レジストを使用した場合、通常120~180℃ [ 33 ]で20~30分間「ハードベーク」されます。このハードベークにより、残留フォトレジストが固化し、将来のイオン注入ウェットケミカルエッチング、またはプラズマエッチングにおいてより耐久性の高い保護層が形成されます。

準備段階からこの段階に至るまで、フォトリソグラフィー工程は2つの機械、すなわちフォトリソグラフィーステッパーまたはスキャナとコータ/デベロッパによって行われてきました。これら2つの機械は通常、隣り合って設置され、「連結」されています。[ 34 ] [ 27 ] [ 35 ]

エッチング、インプラント

エッチングでは、液体(ウェット)またはプラズマ(ドライ)の化学薬品を用いて、フォトレジストで保護されていない基板の最上層を除去します。半導体製造においては、フォトレジストパターンの大幅なアンダーカットを防ぐために、異方性を持たせることができるドライエッチング技術が一般的に用いられます。これは、定義するパターンの幅がエッチング対象材料の厚さと同程度かそれ以下である場合(つまり、アスペクト比が1に近い場合)に不可欠です。ウェットエッチングプロセスは一般的に等方性であるため、吊り下げられた構造を下層から「剥離」する必要が あるマイクロエレクトロメカニカルシステム( MEMS)では、しばしば不可欠な要素となります。

低欠陥の異方性ドライエッチングプロセスの開発により、レジストにフォトリソグラフィで定義されたさらに小さな特徴を基板材料に転写できるようになりました。

フォトレジスト除去

フォトレジストが不要になったら、基板から除去する必要があります。通常は、レジストを化学的に変化させて基板に付着しないようにする液体の「レジスト剥離剤」が必要です。あるいは、酸素を含むプラズマでフォトレジストを酸化させることで除去することもできます。このプロセスはプラズマアッシングと呼ばれ、ドライエッチングに似ています。1-メチル-2-ピロリドン(NMP)溶剤をフォトレジストに使用する方法も、画像を除去するために使用されます。レジストが溶解したら、80℃に加熱することで溶剤を残留物なく除去できます。[ 36 ]

露光(「印刷」)システム

365 nm の紫外線を使用するアライナーのウェーハ トラック部分。

露光装置は通常、フォトマスクを用いてウェハ上に像を投影します。フォトマスクは、光を一部の領域で遮断し、他の領域では透過させます。(マスクレスリソグラフィーは、マスクを使用せずに正確なビームをウェハ上に直接投影しますが、商業プロセスでは広く使用されていません。)露光装置は、マスクからウェハへ像を転写する光学系によって分類されます。

フォトリソグラフィーは、印刷層がより滑らかで、パターンの波が少なく、ドレイン-ソース電極の位置合わせがより正確であるため、プリンテッドエレクトロニクスよりも優れた薄膜トランジスタ構造を生成します。 [ 37 ]

接触と近接

最もシンプルな露光システムであるコンタクトアライナーは、フォトマスクをウェハに直接接触させ[ 38 ]、均一な光で露光します。プロキシミティアライナーは、フォトマスクとウェハの間に約5ミクロンの小さな隙間を設けます[ 38 ] 。どちらの場合も、マスクはウェハ全体を覆い、すべてのダイを同時にパターン化します。

コンタクトプリンティング/リソグラフィーはマスクとウェハの両方に損傷を与える可能性があり[ 38 ]、これが量産に使用できなくなった主な理由です。コンタクトリソグラフィーとプロキシミティリソグラフィーのどちらも、ウェハ全体にわたって光強度を均一にし、マスクをウェハ上の既存のパターンに正確に位置合わせする必要があります。現代のプロセスではウェハの大型化が進むにつれて、これらの条件はますます困難になっています。

研究および試作プロセスでは、安価なハードウェアを使用し、高い光学解像度を実現できるため、接触リソグラフィまたは近接リソグラフィがしばしば用いられます。近接リソグラフィの解像度は、波長とギャップ距離の積の平方根にほぼ等しくなります。したがって、投影リソグラフィ(下記参照)を除き、ギャップ距離がほぼゼロ(フォトレジスト自体の厚さを無視した場合)となる接触印刷が最も高い解像度を提供します。さらに、ナノインプリントリソグラフィは、特に所有コストが低いことが期待されるため、この馴染み深い技術への関心を再び呼び起こす可能性があります。しかしながら、上述の接触印刷の欠点は依然として課題として残っています。

投影

超大規模集積回路(VLSI)リソグラフィでは、投影露光システムが使用されます。ウェーハ全体を覆うコンタクトマスクやプロキシミティマスクとは異なり、投影露光マスク(「レチクル」と呼ばれる)は、ウェーハの一部に1つのダイまたはダイの配列(「フィールド」と呼ばれる)のみを一度に投影します。投影露光システム(ステッパーまたはスキャナー)は、マスクをウェーハに何度も投影し、投影ごとにウェーハの位置を変更することで、完全なパターンを作成し、ウェーハ全体にパターンを形成します。ステッパーとスキャナーの違いは、露光中にスキャナーがフォトマスクとウェーハを同時に移動するのに対し、ステッパーはウェーハのみを移動する点です。コンタクトマスク、プロキシミティマスク、および投影露光マスクアライナーはステッパーより前に登場しました[ 39 ] [ 40 ]。マスクアライナーは露光中にフォトマスクもウェーハも移動せず、ウェーハ全体を覆うマスクを使用します。液浸リソグラフィスキャナーは、レンズとウェーハの間に超純水の層を使用して解像度を向上させます。フォトリソグラフィの代替として、ナノインプリントリソグラフィがあります。ウェーハ上に投影できる画像の最大サイズは、レチクル限界と呼ばれます。

フォトマスク

マスクの画像は、コンピュータ化されたデータファイルから生成されます。このデータファイルは、一連のポリゴンに変換され、フォトリソグラフィープロセスを用いて、クロム層で覆われた正方形の溶融石英基板に書き​​込まれます。レーザービーム(レーザーライタ)または電子ビーム(電子ビームライタ)を用いて、データファイルで定義されたパターンを露光します。このビームは、ベクタースキャン方式またはラスタースキャン方式で基板表面上を移動します。マスク上のフォトレジストが露光された箇所では、クロムをエッチングで除去することで、ステッパー/スキャナシステムの照明光が通過できる経路を確保できます。

投影システムの解像度

フォトリソグラフィークリーンルームでは、フィルター付き蛍光灯、黄色LED、または低圧ナトリウム照明が使用され、フォトレジストへの感光を防ぐため、紫外線や青色光は含まれていません。これらの照明器具から放射される光のスペクトルは、事実上すべてのクリーンルームを明るい黄色に染めます。
部分コヒーレンスにおける回折次数スペクトル。部分コヒーレンス設定において、ラインスペースパターン(ピッチ<3 波長/NA)の回折次数スペクトル(最大3次)を、異なる照明角度を示す異なる色で表示します。

微細構造の鮮明な像をウェハ上に投影する能力は、使用される光の波長と、照明されたマスクから十分な回折次数を捕捉できる縮小レンズシステムの能力によって制限されます。現在の最先端のフォトリソグラフィーツールは、波長248nm(KrF)および193nm(ArF)のエキシマレーザーからの深紫外線(DUV)を使用しており(今日の主流のリソグラフィー技術は「エキシマレーザーリソグラフィー」とも呼ばれています)、これにより最小構造サイズは50nmまで可能です。このように、エキシマレーザーリソグラフィーは、過去20年間、ムーアの法則 の継続的な発展において重要な役割を果たしてきました(下記[ 41 ]を参照)。

投影システムが印刷できる最小の特徴サイズは、おおよそ次のように求められます。

CD1λ{\displaystyle CD=k_{1}\cdot {\frac {\lambda }{NA}}}

ここで、 は最小特徴サイズ臨界寸法ターゲット設計ルール、または「ハーフピッチ」とも呼ばれます)、は使用される光の波長、 はウェーハから見たレンズの 開口数です。CD{\displaystyle \,CD}λ{\displaystyle \,\lambda }{\displaystyle \,NA}

1{\displaystyle \,k_{1}}(一般にk1 係数と呼ばれる) は、プロセス関連の要因をカプセル化する係数であり、通常、製造では 0.4 になります。 (は、実際には、レチクルへの入射光の角度や入射光強度分布などのプロセス要因の関数です。プロセスごとに固定されています。)計算リソグラフィーを通じてこの係数を減らすことで、最小特徴サイズを縮小できます。1{\displaystyle \,k_{1}}

照明方向の影響。軸上照明は高いコントラストを実現しますが、最小ピッチを解像できるのは軸外照明のみです。
レイリー基準は、投影された画像内の 2 点間の距離を維持するための最小の分離を定義します。

この式によれば、最小特徴サイズは波長を短くし、開口数(NA)を大きくすることで(より集光されたビームとより小さなスポットサイズを実現することで)、小さくすることができます。しかし、この設計方法は相反する制約に直面することになります。現代のシステムでは、焦点深度も問題となります。

DF2λ2{\displaystyle DOF=k_{2}\cdot {\frac {\lambda }{\,{NA}^{2}}}}

ここで、もう一つのプロセス関連の係数を示します。焦点深度は、フォトレジストの厚さとウェーハ上のトポグラフィの深さを制限します。 高解像度リソグラフィ工程の前に、トポグラフィを平坦化するために 化学機械研磨( CMP)がよく使用されます。2{\displaystyle \,k_{2}}

古典光学では、レイリーの基準によりk1=0.61となる。[ 42 ]波長/NAの1.22倍未満離れた2点の像は、その距離を維持できず、 2点のエアリーディスク間の干渉により拡大する。ただし、2点間の距離はデフォーカスによっても変化する可能性があることも忘れてはならない。[ 43 ]

照明は、同じ物体 (この場合は 1 本の明るい線) の画像の見かけのピッチに大きな影響を与える可能性があります。
短縮されたフィーチャの直線エッジは、ピッチが両方向に減少するため、湾曲したエッジに歪んでしまいます。
ギャップ幅とハーフピッチ。ラインピッチが狭いほど、ラインの両端のギャップ(ピッチに垂直な方向)は広くなります。

二次元的な文脈においても、解像度は重要ではありません。例えば、線ピッチが狭くなると、線端間の(垂直方向の)隙間が広くなります。[ 44 ] [ 45 ]より根本的な問題として、xピッチとyピッチの両方が解像度の限界に近づくと、長方形の形状が短くなり、直線のエッジが丸くなります。[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]

先端ノードでは、波長ではなくぼかしが解像度を制限する主要な要因となる。最小ピッチはぼかしσ/0.14で与えられる。[ 50 ]ぼかしは線量[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]および量子収率[ 54 ]の影響を受け、 EUVの場合は確率的欠陥とのトレードオフが生じる。[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]

確率的影響

DUV で撮影された特徴 (左) は、EUV で撮影された特徴 (右) よりもエッジ位置の変動がはるかに少なくなっています。

光は光子で構成されているため、低線量では画質は最終的に光子数に依存します。これは極端紫外線リソグラフィー(EUVL)の使用に影響を与え、EUVLでは20光子/nm 2程度の低線量の使用に制限されています。[ 58 ] これは、波長が短い(光子あたりのエネルギーが高い)ほど、同じエネルギー線量でも光子数が少なくなるためです。画像を構成する光子数が少ないと、エッジの配置にノイズが発生します。[ 59 ]

光子は複数の光源点に分割されます。照射線量を構成する光子は、瞳孔内に配置された光源点(ここでは2点)に均等に分割されます。

確率的効果は、回折次数が多く、照明光源点が多くなるにつれて、ピッチパターンが大きくなるほど複雑になる。[ 60 ] [ 61 ]

EUVリソグラフィーにおける二次電子は確率的特性を悪化させる。[ 62 ]

光源

リソグラフィの進化の軌跡の一つは、より短波長の光源の利用です。注目すべきは、同じ光源が複数の技術世代にわたって使用される可能性があることです。

歴史的に、フォトリソグラフィーでは、水銀を使用したガス放電ランプからの紫外線が使用されており、キセノンなどの希ガスと組み合わせて使用​​されることもありました。これらのランプは、紫外線領域にいくつかの強いピークを持つ広いスペクトルの光を発します。このスペクトルは、単一のスペクトル線を選択するためにフィルタリングされます。1960年代初頭から1980年代半ばにかけて、436 nm(「g線」)、405 nm(「h線」)、および365 nm(「i線」)のスペクトル線を持つ水銀ランプがリソグラフィーに使用されていました。しかし、半導体業界では、より高い解像度(より高密度で高速なチップを製造するため)とより高いスループット(低コストのため)の両方が求められ、ランプベースのリソグラフィーツールでは、もはや業界のハイエンドの要件を満たすことができませんでした。

この課題は、1982年にIBMでカンティ・ジェインがエキシマレーザーリソグラフィーを提案し、実証したことで克服されました。 [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ]エキシマレーザーリソグラフィー装置(ステッパーとスキャナー)はマイクロエレクトロニクス製造の主要ツールとなり、チップ製造における最小特徴サイズを1990年の800ナノメートルから2018年には7ナノメートルに縮小することを可能にしました。[ 67 ] [ 68 ]さらに広い科学的および技術的観点から、1960年の最初の実証以来の50年間のレーザーの歴史において、エキシマレーザーリソグラフィーの発明と開発は大きなマイルストーンとして認識されています。[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]

リソグラフィーシステムで一般的に使用されている深紫外線エキシマレーザーは、波長248 nmのフッ化クリプトン(KrF)レーザーと波長193 nmのフッ化アルゴンレーザー(ArF)です。1980年代のエキシマレーザー光源の主要メーカーは、Lambda Physik(現在はCoherent, Inc.の傘下)とLumonicsでした。1990年代半ば以降、Cymer Inc.がリソグラフィー装置メーカーへのエキシマレーザー光源の主要サプライヤーとなり、Gigaphoton Inc.が最大のライバルとなっています。一般的に、エキシマレーザーは特定のガス混合物で動作するように設計されているため、波長を変更することは容易ではありません。新しい波長を生成する方法が全く異なるため、材料の吸収特性が変化するからです。例えば、空気は波長193 nm付近で吸収が著しくなり始めますが、193 nm未満の波長に移行するには、リソグラフィー装置に真空ポンプとパージ装置を設置する必要があり、これは大きな課題です。配管工事を不要とするため、真空の代わりに不活性ガス雰囲気が使用されることがあります。さらに、二酸化ケイ素などの絶縁材料は、バンドギャップよりも高いエネルギーの光子に曝露されると、自由電子と正孔を放出し、結果として悪影響のある帯電を引き起こします。

光リソグラフィーは、193 nm ArFエキシマレーザーと液浸技術を用いることで、50 nm未満の微細加工まで拡張されています。液浸リソグラフィーとも呼ばれるこの技術は、開口数(NA)が1.0を超える光学系の使用を可能にします。使用される液体は通常、超純水で、レンズとウェハ表面との間の通常の空隙よりも高い屈折率を実現します。この水は継続的に循環され、熱による歪みを除去します。水ではNAは最大約1.4までしか実現できませんが、より高い屈折率を持つ液体を使用することで、実効NAをさらに高めることができます。

リソグラフィ波長の変更は吸収によって大きく制限されます。空気は 185 nm未満の波長を吸収します。

現在の露光システムと同様に、F2エキシマレーザーの157 nm波長を使用する実験ツールが構築されています。これらはかつて、65 nmフィーチャーサイズノードで193 nmリソグラフィーの後継となることを目標としていましたが、液浸リソグラフィーの導入により、現在ではほぼ廃止されています。これは、157 nm技術に根強い技術的問題と、193 nmエキシマレーザーリソグラフィー技術の継続使用を強く促す経済的な考慮によるものです。高屈折率液浸リソグラフィーは、193 nmリソグラフィーの最新の拡張として検討されています。2006年には、IBMがこの技術を使用して30 nm未満のフィーチャーを実証しました。[ 72 ]これらのシステムでは、CaF2フッ化カルシウムレンズが使用されました [ 73 ] [ 74 ] 157 nmでの液浸リソグラフィーが研究されました。[ 75 ]

UV エキシマレーザーは、約 126 nm (Ar 2 *の場合) まで実証されています。水銀アークランプは 50 ~ 150 ボルトの安定した DC 電流を維持するように設計されていますが、エキシマレーザーはより高い解像度を備えています。エキシマレーザーはガスベースの照明システムで、通常は電界で充電される不活性ガスおよびハロゲン化物ガス (Kr、Ar、Xe、F、Cl) が充填されています。周波数が高いほど、画像の解像度が高くなります。KrF レーザーは 4 kHz の周波数で動作できます。より高い周波数で動作することに加えて、エキシマレーザーは水銀アークランプよりも高度な機械と互換性があります。また、より長い距離 (最大 25 メートル) から動作することができ、一連のミラーと反射防止コーティングされたレンズで精度を維持することができます。複数のレーザーとミラーを設置することでエネルギー損失を最小限に抑え、またレンズに反射防止材をコーティングすることで、レーザーを発した光がウェハに当たるまでの光の強度をほぼ一定に保つことができます。[ 76 ]

レーザーは、極端紫外線リソグラフィー用の13.5nmの非コヒーレント極端紫外線(EUV)光を間接的に生成するために使用されてきた。EUV光はレーザーから放射されるのではなく、エキシマレーザーやCO2レーザーによって励起されたスズまたはキセノンプラズマから放射される [ 77 ]この技術はシンクロトロンを必要とせず、EUV光源は前述のようにコヒーレント光を生成しない。しかし、X線スペクトルの端(10nmから始まる)の紫外線を扱うには、真空システムといくつかの新しい技術(現在生成されるよりもはるかに高いEUVエネルギーを含む)が必要である。2020年現在、EUVはTSMCやSamsungなどの最先端のファウンドリによって量産使用されている。

理論的には、特に波長が極端紫外線やX線へとさらに短くなる場合、フォトリソグラフィーの代替光源として自由電子レーザー(X線装置の場合はXASER)が考えられます。自由電子レーザーは、任意の波長で高品質のビームを生成することができます。

可視光および赤外フェムト秒レーザーもリソグラフィーに応用されています。この場合、多光子吸収によって光化学反応が開始されます。これらの光源の利用には多くの利点があり、真の3Dオブジェクトの製造や、優れた光学的弾力性を持つ非感光性(純粋)ガラス状材料の加工が可能になります。[ 78 ]

実験方法

フォトリソグラフィーは長年、その終焉の予測を覆し続けてきました。たとえば、1980年代初頭までに、半導体業界では1ミクロン未満の特徴を光学的に印刷することは不可能であると多くの人が信じるようになりました。エキシマレーザーリソグラフィーを使用する最新の技術では、使用する光の波長の数分の1の寸法の特徴をすでに印刷しています。これは驚くべき光学的偉業です。液浸リソグラフィー、デュアルトーンレジスト、マルチパターニングなどの新しい技術は、193 nmリソグラフィーの解像度を向上し続けています。一方、現在の研究では、電子ビームリソグラフィーX線リソグラフィー極端紫外線リソグラフィーイオンプロジェクションリソグラフィーなど、従来のUVの代替手段が模索されています。極端紫外線リソグラフィーは、2018年にサムスン[ 79 ]によって量産に入り、他のメーカーも追随しています。

超並列電子ビームリソグラフィーはフォトリソグラフィーの代替として研究され、TSMCによってテストされたが成功せず、この技術の主な開発者であるMAPPERの技術はASMLによって購入されたが、電子ビームリソグラフィーは一時期IBMによってチップ製造に使用されていた。[ 80 ] [ 81 ]電子ビームリソグラフィーはフォトマスク製造などのニッチな用途にのみ使用されている。[ 82 ] [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]

経済

2001年のNISTの出版物では、フォトリソグラフィープロセスがウェーハ処理コスト全体の約35%を占めていると報告されています。[ 87 ]:11

2021年、フォトリソグラフィー業界の価値は80億ドルを超えました。[ 88 ]

参照

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