<4D F736F F D20838A835C834F CC B94C52D32>

Transcription

1 第 2 編リソグラフィ WG 第 1 章はじめに 1-1 背景 ITRS ならびに STRJ のロードマップには デバイスメーカ主体の観点で今後のデバイスの将来像が描かれている これはその将来のデバイスの実現のために それぞれの技術研究開発を集約し市場にデバイスが供給可能な体制をいつまでに整える必要があるかを明示している 図 デバイス量産立ち上がりカーブ Figure Production Ramp Curve 図 には ITRS のロードマップにおいて デバイスの量産立ち上がり時期とテクノロジーのサイクルタイミングを明示している このある微細化によるデバイスの量産が 少なくとも2つのデバイスメーカによって最初に月産 10,000 個以上の生産が開始される時期をその微細化のテクノロジーの生産導入時期とみなす それまではそのテクノロジーの開発期間であり その時点の 12 ヶ月前までに Production Tool つまり量産機が市場に投入されること また 24 ヶ月前にはβ 機が そしてその前にはα 機が利用可能であることを必要とすることが示されている このリソグラフィ装置技術ロードマップでは デバイスメーカから要求されるリソグラフィ装置 と その装置を実現するために必要な技術開発 課題と解決策や候補 装置メーカからの提言 を示す またこのロードマップを 業界関係者間の技術情報の共有 に役立てたいと考えている 2012 年度版では ITRS2011 に合わせた改訂と共に 章構成の見直し 新規露光技術の 1

2 体系付けの見直しなどの改訂を行った 1-2 ロードマップの意義と期待する効果この装置技術ロードマップは 一般のロードマップに当てはまるように次のような意義を持つ 1. ビジョンと目標の明確化と共有 2. 実践プロセスの相互理解と役割の明確化 3. 製品目標の発見と創生 ( 仮説 論理 シナリオ ) 4. コミュニケーションの促進 ( 自律と協調 ) 5. 鳥瞰的な全体理解 ( 納得 確信 ) 6. 競争と協調の調整 ( 公開することによる共生 ) 7. 資源の有効活用 ( 重複投資回避 ) このリソグラフィ装置技術ロードマップでは 特に微細化を行う上で技術障壁が高くなってきている昨今において SEAJ を中心とした半導体関連装置メーカやデバイスメーカ 材料メーカのみならず 国立研究機関 大学 また国レベルでの情報と知識の共有をすることによってお互いのビジョンを明確化することができる またそれぞれの立場から相互の理解を促進し それぞれの役割を明確にすることをもたらし そのためのコミュニケーションの促進を図ることができるものと考える 今後の複雑で入り組んだ技術開発の過程を鳥瞰し それぞれのアクティビティの位置付けができる全体理解につなげ ひいては重複投資を回避した効率の良い開発の推進になる筈である こうした情報を公開することにより競争と協調の調整を図り お互いの共生を実現するものである これによる期待効果としては (1) 基礎研究や技術開発を 効率良く分担できる 必要な要素開発をロードマップに記述することにより 例えば開発内容によって 基礎研究の領域は : 国立研究所や大学で プリコンペティティブな開発領域は : コンソーシアム等で プリコンペティティブとコンペティティブの中間領域は : 装置メーカの共同開発で コンペティティブな開発領域は : 個別装置メーカで 分担することができる 特にプリコンペティティブな開発領域での各機関の協力と協調は 時間が限られている開発期間内に効率よく開発を進める上で効果的である 注 : プリコンペティティブとは 量産化へ向けた解決策が示され 実用化が近いが 未だ業界で競合状態にはなっていない状態を表す (2) リソグラフィ装置のコンポーネントメーカ 部品メーカ 材料メーカ マスクおよびマスク関連機器メーカ レジストおよびレジスト関連機器メーカ等の皆様の開発計画策定に役立つものと考えている (3) 将来露光技術として複数の方式が提案 検討されている ここではそれらの方式 特徴 2

3 得意分野などについて解説を行うと共に 可能な限り現状及び今後の開発課題を明示した また参考文献等のリストも掲載しており 各方式理解と協調の一助になれば幸いである 1-3 まとめと謝辞昨今のようにデバイス 製造装置共に産業競争力が低下している状況では 技術情報の共有による開発の効率化に有効利用できる装置技術ロードマップの作成とその浸透が急務である 本リソグラフィ装置技術ロードマップをご覧になった方々から多くのご意見ご指摘を賜り アップデートしていきたい 多くの皆様に有効活用されることを切に願う次第である 謝辞 : リソグラフィに関しては ワーキンググループ委員以外多数の方々から原稿執筆のご協力を頂きました この場を借りて厚くお礼申し上げます また原稿作成に当たり多くのご助言 ご意見を賜りました 半導体技術ロードマップ委員会 (STRJ) の皆様 selete EUVA,EIDEC を初めとするコンソーシアの皆様ならびに資料を提供下さった各装置メーカ及び リソグラフィ関係企業の皆様に感謝致します 第 2 章技術概要 2-1 検討範囲対象とするロードマップは ITRS2011 をベースとし 原則として 2012 年 MPU/DRAM の 32nm および Flash の 20nm から 2018 年 MPU/DRAM の 15-16nm および Flash の 12nm ハーフピッチまでを対象範囲とした また 表記方法として 年代と DRAM ハーフピッチ Flash ハーフピッチ MPU は1 層メタルのハーフピッチを採用しており リソグラフィ装置ではより細かな時間軸区分が必要であるため 1 年毎のロードマップとした ( 図 参照 : DRAM ハーフピッチ 2012 年 32nm, 2015 年 23nm,2018 年 16nm とした ) リソグラフィ方式としては 現在 我が国で検討 開発されている技術を中心に記述し また新規露光技術方として提案されてきている技術の紹介とそれぞれの方式と位置付けを明確にした また露光装置のみではなく関連技術である光源技術 マスク描画技術 マスク修正技術 コータデベロッパなどに関しても検討を行った また露光技術に重要な役割を果たすレジスト データ変換についても最新の状況へのアップデートと今後の課題の記述を盛り込んだ 32nm ハーフピッチ以細のソリューションとしてすでに量産技術として実用化されているダブルパターニング (DP) ついては技術開発されている様々な方式に関し検討を加えた さらに微細化を進めるために必要なマルチプルパターニング (MP) に関してもダブルパターニングの説の中で一部解説を行った 3

4 32nm ハーフピッチ以細のポテンシャルソリューションとして掲げられている EUV, インプリント ML2. Directed Self Assembly に関し 開発の現状と課題 展望に関し検討を行なった これらの新規技術は 困難度が高く 実用化までに時間を必要とするため 最近では DFM( Design For Manufacturability) や Computational Lithography を駆使して 微細化技術の延命を図る動きも目立つ様になって来た DFM と Computational Lithography についても 解説を行なった 2-2 検討項目 内容各リソグラフィ技術の技術動向を把握し ITRS2011 ロードマップの対応へむけての課題 その解決策を検討した その際 デバイスロードマップにおける顕著な傾向である下記の 3 点は装置技術ロードマップ作成に多大な影響を与えるものであり 背景として考慮した (1) 三つのテクノロジードライバ ITRS2011 では ITRS2009 に引続き 次の3 種類のデバイスに必要とされる最小線幅サイズを表記する方式が採用されている その一つは DRAM ハーフピッチでありこれまで通り汎用デバイスの代表とされてきた汎用メモリである その次には Flash ハーフピッチであり近年量産が顕著なフラッシュメモリは DRAM とのデバイス構造の違いから同一の世代のテクノロジーを用いると DRAM よりも細かい微細化が可能であることから区別して表記されるようになっている ITRS2009 では DRAM よりも約 3 年早い微細化実用時期が示されていたが ITRS2011 では DRAM よりも約 4 年早い微細化実用時期が示されている そして3つ目には MPU の 1 層メタルのハーフピッチである MPU の大規模化と高速動作を実現するため Gate CD(Critical Dimension: 線幅 ) の微細化が重要となっており それに伴い 1 層メタルのハーフピッチの微細化が重要になっている 但し最近では微細化を計画通りに進めるのが難しくなって来ており 実情に合わせ ロードマップの微細化のスピードが緩和されており 多方面のロードマップに大きな影響を及ぼすようになりつつある (2) 生産構造の変化と露光方式の多様化現在 多くの国内デバイスメーカは 業界での生き残りを掛けて 選択と集中を強化し 半導体生産の主力を主要製品に特化する傾向が見られるようになってきた DRAM に特化するメーカ フラッシュメモリを中心に生産拡大を図るメーカ 先端プロセスの開発 量産を行わず Foundry 企業に生産を委託する Fab Light 方式に方針を転換し システム開発に重点を置く SoC(System on Chip: システムオンチップ ) メーカ パワー半導体 LED 光センサなど特定製品を中心に事業展開を図るメーカなど様々なメーカが鎬を削っている 一方 海外には汎用メモリや MPU を主力製品とし少品種 大量生産を中心とする半導体メーカ 半導体の生産受託に特化したファンドリ 生産を外部に委託し設計 企画でビジネス拡大を目指すファブレス また設計から完成品の製造を手掛け販売会社に供給する ODM (Original Design Manufacturing ), EMS(Electronics Manufacturing Service ) など様々 4

5 なビジネスモデルが立ち上がり 生産構造も大きく変化しつつある 装置メーカはこれらのすべての要求にこたえる必要がある 汎用メモリや MPU が 少品種大量生産 であるのに対して SoC をはじめとする多くの分野の製品群は 多品種小中量生産 になると言われている この生産構造の変化が 技術の選択として最適露光方式の多様化を産んだといえる (3) リソグラフィ技術の障壁の高さと複雑さ今後リソグラフィ技術の発展には 従来よりも多くの内容 項目が開発課題として存在することが認識されており その技術が確立されるためには主要な課題が全て解決されていなければならない つまりインフラストラクチャーの整備が必須となる 特に 193nm(ArF) 以降のリソグラフィでは その障壁が高くなるばかりか課題も多く存在し その克服のために一段と装置の複雑さを必要としている こうした背景があるなかで課題と解決策を明確にして取り組むことが重要である 第 3 章技術要求 予測 課題 3-1 リソグラフィ方式の概説と全体ロードマップ 表 に 16nm ハーフピッチまでに実用化される技術の候補を示す これまでは汎用メモリの量産に適した光リソグラフィが主流であったが 微細化の加速により将来リソの候補として光方式以外にも様々な方式が提案されている 今後は解像度のみならず生産規模や目的 用途に応じた使い分けがなされていく可能性が有る リソグラフィ方式は大別して光リソグラフィと電子ビーム (EB) リソグラフィと Imprint DSA (Directed Self Assembly) などのその他の方式の3 通りに分けられる DSA は 単独では先端半導体の加工には用いられず 他のリソグラフィプラットフォームと組み合わせて使われる見通しである また 16nm ハーフピッチまでの量産実用化が現時点では 不明の為 表には記載していない 光リソグラフィとして実績のある光露光装置は微細化に対応して短波長化が進み 現在は 248nm 193nm といったエキシマレーザを光源とする露光装置が実用化され その延長として液浸技術の開発が進められている さらに1 桁以上短波長の光を用いた EUV リソグラフィ方式は以前から実用化を目指した研究が取り組まれている 光リソグラフィの特徴はスループットが高く大量生産に適している事である 表 リソグラフィ方式 Table Lithography Technology 5

6 リソグラフィ名称 Lithography 方式 波長 Wave length マスク ( 倍率 ) Mask Mag. 248nm(KrF) 248nm(KrF) 4 193nm(ArF) 193nm(ArF) 4 193nm 液浸 (ArF Immersion) 光 134nm Optical 等価波長 (H 2 O ) 4 EUVL(Extreme Ultra Violet Lithography) 13.5nm 4 不要 (not ML2(Mask Less Lithography) EB 0.05nm * ) required) Imprint Lithography 不要 (not required) 1 *) 電子のド ヴロイ波長 ( 解説 5-2. 参照 ) EB 露光は微細加工能力を生かし マスク製作手段への利用と共に先端デバイス R&D 用として既に確立された技術である 近年 半導体製造に適した高スループット対応 EB 露光方法として 様々な方式が提案されて来たが 2011 年 ITRSでは ML2(Maskless Lithography) のみが 23nm ハーフピッチ以細のポテンシャル ソリューションとして提案されている EB 露光は解像度が高く 光露光が比較的苦手な CH( コンタクトホール ) 露光等で威力を発揮する また ML2 はデバイス毎にマスクを製造する必要がないため マスクの製造 TAT(Turn Around Time) が問題となるデバイス生産や次世代デバイスの開発 試作に適した方式である ここでは デバイスの多様化に伴い 開発 生産 販売などの形態が変化する状況を考慮し 現在提案されている露光方式の特徴から 各種適用の可能性を検討した (1) 少品種大量生産従来からの主力である DRAM フラッシュメモリや MPU 等 少品種大量生産されるものは スループットの高い光露光装置が適している 現在実用化されている 193nm リソグラフィ 液浸技術 DP(Double Patterning) に続いて MP(Multiple Patterning),EUV(Extreme Ultraviolet) が候補として挙げられる (2) 多品種小中量生産 SoC など多品種小中量生産のデバイスはスループットに対する要求は前者ほど厳しくなく むしろカスタム性が高いため多品種への対応のしやすさ ( 主にマスクコスト低減 マスク製造リードタイム短縮 ) やメモリとロジックが混在する半導体チップへの対応が強く要求される 現状 6

7 の DUV(Deep Ultraviolet) 光による光露光方式に代わる次世代技術として 高解像性が既に実証済みでマスクを使用しない ML2 といった EB リソグラフィ方式が提案されている (3) 試作 特殊デバイス ( 極小量生産 ) 次世代デバイスの試作開発 特殊な高速デバイス ( 携帯電話用の高周波デバイスや光ケーブル中継回路の発信器など ) の生産 マイクロマシーンやナノテクノロジーの基礎研究分野などは 生産量が非常に少なく高解像度を必要とするデバイスであり デバイス毎にマスクを製造する必要がないという点でも 従来通り EBDW(EB Direct Writing) やその発展形である ML2 方式が適している Imprint Lithography も 一部のデバイスメーカで微細な寸法のデバイスの試作や評価用にすでに実用化されている また試作のみならず デバイスの量産化への対応も視野に入れた開発が進められている (4) Mix & Match 生産規模の観点による適性の他 デバイスのパターンによっても各方式の適性がある 線幅均一性が要求されるゲートパターンや高解像力が要求される CH に対しては EB 方式が優れており また EB 方式は DOF が大きい こういった特徴に応じ 例えば特定レイヤー用としての使われ方も考えられる 今後 解像度の厳しい特定レイヤー用として EB 露光を使い 高い解像度を必要としない他のレイヤーには光露光を使うという 光と EB との Mix & Match 方式の露光方法も検討されている 図 にリソグラフィロードマップを示す ITRS2011 に対応し 各リソグラフィのデバイス量産適応時期予測を示している Directed Self Assembly に関しては 量産化時期が明確化されておらず 2018 年の実用化が微妙である為 表には記載しないこととした 図 リソグラフィロードマップ Figure Lithography Roadmap 7

8 3-2 光リソグラフィ技術のポテンシャル 光リソグラフィにおける解像度は次に挙げる Rayleigh の式により規定される R=k 1 (λ/na) R : 解像度 λ : 露光光源波長 NA : レンズ開口数 (Numerical Aperture)=n sinθ θ : 露光面への最大入射角 n : レンズとウェーハ間の媒体屈折率 k 1 : プロセス定数 ; 通常 0.6~0.4 程度 理論限界 0.25 解像度を増大させる為には波長を短くし NA を大きくし k 1 ファクタを小さくする必要がある 近年 検討が進められている液浸露光方式は 投影する光学系のウェーハ面に最も近いレンズとウェーハの間を気体よりも屈折率の高い液体で満たすことにより NA をその液体の屈折率倍にすることに注目した高 NA 化の手法である また k 1 ファクタの低減のために近年では変形照明 * 位相シフト * 超解像技術が導入されている これらの導入により k 1 ファクタを通常の 0.6 程度から 0.3 以下にまで低減することが可能となった 表 にリソグラフィにおける解像度と NA, k 1 の関係を示す ITRS2007 に リソグラフィの手法やデバイスによって量産で使われる k1 の目標値を決めて微細化の可能性を判断することになった ITRS2011 では EUV Single Exposure の k1 の値と年度ごとの NA の値が Table に表記されたので それらの値を表に取り込んだ ITRS2007 には Double Exposure/Double Patterning(DE/DP) においては 量産性を考慮し k1=0.20 以上と決められたが 最近では DE/DE の技術が進み DRAM/FLASH とも 20nm 1/2pitch での量産が見通せるか検討されるようになってきたため この表 では DE/DP の量産可能な k1 の値を 0.14 以上と決めた Multiple Patterning では Quadruple Patterning の可能性も視野に入れ k1=0.09 以上 0.14 未満の領域を Multiple Patterning 可能な領域に当てている 以上の k1 の目標値に基づいてカラーリングを行っている MPU については 1/2 pitch の値が DRAM に近く 量産性でk1の値が若干高めになるが カラーリングも DRAM と大きな差が無いため DRAM の表を参考にして頂きたい ArF のドライに関しては 先端プロセスでの DE/DP もしくは Multiple Patterning がほとんど使われていないので 表には記載しないこととした 技術の進展によっては これらのカラーリングも変動する可能性が有ることに留意頂きたい 8

9 表 リソグラフィにおける解像度解像度と NA, k 1 の関係 (Flash,DRAM) Table Relation in resolution, NA, k 1 and wavelength in Optical Lithography 近年 パターンの微細化が進むにつれ OPC(Optical Proximity Correction: 光学近接効果補正 ) * の導入が避けられなくなってきている これは補正パターンの解像度及びデータ量増大の観点でマスク描画装置への負荷を増す要因となっている また 光リソグラフィで実用限界を判断するにあたり k 1 ファクタと並んで考慮すべきパラメータ 9

10 として マスクのエラーファクタ MEEF(Mask Error Enhancement Factor) * がある 図 に示す通り MEEF は波長によらず k 1 ファクタの低下に伴い増加するため マスク描画装置への負荷は微細化スピード以上に厳しい要求となる ただし 液浸から EUV の移行にあたっては 露光波長が 1 桁短波長化されるため k 1 ファクタは一挙に緩くなり MEEF も大幅に緩和される K1factor.vs.MEEF <6%att-PSM/Binary/Levenson: MEEF 3 att-krf 2/3Annular att-arf 2/3Annular Bi-KrF 2/3Annular Lev-ArFσ K1-factor 図 光リソグラフィにおける k 1 ファクタと MEEF の関係 Figure Relation k1 and MEEF in Optical Lithography 用語説明 1) 変形照明 ( 斜入射照明 Off axis illumination) 光軸の中心を外した位置に絞りを入れることによりレチクルに対し露光光束を斜めに入射させる照明方法であり 解像度や DOF が向上する 絞り形状により輪帯照明 四 ( 重 ) 極照明などとも呼ばれる 2) 位相シフト PSM(Phase Shift Mask: 位相シフトマスク ) 位相シフトは PSM を用いて光の位相を変化させることにより 解像度及び DOF の向上を図る技術 PSM には HT( ハーフトーン ) マスク (Attenuate-PSM とも言う ) やレベンソンマスク ( 渋谷 レベンソンマスクまたは Alternative-PSM とも言う ) などの種類がある 3) OPC(Optical Proximity Correction: 光学近接効果補正 ) パターンの微細化に伴い 複数パターンの近接によって転写されたパターン形状が変化してしまう近接効果が顕著になるため レチクル上に微細な補正パターンをいれるこ 10

11 とによって転写パターン形状をコントロールする技術 4) MEEF(Mask Error Enhancement Factor) レチクル上の誤差がウェーハ上で拡大される比率 第 4 章各リソグラフィ技術の動向 課題 解決策等 4-1 液浸露光技術投影レンズとウェーハ間を液体で満たす露光方式である ( 図 2-4-1) 原理的には露光波長 λを液体の屈折率 n で除した等価波長 λ/n による露光方式と理解でき 波長 λ/n に相当する解像力と焦点深度を得ることができる ( 表 2-4-1) [1] 通常は波長 λは変化せずに NA が n 倍に増大したとして扱われる (NA は NA=n sinθで定義される (n は結像空間 ( 液体 ) の屈折率 θは結像光線の最大入射角 )) 液浸によって NA が1を超えることができるようになっている 図 液浸露光の基本構成 Figure Principle of Immersion 表 等価波長 (λ/n) の比較 Table Equivalent wavelength (λ/n) and Ratio 11

12 媒体 Media 屈折率 n Index 等価波長 λ/n Equivalent 等価波長比 Ratio 193nm dry Air nm nm Immersion Purified Water nm nm High Index Immersion Organic Fluid ~1.65 ~117nm ~0.61 現在 実用化されているのは 媒体として純水 (n=1.44) を用いた 193nm(ArF 波長 ) での露光方式 (λ/n = 134nm) である 2011 年現在 NA=1.35 の液浸露光装置を用いて ハーフピッチ 40nm 程度までのデバイスの量産が行われるとともに NAND フラッシュなど一部のデバイス種においては側壁ダブルパターニング技術と組み合わせてハーフピッチ 20nm 台の生産が行われている [2, 3, 4, 5] 図 は NA=1.30 の液浸露光装置で 39nm のパターンを露光したレジスト像の例である [2] 偏光照明とダイポール照明を組みあわせているため 比較的大きな焦点深度(800nm) を得ている NA=1.30 から 1.35 の露光装置において 生産に用いることができる解像限界としてはハーフピッチで 40nm 付近 (k1=0.30) であると考えられており それ以下のパターンを形成するためには ダブルパターニングの技法を液浸露光に組み合わせることが必要になる 図 トップコート無しレジストを使った NA= nm 液浸の 39nm L/S の解像例 12

13 Figure Imaging of 39nm L/S by NA= nm Immersion. Topcoat-less resist was used. 液浸露光においては ディフェクトや気化熱による重ね合わせ誤差の発生が報告されていたが 量産に問題ないレベルにまで改善されている ダブルパターニングによる微細化に対応するために 重ね合わせ精度を 2nm 以下にする開発がなされ 2012 年現在 単一装置重ねでは実現されている [6] 純水による液浸の次の段階として 液体を純水から別の高屈折率液体に変更し 高 NA を得る試みが検討されていたが 多くの技術的な困難から 2008 年の段階で実用開発には至らないことが判明した [5] そのため純水をもちいた液浸の NA1.35 が当面の間 最高の NA となる 参考文献 [1] 大和 液浸リソグラフィ 応用物理 74 巻 9 号 p1192 (2005). [2] J. Ishikawa, et al, Latest results from the hyper-na immersion scanners S609B and S610C, Proc. SPIE 6520, 65201W (2007). [3] H. Kubo, et al, Immersion exposure tool for 45-nm HP mass production, Proc. SPIE 6520, 65201X (2007). [4] J. Klerk, et al, Performance of a 1.35NA ArF immersion lithography system for 40-nm applications, Proc. SPIE 6520, 65201Y (2007). [5] S. Owa and H. Nagasaka Immersion lithography: its history, current status, and future prospects, Proc. SPIE 7140, (2008). [6] Y. Uehara, et al., Immersion and Dry ArF Scanners Enabling 22nm hp Production and Beyond, Proc. SPIE 8326 (2012). 4.2 ダブルパターニングダブルパターニング技術 ( 以下 DP 技術と略す ) は, 現存の193 液浸露光技術の限界解像度を超える加工寸法を得るために考案された光露光の延命技術で, 自己整合タイプ と パターン分割タイプ に大別さる 特に自己整合タイプの DP 技術は, 微細化技術が先行する NAND Flash メモリでいち早く量産採用され, 定着した技術でもある さらに 1D レイアウトデザインの提案によりロジックデバイスへの展開も期待される 従来のプロセスを分割処理することが前提である DP 技術ではプロセスの複雑化やコストの上昇が懸念材料としてあり, エッチングや成膜技術を駆使しなければならない技術であることがリソ技術者には受け入れ難い手法であることは事実である しかし大掛かりな設備投資をせずに, 既存のプロセス装置を組み合わせることで微細パターンが得られることは大きなメリットでもある 13

14 4-2-1 自己整合タイプスペーサ技術 (SADP:Self-aligned DP) は,1 回のパターン露光でピッチの 1/2 化が可能な技術で DP 技術の中でも, 最も簡便なプロセス工程で 193nm 液浸技術の解像限界を遥かに超える高い解像性能を持つ ( 図 2-4 3) [1] 図 レジストパターンをコアに用いた SADP フロー Figure SADP Flow using resist pattern as a core DP 技術は一様にプロセス処理工程数が多岐に渡り複雑化していることが懸念されているが, その解決策としては, レジストパターンをコアパターンに用いる手法が有望である スペーサパターンとなる膜をレジストパターン上に直接敷設する必要があるためレジストのガラス転移点以下で成膜できる手法を用いるのが望ましい レジストをコアパターンとし, 低温で成膜が可能なシリコン酸化膜を用いた実証例を図 に示す [2] この手法ではコアパターン形成用の膜を, 新たに追加する必要がなく, 従来のシングル露光と同じレジスト積層構造で実現可能であるためプロセスコストの低減にも寄与できる 図 SADP の狭ピッチ化実証例 Figure2-4-4 Example of finner pitch using SADP DP 技術は成膜, エッチング技術を駆使する手法と見られる向きが強いが, リソグラフィの視点でプロセス性能を認識 判断しなければならない 図 に示す様に, コアパターンの種類によってプロセス余裕度に違いが現れる [3] これはコアパターン形成時のエッチング工程で焦点余裕度が著しく低下してしまっていることが所以であると推測できる 広いプロセス余裕度を確保するためにもレジストをコアパターンとした手法を用いるのが良策であろう 14

15 さらに自己整合型 DP 技術は,20nm hp 以細の微細化に対する拡張性も有していることも実証結果が報告されている これは,SAQP(Self-Aligned Quadruple patterning) と呼ばれるもので, 端的にはピッチ分割を 2 度繰り返すものであるが,11nm hp までの解像性能を持つことは秀逸な手法と言える 実証例では, レジストパターンを第一のコアとしてピッチを 1/2 化したパターンを下地の有機膜に転写し, さらにこの有機膜を第 2 のコアとして用いている 従来のシングル露光工程と同様のレジスト積層構造で実現可能であることはプロセスコスト低減効果として特筆すべき点である ( 図 2-4-6) [4] 図 コア材別のプロセス余裕度比較 Figure2-4-5 Comparison of process margin between core materials 図 SAQP での11nm hp パターン解像結果 Figure2-4-6 Pattern imaging result of 11nm half pitch using SAQP ダブルパターニングの CD 管理,LWR/LER 制御 SADP プロセスにおける CD 制御を語る上では, ライン CD よりむしろ, スペース CD に注力しなければならない ここで, 同じコアパターンを介して形成された 2 対のスペーサパターン間をコアスペース, 異なるコアパターンを介して形成された隣り合うスペーサをギャップスペースと呼ぶ SADP 処理後のライン CD は, ほぼスペーサ材の成膜制御性で決定されるが, コア ギャップ 2 種類のスペース CD はコアパターンの CD, スペーサ材の膜厚, エッチング性能によって, 別個に変動する ( 図 a) 15

16 リソグラフィ a) SADP 図 b)saqp スペーサ技術 SADP,SAQP の CD 変動因子 Figure2-4-7 CD variation factors of spacer technology (SADP,SAQP) さらに SAQP では ライン CD は第 2 のスペーサ CD で決定されるため寸法調整は容易であ るが スペース CD は 3 種の変動因子からなるため 寸法制御に困難を来す 図 b ス ペース CD を調整する上で 最も厄介なノイズ成分はスペーサパターン上の LER であり いか に LER を低減させるかが CD 安定性を確保する中核となる LER の違いによるライン CD,スペ ース CD のウェハ面内均一性を比較した例を図 図 に示す[5,6] LER を改善する ことにより CD 均一性が劇的に改善されていることが分かり さらにライン スペース間の CD 差 も是正されている 図 SAQP での LER/LWR 改善例 16 図 SAQP での CD 均一性の改善

17 Figure Improvement of LEW/LWR by SAQP Figure2-4-9 Improvement of CD Uniformity by SAQP D レイアウトと Complementary Lithography ロジックデバイスではゲート回路にランダムなレイアウトを用いることが通例であり, 微細化に伴い, 高いパターン忠実度 (Pattern Fidelity) の確保が求められてきた 現状の193 液浸技術では, このパターン忠実度を改善させる手法として SMO 技術が最たるものであろう さらにパターン忠実度やプロセスばらつき (Process Variability) を改善する手法として 1D レイアウトへの移行が現実化している これは 1 方向の方形パターンで構成されるレイアウトで, パターン形成には, グリットライン形成とパターン切断の工程とに分割する手法が有力技術で, 現在この相補的技術を Complementary Lithography と呼んでいる 前者のグリットライン形成には SADP が最適な手法であり, ライン切断には技術ノード世代ごとに要求されるパターン間隔によって, 露光技術が使い分けられる Tela-Innovations 社デザインのレイアウトを用いた1D レイアウトのパターニング実証結果を図 に示す [7] 193nm 液浸のシングル露光で 16nm ノード技術世代まで適応できることが確認できている この技術は Litho-Etch-Litho-Etch(LELE) プロセスに代表される パターン分割型 DP 技術に比べて露光時の重ね合わせ精度を大きく緩和できることも特徴の一つである 図 Complementary Lithography での1D パターン形成 Figure D Patterning by Complementary Lithography ダブルパターニングのホール適応半導体デバイス種の中でも DRAM メモリのキャパシタ形成工程に最も微細なホールパターンが必要とせれている 本項では主に細密ホールに適応した DP 技術を紹介する SADP SADP 技術は主にラインパターンのピッチ 1/2 化手法と捉えられてきたが, ホールパターン 17

18 形成にも有用であることが分かっている ピラーパターン上にスペーサ形成と同様の成膜を過分に行うことで 4 本のピラー中心に窪みが生じる 引き続きスペーサ材をエッチバックすることで, ホールの狭ピッチ化が達成する シングル露光でホールのピッチ 1/2 化が可能な技術である DTD ( デュアル トーン デベロップメント手法 ) DTD 技術は, レジストパターンの狭ピッチ化を目的として考案された技術であるが, 原理的にはホールの狭ピッチ化にも有用な技術を推測できる 従来の露光 ~ポジ型現像にネガ型現像を追加するだけで達成可能な技術で, リソクラスター ( 露光機, レジストトラック ) 内で全ての処理が可能であることは, リソ技術者にとってはフレンドリな技術と言える ( 図 ) [8] 図 DTD ( デュアル トーン テ ヘ ロッフ メント ) 法によるホールパターンの狭ピッチ化 Figure Finer pitch of hall pattern by DTD (Dual Tone Development) Cross-SADP SADP 技術を直行する形で多重処理することでラティス構造を形成し, 最終的にホールを解像させる技術である 解像性能は 20nmhp に達し, 最も細密なホールを形成できる手法である ( 図 ) 露光の重ね合わせ精度が緩和できるのも特徴の一つ [9] 図 Cross-SADP フロー Figure Flow of SADP パターン分割タイプ隣り合うパターンの処理工程を分離することで近接効果を低減させる手法で, リソ エッチ リソ エッチ型と処理工程短縮を意図したリソ リソ エッチ型とに分類される 露光時の重ね合わせ精度に改善の余地があるため実用化が遅れていたが,NTD( ネガ トーン デベロップメン 18

19 ト ) の登場でロジックデバイスのメタル工程 ( トレンチ, ビアホール ) で実用化されつつある 参考文献 [1] W. Jung et. al., Patterning with Spacer for Expanding the Resolution Limit of Current Lithography Tool, Proc. SPIE6156 p.481 (2006) [2] A.Hara et.al., Advanced self-aligned DP process development for 22-nm node and beyond Proc.of SPIE (2010) [3] Y. Kuwahara et.al., Advanced multi-patterning using resist core spacer process for22nm node and beyond Proc.of SPIE (2012) [4] H.Yegashi et.al., Novel approaches to implement the self-aligned spacer double patterning process toward 11-nm node and beyond Proc.of SPIE (2011) [5] K.Oyama et.al., CD error budget analysis for self-aligned multipatterning Proc. of SPIE (2012) [6] K.Ohmori et.al., CD uniformity improvement on the self-aligned spacer double patterning process by resist material modification Proc.of SPIE (2012) [7] Michael C. Smayling et.al., Sub-20nm logic lithography optimization with simple OPC and multiple pitch division Proc.of SPIE (2012) [8] S.Yamauchi et.al., Applicability of double patterning process for fine hole pattern Proc. of SPIE (2012) [9] K.Oyama et.al., The enhanced photoresist shrink process technique toward 22nm node Proc.of SPIE (2011) 4-4 EUV EUV リソグラフィ波長 13.5nm の EUV 光 (Extreme Ultraviolet: 極端紫外光 ) を用い マスクパターンをウェーハに 1/4 に縮小転写する露光方式で 円弧状の領域をスキャン露光する 光を用いる縮小投影スキャン露光方式であることから 193nm(ArF) リソグラフィの延長線上の技術と考えられ 光リソグラフィの特長である量産性を持つ [1], [2], [3], [4] 使用波長が従来の 1/10 以下であるため 0.5 以上の k1 ファクタで DRAM ハーフピッチ 16nm あるいは 11nm まで対応可能である スループットは 100wph 以上 (300mm wafer 10mJ/cm 2 200W) が見込まれている 従来の光リソグラフィとの最大の違いは EUV 光を透過する材料が無いことから 露光光学系とマスクが全て反射式 ( ミラー ) になる点と 露光雰囲気が真空になる点である EUV 光を反射するために 重元素と軽元素を波長の約半分の周期で交互に数十層重ねた多層膜コートが用いられる EUV リソグラフィの使用波長が 13.5nm である理由は 最も安定で高い反射率を有する Mo/Si 多層膜の特性にあわせたためである 次世代 EUV リソグラフィの基礎研究もすでに始まって 19

20 おり La/B 4 C LaN/B 4 C LaN/B などの多層膜を用いて波長 6.7nm に対して約 40% の反射率が得られているが [5] その波長半値幅は極めて狭く 実用化の目処は立っていない EUV リソグラフィ実現のための最大の課題は 光源技術 レジスト技術 およびマスク技術である 波面収差や反射率などの各種計測には 信頼性があってクリーンな放射光源 (SOR) が用いられるが 露光機に用いる光源としては光量が大きく不足する レーザプラズマ光源や放電プラズマ光源の開発が日米欧で盛んに行なわれている [6] 高出力で 照明ミラーの反射率劣化の原因となるデブリ ( 高温プラズマや放電による飛沫物 ) の少ない光源の開発が急務である 光源出力は 発光点出力でなく 投影光学系で利用可能な集光点出力で議論される 毎時 100 枚以上のウェーハスループットを実現するためには 第一集光ミラー デブリ低減機構 波長選択フィルタなどを通過した後の集光点出力が 115W 必要と試算され [7] 発光点出力は 300W を超えると考えられていた しかしながら この必要パワーの計算のベースとなっていたレジスト感度 5mJ/cm 2 の実現は困難な状況にあり 光源パワーの要求値は 180W そして 200W へと上方修正された [8] 更なるスループット要求 投影系 NA の拡大に伴うミラー枚数の増加 レジストの高解像度化に伴う感度低下などが予想されており 光源パワー要求値は将来的には 500W を超える可能性もある たとえそのような超高出力光源が実現できたとしても 真空装置である EUV 露光機には熱負荷の問題がある 高解像度や低 LER( ラインエッジラフネス ) との両立は容易なことではないが 高感度化もきわめて重要な要素である EUV マスクの多層膜は 完全な欠陥修正が容易でないことから 多層膜成膜工程の無欠陥化や成膜前の基板の無欠陥化が大きな課題である 加えて ペリクルの使用が困難であることから 後述のマスクキャリアを含めたマスクハンドリング技術も重要となる 基板 ブランクス マスクの欠陥低減には 欠陥検査機の開発が急務である 基板の欠陥検査には共焦点顕微鏡の原理を応用した検査機が広く使われているが 実用感度は 40nm 程度であり [9] 更なる高感度化が必要である 多層膜検査は露光波長の光を用いた検査 [10] が必要とされており 製品化へ向けた開発が始まっている マスクパターン検査についても 露光光パターン検査機や露光光顕微鏡の開発が始まっている 照明光学系の課題は いかに少ない枚数で照度と照明 σ の均一性を実現するかにある Mo/Si 多層膜の反射率はせいぜい 70% しかなく ミラー枚数は少なければ少ないほど良い 一方 CD 制御性 ( 線幅均一性 ) の要求から 露光領域内における照度と σ の均一性が必要であり 少ないミラー枚数でこれらを実現するためには 特殊形状をした多素子ミラー (Multi-facet Mirror) の作製が課題となる [11] 投影光学系の課題は広範囲にわたる 非球面ミラー加工 & 計測 多層膜成膜 ミラー保持 ミラー温度制御 波面計測等の技術にそれぞれブレークスルーが必要である hp22nm 用の投影光学系に対する波面精度要求は 0.3nm rms と言われており 6 枚の非球面ミラーに求められる形状精度は 55 pm rms である hp16nm から 11nm 用の投影光学系には波面精度 0.2nm rms が必要となり 8 枚の非球面ミラーに求められる形状精度は 35pm rms である 多層膜による反射光の位相変化は EUV 光と可視光では全く異なるため 両波長による波面測定値の比 20

21 較評価が急務であった これは 2001 年度から 2005 年度まで NEDO の基盤技術研究促進事業プロジェクトにおいて装置が開発され 2006 年度から 4 年間民間の自主研究が行なわれた [12] ミラーの中間空間周波数帯の粗さ(MSFR) により フレアが生じ 線幅 (CD) 制御性に影響を与える フレア量は波長の二乗の逆数に比例することから EUV リソグラフィにおけるフレアは 従来の光リソグラフィのそれより多くなるため フレア対策が重要となる また ミラー温度制御技術は 光源の効率が低く光学系に莫大なエネルギーが投入される EUV において 光学系の精度維持に欠かせない開発項目である 発生した熱を効率よく排出する手段 及び 熱の影響を受けにくいシステムの開発が要求される マスクやウェーハでの発熱によるオーバレイの劣化も懸念される 多層膜コートされたミラーは コンタミによってその反射率が低下する 例えば照明光学系 マスク 及び投影光学系トータルで 11 枚のミラーがあるとして ミラー 1 面当たりの反射率が 70% から 69% にたった 1% 低下したとして 光源からウェーハまでの伝送効率は約 15% も低下する コンタミには ミラー表面に炭素がつくカーボンコンタミと 酸素と反応する酸化がある カーボンコンタミは防ぐ技術とクリーニングする技術が必要である 酸化は一度発生すると除去が困難なため 防止技術 [13] が必要であるが 水素ラジカルによる酸化還元方式によるクリーニングも研究されており [14] 大きな期待が寄せられている EUV に使えるペリクルの開発が困難であることから シッピング 保管 露光機内ハンドリング時のマスクへの異物付着防止技術が重要である 異物付着を防止するには マスクへの接触回数を極限まで減らす必要がある シッピング 保管 露光機内ハンドリングを同一キャリアで行なう二重ポッドコンセプトが提案されている [15] マスクを専用のエンクロージャで保護し 露光機などの装置でエンドエフェクタがマスクに直接触れない工夫が施されている 二重ポッドコンセプトを採用したマスクキャリアは Selete において性能評価が行なわれ 良好な評価結果が得られている [16], [17], [18] 2009 年 7 月には SEMI 規格が成立 発行された [19] EUV 露光装置と EUV 要素開発図 に EUV 露光装置の原理図を示す EUV リソグラフィ技術は 従来の光リソグラフィ技術の延長線上にあり 使用波長が 13.5nm と従来の 1/10 以下であるため 比較的大きな k1 ファクタで hp22nm 世代から 11nm 世代まで使用できることから 微細化対応と光リソグラフィの量産性を併せ持つ唯一の技術として期待されている 露光機のシステム技術に関しても やはり従来の光リソ露光機システム技術の多くがそのまま利用できるが EUV 露光機固有の技術も少なからず存在する EUV 露光機固有ではないが 対象が微小線幅ゆえの技術課題も存在する EUV 露光機システム技術は 非球面投影光学系開発技術 照明光学系開発技術 高精度反射光学系対応アライメント技術 真空中高精度マスク及びウェーハステージ技術の各サブシステムから成る 加えて これらのサブシステムを統合し 光源と組み合わせて真空容器内に構成する総合組み立て調整技術も必要である 21

22 リソグラフィ Reticle Reticle Stage Illumination Optics Xe Nozzle :13.5nm YAG Laser :1064nm Alignment Sensor Laser Produced Plasma Source or Discharge Source 図 EUV 露光機外観 Projection Optics Wafer Stage Figure EUV Exposrue System 193nm 液浸リソグラフィ&ダブルパターニングにより すでに hp32nm の量産が始まっている EUV 露光機に期待されるのは 3 重以上のマルチプルパターニングが必要となる世代 具体 的にハーフピッチが 20 nm を切るであろう 2015 年からの量産対応である これまで 2007 年に は フルフィールドのプロトタイプ露光機(α 機 による露光結果が得られた 2010 年から 2011 年に掛けて プリプロダクション露光機(β 機 が 6 台出荷された 2012 年には準量産用露光機 が登場する予定である プリプロダクション露光機に適用すべく 各要素開発が 2010 年度末を めどに行なわれてきたが まだ解決すべき多くの課題が残されており 2011 年度以降も継続 開発が行なわれている 22

23 参考文献 [1] C. Gwyn et al.: Extreme Ultraviolet Lithography White Paper 1998, EUV LLC(1998). [2] C. Gwyn et al.: Extreme Ultraviolet Lithography White Paper 1999, EUV LLC(1999). [3] D. A. Tichenor et al.: EUV Engineering Test Stand, Emerging Lithographic Technologies IV, Proc. of SPIE, 3997, 48(2000). [4] EUV Lithography (SPIE Press Book), edited by Vivek Bakshi, SPIE Vol. No.: PM178 (2008). [5] T. Tsarfati et al.: "Improved contrast and reflectivity of multilayer reflective optics for wavelengths beyond the Extreme UV", Alternative Lithographic Technologies, Proc. of SPIE Vol. 7271, 72713V-1 (2009). [6] EUV Sources for Lithography (SPIE Press Book), edited by Vivek Bakshi, SPIE Vol. No.: PM149 (2006). [7] K. Ota et al., "Join spec", EUV Source Workshop, Feb [8] K. Suzuki et al, "Joint Requirements for EUV Source", International Symposium on Extreme Ultraviolet Lithography Oct [9] A. Ma et al., "Improvement of EUVL mask blank inspection capability at Intel", Photomask and Next-Generation Lithography Mask Technology XVI. Proc. of SPIE Vol. 7379, 73790I (2009). [10] T. Terasawa et al., "Development of actinic full-field EUV mask blank inspection tool at MIRAI-Selete", Alternative Lithographic Technologies, Proc. of SPIE Vol. 7271, (2009). [11] H. Takino et al., "Fabrication of a fly-eye mirror for an extreme-ultraviolet lithography illumination system by arranging silicon mirror elements", Emerging Lithographic Technologies VI, Proc. of SPIE Vol. 4688, pp (2002). [12] K. Sugisaki et al., "EUV Wavefront Measurement of six-mirror optic using EWMS", Emerging Lithographic Technologies XII, Proc. of SPIE Vol. 6921, 69212U (2008). [13] S. Bajt: "Oxidation resistance of Ru-capped EUV multilayers", Emerging Lithographic Technologies IX, Proc. of SPIE Vol. 5751, (2005). [14] I. Nishiyama, "Atomic Hydrogen Cleaning for EUV Optics Contamination", International Symposium on Extreme Ultraviolet Lithography, Oct [15] Y. Gomei et al. "EUVL mask dual pods to be used for mask shipping and handling in exposure tools, Emerging Lithographic Technologies XI, Proc. of SPIE Vol. 6517, 65170W (2007). [16] M. Amemiya et al., "Particle-Free Mask Handling Techniques and a Dual-Pod Carrier", Emerging Lithographic Technologies XII, Proc. of SPIE Vol. 6921, 69213T (2008). [17] M. Amemiya et al., " Experimental Study of Particle-free Mask Handling", Alternative 23

24 Lithographic Technologies, Proc. of SPIE Vol. 7271, 72713G (2009). [18] K. Ota et al., "Selete EUV Reticle Shipping and Storage Test Results", Photomask and Next-Generation Lithography Mask Technology XV, Proc. SPIE, Vol. 7028, 70280I (2008). [19] SEMI E , "Mechanical Specification of EUV Pod for 150 mm EUVL Reticles", (2009). 4-5 ML2 ( Maskless Lithography ) ML2( マスクレス リソグラフィ ) の全体状況電子ビームを用いたウェーハ直接描画技術は パターンデータをもとにウェーハに直接パターンを描画する技術である マスクを必要としないため マスクレスリソグラフィと呼ばれ リソグラフィ工程や工期を圧縮できる可能性がある しかし 電子ビーム直接描画の処理能力が低いため これまでは デバイスの開発 試作や ASIC の QTAT(Quick Turn Around Time) 製造等の用途に限定して使用されてきた 電子ビームを用いたウェーハ直接描画の処理能力向上のため 種々の描画方法が提案されている ビームあるいはカラムをマルチ化することが 電子ビーム直接描画を高スループット化するための基本的アイデアである マルチカラムは カラムの本数を複数にして 並列描画する方式である マルチビームは 1カラム内のビーム本数を複数にして 並列描画する方式である マルチビーム方式には 1つの電子銃から放射された電子をアパーチャアレイで多数のビームに分けた後 透過型ブランカーアレイで個別にオンオフして パターンを描画する技術がある また 反射型パターンジェネレータでピクセル毎にビームをオンオフする描画技術がある 現在 継続的に開発成果が報告されている透過型ブランカーアレイによるマルチビーム描画装置に PML2 と MAPPER がある また 反射型パターンジェネレータによるマルチビーム描画装置に REBL がある PML2 MAPPER REBL の概要を図 に示した 24

25 図 PML2,MAPPER,REBL の概要 Fig Outline of PML2, MAPPER,REBL PML2 は IMS Nanofabrication が開発しているシングルカラム マルチビーム方式の描画装 置である [1],[2],[3],[4] MEMS 技術で製作したアパーチャプレートシステム (APS) を用いる 電子 ビームをアパーチャアレイにより 数 1000 本 ~1000 万本程度 ( 最終目標 ) の多数本のビーム ( ビームレット ) に分ける アパーチャアレイの各開口の下流に 個別にブランカー電極を設けて ビームレットを個別に偏向する 偏向されたビームレットは最終絞りを通過できない 最終絞りを通過したビームレットに対応して アレイ開口の 1/200 縮小像をウェーハに投影する 各開口のウェーハ上における像サイズは約 15nm である ステージ移動と同期して ステージ移動方向に並んだビームレットのオンオフ状態を制御することにより ウェーハ上の各点を複数回のビームレットで多重照射し ウェーハにパターンを描画する 一つ一つの開口像サイズは固定のため 多重照射の照射回数を制御するグレースケール (Gray Scale) 制御により 描画パターンの線幅を制御する PML2 をウェーハ直接描画に適用する場合の目標スループットは 5wph である PML2 と同様な描画方式を持つ電子ビームマスク描画装置 emet 開発が行われている [5],[6],[7],[8] 加速電圧 50KeV 個別ビーム径約 20nm 総ビーム本数約 25 万本のマッシブパラレ 25

26 ル型電子ビーム描画装置である 先端フォトマスクを 10 時間以内で描画することを目標としている emet カラムの原理検証 (Proof-of-Concept; POC) 結果が報告されている 線幅 20nm 程度のデバイステストパターンの描画結果や Gray Scale 制御による線幅制御結果が得られている これらの結果は 描画シミュレーションの結果とよく一致する 現在 原理検証段階を終了し 量産機の試作が進められている 2012 年にシステムインテグレーションを行い 2013 年には描画時間を含むシステム評価結果を出すことを目標としている MAPPER は MAPPER Lithography が開発するシングルカラム マルチビームの描画方式で ある [9],[10] 低加速電圧 5keV の電子ビームを利用する 電子ビームをアパーチャアレイにより 110 本 ( 現在 )~13000 本 ( 最終目標 ) の多数本のビーム ( ビームレット ) に分ける アパーチャアレイを配置した領域が非常に広い (26x26mm) のが特徴である アパーチャアレイ全体を電子ビームで均一に照射する アパーチャアレイの各開口を通過したビーム ( ビームレット ) は全体としてクロスオーバ像を結ぶことなく 静電レンズによりウェーハ上に結像する 静電レンズ下部にあるデフレクターアレーが 各ビームレットをウェーハ上約 3um 幅で走査する 同時に ブランカーアレイにより各ビームレットをオンオフ制御して ウェーハ上にパターンを描画する 加速電圧 5keV 有効な電子ビーム電流値の総計 150uA アパーチャアレイ 26x26mm 範囲の均一照射 の各条件をすべて満たせば ウェーハ直接描画に適用する場合のスループット 10wph が可能である また 10wph の MAPPER 装置を 10 台集めて ( クラスタリング ) 100wph スループットのシステムが提案されている 現在 110 本ビームの MAPPER 社の pre-α 機を使って評価が行われている [11] 45nm1:1LS パターンを各ビームレットで個別に描画し 110 本ビーム間の線幅ばらつき約 3nm ウェーハ間の線幅再現性 3nm の描画結果が得られている また 近接効果補正パラメータを決定して 小規模なデバイスパターンを描画した結果も報告されている 描画に使えるトータルビーム電流値が目標の約 1/50 程度にとどまっていることが Mapper の現状における最大課題である アパーチャアレイの開口数を約 50 倍増やすことが提案されている [12] この場合 システム規模が拡大し 複雑さも増すため 量産機の開発完了時期が延伸することが懸念される REBL は KLA-Tencor が開発するシングルカラム マルチビームの描画方式である [13] 加速電圧 50keV の電子銃を用いる 50keV に加速された電子ビーム軌道を電磁界で曲げて DPG (Digital Pattern Generator) と呼ばれるパターン発生部に導く DPG 全体に電子銃の加速電圧と同じ電圧 50kV を逆極性で印加する 電子ビームは DPG に達した時には減速し 電子銃カソードにおける熱電子発生直後と同程度の運動エネルギ (1eV 程度 ) になる DPG には 個の電極 ( 画素電極 ) を配置する 各画素電極に個別に +2V あるいは 0V の電圧を重畳すると 減速されてほとんど運動エネルギーを持たない電子のうち +2V 電極近傍の電子だけが電極に引き付けられる これにより画素電極に印加した電圧パターンに相当したパターンを発生する カラムの下半分は このパターンを 50kV で逆向きに再加速し 1/50 に縮小して試料面に転写する光学系である ウェーハ直接描画に適用する場合の目標スループットは hp45nm におい 26

27 て コンタクト Via 層で 45wph ゲート層で 5wph 配線層で 2wph である REBL カラムを製作し 描画特性の検証結果が報告されている DPG の構造がパターンの解像性に大きく影響することが分かった [14] 画素電極に個別にオンオフ電圧を印加したとき 電極間で電界の干渉が発生する これによりビームコントラストが低下し 描画パターンの解像性が劣化する これを避けるため新しいタイプの DPG が検討されている MEMS で形成した深さ数 µm の分離壁で DPG 画素電極を相互に分離し 電極間電界の干渉を防止する さらにこの分離壁に多層の静電レンズ電極を形成し 電子ビームを電極面で収束させる方式が検討されている また REBL カラムの小型化やカラム光学系構造の見直し データパスの検討も進められている [15],[16] マルチカラム方式は 複数個の電子ビームカラムを試料ウェーハ上に設置する方式である 電子銃 ( 電子源 ) レンズ 偏向器等をカラム個別に用意し 各カラムの電子ビームを独立に制御することにより ウェーハにパターンを描画する 適切に描画条件を設定すれば マルチカラム方式の描画装置は 単一カラム ( シングルカラム ) の描画装置より カラム本数分だけ描画時間が早くなり スループットも向上するものと考えられる マルチカラムの製作方法には ウェーハ張り合わせ 貫通穴形成 断面加工などの半導体プロセス技術を用いて 複数本カラムを一度に製作する方法がある このような方法で製作したミニチュアサイズのマルチカラムの研究が行われている また 通常の電子ビームカラムの径を小さくし それらを複数個集めてマルチカラムを製作する方法がある 代表例であるマルチカラム (MCC) 方式の開発現状を 次節以降で紹介する ML2 実用化のためには 数多く提案されている ML2 技術それぞれの将来性を見極め 見通しのある方式に戦略的に開発資源を投入することが必要である 2015 年の 1Xnm ノードデバイスの試作に向けて ML2 の実用化が期待される このために民間は勿論 官学とも連携し ML2 の開発を加速することが求められる 参考文献 [1] C. Klein, E. Platzgummer, J. Klikovits, W. Piller, H. Loeschner, T. Bejdak, P. Dolezel, V. Kolarik, W. Klingler, F. Letzkus, J. Butschke, M. Irmscher, M. Witt, W. Pilz, P. Jaschinsky, F. Thrum, C. Hohle, J. Kretz, J. T. Nogatch, and A. Zepka; PML2: the maskless multibeam solution for the 22nm node and beyond, Proc. SPIE Vol. 7271, 72710N (2009) [2] Elmar Platzgummer, Christof Klein, Peter Joechl, Hans Loeschner, Martin Witt, Wolfgang Pilz, Joerg Butschke, Michael Jurisch, Florian Letzkus, Holger Sailer and Mathias Irmscher, "Charged particle multi-beam lithography evaluations for sub-16nm hp mask node fabrication and wafer direct write", Proc. SPIE 7488, 74881D (2009) [3] C. Klein, E. Platzgummer, H. Loeschner, G. Gross, P. Dolezel, M. Tmej, V. Kolarik, W. Klingler, F. Letzkus, J. Butschke, M. Irmscher, M. Witt, and W. Pilz; Projection maskless 27

28 lithography (PML2): proof-of-concept setup and first experimental results, Proc. SPIE Vol. 6921, 69211O (2008) [4] Elmar Platzgummer, Hans Loeschner, and Gerhard Gross; Results obtained with the CHARPAN Engineering Tool and prospects of the ion Mask Exposure Tool (imet), Proc. SPIE Vol. 7122, 71220L (2008) [5] Christof Klein, Jan Klikovits, Hans Loeschner and Elmar Platzgummer, "emet: 50 kev electron multibeam mask exposure tool", Proc. SPIE 7970, 79700C (2011) [6] Elmar Platzgummer, Christof Klein and Hans Loeschner, "emet POC: realization of a proof-of-concept 50 kev electron multibeam mask exposure tool", Proc. SPIE 8166, (2011) [7] Elmar Platzgummer, Stefan Cernusca, Christof Klein, Samuel Kvasnica, Bernd Sonalkar and Hans Loeschner, "emet: development of a 50 kev electron projection multibeam mask exposure tool for the 16nm hp technology node and below", Proc. SPIE 7748, 77480H (2010) [8] Elmar Platzgummer, Stefan Cernusca, Christof Klein, Jan Klikovits, Samuel Kvasnica and Hans Loeschner, "emet: 50 kev electron mask exposure tool development based on proven multi-beam projection technology", Proc. SPIE 7823, (2010) [9] M. J. Wieland, G. de Boer, G. F. ten Berge, R. Jager, T. van de Peut, J. J. M. Peijster, E. Slot, S. W. H. K. Steenbrink, T. F. Teepen, A. H. V. van Veen, and B. J. Kampherbeek; MAPPER: high-throughput maskless lithography, Proc. SPIE Vol. 7271, 72710O (2009) [10] E. Slot, M. J. Wieland, G. de Boer, P. Kruit, G. F. ten Berge, A. M. C. Houkes, R. Jager, T. van de Peut, J. J. M. Peijster, S. W. H. K. Steenbrink, T. F. Teepen, A. H. V. van Veen, and B. J. Kampherbeek; MAPPER: high throughput maskless lithography, Proc. SPIE Vol. 6921, 69211P (2008) [11] L. Pain, B. Icard, M. Martin, C. Constancias, S. Tedesco, P. Wiedeman, A. Farah, B. J. Kampherbeek, C. Pieczulewski and H. Kandrashov, "IMAGINE: an open consortium to boost maskless lithography take off: first assessment results on MAPPER technology", Proc. SPIE 7970, 79700Y (2011) [12] M. J. Wieland, H. Derks, H. Gupta, T. van de Peut, F. M. Postma, A. H. V. van Veen and Y. Zhang, "Throughput enhancement technique for MAPPER maskless lithography", Proc. SPIE 7637, 76371Z (2010) [13] Paul Petric, Chris Bevis, Allen Carroll, Henry Percy, Marek Zywno, Keith Standiford, Alan Brodie, Noah Bareket, and Luca Grella; REBL: A novel approach to high speed maskless electron beam direct write lithography, J. Vac. Sci. Technol. B27, ( 2009 ) 161 [14] Regina Freed, Jeff Sun, Alan Brodie, Paul Petric, Mark McCord, Kurt Ronse, Luc 28

29 Haspeslagh and Bart Vereecke, "Demonstration of lithography patterns using reflective e-beam direct write", Proc. SPIE 7970, 79701T (2011) [15] Paul Petric, Chris Bevis, Mark McCord, Allen Carroll, Alan Brodie, Upendra Ummethala, Luca Grella, Anthony Cheung and Regina Freed, "New advances with REBL for maskless high-throughput EBDW lithography", Proc. SPIE 7970, (2011) [16] Faruk Krecinic, Shy-Jay Lin and Jack J. H. Chen, "Data path development for multiple electron beam maskless lithography", Proc. SPIE 7970, (2011) MCC( マルチカラムセル ) 描画方式の開発状況可変矩形や CP 描画方式のシングルカラム描画装置が デバイスの開発 試作に使用されている 技術的には確立したこれらの描画方式を活用しながら 描画スループットを向上するために マルチカラム (MCC) 方式の描画装置を製作した 電子ビーム描画のスループットを飛躍的に向上するためには カラムを複数本に分けて並べることが本質的に重要である その理由を以下に説明する 12 インチウェーハを 加速電圧 50keV レジスト感度 30µC/cm 2 スループット 5wph で描画する場合を考える パターンを形成するためウェーハに照射しなければならない総電荷量と描画時間から この条件で描画するためには 10µA 以上のビーム電流値が必要である 10µA のビーム電流を通常の電子光学系をもつカラムに通した場合 クーロン相互作用により 例えば 1Xnm ノードパターンの解像性を得るのは非常に困難である 電流値 10µA を 10 本のカラムに分けるとすれば 1 カラム当たりの電流値は 1µA となる この場合 クーロン相互作用の影響は小さく 解像性とスループットの両立が可能となる また 1 本のカラムでビーム電流値 10µA と解像性を両立するような電子光学系が可能であったとしても スループット 5wph を実現するためには 20MHz 以上のショットサイクルが必要である 加速電圧 50keV の電子ビームを一定以上の範囲に偏向し 偏向位置でビームを静定させることが必要な偏向器で この速いショットサイクルを実現することは技術的難易度が高い また 解像性と両立するためにレジスト感度が低下する傾向にあり レジスト感度と電流密度の比から決まるショット時間を このショットサイクルに合わせることも技術的難易度が高い 10 本のカラムに分けて各カラムが個別独立に描画可能とすると 各カラムの偏向器に要求されるショットサイクルは 2MHz 程度となり これは十分に実現可能な値である 以上述べたように 電子線描画装置において 高解像性とスループットを両立するためにカラムを複数本に分けることは 本質的に必要である 29

30 HOST MCC Column 100um 100um Gun HV Power Supply Mask Substrate Disk LENS Power Supply Pattern data Data Correctio n Analog Circuits CC4 CC3 75mm Stage control unit CC1 CC2 75mm 図 MCCの検証システムの概要 ( 左図 ) と描画シーケンス ( 右図 ) Fig Schematic diagram of MCC verification system(left) and writing sequence(right) カラム本数分スループットが向上し かつ 解像性 精度が得られるという MCC 方式のコンセプトを検証するために 4 本カラムからなる検証システムを製作した [1],[2],[3],[4] システムの概要を図 に示した 4 本のカラムは 個別に電子銃 電磁レンズ 偏向器等を持ち 各カラムを独立に制御する システムの主要部分を写した写真を図 に示す 写真中心付近に見える円筒形部分の中に 4 本のカラムがある 円筒の両側に 4 本カラムの各偏向器を駆動するアナログアンプを搭載する カラム下部の真空チャンバ内には 試料ウェーハを搭載したステージを設置する 各カラムのビーム電流条件は 従来のシングルカラムのビーム電流とほぼ同じである つまり 4 本カラム全体では従来カラムの約 4 倍のビーム電流を利用する 30

31 図 MCCシステムの主要部 Figure Majar part of MCC verification system 図 は 本 MCC システムで描画した解像性評価パターンを示す 図に示すように 20nm1:1LS パターンを解像した 図 は 本 MCC システムの異なるカラム CC1 と CC2 で描画したパターンに対して 露光量 vs. 線幅の関係を比較したものである 露光量 vs. 線幅の関係は 異なるコラムで描画した場合も 広い露光量範囲で一致していることが分かる これは 本 MCC システムの各カラムで ビームの強度均一性やエッジシャープネスなどの特性がよく一致していることを示す 図 は 4 本カラムの描画位置精度を示す 第一 ~ 第四象限の結果は それぞれ別のカラム CC1~CC4 で描画したものである この描画結果から 本 MCC システムの 4 本カラム全体の描画位置精度は 下層パターンとの重ね位置ずれで 4nm 以下が実現していることが分かった [5] 図 MCCシステムによる解像性パターン描画結果ポジレジスト 膜厚 70nm 31

32 Figure Patterning results by MCC verification system by using 70nm thick positive resist 図 MCCシステムの異なるコラムCC1 とCC2 で描画されたパターンにおける露光量 vs. 線幅の比較結果 Figure Dose vs. CDcurve comparisen between exposed patterns by CC1 and CC2 in MCC verification system 図 MCC システムによる描画位置精度評価結果 Figure Exposure position accuracies by MCC verification system 32

33 重要な検証項目として 4 本カラムを持つ本 MCC システムが シングルカラムの描画システムと比較して 約 4 倍の描画スループットが得られるかを検証した 結果を図 に示す 図 左側の図はシングルカラムの描画シーケンスを表し 右側の図は 4 本カラムの MCC システムの描画シーケンスを表す シングルカラムおよび 4 本カラムのそれぞれに対して同じ電流密度を設定し レジスト感度を共通にした また 図 左側 右側ともに hp45nm デバイスパターンを 150mm x 150mm 範囲全面に描画する条件で比較した 本 MCC システムは シングルカラムシステムと比較して 約 1/3.7 の描画時間で図 の領域全体を描画できることを検証した マルチカラムのカラム間距離が描画したデバイスサイズの整数倍ではないため 各カラムは同時に異なるパターンを描画する 一方 ステージは共通なので ステージ速度は描画が遅く終了するカラムにあわせて移動する このため 4 本カラムの描画時間は シングルカラム描画時間の正確に 1/4 にはなっていない しかし約 1/4 が実現しており カラム本数分だけ描画時間を圧縮するという MCC 方式の目標を検証することができた シングルコラムの描画シーケンス 4 本コラム MCC 検証システムの描画シーケンス 8a(=80um) 8b(=800um) 75mm a (=10um) b (=100um) 75mm 4 本コラムMCC 検証システムの描画時間 / シングルコラムの描画時間 = 1/3.7 ( 実機評価値 ) 図 シングルコラムの描画シーケンス ( 左図 ) と MCC システムの描画システム ( 右図 ) Figure Writing sequence of single column ( Left) and MCC system ( Right) 33

34 MCC 描画によるスループット見積もり結果を図 に示した 横軸は ショット数 縦軸は 1 時間あたりの処理枚数である 図 の見積もりでは 各カラムの電流密度 50A/cm 2 レジスト感度 10µC/cm 2 偏向器のセットリング待ち時間 50ns を仮定した それぞれ4 本カラムの場合 (4MCC_type1 4MCC_type2) 8 本カラムの場合 (8MCC) 16 本カラムの場合 (16MCC) を示した カラム本数の増加に応じて描画スループットが向上していることが分かる 16 本カラム ショット数 100Gshots/ ウェーハで 描画スループットは 2wph 程度である スループットを向上するには ウェーハ当たりのショット数を減らすことが重要である このため部分一括 (CP:Character Projection) 描画方式を利用する 次節は部分一括 (CP) 描画方式の開発状況を紹介する (WPH) MCC 16MCC 8MCC 4MCC_type1 4MCC_type # of shot (G) CP + DFEB 4CC_type2 4CC_type1 300mm ウェハとマルチコラム配置 図 MCC 方式によるコラム配置とスループット見積り各コラムの電流密度 :50A/cm 2, レジスト感度 :10μC/ cm 2, 偏向器のセトリング時間 :50ns Figure Column Layout and estimation of throughput of MCC system Current density of each column: 50A/cm2,Resist sensitivity: 10μC/ cm 2, Settling time of deflector : 50ns 参考文献 [1] Akio Yamada, Hiroshi Yasuda, and Masaki Yamabe; Evaluation of each electron beam and exposure results with four column cells in multicolumn e-beam exposure system, J. Vac. Sci. Technol. B27, ( 2009 ) 2518 [2] Akio Yamada, Hiroshi Yasuda, and Masaki Yamabe, Exposure results with four column cells in multicolumn EB exposure system, Proc. SPIE Vol. 7488, 74881F (2009) 34

35 [3] Akio Yamada, Yoshihisa Ooae, Cell projection use and multi column approach for throughput enhancement of EBDW system, Proc. SPIE Vol , 78231H (2010) [4] Akio Yamada, Yoshihisa Oae, Tatsuro Okawa, Masahiro Takizawa, and Masaki Yamabe, Evaluation of throughput improvement by MCC and CP in multicolumn e-beam exposure system, Proc. SPIE 7637, 76370C (2010) [5] Masahiro Takizawa, Hideaki Komami, Masaki Kurokawa, and Akio Yamada, Position accuracy evaluation of multi-column e-beam exposure system, Proc. SPIE 7970, 79700B (2011) CP 描画方式の開発状況 CP 描画方式の概要を図 に示す [1],[2] ビーム偏向により ステンシルマスク (CP マスク ) 上にあらかじめ用意した複数個の部分一括転写パターン (CP パターン ) の中からパターンを選択し 数 µm 範囲を一度に転写する CP パターンをマスクに用意すれば パターン内容の複雑さ微細さにかかわらず 試料上の繰り返し部分を効率よく描画できる 電子ビーム 第一矩形アパーチャ 電子ビーム 第一矩形アパーチャ デフレクタ デフレクタ 第 2 矩形アパーチャ CP マスク ウェハ ウェハ 可変矩形描画 CP 描画 図 CP 描画方式 ( 右図 ) と可変矩形描画方式 ( 左図 ) の比較 Figure Comparison of CP writing method (Right) and variable rectangular method(left) 35

36 CP によるショット数削減率を向上するために CP 描画に適したデバイス設計手法 DFEB-CP (Design for EB with Character Projection) が開発された [3] DFEB-CP の設計手法とショット数削減率を図 に示した 図 の左側の図に示すように 通常の CP 描画では 設計データからパターンの繰り返し性に注目して CP パターンを抽出する 右側の図に示すように このような方法では 100~200 個の CP パターンを用意したとしても ショット数削減率は 1/3~ 1/5 にとどまる 左側の図の DFEB-CP では 設計上流で CP を利用するのに適切なパターンのライブラリ (DFEB Overlay Library) を用意し このパターンライブラリを最大限に使う形で設計を進める 右側の図に示すように DFEB-CP を使えば 電子ビーム描画のショット数は削減率 1/10~1/25 となる また パターンライブラリを使って設計したデバイスのチップ面積 消費電力 動作スピードなどに対するペナルティーを評価している これらペナルティーはゼロではないが 許容できる範囲であることが示された 図 は CP を使って描画したパターンを示した これらはすべて CP を用いて 1 ショットで形成したパターンである CP EB(DFEB-CP) Photo EB(CP) EB(DFEB-CP) 図 設計手法 ( 左図 ) とショット数削減率 ( 右図 ) Figure Design methodology (Left) and shot count (write time) reduction rate (Right) 36

37 Gate SRAM Contact SRAM SRAM 図 CP 描画結果 CP を選択することにより 各パターンを1ショットで描画 Figure CP patterning results. Each pattern is written by one shot by selecting CP mask 電子ビーム直接描画で 5wph 以上の高スループット化を実現するためには マルチカラム化だけでは不十分で CP 描画機能を最大限有効利用した高いショット数圧縮が必須となる 300mm ウェーハ全面に対して 100Gshots/ ウェーハ程度の描画ショット数に抑える必要がある この要件は 凡そサイズ 0.8µm のタイルのみで回路パターンをウェーハ全面にレイアウトすることに相当し 設計上流の RTL まで遡ったアプローチ無しには実現できない 数千種類の基本部品をうまく定義する事により CP 部品のみで LSI の回路を構成する CP エレメントベースデザインと称する手法の見通しが得られつつある この概要を図 に示した 37

38 CP resource restriction Cell Design Multi cell clustering CP CP size MAX value :1.5*1.5um Available CP variation : 4000 Cell-A Cell-B Cell-C CP-boundary CP-height (0.8um) Target shot count 100GShot/wafer@14nm-node =tiling with 0.82um*0.82un rectangle Cell-A Cell-B Cell-C 14nm-node cell height (0.4um) CP-MAX size Memory design CELL SA( hal f ) repeater Interconnect design Numerous variation of peripheral circuit Effective CP assignment Peripheral circuit MDE G CDEC CELL SA CELL CELL SA CELL All CP structural wiring CP-MAX size CP G IO 図 CPによるウェーハ全面タイリングのためのCPエレメントデザイン Figure CP element design method for whole wafer tiling with CP. 例えば 14nm ノードデバイスでは デバイスの機能単位であるセルの高さ予想値は約 0.4µm である 0.8µm 以上のCPでウェーハ全面を描画するためには 複数のセルを同一 CP に混載する必要がある 特に NAND,NOR,INVERTER 等の多用されるセルの幅は 0.1~0.4µm と小さいため CP 内に多数セルを混載する必要がある メモリセルの領域はパターンの繰り返し性が高いため 比較的個数の少ない決まった CP で メモリセル領域全面を描画可能である しかし メモリの種類が多いのに加えて サイズが大きいセンスアンプ ワードデコーダ カラムテデコーダ IO 等が存在する周辺回路は 延べ面積が大きく トータル数千個種類の CP を必要とする また ランダム配線を 等間隔で並んだ配線トラックと各トラック上の固定位置の切断点の組み合わせで構成する新しい手法が考案された 以上により CP のエレメント部品のみで LSI 回路のレイアウトパターン全体を構成する方法の見通しが立ちつつあるのが現状である 以上のような描画パターン設計サイドの工夫と マルチカラム (MCC) 方式や CP 描画方式など新しい描画装置機能を組み合わせることにより 電子ビームによるウェーハ直描技術を実用化するための開発が進められている 参考文献 [1] Akio Yamada and Takayuki Yabe; Correcting deviations in the shape of projected images in the electron beam block exposure column, J. Vac. Sci. Technol. B21, (2003) 2680 [2] Takayuki Yabe and Akio Yamada; CD and IP accuracy in electron beam character projection technology, Microelectronic Engineering, Vol.84 (2007)

39 [3] Takashi Maruyama, Yasuhide Machida, Shinji Sugatani, Haruo Tsuchikawa, Hiromi Hoshino, Masaru Ito, Haruyuki Tago, Larry L. Chau, Shone Lee, and Hideaki Komami; Design for electron beam: A novel approach to electron beam direct writing throughput enhancement for volume production, J. Vac. Sci. Technol. B27, ( 2009 ) リソグラフィ用光源装置現在 実用化されている縮小投影露光用の光源には 水銀ランプ (i 線 波長 365nm) KrF エキシマレーザ ( 波長 248nm) ArF エキシマレーザ ( 波長 193nm) があり 今後の更なる微細加工の最有力候補として EUV 光 ( 波長 13.5nm) がある 本稿では 2011 年以降のクリティカルプロセスで使用される ArF エキシマレーザと EUV 光について述べる ArF エキシマレーザ ArF エキシマレーザは 193nm ドライおよび 193nm 液浸リソグラフィの光源であり [ およそ 100nm ハーフピッチのデザインルールの露光から 現在の 45nm ハーフピッチの露光まで用いられる主力光源である 今後もダブルパターン技術と組み合わせた 193nm 液浸リソグラフィが 32nm 22nm ハーフピッチパターン作成の有力技術である さらに EUV 露光プロセスが確立するまでは 193nm 液浸リソグラフィとマルチプルパターン技術との組み合わせにより 22nm 以降のハーフピッチ作成の露光手段になると考えられることから ここ数年は ArF エキシマレーザを光源とした 193nm リソグラフィがクリティカルレイヤーの露光用光源になると考えられる リソグラフィから光源への主な要求性能は 微細化のためのスペクトル性能と スループット向上のための高出力化である スペクトル性能指標として 全スペクトルエネルギーの 95% が含まれる波長幅の値 (E95) が使用されており 露光機の NA が大きくなるとより狭い E95 が要求される 例えば 現在の 193nm 液浸露光で使用されている NA>1.3 の露光機では E95=0.35pm の光源スペクトルが要求され さらに光源の E95 が変化すると CD 感度変化 光学的近接効果補正 OPC の結果に影響を与え マスク設計にも影響を与えるため 光源の E95 は長時間一定 同一であることが要求され これまでに 45nm ハーフピッチ以下のデザインルールで使用される ArF エキシマレーザ光源には E95 を一定値に安定する機能が備えられている [1] さらには 露光機の焦点深度を大きくし コンタクトホール形成時のプロセス増強をはかるために レーザスペクトルを拡大する技術も検討されている [2] また 22nm ハーフピッチ以下ではこれまで無視し得た光源性能も無視できなくなる可能性がある 高出力化の要求に対しては スペクトルを狭帯域化したレーザ光を発生させる発振器とそれを増幅する増幅器を持つインジェクションロック方式や MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 方式のツインチャンバ方式の ArF レーザが主流である これまでにツインチャンバ 39

40 方式の 40W 60W 90W 機が製品化されており 今後 露光機性能アップのために 更なる高出力化が要求される可能性もある 更に各デバイスメーカーの使用エネルギーに合わせ レーザ出力を 60~90W で設定することで フレキシブルに出力を設定できるレーザも製品化されている [3] これまでに述べたレーザ光の基本性能以外にも ランニングコストの低減 ダウンタイム低減も重要な技術である ランニングコストの主要因であるレーザチャンバや光学モジュールのコスト低減のために これらのモジュール耐久性能の改善も飛躍的に進められている また ダウンタイム低減の主要因となっているエキシマレーザガス交換についても ガス交換間隔を伸張することにより ダウンタイム低減する技術も進められている [3] 参考文献 [1] T. Suzuki et al. Ultra line narrowed injection lock laser light source for higher NA ArF immersion lithography tool, Proc. SPIE (2007) [2] T. Kumazaki et al. Performance of Bandwidth Tuning Laser for Focus Drilling 2011 International Symposia on Extreme Ultraviolet Lithography and Lithography Extensions [3] H. Umeda et al. Ecology and high-durability injection locked laser with flexible power for double-patterning ArF immersion lithography, Proc. SPIE (2011) EUV 光源高温高密度プラズマから放射される 13.5nm 近傍の極端紫外線 (EUV) を光源として用いる EUV リソグラフィは 反射光学系 ( 反射率 68% 程度 ) による縮小投影が可能であるという特徴をいかしたリソグラフィであり 22nm ハーフピッチ以降の半導体リソグラフィ技術の有力候補である ( 図 ) EUV リソグラフィ実用化の鍵の一つには 実用的な EUV 光源の開発があげ 40

41 られる 図 EUV 露光装置の構成 Figure Component of EUV photolithography EUV 光源には レーザ光をターゲットに照射することにより EUV 光を得るレーザプラズマ方式 (LPP:Laser Produced Plasma) と 大電流パルス放電によって生成されるプラズマから EUV 光を得る放電プラズマ方式 (DPP:Discharg Produced Plasma) に大別される これまで 2002 年 6 月に 50nm ハーフピッチ世代以降の半導体製造用に適用可能な光源 装置等から構成される EUV リソグラフィ技術開発を目的として技術研究組合極端紫外線露光システム技術開発機構 (Extreme Ultraviolet Lithography System Development Association: 略称 ;EUVA) が発足し 2002~2007 年度までの 5 年間で LPP 方式と DPP 方式の実証試験を行なった 主に LPP 方式が EUVA 平塚研究室で DPP 方式が EUVA 御殿場研究室で行なわれてきた その結果として両方式が並存し [1] さらには実験室レベルでの 100W 以上の出力を達成し 2010 年度に終了した その結果を受けて 民間企業において EUV 光源システムの開発が進められている (1) LPP 方式光源 LPP 方式は Sn ターゲットに CO 2 レーザを照射することによりプラズマを発生させて EUV 光を発生させている 図 に LPP 方式の概念図を示す プラズマ生成用の CO 2 レーザシステムには MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) システムを採用し 発振段のパルス光を複数の CO 2 レーザシステムで増幅することにより 最大約 13kW の出力を得ている [2] Sn を融点以上に加熱 液化して吐出することによって Sn 液滴の生成を行なっている 直径 30μm 速度 60m/s の Sn 液滴が 300kHz で安定に連続生成を行なっている EUV 集光ミラーは Sn プラズマ近傍に設置され EUV 光を露光装置の照明光学系へ反射集光する 超伝導マグネットを用いて磁場を Sn プラズマの周辺に実現し Sn プラズマに含まれる高速イオンによる EUV 集光ミラーの損傷を抑制している 41

42 図 LPP 方式の概念図 Figure Concept of the LPP system EUV 光源の高出力化と長寿命化 Sn 液滴に CO 2 レーザが照射されると Sn は 3 つの状態間 細かく砕かれた液滴 Sn 原子 Sn イオン を遷移する CO 2 レーザ光を吸収して発生した Sn プラズマの Sn イオンから EUV 光を発し その後 Sn はチャンバ内に付着 集光ミラーに付着してその反射率を低下させるため 付着量を低減させることが長寿命化につながる そのため チャンバ内に付着する前に Sn を捕捉して排出することが重要な技術になる EUV 光を増大させ Sn を効率良く捕捉するには いかに Sn イオンを効率良く生成するかが重要である 効率の良い Sn イオン生成は EUV 出力 磁場による Sn デブリ緩和の双方に良い効果をもたらす これまでに効率の良い Sn のイオン化 Sn のデブリ緩和について様々な報告がされている [3-5] Sn イオンを効率的に生成するには CO 2 レーザを照射するときの Sn ターゲットの形状がポイントである CO 2 レーザ光を効率良く吸収する形状を生成するために CO2 レーザ照射前にプリパルスレーザを照射する方式が報告されている 図 に Sn のデブリ緩和の原理を示す Liquid Sn Fragments EUV Light Neutral atoms Vaporized Ions Ionized Pre pulse Laser CO2 Laser 図 Sn デブリ緩和原理 Figure Principle of the Sn debris mitigation これまでに 上述した LPP 方式技術を用いて 104W( 発光点実測値からの集光点換算値 ) の EUV 光の運転に成功している [6] さらに Sn の液滴直径を 30μm にすることにより 真空容器内での Sn 飛散を抑制して出力 42W( 同上 ) レベルで7 時間の連続運転を実証している [7] 今後は製品化へ向けての技術課題の解決に向けた開発が進んでいくと考えられる 参考文献 [1] 特集 実用間近のレーザ方式極端紫外線リソグラフィ光源開発 レーザー研究 36, 42

43 No.11 (2008) [2] Akira Endo et al. CO2 laser produced Sn plasma as the solution for high-volume manufacturing EUV lithography Proc. SPIE 6703,(2007) [3] Yoshifumi Ueno et al Characterization of Various Sn Targets with Respect to Debris and Fast Ion Generation Proc. SPIE 6517,(2007) [ ] [4] Tsukasa Hori et al Investigation on high converson efficiency and Tin debris mitigation for laser produced plasma EUV light souce 2010 SEMATECH EUVL Symposium, Kobe, Japan(2010.Oct.17-20) SO-04 [5] Tatsuya Yanagida, Characterization and optimization of tin particle mitigation and EUV conversion efficiency in laser produced plasma EUV light source Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography II.(2011) [ ] [6] H.Mizoguchi et al. 1 st generation laser-produced plasma 100W source system for HVM EUV lithography SO-03, Symposium on EUV Lithography II ( , Kobe, Japan) [7] H.Mizoguchi et al. 1 st generation laser-produced plasma source system for HVM EUV lithography Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography II (2011) [ ] (2) DPP 方式光源 (LDP 方式光源 ) DPP(Discharge Produced Plasma) 光源は 現在 トリガー用のレーザーを組み合わせた LDP(Laser-assisted Discharge Plasma) 光源に移行している そこで LDP 光源について報告する 光源装置は 図 に示すように 主に光源 (Source head) 部とコレクターを収納するコレクターチャンバー (Collector chamber) 部から成る 光源部では 放電によりピンチプラズマを生成し EUV 光を放射する その EUV 光の発光源は放電プラズマによって生成された励起多価スズ (Sn) イオンである スズを放電ピンチプラズマ領域に供給するため スズは固体レーザーによって気化 電離させている スズの供給される段階で電極は 高電圧で充電されているため スズの供給と同時に放電が開始される そのため レーザーは トリガーの役割もし さらに放電プラズマ位置を決めるので 発光点位置が変動することはない LDP 光源の放電周波数は 数 khz から数 10 khz である そのため 連続的にスズを供給する必要があり 回転ディスク (Rotating disc) が採用されている 回転ディスクは スズを塗布するためスズの浴槽 (Tin bath) に一部漬けられ 放電部へ連続的にスズを供給する このスズは回転ディスク上に塗布されて電極として働く他に 電源 (Pulse power module) から回転電極に高電圧を印加するための導線としての役割を果たしている さらに このスズの浴槽は 外部に循環 冷却する機構を持ち 浴槽内のスズの温度を一定に制御している そのため 浴槽は高温になったディスク表面を冷却する役割も果たしている また 回転ディスク上のスズによって 放電の際の回転ディスクの磨耗は抑止できる 43

44 コレクターチャンバー部の主な部品は 光源から中間集光点 (IF: Intermediate Focus) に EUV 光を集光させるコレクターと コレクター汚染を低減するための DMT (Debris Mitigation Tool) である コレクターは EUV 光源の波長 13.5 nm に高い反射率を有するルテニウム (Ru) をコーティングした斜入射コレクターを使用している 次に LDP 光源に設置されている DMT の機能 役割について説明する EUV 発光源のスズは レーザー照射と放電により蒸発し 真空チャンバー内を浮遊する コレクターまで浮遊した一部のスズは 反射膜上部に堆積する また 放電ピンチプラズマ領域でエネルギーを得たスズは 高速で飛散し コレクターの反射膜に衝突し膜を削る どちらの場合も 反射膜はダメージを受けて反射率を低下させる そこで LDP 光源の DMT は フォイルトラップを使用している フォイルトラップ内には 不活性ガスが流し込まれており そのガスにスズを衝突させて スズ速度の減速と進路変更を行う 進路が変更されたスズは フォイルトラップのブレードに衝突し 捕獲される これにより コレクターへのスズの到達を低減している に光源の写真を示す これは 2011 年 Q1 に EUV 用露光装置に搭載された光源であり 入力エネルギー 9 kw ターゲット IF 出力 6 ~7 W@DC (Duty Cycle) 100% で ベルギーの研究所で現在稼働している [1] 図 LDP-EUV 光源の装置概要 Figure LDP-EUV source 44

45 Figure ASML NXE3100 に搭載された LDP 光源 LDP-EUV source connected with ASML NXE3100 exposure machine LDP 光源の露光用光源としての利点は 1) Out of Band 光の影響が無いこと 2) 光源出力フィードバック動作制御による出力安定性 3) パワースケーラビリティーが上げられる 図に EUV 光と DUV 光 (Out of Band) の空間分布と表 に In-band 光に対するアパーチャーを通過できる OoB 光強度比率を示す ここでは波長選択フィルターを変えることで EUV 光と DUV 光を分離して観測している 図 に示すように EUV 光と DUV 光の発光位置は異なる 破線で示した円はエタンデュマッチングにより IF 点でアパーチャを通過できる領域を示している EUV 光のみが通過して 露光装置に入射できることがわかる 表 よりアパーチャを通過できる OoB 光強度は 非常に弱く SPF(Spectrul Purity Fillter) は不要である [2] 図 に EUV 出力の安定性を示す 光源は EUV 出力のフィードバック機能を設けることによって Dose stability 0.1% 以下を実証した パワースケーラビリティーに関しては LDP 光源は DPP 光源にレーザーを組み合わせることで LPP 同様にプラズマ生成への投入エネルギーと周波数を上げられ実現可能である Figure 図 プラズマ領域の EUV DUV 発光分布 Spatial Distribution of DUV emmision and EUV. 45

46 表 OoB 光強度比率 Figure2-4-1 OoB Intensity within IF Aperture 図 Figure IF 出力 Dose stability 変動 Dose stability of IF EUV output EUV 出力 DMT 改善前後の IF での EUV 出力特性を図 に示す DMT 改善前を図 の左グラフに 改善後を図 の右グラフに示す 改善前 光源の入力エネルギーを上げると EUV 出力は線形に増加せずに 入力エネルギー増加とともに増加量が減少した その原因の追及を行い DMT のフォイルトラップ (FT) が熱変形し EUV 光の一部が遮光されていることがわかった そこで フォイルトラップの熱変形を抑止する設計が導入された その結果 図 の右グラフに示すように光源の入力エネルギーに対して EUV 出力が線形に増加した そして 2011 年の EUVL シンポジウムで % と 37 50% が報告されている [2] 46

47 Figure 図 IF 出力の入力電力依存性 Source Input Power dependence of EUV Power at IF DMT 性能とコレクター寿命コレクターの劣化は 光源から飛散 浮遊するスズの速度によって異なる 高速のスズは コレクター表面の反射膜を削る そして 低速 浮遊のスズは 反射膜の上に堆積する どちらの場合でも ルテニウム反射膜の性能を低下させるので EUV 光の IF への集光効率が低下する LDP 光源に搭載されている DMT は フォイルトラップとガスとを併用している その結果 スパッタリングが支配的で その速度は 2 nm/gpulses である [3] 図 に示すように ルテニウムの反射率は 反射膜厚に関係なく一定である [2] したがって ルテニウム膜厚 1μm を用いた場合 コレクターの寿命は 1 年以上と見積もられる Figure 図 反射膜厚依存反射率特性 Collector reflectance as a function of remaining ruthenium thickness 高出力化への取り組み量産機には IF の EUV 出力で 200~250 W が必要とされている [4] そこに向けて段階的に出力の検証が行われている 光源部単体での開発において 図 に示すように 入力エネルギー 48 kw@dc 100% で安定した EUV 出力が 40 分間得られている [2] この時の EUV 47

48 出力は IF で 48 W 相当である 量産機用光源に向けては 入力エネルギーと放電周波数を上げる必要がある 現在 両方からのアプローチを行っており 放電周波数 40 khz の検証実験結果を図 に示す EUV 出力はパルス抜けがなく 経時的な出力低下も発生しなかった また LDP 光源の入力エネルギー依存 EUV 出力を図 に示す LDP 光源は これまでに 100W@IF 相当 (DC 20%) そして 50W@IF 相当 (DC 100%) の発光点出力を得ている 現在 DC を上げた条件下で長時間運転ができ LDP 光源の信頼性向上に努めて開発を行っている 図 IF50 W 光源実証実験結果 Figure W of IF EUV power result 図 khz 動作試験結果 Figure Operation at 40 khz of repetition rate 48

49 図 入力エネルギー依存 EUV 出力結果の推移 Figure LDP EUV source performance 参考文献 [1] R. Peeters, EUV Lithography: NXE3100 is in use at customer sites and building of NXE:3300B has started, EUVL Symposium, Miami, Oct. 17, [2] M.Corthout et al., EUV Light Source-The Path to HVM; scalability in practise, EUVL Symposium,Miami, Oct. 17, [3] M.Corthout et al., First Tin Beta SoCoMo ready for Wafer Exposure, EUVL Symposium, Kobe, Oct. 19, [4] H-K. Cho, EUV Readiness and EUV PPT Performance, EUVL Symposium, Miami, Oct. 19, マスク用 EB 描画装置 マスク材料とリソグラフィ技術 hp45nm 以降で候補とされているリソ技術は ArF 技術以外では 先に触れたEUV ナノインプリント ML2とDSAがあるが ML2 以外のArF EUVとナノインプリントにおいてマスクが必要なリソ技術である DSAもリソグラフィの他の技術と併用されるため マスクが必要とされる可能性が高い ArFにおいては マスクの透過光によりパターンニングを行うため 利用されるマスク材料は 合成石英基板 (Synthetic silica) がベースであり 石英基板上に透過率を変えるための薄い金属膜が形成されている場合もある EUVでは マスクからの反射光をパターニングに用いるため 低熱膨張係数ガラス基板上にEUV 反射用多層膜を形成したものが用いられている ナノインプリントでは マスクそのものを樹脂材に接触させることでパターニングを行うため Si 基板あるいは石英基板が用いられている 参考文献 49

50 [1] The International Technology Roadmap for Semiconductors: 2011 UPDATE マスク露光装置における普遍的課題 ITRSのロードマップに基づくハーフピッチ縮小に伴うマスク露光装置において解決を要求される主たる課題は 微細化を実現するための光源波長の短波長化と微細化によって発生する 1 露光時間の増大に伴う生産性の低下の改善 2CDの高精度化 3 位置の高精度化である 微細化を実現するための光源波長の短波長化は g 線 (436nm) i 線 (365nm) KrF (248nm) ArF(193nm) とITRSのロードマップを実現すべく多大な努力が払われつつタイムリーにリリースされてきた ArF 以降は EUV(13.5nm) の登場が待ち望まれながらも 量産化への適用の道のりは未だしの状況であり これを補完するため 1) 純水との併用による液浸 ArFにより解像度の改善 2) ダブルパターニングをはじめとするプロセスの改善 3) コンピュテーショナルリソグラフィの活用による光源とマスクの最適化 (SMO: Source and Mask Optimization) により微細化を図ることが検討されてきている この内 マスク露光装置開発方針へ影響を及ぼすのは2) と3) である 2) のパターニングの工夫をするプロセスの改善には マスク精度に歩留まりが依存するマスクを複数枚使用することを想定するDP/DE 法がある このDP/DE 手法によっては 2 枚以上のマスクが利用されることになるため 位置精度が最終的なCD 精度に反映される結果となる 1 枚のマスクであれば hp45nmで要求 4.8nmの位置精度が3.4nmとこれまで以上に位置精度改善が必要となる状況になり より一層のマスク露光機の高精度化が望まれるようになるという現実に直面する この場合は マスク露光装置開発への負荷が大きくなることが危惧されている また 3) では これまでの比較的単純な変形照明ではなく 想定するパターンの出来上がりから逆に照明形状とマスクパターンを計算機でシミュレーションすることで微細化 プロセスウインドの拡張を実現しようとするものであり スーパーコンピュータなどを利用して実現している例がある これでは マスク上のパターンは OPC 以上に基本パターンに補助パターンの付加および削除が行われるため マスク露光による実現では 露光にかなりの時間がかかることが想定され 装置に露光の高速化が求められるようになると考えられる 生産性の低下は マスクコストとして跳ね返るため 露光時間を短くすることが要求される 露光時間が長くなる理由は 単に微細化に伴うデータ量の増大だけではなく CD 均一性を良くするための光学的近接効果補正 (OPC:Optical Proximity Correction) 用補助パターンの付加が必須となっていることによる この付加パターンの増加と形状が複雑化することにより 露光すべきデータ量が増加している現状がある この対策として これまでも ASET( 技術研究組合超先端電子技術開発機構 ) の国家プロジェクトを利用するなどしてデータ転送 演算速度の高速化やステージなどの改善が図られてきているが 最近では 高電流密度化も図られるようになってきており 200A/cm 2 の装置が開発されている CDの高精度化のためには ビームの安定化 温度 磁場 振動などの装置環境の制御技術 電子線における近接効果補正 (PEC:Proximity Effect Correction) フォギング効果など 50

51 の補正技術等の検討が進められている 位置の高精度化についても CD 寸法制御と同様にビームの安定化 装置の環境制御技術 マスクの保持技術などが重要であるが 最近では レジスト ( 概ね絶縁膜 ) に残留する電子によって後続の電子が振られるチャージアップ現象によって 位置精度の悪化が発生するとの報告もあり ナノメータレベルでの改善のためチャージアップ防止剤などによる対策 改善が必要となってきている 2010 年には hp45nmでは 193nm(ArF) 液浸と超解像技術 (RET:Resolution Enhancement Technology) によって ITRSのRed Bricksの多くが解決され 量産が開始されるに至っている しかし 2012 年量産開始のhp32nmでは これらの技術のみでは 焦点深度 (DOF:Depth of Focus) パターン解像度が十分でないため EUV(Extreme Ultra Violet) の登場が期待されてはいるが 現状では これまで培われてきた193nm(ArF) でのリソ技術を基に DE/DP(Double Exposure/Double Patterning) と称されるマスクを2 枚あるいはそれ以上の枚数を使用するプロセスによって実現する方法が提案されている さて 先に触れたように これまでもASETなどを利用して 精度やスループットの改善が図られてきたが 一旦 2001 年に終結していた しかし ASETにおいて 2003 年 6 月から2005 年 6 月までの研究会と2005 年度の先導研究後 2006 年 5 月から2010 年 3 月までの予定で マスク設計 描画 検査総合最適化技術 (MaskD2I:Mask Design, Drawing & Inspection Technology) に関する国家プロジェクトが発足し NEDO 事業として12 社が参加している 大きくテーマは マスク設計データ処理技術 マスク描画装置技術 マスク検査装置技術 の3つに分けられている マスク描画装置技術 としては 別項でも触れているが マルチカラム 高輝度電子銃およびCPマスク (Character Projection Mask) の採用による高速化 さらに露光時に内部および外部環境により発生する問題の露光への影響をモニターし その結果を検査にフィードフォワードすることで 検査の高速を図ることも検討されている また マスク設計データ処理技術 としては 繰り返しパターンの抽出 (CPマスクへのフィードバック) と設計インテントに基づくパターンの重要度情報を描画時や検査時に提供し 描画と検査の高速化を図ることが検討されている マスク検査装置技術 については 先に述べた設計情報と露光情報に基づいて効率的な検査を行って高速化を図るための技術開発が行われている そして これらの技術を統合化することで マスクコスト増大を未然に防ぎ hp45nm 世代のマスク設計 描画 検査に要する時間がhp65nm 世代に比べて半分以下に低減される可能性を示し終了した 光によるリソグラフィが 当初想定したよりもはるかに微細なパターン加工を行う必要が生じたため OPC (Optical Proximity Correction) や Computational Lithography, DFM (Design For Manufacturability) など様々な技術を駆使する必要が生じた このためレチクルを作成するために必要なデータ量が増大し 描画時間の増大が懸念されるようになってきた なお Computational Lithography, DFM (Design For Manufacturability) については 別途章を設けて 詳細に解説する 別の章でも詳細に説明するが 上記 ASETのマスク描画技術開発において 4カラムのマルチカラムを用いてマスク描画時間短縮の可能性を示したのは 一つの成果と思われる 51

52 海外でもSematechが中心になり マルチビームやマルチカラムによる描画装置の描画時間を短縮するプロジェクトが検討され 開発が実行フェイズに入りつつある 参考文献 [1] 西村理恵子 電子ビームマスク描画装置 EBM-7000 荷電粒子ビーム工業への応用第 132 委員会第 187 回研究会資料 (H ) p32-37 [2] 技術研究組合超先端電子技術開発機構 (ASET) マスクD2I 技術研究部第 3 回成果報告会資料 (2009 年 4 月 6 日日本科学未来館みらいCANホール ) [3] 2007 年度半導体製造装置技術ロードマップ報告書 [4] Linyong Pang et al.,"source Mask Optimization ata full chip Source using Inverse Lithography Technology (ILT) based on Level Set Methods", on 2009 Lithography workshop (Coeur D'Alene, IDAHO, 2009) [5] Lloyd Litt et al., Sematech Maskless Lithography and Multibeam Mask Writer Workshop on Lithography Forum 2010 ( New York, 2010) 個々のリソグラフィ技術に対する課題ここでは 今後 hp32nm 以降で候補として挙げられるEUVやナノインプリント用マスク作製時に発生する課題につい触れる ナノインプリントでは ArFやEUVと異なり 等倍 (x1) マスクを用いるため 位置精度については ArFの精度のx1/4で作製することが要求され 装置への精度要求が厳しい また EUV ナノインプリントともにマスクパターンの三次元形状がウエハ上のパターンへ影響を及ぼすため マスク作製時のレジスト形状への要求がArFマスク作製時以上に厳しくなることが予想される さらに EUVでは 露光波長がArFに比べて短い (13.5nm) こと ナノインプリントでは 等倍マスクであるために 許容される欠陥サイズへの要求がArF 以上に厳しい ただ ナノインプリントでは OPCなどのアシストパターンの作製が必要でないため ArFに比べてデータ容量はさほど大きなものにはならない EUVでは 入射光がマスクに対して垂直に入射しないために発生するマスクパターンによってシャドーイングが発生するパターン変形や フレアの影響を補正するため 予めマスクパターンにOPCを施す必要があることが知られており ArFほどではないがかなりなデータ容量の取り扱いが要求される また EUV ナノインプリントともにペリクルが使えないため これまで以上にデフェクトの原因となるパーティクル発生を抑制する必要がある 参考文献 [1] K. Ronse et al., EUV lithography status at IMEC, on 2007 Lithography Workshop(Puerto Rico, 2007) 52

53 [2] The International Technology Roadmap for Semiconductors: 2009 UPDATE [3] L. Melvin et al., Using Optical Proximity Correction Techniques to Compensate for Flare in Extreme Ultra Violet Lithography 6C-3 on 33 rd International Conference on Micro- and Nano-Engineering 2007(Copenhargen, 2007) 4-8 フォトマスク修正装置現在 フォトマスク修正装置としては レーザー方式 イオンビーム方式 電子ビーム方式 ナノマシニング方式が使用されている 各々 加工位置精度や加工速度などの特性が異なる為 マスクの種類および欠陥の種類に応じて使い分けられている よって 数種類の装置が並列に使用されるケースが一般的で その組み合わせはマスクショップによって異なる レーザー方式は 最も古くから使用されている修正技術である 加工位置精度は 70nm(3 σ) 程度と最も悪いが 加工速度は最も速い [1][2] よって 主に ローエンドマスクや LCD 用マスクにおける大サイズ欠陥の修正に使用されている また 黒欠陥には有効であるが 孤立した白欠陥の修正が弱点である 近年 フェムト秒パルスレーザーの採用により高分解能化 低ダメージ化した装置が発表された [3] ガリウムイオンを利用したイオンビーム (FIB:Focused Ion Beam) 方式は レーザー方式より高精度であり 白欠陥にも対応する為 現在主流の修正技術のひとつである 修正領域にガリウムイオン注入によるダメージがあるが マスク洗浄により 波長 193nm の透過率は 98% 以上に回復するので 実用上問題とならない 加速電圧を下げた装置では さらにダメージが低下し 複数回の加工が可能となっている [4][5] 最大の特徴は 1 台の装置で 高精度 & 低速度から低精度 & 高速度まで幅広い領域をカバーできる点である 商用装置は 3~4nm(3σ) の修正位置精度で hp45nm 程度まで使用されている 実験装置は hp25nm の EUVL マスクを修正し 転写に成功した例が報告されている [6][7] また スパッタリング効果を使用している為 ガラス加工の形状再現性が高く レベンソンマスクやナノインプリントのテンプレートの修正に有利である 電子ビーム (EB) 方式は FIB 方式に近い特性の修正技術である 両者の相違点として EB 方式は化学反応を主に用いるが FIB 方式は化学反応と物理的スパッタリング効果を利用している EB 方式の修正精度は 2~3nm(3σ) 程度で FIB 方式と大きな差はない しかし 照射によるダメージが少ない為 加工回数に制限が無い点と 観察分解能が高い為 修正位置を特定し易い点が FIB 方式に勝る [8][9] よって hp45nm 以降のマスク修正において 主流になりつつある また EUVL マスクやナノインプリントテンプレートへの適用例も発表されている [10][11] 最近 バイナリーマスクもハーフトーン型位相シフトマスクも新たな材質のマスクが提案されているが これらに対応するための新たな化学効果を持つ修正プロセスの開発が必要となっ 53

54 てきている ナノマシニング方式は AFM(Atomic Force Microscope) を利用した技術で 装置自身で加工後の 3 次元形状を確認できるという特徴を持つ [12][13][14] 失敗が許されない高価なマスクを 加工と確認を繰り返しながら 確実に修正できる為 急速に普及した 但し 原理上 白欠陥には全く対応できず 加工時間も長く OPC などの複雑な形状への対応が極めて困難である また 加工針のサイズの面で 微細パターンへの適用が困難になってきた よって 近年 確実に修正するというナノマシニング方式の役割が 後発の EB 方式に置き換わりつつある しかし 他の方式とは異なり 機械的な加工である為 材質が不明な欠陥や異物を除去できる 近年 Haze 問題で洗浄が弱くなった為 マスク表面に付着したダストが除去できないケースが増えている これらのダストの除去に ナノマシニング方式が用いられている 上記 4 種の現行方式の組み合わせで hp30nm 程度までのマスク修正に対応可能と考えられるが hp20nm 以降の世代には対応困難だと考えられる 同世代に対応するリソグラフィ技術として EUVL とナノインプリントが提案されているが 4 倍 EUVL マスクおいて 80nm 以下 等倍テンプレートに至っては 20nm 以下のライン & スペースを修正する必要がある 現行方式を少々改善すれば 観察分解能や加工位置精度の点は OK だが 最小加工寸法の点で対応不能である 現在 最も高分解能と言われる EB 方式においても 原理上 最小加工寸法は 20 ~30nm が限界であり 非実用的と言わざるを得ない 最近 最小加工寸法を大幅に改善するブレークスルー技術として 新しいイオンビーム技術を利用したマスク修正技術が提案されている この技術は 電界電離型ガスイオン源 (GFIS:Gas Field Ion Source) を搭載した FIB 技術で 従来のガリウムイオンに比べて マスクに与えるダメージの少ない軽イオン ( 水素イオンなど ) を用い より微細な加工ができると期待されている 実際に EUVL マスクの修正に応用された例が発表されている [15] 参考文献 [1] T. Togawa,, et al., Proc. SPIE, Vol. 4830, 346 (2003) [2] T. Okamoto, et al., Proc. SPIE, Vol. 4830, 510 (2003) [3] Firoz Ghadiali, et al., Proc. SPIE, Vol. 6283, (2006) [4] F. Aramaki, et al., Proc. SPIE, Vol. 6283, (2006) [5] F. Aramaki, et al., Proc. SPIE, Vol. 6349, 63491E (2006) [6] T. Amano, et al., Proc. SPIE, Vol. 7122, 71222H (2008) [7] T. Amano, et al., Proc. SPIE, Vol. 7379, 73792L (2009) [8] V. Boegli, et al., Proc. SPIE, Vol. 4889, 283 (2002) [9] A. Garetto, et al., Proc. SPIE, Vol. 7488, 74880H (2009) [10] S. Kanamitsu, et al., Proc. SPIE, Vol. 7823, (2010) [11] M. Pritscow, et al., Proc. SPIE, Vol. 7122, 71222L (2008) [12] R. White, et al., Proc. SPIE, Vol. 4562, 213 (2002) 54

55 [13] T. Robinson, et al., Proc. SPIE, Vol. 7488, 74880F (2009) [14] M. Dellagiovanna, et al., Proc. SPIE, Vol. 6730, (2007) [15] F. Aramaki, et al., Proc. SPIE, Vol. 7969, 79691C (2011) 4-14 レジスト技術動向 開発動向と課題半導体集積回路の高密度化 高性能化のためには パターンの微細化が欠かせない 解像度の向上には露光波長の短波長化および投影レンズの高 NA 化が有効である 実際 436nm(g 線 ) から始まった縮小投影露光の波長は 365nm(i 線 ) 248nm(KrF) を経て 現在では 193nm(ArF) と半分以下の波長が使用されるに至っているおり それぞれの波長を用いる露光装置の NA の向上が微細化の推進力となってきた そして さらなる微細化のために 193nm では液浸露光技術が実用化され ArF 液浸による二重露光技術 13.5nm(EUV) の波長を用いる EUV 露光 EB にて直接加工する EB 直描技術 (ML2) Template によるナノインプリント (IMP) 指向された自己組織化技術(DSA) などが次世代のリソグラフィに検討されてい [1] このようなリソグラフィ技術の変化伴い レジスト材料も変遷を遂げている 代表的な例としては 露光波長の変化に対し高い透明性が得られる樹脂を用いた材料開発があげられる 露光波長に対するレジスト膜の透過率はレジスト組成物の化学構造によって決まることから リソグラフィ特性を確保しつつ 高透明性を維持できる材料が選択されてきた 具体的には g 線 i 線にはノボラック樹脂が KrF にはポリヒドロキシスチレンが そして ArF にはアクリル系ポリマーがレジスト用基材として適用されてきた EUV では 吸収は基材の元素そのものに依存するため 従来レジストと比較し 自由な化学構造が適用可能であるとされている 実際には従来レジストに利用されてきたポリヒドロキシスチレン アクリル系ポリマーを主たる基材として EU Vに特化した技術開発が進められている 液浸露光というプロセスに対しては 補助材料の開発とともに レジストそのものの組成を改良することにより レジスト膜表面の撥水性 レジスト組成物の水への溶出制御を可能としてきた 更に確立された液浸露光技術を出来るだけ延命させるようなプロセス 材料などの検討も行われている 現在は露光波長の短波長化 投影レンズの高 NA 化だけではなく さまざまな手法を駆使して微細加工を推し進めていくという状況となっている レジスト材料についてもそのプロセスにあった開発を行う必要がある 以下にそれぞれの開発状況を述べる 参考文献 [1] International Technology Roadmap for Semiconductor 2011 edition 55

56 液浸露光対応レジスト ArF 液浸露光プロセスは ここ数年の加速的なプロセス ツール 材料開発が奏効して 既に量産に適用されている そのため現在は量産プロセスへ適用した場合の長期プロセス安定性などが報告されている [1,2] 特に開発当初の材料の問題点として取り上げられていた液浸起因欠陥は レジストへの水の影響を遮断する Topcoat 材料の開発や液浸専用プロセスなどの適用により量産適用可能なレベルまで抑えられるようになっている 初期の液浸露光プロセスは Topcoat 材料の使用が報告されているが プロセスの簡便性向上や材料コスト低減を目的に Topcoat less レジストの開発が進められている Topcoat less レジストの開発には レジスト膜の表面自由エネルギーを下げて露光ステージスキャン時の水滴残り防止や レジストに使用されている酸発生剤などの低核体成分が水へ溶出してしまうことを防止する必要がある 前者の表面自由エネルギーのコントロールにはフッ素を含むポリマーをレジストに添加して レジスト膜表面付近に偏在化させる手法が報告されている [3,4] 後者の酸発生剤の溶出防止には 液浸露光専用に開発された酸発生剤などが使用されている これらの技術を組み合わせて開発された Topcoat less レジストにおいて 40nm Line/80nm Pitch の解像が確認され 且つ Topcoat を使用した時よりも低いレベルの欠陥数が報告されている [4] 図 Non Topcoat レジストによる 40nm/80nm Pitch の解像例 Figure Imaging example of 40nm/80nm Pitch by Non Topcoat resist 更にArF 液浸露光にて解像性を向上させる技術として様々なプロセスが提案されている 繰り返してパターニングを行うダブルパターン技術 パターンを芯材としてサイドウォールを形成するサイドウォール技術 複数回パターニングを行うマルチパターニング技術などが検討されている 以下にダブルパターニング技術の詳細について記述する ダブルパターニング技術の種類として 1レジストパターニング エッチングを繰り返す方法 2レジストパターニング後 簡単なプロセスを経て再度レジスト塗布 パターニングを行いエッチング 3レジスト塗布 2 回の露光を実施 その後 現像 エッチング 56

57 4レジスト塗布 1 回の露光でピッチ 2 分割 その後 現像 エッチングアルカリ現像液によるポジ型レジストを用いる場合は 上記の案の中でも工程数やコストを考慮し 2のレジストパターン形成を 2 回繰り返した後にエッチングプロセスに移る いわゆる LFLE(Litho-Freeze-Litho-Etch) プロセスが望まれている レジストを一度パターニングした後に 再度レジストを塗布 パターニングを行うことから 2 層目のレジスト塗布 露光および現像時に 1 層目のレジストパターンにダメージを与えないことが必要である 中間に行うプロセスを可能な限り簡便なものにしたく 二重露光プロセスの検討初期には 1 層目のパターン形成後にフリージング剤を塗布し 1 層目のパターンを保護した後 2 層目の塗布 パターニングを行うというフリージングプロセスが提案された [6,7,8] その後 フリージング剤も不要となるようにレジスト設計が改良され 1 層目のパターニング後ハードベークをおこなうのみで 2 層目の塗布 現像プロセスで 1 層目のパターンにダメージがないという材料 プロセス ( フリージングフリープロセス ) が提案されており NA1.35 を使用して 32nmhp の解像結果が報告されている [9] 図 フリージングフリーダブルパターニングプロセスの 32nmhp の解像例 (NA 1.35) Figure Imaging example of 32nmhp by freezing free double patterning process (NA=1.35) 前記 1 2 3と4の順でレジスト開発困難度が上昇する 特に3の 2 重露光プロセスでは本来のレジストとは違った光応答性が求められる事になる 通常のレジストではターゲットハーフピッチを分割して 2 回に分けて露光だけを行うと レジスト膜中の光強度は 1 回目と 2 回目の干渉により一定となりパターニングは行う事は出来ない そこで対策としてレジストの光応答性を非線形とする材料などが提案されている [10] 更に4の 1 回の露光でピッチ 2 分割においては 光強度の強弱を利用して光発生材と光塩基発生材の組み合わせを利用した材料が提案されている 90nmhp の光学像で 45nmhp のパターニングを行った結果が報告されている [11] 57

58 Mask Aerial Image E n E 0 NA = nm hp aerial image 45 nm half pitch Resist Profile P N k 1 = 図 ピッチ分割コンセプト図および 90nmhp aerial 45nmhp pattern 解像例 Figure Concept of pitch split and example of imaging 90nmhp aerial 45nmhp pattern また一方でアルカリ現像におけるポジ型レジストを用い 有機溶剤で現像することによりネガ像を得るという手法も提案されている [12,13] ポジ型レジストではダークレチクルを使用するため光学強度が弱く形成の難しいトレンチパターンやホールパターンなどの形成において ブライトレチクルを使用できるネガ型レジストの場合は光学強度が増加するため解像性が優位となる 参考文献 [1] A. Hazelton, et.al., 4th International Symposium on Immersion Lithography (2007) [2] M. Kono, et.al., 4th International Symposium on Immersion Lithography (2007) [3] M. Irie, et. al., J. Photopolymer Science Technology Vol. 19 (2006) No.4 pp [4] T. Hagiwara et. al., J. Photopolymer Science Technology Vol.19 (2008) No.5 pp [4] K. Goto, et. al., 4th International Symposium on Immersion Lithography (2007) [5] T. Furukawa, et. al., 4th International Symposium on Immersion Lithography (2007) [6] M. Hori et. al., Proc. SPIE, 6923, (2008) 69230H [7] D. K. Lee et. al., J. Photopolymer Science Technology, Vol.22 (2009) No.5 pp [8] T. Kakizawa et. al., J. Photopolymer Science Technology, Vol.22 (2009) No.5 pp [9] T. Nakamura et. al., J. Photopolymer Science Technology, Vol.21 (2009) No.5 pp [10] R. Bristol, et. al., Proceedings of SPIE vol. 7639, / /12(2010) [11] Y. Cho, et. al., Proceedings of SPIE vol. 7972, / /8 (2011) [12] S. Tarutani, et. al., J. Photopolymer Science Technology, Vol.21 (2008) No.5 pp [13] S. Tarutani, et. al., Proceedings of SPIE vol. 7639, / /8 (2010) 58

59 EUV リソグラフィ用レジスト露光源の短波長化において EUV(Extreme Ultra Violet) 光を利用したリソグラフィの開発が加速され 導入が現実的なものと成りつつある [1,2,3,4] EUVリソグラフィでは 現状の照射光波長が ArF の 193nm から 13.5nm と 1/10 以下になるため飛躍的な高解像度実現が期待される EUV リソグラフィプロセスの開発当初はレジストの完成度が大きな課題とされたが 最新のレジストでは EUV 干渉露光機や EUV プロトタイプ露光機において 22nm 程度のライン & スペースパターン解像が報告されている EUV リソグラフィの適応が見込まれる世代は hp22nm 以降であり 解像性についてはマッチしているといえる パターンの倒れ防止のためのアスペクト比を考慮すると 使用される膜厚は 50nm 程度になると考えられる 解像性以外の要求特性には先ず高感度化が挙げられる 光源の高性能化は期待できるものの CoO( コスト オブ オーナーシップ ) 低減を目標とした高スループット実現の観点からは mj/cm 2 という高感度レジスト開発要望が依然として強い 従来の光リソグラフィにおける化学増幅型レジスト要求感度は 20~30mJ/cm 2 であり EUV レジストへの要求感度が露光量の観点からも明らかに高いことがわかる 従来型レジストの感光領域が分子吸収を議論しているの対して EUV レジストの感光領域が基本的にエネルギー準位の異なる原子吸収である点を考慮すると 自由な化学構造が選択可能であるが EUV 露光における酸発生過程を勘案した材料設計が必要であるとされている 高感度化に対しては 意図的にEUV 光吸収を増大させるためフッ素原子の導入や [5] 化学増幅反応を司る酸触媒の酸発生過程の量子収率を向 [6, 7] 上させて感度向上を行うプロトンソースの導入などが提案されている 次の課題としてはライン幅の揺らぎ (Line Width Roughness: LWR) の低減である ITRS Roadmap によると hp22nm 世代に要求される LWR は 2nm 以下である 従来の化学増幅型レジストは 露光後ベーク時の酸拡散を利用して増感作用を出現させているため 塗布膜中の PAG の分散度 露光により発生した酸の拡散長のばらつきをより厳しく制御する必要がある また一般的な化学増幅型レジストのベースポリマー等による平均粒塊は数十 nm 程度とされることから 従来のポリマー系では目標 2nm の達成を疑問視する意見もあり 粒塊径を小さくするため分子量 1000~2000 程度とした低分子ガラスタイプレジストが提案されている [8] 更に EUV リソグラフィでは従来の ArF KrF リソグラフィに比べ光学フレア量が格段に大きくなることが報告されている ArF KrF リソグラフィでは1% 以下の光学フレア量であったのに対し EUV リソグラフィでは 10% 前後になると予想されている レジスト材料面からの光学フレア対策は未だ十分に議論されておらず 今後の課題となりうる [9,10] EUV レジストとしてはこれらの課題すべてを満足させる必要があるが 特に解像力 (Resolution) 感度(Sensitivity) LWR は相反関係 (RLS トレードオフ ) にあることが知られており EUV レジスト開発の大きな課題となっている これらの問題を解決するために 近年 樹脂に含まれるひとつのユニットとして酸発生剤を組み込んでしまうという手法が報告されており 59

60 [11,12,13, 14] (PAG bound polymer) このトレードオフを改善した結果が報告されている 更に EUV 光の高吸収化を目的とした材料の研究も昨今では行われるようになってきている EUV 光は 13.5nm と短波長であるため EUV フォトンは 92.5eV という高いエネルギー持っている そのためレジストに使用されている有機物の炭素 - 炭素結合 (C-C bond) や炭素 - 酸素結合 (C-O bond) を励起するためのエネルギー準位より高くレジスト膜中を透過してしまうため 入射した光を有効活用できず高感度化しにくいという問題もある EUV 光の高吸収化を目的としてもともとエネルギー準位の高い元素を使用してレジスト基材とする無機物レジストや有機 - 無機ハイブリッドレジストなどが提案されている [15] 参考文献 [1] T. Miura et al., 2009 EUV symposium, ET-02, Prague, the Czech Republic. [2] S. Lok et al., 2009 EUV symposium ET-04, Prague, the Czech Republic. [3] K. Tawarayama et al., 2009 EUV symposium ET-05, Prague, the Czech Republic. [4] T.Itani et al., J. Photopolymer Science Technology, 22, 1 (2008) 59. [5] H. Yamamoto et al., Appl. Phys. Express, 1 (2008) [6] H. Yamamoto et al., Jpn. J. Appl. Phys., 43 (2004) [7] H. Yamamoto et al., Jpn. J. Appl. Phys. 46 (2007) L142. [8] T. Hirayama et al., Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005) [9] A. M. Goethals et al., J. photopolym. Sci. Technol., 19, 4 (2006) 501. [10] A. M. Goethals et al., J. photopolym. Sci. Technol., 20,3 (2007) 383. [11] M. Thiyagarejan et al., J. photopolym. Sci. Technol., 18, 6 (2005) 737. [12] M.Wang et al., J. photopolym. Sci. Technol., 20, 6 (2007) 793. [13] S. Tarutani 2009 EUV symposium R1-01, Prague, the Czech Republic. [14] J. W. Thackeray et al., 2009 EUV symposium R1-02, Prague, the Czech Republic. [15] P. Naulleau, et. Al., Proc. SPIE, 7985 (2011) EB 用レジスト EB 用レジストは縮小投影露光装置用のマスク ( レチクル ) 製造用 ウエハー直描の高加速電圧用 同じくウエハー直描の低加速電圧用 ナノインプリントのモールド ( テンプレート ) 作成用が主用途となる EB 用レジストに求められる解像度はほぼ EUV レジストと同程度であり EUV レジストの項で述べた解像度 感度 LWR の相反関係についても EUV レジストと同じと考えられる また 像形成のメカニズムも EUV に非常に近く プラットフォームとなる組成は EUV からの転用が可能と考えられる [1] ウエハー直描用途の低加速 EB 露光装置は EUV 露光装置と対抗するため 量産性工場 60

61 を目的にマルチカラムシステムを搭載すると見込まれている ビーム加速電圧が低いため高感度となるが 高加速電圧用に設計されたレジストでは高感度過ぎる可能性が高く 低加速電圧露光装置用の感度調整が必須であろう また 低加速によりビーム直進性が悪くなるため 用いるレジストは 50nm 程度の薄膜となり レジスト下層にエッチングを補助するためのハードマスクが用いられる 低加速 EB 露光装置についてはまだ露光実験環境が十分に整っておらず 今後の材料開発動向に注目したい 参考文献 [1] Y. Fukushima et. al., J. Photopolymer Science Technology, Vol.21 (2008) No.4 pp ナノインプリント用レジストインプリントリソグラフィは 1995 年に現プリンストン大学の Stephen Y. Chou 教授が提案したものである [1,2] 現在の半導体製造においては 光を用いた縮小投影技術によるパターン形成 ( 配線形成 ) を行い量産が行われているが 微細加工精度の向上とともにその製造装置価格は急騰しており 多額な設備投資が必要となっている Chou 教授の提案したインプリントリソグラフィ技術は現状に比較するとかなり安価にナノメートルオーダーの加工が可能であり 次世代半導体製造技術への適用が期待されている 2003 年の ITRS ロードマップより 32nm 以下のリソグラフィ技術候補のひとつとして掲載され始めた 最新の 2011 年版においても DRAM/MPU のプロセス候補の一つとして 22nm 以降に記載されている 現状 半導体量産にインプリント技術を用いた報告例は無いが 微細加工技術候補のひとつとして試作品への適用について検討が行われている インプリントリソグラフィとしては 熱サイクルインプリント方式 室温インプリント 光インプリント方式が提案されており それぞれの方式にレジスト材料が提案されている熱サイクルインプリントは 熱を加えることにより液状になるという熱可塑性樹脂の性質を利用した技術である [1,2] 基板にレジスト材料となる熱可塑性樹脂を塗布し ガラス転移点以上に熱を加え 樹脂が液状になったところにモールドを圧着 その後冷却しレジスト材が固化した後にモールドをはずし パターン転写を行う レジスト材料としては 熱可塑性樹脂の中でも 非結晶性のものが使用しやすい 熱サイクルインプリント用のレジストとして代表的なものは ポリメタクリル酸メチル (Polymethyl metacrylate :PMMA) であり 多くの実験に用いられている PMMA はポジ型電子ビーム用レジストとしても市販されているものが転用可能である また 室温インプリントの研究も行われており Si 含有材料である HSQ( ヒドロキシシルセスキオキサン ) ベースの SOG(Spin on Glass) でのインプリント研究が報告されている [3,4,5,6,7] 光インプリントは 光を照射することにより硬化する光硬化樹脂を用いた技術である [8,9,10] 基板に光硬化樹脂を塗布し モールドを圧着した後 モールドを透過する形で紫外光 ( 波長 400nm 以下の光 ) を照射 樹脂が硬化した後にモールドをリリースする レジストとして用いら 61

62 れる光硬化樹脂は ベースとなる樹脂と光重合開始剤からなる混合物が用いられる 材料としては 光リソグラフィに用いられるネガレジストに近いものとなる 光インプリントはモールドとレジストのプレス圧が熱サイクルインプリント方式の 1/50~1/100 程度で済むソフトインパクトとなることもあり 重ね合わせ精度に優れるとされている [11] 参考文献 [1] S. Y. Chou et. al., Appl. Phys. Lett., 67, 3114 (1995) [2] S. Y. Chou et. al., J. Vac. Sci. Technol., B15, 2897 (1997) [3] S. Matsui et. al., J. Vac. Sci. Technol., B19, 2801 (2001) [4] Y. Igaku et. al., Jpn. J. Appl. Phys., 41, 4198 (2002) [5] S. Matsui et. al., J. Vac. Sci. Technol., B21, 688 (2003) [6] K. Nakamatsu et. al., Jpn. J. Appl. Phys., 43, 4050 (2004) [7] K. Nakamatsu et. al., Jpn. J. Appl. Phys., 45, L546 (2005) [8] J. Haisma et. al., J. Vac. Sci. Technol., B14, 4124 (1996) [9] T. Bailey et. al., J. Vac. Sci. Technol., B18, 3752 (2000) [10] C. G. Willson J. Photopolymer Science Technology, Vol.22 (2009) No.2 pp [11] M. D. Austin et. al., Appl. Phys. Lett., 84, 5299 (2004) 自己組織化材料自己組織化材料はナノインプリントとともに 20nm 以下のパターン形成用材料として注目されている 通常の露光装置やインプリントと異なり 特別な装置を必要とせず材料そのもののミクロ相分離を利用することによりパターン形成を行うもので 従来のパターン形成とはまったく異なるものとなるものであり 今後の材料開発 アプリケーションが注目されている 自己組織化材料としては親水性および疎水性ポリマーユニットからなるジブロックポリマーが標準的に使用されている 分子内に互いに相反する A ブロック B ブロックを持つ A-B 型ジブッロクポリマーは それ自身でブロック同士が集まり 共重合体中のどちらかの一方の体積分率と χパラメータ (Flory interaction parameter) と重合度 N AB の積によってスフィア (Sphere) シリンダー (Cylinder) ラメラ(Lamellar) 相などの自己組織体形成 (self-assembly) またはミクロ相分離 (microphase separation) を起こす ミクロ相分離を起こすための条件としてχN AB >10.5 である事が報告されている [1] A-B 型ジブロックポリマーの A ブロック体積分率 f A を横軸 χと重合度 N AB の積を縦軸に取ると理論的に以下に示す相図が描ける [2] 62

63 図 ジブロック型ポリマー相図と形成されるミクロ相分離形状 Figure Phase diagram of di-block copolymer and structures of microphase separation A-B 型ジブロックポリマーの代表的なものとしては ポリスチレンとポリメタクリル酸メチルのジブロックポリマーがある 親水性の部分と疎水性の部分の体積分率およびおのおのの鎖長を変更することにより 形成できるパターンが変わり垂直シリンダー ( ホールやドットに相当 ) や垂直ラメラ ( ライン & スペースに相当 ) を形成することが可能であり 形成できるパターンサイズも変更できる プロセスとしては塗布前の基板処理と塗布した後のベークのみとなる 大きな問題は 所望の部分にいかにパターンを形成するかということになる 垂直ラメラ構造を形成しようとした場合 自己組織化材料を事前に処理をおこなった基板に塗布しベークすると垂直ラメラは形成されるが その方向はランダムであり 指紋のようなパターンができてしまう そこで所望の部分にパターン形成を行うために ガイドパターンを用いることが提案されている [3, 4, 5] 通常の縮小投影露光装置によりレジストパターンを形成 その後自己組織化材料を塗布 ベークするとガイドパターンの間に微細なライン & スペースパターンが形成可能となる たとえば前記したポリスチレン-ポリメタクリル酸メチルのジブロックポリマーであれば 垂直ラメラ形成後 酸素プラズマでメタクリル酸のみをエッチング ( ドライ現像に相当 ) する もしくは紫外線露光を行い メタクリル酸部分を解重合し 酢酸エチルにて現像することにより ライン & スペースパターンを形成できる また昨今では ArF や KrF 露光されたパターンと組み合わせて微細パターンを形成するシュリンク材料として適用されるケースが報告されている [6] 参考文献 [1] Leibler, L. Macromolecules 1980, 13, 1602 [2] M. W. Masten, J. Chem. Phys., Vol. 106, No. 6 (1997) [3] J. Bang et. al., Adv. Mater. 2009, 21, [4] T. Yamaguchi et. al., J. Photopolymer Science Technology, Vol.19 (2006) No.3 pp [5] D. Sundrawi et. al., NanoLett., 4(2004) p273 [6] W. Hinsberg, et. Al., Proc. SPIE 7637, (2010) 63

64 第 5 章新技術および用語解説 5-1 LER(LWR) パターンの微細化に伴い 現像後 及び エッチング後のパターンエッジのラフネス LER (Line Edge Roughness) が重要視されてきている この LER を左右する要因に関しては古くから多くの報告がある レジストベース樹脂を構成する分子のサイズや 反応サイトの位置及び数のばらつき また化学増幅系レジストでは酸拡散プロセスが LER を引き起こす最も大きな要因と考えられる このほか レジスト現像時の膨潤や収縮 雰囲気汚染による酸濃度変化 なども指摘されている [1] LER 改善のためレジスト材料の観点からは 樹脂の分子構造や添加剤の改良検討等が進められている またレジストプロセスにおいても現像条件やベーク温度の最適化などが試みられている しかし一般に LER はレジストの感度とトレードオフの関係にあり このような材料 プロセス開発は非常に難しい ドライエッチング時に側壁の凹凸が均一化されて短周期の LER が低減する傾向があるものの 後述するようにトランジスタ性能のばらつきに大きな影響を与える ( ゲートの ) 長周期 LER は解消されない LER の指標としては 図 に示すように基準線からの片側エッジまでの寸法のバラツキ (3σ) を用いるのが一般的である また パターンの寸法を測定してそのバラツキ (3σ) を LER とする方法は LWR(Line Width Roughness) とも呼ばれる 得られる LER(LWR) 値に影響を与える計測条件はいくつかあるが 最も影響の大きい計測パラメータは測定するパターンの長さ ( 図 中の L) や測定箇所数 ( 同図中の矢印の数 ) である ゲートラフネスの一般的な指標に関しては これらの計測条件は固まりつつある まず ゲートの場合 重要なのはゲート長ゆらぎであることから LER ではなく LWR が指標として使われる [2] また (1) トランジスタ内の LWR による局所短チャネル効果 [ 図 2-5-2(a)] よりも 長い周期のラフネスによってトランジスタ内のゲート長が全体的に短くなる効果 [ 図 2-5-2(b)] の方が大きいこと (2) 実際 長周期のラフネス成分が存在すること から ライン長 L は十分大きくとる必要があると考えられる [3] 具体的には 計測される LWR 値の L 依存性から 2μmという値が提案されている 測定箇所数については精度の観点から L=2μmに対して 200 箇所必要 という報告がある この場合 測定間隔は 10nm となる この計測仕様は標準的なゲート LWR の指標であり レジストやプロセスの性能比較に用いられることを想定している 一方で 個々の状況に応じたオーダーメイドの LWR 計測が必要になるケースがある 例えば 接合深さに等しい周期をもつゲート LWR 成分 ( 短周期成分 ) を検出したい という要求がある この場合 45nm ハーフピッチ世代以降で 4nm の測定間隔が必要となるが 特にこのような特定の周期成分を検出する目的であれば L=2μmである必要はない L を大きくすると短周期成分が長周期成分に紛れてしまうため むしろ L を小さくとるべきであろう このように 計測目的に応じて計測仕様の検討が必要になるが いずれの場合もライン ( エッジ ) 長と測定箇所数あるいは測定間隔を明記する必要がある LSI の微細化が進むにつれ 配線パターンの LER も議論されるようになってきた 配線 LER 64

65 のトランジスタ性能に与える影響は 抵抗率の増大と TDDB (Time dependent dielectric breakdown) 特性の劣化の二つであるが 特に Cu/low-k 配線では後者の問題が顕在化すると考えられる デバイスシミュレーションを含め 今後詳細な検討が必要になると思われる また 計測上の問題として 画像ノイズの影響が指摘されている [4] これはパターンエッジを抽出する際に 画像ノイズのため観測エッジの位置が真の位置からずれる という現象である このため 観測される LER LWR の値は真の値よりも大きくなる これは画像ノイズ起因の LER/LWR バイアス と呼ばれている 画像取得時の信号積算回数を増やせばノイズを低減することができるが レジストシュリンクなどの問題がある場合は難しい 特に小さい LER/LWR ( 具体的には 3nm 以下 ) の計測にはこのノイズ起因バイアスに注意を払う必要がある 参考文献 [1] 例えば T. Ohfuji, M. Endo and H. Morimoto: Proc. SPIE. 3678, 732 (1999). [2] 例えば G. Eytan, O. Dror, L. Ithier, B. Florin, Z. Lamouchi and N. Martin: Proc. SPIE. 4689, 347 (2002). [3] A. Yamaguchi, R. Tsuchiya, H. Fukuda, O. Komuro, H. Kawada and T. Iizumi: Proc. SPIE. 5038, 689 (2003). [4] J. S. Villarrubia and B. D. Bunday: Proc. SPIE, 5752, 480(2005). L パターン LER: 基準線からパターンの片側までの寸法の標準偏差を求める方法 LWR: パターン寸法の標準偏差を求める方法 図 一般的な LER(LWR) の測り方 Figure2-5-1 Measurement method for LER(LWR) 65

66 (a) Short-period LWR ---Degradation (b) Long Range ----Variation L g :Averaged gate length I d Source Drain Gate Large I off Short L g Long L g V g 図 短周期の LWR と測定レンジによる変動 Figure2-5-2 Short-period LWR and Long Range Variation 5-2 EB のド ヴロイ波長 (1) 光 ( または質量 =0 の粒子 ) の波長 エネルギー = e E(eV) = hc/λ よって λ = (hc/e) /E(eV) ここで h = (Js) ( プランク定数 ) c = (m) ( 光の真空での速度 ) e = ( 電子の素電化 ) 結果として λ(m) = /E (ev) λ(nm) = 1.24/E (kev) (2) 質量がある一般粒子の波長 エネルギー =e E(eV)=p2/2M ここで p: 運動量 M: 粒子の静止質量 一方 λ p = h ( 不確定性原理により ) 2 式から p を消去して整理すると λ = h/(2m e E(eV)) 1/2 電子の場合 M = (kg) よって λ = /(E(eV))1/2 (m) = 1.23/(E(eV))1/2 (nm) 具体値として Λ = 3.9pm(100kV) 66

67 = 5.5pm(50kV) =27.5pm(2kV) 波長域 0.05nm 表 中で EB 方式の波長を光方式との比較で算出させてみた 5-3 DFM(Design For Manufacturability) 今日の目覚ましい IT 社会の発展は 先端半導体の急激な高度化の寄与するところ大であることは明白である 性能向上 消費電力化 低コスト化といった半導体の高度化は ムーアの法則に則って最小回路線幅を2 年で70% 程度微細化して集積度を増大させることで実現してきたといえる しかしながらここへ来て微細化の要であるリソグラフィ技術が変曲点に差し掛かっている ArF 液浸以降 微細化の王道である短波長化 高 NA 化のトレンドを維持することができなくなっており Double Patterning Technology (DPT) EUVL ナノインプリント DSA など従来トレンドにとらわれない新しい微細化技術が検討されてきている DFM 技術もパターニング技術の変貌に追随する形で 開発主体を変貌させながら発展を遂げる方向となってきている 本年度版では 年度で新たに進展した DFM 技術をまとめる またコンセプト的にはかなり固まってきた DFM 技術をベースとしたあるべき開発手順を明確にすると共に 次の世代においてメインとなると予想される開発要素にも触れる Node [nm] HP [nm] Litho Single Exposure Low k1 Double Patterning EUVL NIL DSA Process Technologies Yield loss to be improved by DFM CMP Other Open/ Short Perfor mance/ Timing Other Etching CA / Yield model Via doubling Wire spreading Complex DR Defect/Random Implementation HSF Litho aware P&R Dummy for CMP Patterning/Systematic 67 Integration RDR Template DR Yield model RDR Template DR Cell optimization Litho aware extraction CMP model Implementation DPT aware layout RDR Decomposition Implementation DPT aware layout RDR Decomposition Reliability aware Signal integrity aware 図 プロセスの進展と DFM のカバー領域 Figure2-5-3 Process improvement and cover range of DFM Implem entation EUV aware NIL aware DSA aware Implem entation EUV aware NIL aware DSA aware

68 図 に示すように テクノロジーノード 90nm 世代あたりまでは Defect 起因の歩留り劣化がメインであり Critical Area (CA) 計算による killer defect 影響箇所予測技術とその対策技術が発展した 65nm 以降ではリソグラフィマージンが特に小さいパターン箇所 (Hotspot) 起因の Open-short レベルでの歩留り劣化が顕在化した この Hot Spot の転写性検証並びに修正工程がチップ設計フローの中に取り込まれて実用化されてきているのがこの2 年間の進展の1 つである 次に 40~32nm 以降ではタイミング不良等 Parametric 起因の歩留り低下が顕著になってきた Parametric 不良の主要因であるタイミング不良に関してはゲートパターンの方向 間隔を限定する等の Restricted Design Rule (RDR) の適用が効果的である またリソグラフィによるレイアウトからの線幅 形状ずれを考慮した容量抽出 タイミング検証技術の効果が実証されてきている [1] 更に 22~16nm 世代では主流となる DPT に対応して DPT-Aware なレイアウト及び設計ルール レイアウトを複数枚のマスクに矛盾無く分割する Decomposition 技術 等の開発がこの2 年間で進展している [2] 設計インテント ( 意図 ) 6 設計情報を製造公差に変換 スペック適正化 製造公差 製造公差 製造公差 4 セル設計 5 チップ設計 プロセス (1 試作 7 本番 ) OPC Mask Litho Etching CMP Other Process 歩留り解析 予測 CA (Defect) Patterning yield Performance yield 3 設計環境構築 ( インプリメンテーション ) 2 設計指針明確化 網羅的対処 Complex DR Template RDR Dummy 発生指針 Dishing Erosion 特異的対処 Hot Spot 修正指針 Hotspot Fail 箇所 ルール特定 Open/Short Performance Reliability 図 DFM を前提とした設計 プロセス開発の流れ Figure2-5-4 Flow chart of design and process development based on DFM 図 はこれまで提案されてきた DFM 技術を前提とした設計 プロセス開発の流れのあるべき姿を示している まず1 設計指針取得用の TEG と各種プロセスシミュレーション結果か 68

69 ら 2 設計指針を明確にすると同時に設計指針に矛盾しないプロセスターゲットを FIX する この設計指針とプロセスターゲットそれぞれにミートした設計 プロセス両方が実現して初めて次世代半導体を量産することができる 次に2 設計指針に従って3 設計環境を構築する 具体的には DRC 構築 セル設計 チップ設計ツールのインプリメンテーションを実施する 構築された設計環境を用いて4セル設計 5チップ設計を実施する DFM としては Hotspot Check & repair, Litho-aware extraction 等を施す この間プロセス開発もプロセスターゲットを目指して同時進行している レイアウトが FIX した段階で6 設計インテントを元にして製造公差を求め 7プロセス管理基準の適正化を図り オーバーキル アンダーキル撲滅に活かす Timing critical path extraction Timing slack slack (ns) value Sensitivity analysis for CD tolerance estimation OK No Good L L variation (nm) Non-critical Path Tolerance > 5 nm Critical Path Tolerance < 1 nm Assignment of gate linewidth tolerance Frequency of path frequency % 4% more OPC/Litho-check spec (nm) more + L Tolerance (nm) OPC Cycle Time = 95% 1% x 10 +4% x 5+95% x 3 100% x 10 = 31% OPC Convergence Error 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% Itertion Number Non critical Path >5nm Critical Path <1 nm Iteration for OPC convergence 図 設計インテント ( 意図 ) を元にした公差による効率的な LSI 製造の一例 Figure2-5-5 Example of effective torerance-aware LSI manufacturing based on design intent 図 は公差ベース製造によるプロセス効率化の一例として OPC 効率化の効果を示す [3] Timing Closure によってチップ設計が完了した段階で Timing Critical な Path に対してゲート寸法変動に対する Timing Slack を SPICE MODEL から求め Path ごとの Critical 度に応じて必要ゲート寸法精度を求めて対応するセルに割り付ける ゲート層 OPC の収束計算時に当該許容寸法誤差を反映させる すなわち許容寸法誤差が緩いゲート箇所は Iteration 回数を低減させて計算効率を向上させる 今回の例ではゲート寸法精度が 1nm 以下と厳しいセルは全体の1% 程度であり その他のセルは寸法誤差 3nm 以上でも許容であることが判明した こ 69

70 の知見に基づき OPC の Iteration 回数を削減した結果 OPC 処理時間を30% 程度にすることができた 今後は DPT に対応した DFM 技術を設計環境で適用するためのインプリメンテーションが充実していく また次世代リソグラフィ候補である EUVL NIL DSA に対する DFM 技術開発が進行する 更に信頼性 Signal Integrity 等に対処するための DFM 開発が本格化するものと思われる 参考文献 [1] Keisuke Hirabayashi et. al., Proc. of SPIE Vol (2011) [2] Lars Liebmann et. al., Proc. of SPIE Vol K-1 (2011) [3] Sachiko Kobayashi et. al., Proc. of SPIE Vol L-1 (2010) 5-4 データ変換 データ形式 データ変換テープアウトされた設計データ (GDSII) は RET 処理を行った後 マスク描画装置および Die-to-DB 方式の検査装置用のデータ形式へと変換される 通常 描画装置および検査装置は 機種ごとに最適化された固有のデータ形式を持っており これらの形式へとデータを変換する工程を Mask Data Preparation (MDP) と呼ぶ [1] MDP は一般に専用のソフトウェアによって処理され 単純な形式変換のほかに以下のような処理も同時に行われる 1. スケーリング露光装置およびマスクの倍率に応じて 設計パターンを拡大または縮小する 2. ミラーリング露光データと設計データはクロム面に対して鏡像関係にあるため Y 軸を中心にミラーリングする 3. ウィンドウ切り出し指定された領域の図形だけを抽出する 4. レイヤ合成入力する設計データ (GDSII) において定義されたレイヤを論理演算処理 (AND/OR/XOR 等 ) によって結合し マスクレイアウト上のレイヤを新たに生成する 5. 白黒反転使用するレジストおよびマスクのネガポジの組み合わせに応じて 設計パターンを白 70

71 黒反転する 6. プロセスバイアス マスクバイアス ( サイジング ) マスク描画装置では 実際に描画されるパターンは 装置の製造プロセスにより多少膨張あるいは収縮してしまう このため マスクのパターン寸法が設計パターンと一致するよう 各パターンの幅や高さを補正する 7. 露光かぶりの除去 ( アウトライン化 ) VSB 方式の露光描画装置では 図形の重複があった場合 装置はそのまま複数回描画するが これは当該箇所および周辺のパターン精度に重大な影響を与えてしまうためデータ変換の段階で除去を行う 8. 台形化 ( フラクチャリング ) 設計データは主に多角形の図形で構成されているが 描画装置では 正方形 長方形 台形および三角形のみ描画可能であるため 多角形の図形をこれらの図形に分割する また装置によっては 以外の角度の斜辺についても図形分割を行い 近似する必要がある 9. 微小図形解消処理 VSB 方式の描画装置の場合 描画する図形が小さすぎると 十分なエネルギーが照射されずに欠損となってしまう このような十分な精度が得られない図形を MDP では微小図形と呼ぶ この微小図形を 描画パターン全体の形状は変えないまま周辺の図形群の配置に応じて解消し 各図形を十分な大きさに保つよう調整する 10. CD リニアリティ ユニフォーミティの考慮描画パターン内で もっとも描画精度の要求が厳しい箇所を Critical Dimension (CD) と呼ぶが このような箇所における精度を確保するため 周辺のパターン形状を最適化する また 同一形状 CD が設計データ上に複数存在する場合 それら複数 CD の形状再現性を確保するため 同一パターン形状になるように最適化する 11. ショット数削減処理 VSB 方式の描画装置の場合 描画に要する時間は描画パターンの総ショット数に依存する 適切な位置で多角形を台形化することによってショット数を削減し 描画時間を短縮することができる 12. データ圧縮描画装置のデータ形式は一般にデータ量削減のための図形繰り返し等の圧縮表現を用意している 描画パターンから適切に繰り返しを抽出し これらの形式でデータを記述することによって マスクデータのデータ量を削減する 13. 描画面積比率計算マスク描画装置は 描画するパターンの密度 すなわち特定の面積あたりの総露光量によって描画精度にばらつきが生じてしまう このため 描画するマスクパターンの面積比率を計算し 露光量等を調節する際に参照する 71

72 14. Mask Rule Check (MRC) 設計パターンの寸法エラーや Sub-Resolution Assist Features (SRAF) OPC のジョグ スキャッタリングバーなど 検査機の能力を超えて疑似欠陥エラーとなるパターンを事前に検出することによって レビュー時間の短縮を図る 15. マスクレイアウト ( ジョブデック ) の構成 MDP では 各マスク面を構成するパターンの配置情報を定義したジョブデックと呼ばれるファイルも構成し 出力する 通常 描画装置はこのジョブデックを読み込み 必要なパターンデータを入力してマスクを描画する 特に VSB 方式の描画機においては 適切なデータ処理は歩留まりや Turn-Around-Time (TAT) の観点から重要である 描画パターン中に微小図形や重複図形が含まれていれば その箇所の歩留まりは著しく低下してしまう また 描画データ量が大きすぎれば データ処理や転送の時間が増大し 描画装置のスループットが低下してしまう 近年は パターンの高精細化に伴って 設計データに OPC 等の補正処理を加えることが一般的であり これが微小図形やデータ量の著しい増大を招いている それに伴って描画時間および MDP 処理に要する時間も顕著に増大している こうした問題に対応するため MDP ソフトウェアは高性能なマルチコア CPU や高速ネットワークなどの H/W インフラの使用や 設計データの階層を維持したまま処理する階層処理 複数のコンピュータ上に処理を分散させる並列処理などのソフトウェア技術を用いている また データの大容量化に対応するため 設計工程からのパターン重要度情報 ( 設計インテント ) を参照して 描画ショット数が削減されるように描画パターン形状を最適化したり 繰り返しパターンを抽出して一括露光用データを作成する等 描画時間短縮のためのデータ処理も研究されている また今後は 更なるデータの高精細化に応じて マスクプロセスシミュレーションからパターン毎にマスクバイアス量を決定する処理 (MPC) や EUV 露光装置用の射影効果補正処理やフレア補正処理も必要になってくるものと思われる 更に そういった高精細データに対して描画時間を短縮する要求が高まっており 図形を重ねてショット数を減らしたり 複数パスで描画する場合に高精細なデータと精度を落としたデータを用意して総ショット数を減らしたりする方法が マスクプロセスシミュレーションと組み合わせて提案されている これらを実現するためには 露光かぶりや描画機外部からのドーズ量割り当てを許容する等 描画機側での対応も必要である 72

73 GDSII OASIS Scaling Window Clipping Mirroring Multiple Layer Merge Reverse Tone Process Bias Tape Out Design Data Outline Fracturing Error Report Hot Spot Report Data Verification MRC VSB Mask Pattern Data Job Deck Layout Small Figure Treatment Shot Count Reduction Data Compaction Inspection Tool Writing Machine 図 MDP flow ( データ変換フロー ) Figure2-5-6 MDP ( Mask Data Preparation ) Flow データ形式 MDP で扱うデータ形式には以下のようなものがある 基本的に入力する設計データ (GDSII, OASIS) 等はベクトル型のデータ形式であり 出力する描画装置および検査装置はラスタ型に近いデータ形式であることが多い GDSII (Graphic Design Standard #2) GDSII は 任意の形状の多角形や線分と幅からなるパスなどの柔軟なベクトル型の表現と 単純で構造化されたストリーム形式のデータ構造を持ち ソフトウェアで扱いやすく テープアウトや OPC 等のデータ補正処理の出力として広く用いられている OASIS (Open Artwork System Interchange Standard) (SEMI P39) OASIS は GDSII の冗長性によるデータ量の増大という欠点を補うべく定義された後継フォーマットである データ構造は GDSII と同様のストリーム形式だが 図形表現方法の拡張が行われ 大幅なデータ量の圧縮 ( 最大 1/10 程度 ) が可能となった MEBES MEBES は複数ある描画装置固有のデータ形式のうちで もっとも単純で古くから存在するフォーマットである ストライプ セグメントと呼ばれる単位処理領域からなる単純なラスタ型のデータ構造であり 図形の表現も単純な矩形および台形とその行列式の繰り返しのみで ソフトウェアで扱いやすく広く用いられてきた その他の描画装置固有のパターンデータ形式 73

74 描画装置および検査装置は 基本的に装置固有のデータ形式のみを入力することが可能である これらの形式は装置の仕様に最適化されており 設計データである GDSII と比較して さまざまな制限が存在する 例えば GDSII は多角形の図形を表現することができるが 一般的な装置のデータ形式においては 多角形はサポートされていない また GDSII のセルにあたる内部の領域区分にはサイズ制限が存在する 描画装置固有のジョブデック描画装置および検査装置は 装置固有のマスクレイアウトを定義するデータ形式を有している これらは通常テキスト形式であり マスク面上に配置するマスクパターンの座標に加えてスケーリング値 ミラーリング設定などが記述され 品番等のマスクの ID 情報もこのファイルで定義される OASIS.MASK (SEMI P44) ( 旧 OASIS.VSB) [2] これまでは描画装置および検査装置の機種ごとに定義されてきたデータ形式を OASIS を基に標準化し OASIS の多彩な表現方法に一部制限をかけ 装置で取り扱えるラスタ型の表現要素のみで構成されるようにしたものである OASIS.VSB に CBLOCK 等の拡張を追加し 更なるデータ圧縮を実現した MALY (Mask Layout Data Format) (SEMI P45) OASIS.MASK のジョブデックとして OASIS.MASK と同時に策定された 参考文献 [1] Toshio Suzuki, Junji Hirumi, Nobuyuki Yoshioka, et al. "Improvement of unified mask data formats for EB writers" Proc.SPIE 5446 "Mask data preparation and design process integration" 414,(2004) [2] 田邉 法元 竹花 入門フォトマスク技術 LSI,FPD,PWB,MEMS のためのフォトマスク 工業調査会 p Directed Self-Assembly (DSA) 高分子ブロック共重合体リソグラフィー (Block Copolymer Lithography) 微細加工は光などの電磁波を用いてマスクパターンをレジスト上に縮小露光するフォトリソグラフィー法に代表されるトップダウン的手法が半導体分野を中心に発展を遂げてきた しかしながら 加工サイズが回折限界に迫るに従い 技術 コストの両面からその限界が明らかになりつつある そのような状況下 物質が自然の摂理に従い自発的に構造を形成する 自己組織化現象 を応用する試み すなわちボトムアップ的アプローチが注目されている 自己組織化現象を利用したパターン形成法としては ナノサイズの粒子が規則的に配列する現象 [1,2] アルミの陽極酸化により形成される規則的なポア構造が形成される現象 [3,4] およ 74

75 び高分子ブロック共重合体がナノサイズの規則的ドメイン ( ミクロドメイン ) を形成するミクロ相分 [5] 離構造現象等を応用した手法等が報告されている 特に ミクロ相分離現象を応用した手法は 高分子ブロック共重合体の分子構造や分子量によりパターンの形状や大きさを制御できる優れた方法である 本節ではミクロ相分離現象を活用することのより従来のリソグラフィーの限界を打破する取り組みについて解説する 高分子ブロック共重合体は異種の高分子鎖が末端で結合した構造を有する高分子である ( 図 2-5-7) 異種の高分子鎖が混合した場合 高分子鎖間に作用する斥力により相分離が誘発される しかしながら 高分子ブロック共重合体の場合 異種高分子鎖が互いに化学結合で繋がっていることにより巨視的な相分離を発現することができず 図 に示すように 高分子鎖の広がりに相当するサイズ すなわち数 nm~ 数十 nm に相当する球 (sphere) 状 シリンダ (cylinder) 状 あるいは板 (lamella) 状のミクロドメインが規則的なに配列した構造を形成する この際 得られる構造の形状やサイズは高分子ブロック共重合体を構成する高分子鎖の分子量により決定される [5] このミクロドメインをマスクやテンプレートとしてパターニングに応用する手法を高分子ブロック共重合体リソグラフィー (Block copolymer lithography) と総称する [6-9] 図 高分子ブロック共重合体 Figure Block copolymer 75

76 図 高分子ブロック共重合体のミクロ相分離 Figure Microphase separation of block copolymer 図 に高分子ブロック共重合体リソグラフィーの基本的なプロセスを図示する まず 基板に所望の形状のミクロドメインを自己組織化する高分子ブロック共重合体の薄膜をスピンコート法等により成膜する 引き続き この薄膜に熱を加える あるいは溶媒蒸気に暴露すること等により高分子ブロック共重合体の相分離を誘発し薄膜中にミクロドメインを自己組織化する 次に 得られたミクロドメインの一方をエッチングにより除去し ミクロドメインに由来する凹凸構造を有する膜を形成し 最後にこの膜をマスクとして基板をエッチングする ここで 球状のミクロメインや 基板に対して直立したシリンダ状ミクロドメインを適用すれば規則的にドットが配列したパターンが シリンダ状のミクロドメインが基板に対して並行に配向した構造 あるいはラメラ状のミクロドメインが基板に対して直立した構造を適用すればライン & スペースパターンを形成することができる 76

77 図 高分子ブロック共重合体リソグラフィーの基本的プロセス Figure Block copolymer lithography process さて 自己組織化現象を活用する上での最大の課題は 自発的な構造形成に如何に人為を加え すなわち 制御 して所望の形状を得るかという点にある 図 は Si 基板表面にポリスチレン (Polystyrene, PS) とポリメチルメタクリレート (Polymethyl methacrylate, PMMA) からなるポリスチン-ブロック-ポリメチルメタクリレート共重合体 (Polystyrene-block-polymethyl methacrylate, PS-b-PMMA) の薄膜を塗布し 自己組織化させ その後 酸素プラズマにより PMMA 相を除去した膜を走査型電子顕微鏡 (Scanning Electron Microscope SEM) で観察した例である 図 (a) はシリンダ状のミクロドメインを 図 (b) はラメラ状のミクロドメインをそれぞれ基板に対して直立するように自己組織化させた例である 図 (a) では 直径約 12 nm のシリンダが格子周期 24 nm( シリンダ間の最近接中心間の距離にすると 28 nm) の六方格子を一面に形成しているが 巨視的に見ればシリンダが規則的に配列した領域がポリグレイン状の構造をとっている また 図 (b) ではフルピッチ 40 nm のライン & スペースパターンを形成しているが その構造は指紋状である 自己組織化プロセスはサイズが小さく 短距離秩序性に優れた構造を容易に形成することが可能である しかしながら これらの例に示されているように 半導体デバイス等への適用を考える上では長距離秩序性の向上法や所望のパターンを得る方法が必要となる そのための手段として 自己組織化現象を制御 誘導 77

78 する技術 即ち Directed Self-assembly (DSA) が検討されている DSA は自己組織化過程をトップダウン的リソグラフィープロセスによりあらかじめ設けたテンプレートにより制御する手法を中心に研究開発がなされており ボトムアップ技術とトップダウン技術の融合技術として注目されるナノテクノロジー技術である 次項以降 代表的な DSA 技術であるグラフォエピタキシー制御法 (Graphoepitaxy) とケミカルレジストレーション法 (Chemical Registration) について 特に後者を中心に解説する 図 PS-b-PMMA 薄膜の自己組織化パターン Figure Self-assembled patterns of PS-b-PMMA thin films グラフォエピタキシー (Graphoepitaxy) フォトリソグラフィー法等により幅が数十 ~ 数百 nm の溝を基板の表面に作成し その内部でミクロ相分離構造を発現させることにより 溝の壁面に沿ってミクロドメインを配向させる方法 ( グラフォエピタキシー法 ) が広く研究されている [10-15] この方法は立体的に自己組織化を拘束する方法である シリコン基板表面上にフォトリソグラフィー法でライン & スペースパターンを設け その溝部に PS-b-PMMA を流し込み自己組織化させた例を図 に示す 図 (a) は PMMA からなる球状のミクロドメインを自己組織化させた例 図 (b) はシリンダ状のミクロドメインを基板に対して並行に配列するように自己組織化させた例である どちらの例からも 溝の壁面に沿うようにミクロドメインの配列が配列していることが分かる グラフォエピタキシー法では ここに図示した例に加えて 円形 方形 三角形等の窪みに沿った配列 [14] や 壁面 [15] の代わりにポスト状の構造体による制御等も報告されている 78

79 図 トレンチ中における PS-b-PMMA の自己組織化の自己組織化パターン Figure Structures of PS-b-PMMA thin films self-assembled in topologically patterned trenches グラフォエピタキシーは自己組織化のスケール ( 即ち ミクロドメインが形成する規則構造のサイズ ) に対して 1 桁程度大きいスケールを有する立体的構造体で自己組織化現象を制御しようとする場合が多い しかしながら 構造体の壁面がミクロドメインの配列に及ぼす影響は壁面からの距離が増大するに従い減少し 壁面から離れるにつれ位置ずれが積算され長距離秩序性が悪化すること等の問題点がある ケミカルレジストレーション (Chemical Registration) ケミカルレジストレーション法は高分子ブロック共重合体の分子鎖と基板との化学的な相互作用によりミクロドメインを化学的に拘束することにより高分子ブロック共重合体の自己組織化を制御する方法である 基板表面の化学的状態により高分子ブロック共重合体の自己組織化を制御できる可能性は Rockford らにより報告さた [16] その後 Nealey らにより あらかじめリソグラフィーにより基板の表面化学状態をライン状にパターン化した基板をテンプレートとして高分子ブロック共重合体が形成するラメラ状ミクロドメインを配置できることが示された ( 図 ) [17] 79

80 図 化学的テンプレート上で PS-b-PMMA を自己組織化することにより配列したラメラ状ミクロドメイン ( 文献 17 より引用許可を申請中 Copyright 2003, Nature Publishing Group) Figure Lamella structure self-assembled by PS-b-PMMA thin film on chemically pre-patterned template. (Reprint permission from Nature [17] under application. Copyright 2003, Nature Publishing Group) 図 にケミカルレジストレーション法の概念を 高分子ブロック共重合体として PMMA かなるシリンダ状ミクロドメインが PS からなるマトリックス中で規則的に配列した構造を自己組織化する PS-b-PMMA を例に示す まず 図 (a) に示すように 表面を PMMA と PS に対して表面張力が異なる化学状態を有する領域に既存のリソグラフィー法を用いてパターン化したテンプレート基板を作成する 次に このテンプレート基板表面上に PS-b-PMMA を成膜し ミクロ相分離構造を発現させる この際 テンプレート基板表面の化学的パターンと PS-b-PMMA が発現する自己組織化パターンの形状や周期が同等であれば 図 (b) に模式的に示すように テンプレートパターン表面と PS と PMMA の濡れ性の差により テンプレートパターンに沿って PMMA からなるシリンダ状ミクロドメインが配列する 80

81 Figure 図 ケミカルレジストレーション法の概念 Schematic illustration demonstrating chemical registration process 実際に電子線直接描画法 (EB 描画法 ) により作成した化学的テンプレートパターン上で PS-b-PMMA を自己組織化し PMMA からなるシリンダ状ミクロドメインを基板に対して直立した状態で配列させた結果を図 に示す 図 において左側は化学的テンプレートパターンの無い領域 右側はテンプレートパターンの存在する領域である テンプレートパターンが無い領域では長距離秩序性に乏しい構造を形成しているが テンプレートパターン上においては シリンダ状のミクロドメインが化学的なパターンにより拘束され ほぼ無欠陥のシングルグレインを形成できている様子が確認できる この結果は化学的にパターン化したテンプレート基板で高分子ブロック共重合体の自己組織化を制御することが可能であることを示すものである なお ここではシリンダ状ミクロドメインによるドットパターンの自己組織化制御を例としたが 上述したように基板に対して直立配向したラメラ状ドメインによるライン & スペース形成 [17-20] 基板に対して並行に配向したシリンダ状ドメインによるライン& スペース形成 [21] 球状ドメインによるドットパターン形成 [22] も同様に制御できることが報告されている 81

82 図 化学的テンプレートパターンが PS-b-PMMA の自己組織化に及ぼす効果 Figure Effect of chemically pre-patterned template on self-assembly of PS-b-PMMA thin film ケミカルレジストレーション法によるテンプレートパターンの補正バルクにおける高分子ブロック共重合体はサイズの揃ったミクロドメインが短距離秩序性よく配列した平衡構造を形成する また ドメイン間の界面は高分子ブロック共重合体を構成する高分子鎖間の相互作用で決定され 基本的に平滑な界面を形成する この特徴を活用することでテンプレートプレパターンが有するパターンの乱れや欠陥を高分子ブロック共重合体の自己組織化で補正できる可能性がある 具体例を示す まず 図 に化学的テンプレートパターンを作成するのに用いたマスクパターン (EB 描画で作成 ) と そのマスクを用いて作成したテンプレートパターン上で PMMA シリンダを形成する PS-b-PMMA を自己組織化して得られたパターンの SEM 像を示す マスクパターンは直径が大きくなるにつれて パターンの形状にバラツキが生じると共に 隣接するドット同士が融合した欠陥が増加している様子が見て取れる 一方 自己組織化で得られたパターンの直径は均一であり欠陥も低減されている 82

83 図 ケミカルレジストレーション法のテンプレートパターン補正効果 Figure Pattern rectification effect of chemical registration process 図 にテンプレート形成用のマスクパターンと対応する自己組織化パターンを広範囲に観察した結果を示す EB 描画パターンには約 40% の格子欠陥の存在が認められた 一方 自己組織化パターンでは欠陥は大幅に減少し その割合は約 3% となった この結果は PS-b-PMMA の自己組織性により EB 描画時に欠損した格子点にもシリンダが挿入され パターンエラーが補正されたことを示すものである Figure 図 ケミカルレジストレーション法による欠陥低減 Defect reduction of template pattern by chemical registration process 83

84 以上示したように ケミカルレジストレーション法を適用すればテンプレート基板が有する各種エラーを補正することが可能である さらに テンプレートパターンが有するラインエッジラフネス (Line Edge Roughness, LER) の補正の可能性を示す結果も示されている [23-25] パターンの微細化に伴い 従来のリソグラフィー技術をその加工限界で適用することが必要になり クリティカルデキメンジョン (CD) や欠陥の制御が困難となることが予測される ケミカルレジストレーション法によるパターン補正効果はこのような場合に特に有効であると考えられる ケミカルレジストレーション法によるテンプレートパターンの高密度化図 に示した結果はテンプレートパターンに存在する欠損格子に自己組織化により格子点を挿入することができることを示している この特性をより能動的活用することにより パターン密度を高密度化することができる [26-30] まず 高分子ブロック共重合体の平衡構造が有するパターン周期の整数 (N) 倍の周期でテンプレートパターンを作成する その表面に高分子ブロック共重合体を塗布し自己組織化させると テンプレートパターン上に加えて テンプレートパターン間にもミクロドメインが挿入されることにより テンプレートパターンの 1/N の周期を有するパターンが生成する 図 にバルクにおいて PMMA からなるシリンダ状ミクロドメインが周期 24 nm で規則的に配列した構造を形成する PS-b-PMMA を 周期 72 nm のテンプレート上で自己組織化した結果を示す [28] 図 左図が化学的テンプレートパターンの作成に適用したマスクパターン 図 右図が自己組織化パターンの SEM 像である 狙い通り 自己組織化パターンの周期はマスクパターンの周期の 1/3 である 24nm となっており テンプレートの格子点上に加え 格子間にもシリンダ状ミクロドメインが格子を補間するように自己組織化され 周期を 1/3 格子点密度にすると 9 倍化できたことを示している 同様の結果は球状ミクロドメインによるドットパターン [22] やラメラ状ミクロドメインを用いたライン & スペースパターン [20,29,30] でも可能であることが報告されている 本結果は ケミカルレジストレーション法により従来のトップダウン的リソグラフィー技術が有する微細化限界を打破できる可能性を示すものとして注目される 84

85 図 ケミカルレジストレーション法によるパターン密度向上 Figure Areal pattern density multiplication by chemical registration process DSA の半導体リソグラフィーへの適用に向けて上述したように DSA は現行のフォトリソグラフィー法がパターンサイズのさらなる縮小に対して有する課題を解決するポテンシャルを有する技術であると期待され ITRS ロードマップにおいては 16 nm ノード以降の重要な技術オプションとして位置づけられている [31] DSA のデバイスへの応用は次世代ハードディスク技術の一つであるパターン媒体のマスタリングへの適用を中心として開発が進んできたが [30,32] 近年 半導体微細加工への応用に関しても目覚ましい進歩が報告されている [33-36] 半導体微細加工へ適用としては 193nm 液浸リソグラフィー法等によりケミカルレジストレーションに必要なテンプレートパターンを作製し そのパターンサイズ DSA により補間 縮小する手法が検討されている 特に Bencher らによる 300mm ウエハ全面へフルピッチ 25nm の L/S パターンの形成結果の報告は DSA の可能性を示すものとして注目される [34] DSA をリソグラフィーへ適用する上での最大の課題は欠陥の低減にある 上述したように DSA を用いるとトップダウン的手法で形成したテンプレートパターンの欠陥を低減できる しかしながら DSA は高分子ブロック共重合体薄膜の自由エネルギを最小にするように平衡構造を形成するプロセスであり 熱揺らぎの影響がパターン形状の分布や欠陥の発生に大きな影響を及ぼす 系の自由エネルギは自己組織化材料である高分子ブロック共重合体のみならず テンプレート表面の化学的状態やパターン形状等が複合して決定される そのため アプリケーション 特に半導体微細加工が要求するパターン精度や欠陥率を DSA により達成するためには DSA プロセスのさらなる物理化学的深耕が必要と考えられる 一方 ロジック系半導体への適用を考えると DSA で形成できるパターンの自由度の向上も必要であるが その可能性を示す報告がなされている 図 は化学的レジストレーションによりラメラ状ミクロドメインを基板に直立化した状態で円弧状に配列することで作成したライン & スペースパターンの例である [20] 図 (b) に示したように 基板に並行に配列化したシリンダや直立したラメラ状ミクロドメインは指紋状に曲った構造を平衡構造として形成する そのため 曲率が平衡構造と同等である場合 円弧状化学的テンプレートパターン上に高分子ブロック共重合体を配置した構造を可能である 一方 ラインパターンを鋭角に曲げる場合 頂点近傍において高分子ブロック共重合体分子鎖のコンフォメーションを平衡構造から大きく乖離させる必要があり エネルギ的に不利である Nealey らは高分子ブロック共重合体にホモポリマをブレンドすることにより 頂点近傍での高分子鎖の歪を緩和することでこの課題を解決できることを示した ( 図 ) [19] この他 Nealey らは ラインパターンが接続したジョイント構造 短いラインパターンがパッチ状に配置した構造 さらにラインやドットが孤立したパターン等 半導体配線の基本となる各種パターンが化学的レジストレーションで実現可能であることを実 85

86 証している ( 図 ) [35,36] 図 ケミカルレジストレーション法により作成した円弧状パターンの例 A: テンプレートパターン B,C: 自己組織化パターン ( 文献 20 より引用許可を申請中 Copyright 2008, WILY-BCH Verlag GmbH & Co.) Figure Concentric L/S pattern self-assembled by chemical registration process. A: template, B&C self-assembled pattern. (Reprint permission from Advance Materials [20] under application. Copyright 2008, WILY-BCH Verlag GmbH & Co.) 図 ケミカルレジストレーション法により作成した矩形パターンの例 86

87 ( 文献 19 より許可引用許可を申請中 ) Copyright 2005, American Association for the Advancement of Science) Figure Bended L/S pattern self-assembled by chemical registration process. (Reprint permission from Science [19] under application. Copyright 2005, American Association for the Advancement of Science) 図 ケミカルレジストレーション法により作成した各種形状の例 ( 文献 35 より引用許可を申請中 Copyright 2007, American Chemical Society) Figure Essential integrated circuit geometries self-assembled by chemical registration process. (Reprint permission from ACS Nano [35] under application. Copyright 2007, American Chemical Society) 参考文献 [1] T. Yonezawa, S. Onoue, N. Kimizuka, Formation of Uniform Fluorinated Gold Nanoparticles and Their Highly Ordered Hexagonally Packed Monolayer, Langmuir, 17, 2291 (2001). [2] S. Sun, C. B. Murray, Synthesis of Monodisperse Cobalt Nanocrystals and their Assembly into Magnetic Superlattices, J. Appl.Phys., 85, 4325 (1999). [3] H. Masuda, K. Fukuda, Ordered Metal Nanohole Arrays Made by a Two-Step Replication of Honeycomb Structures of Anodic Alumina, Science, 268, 1466 (1995). [4] K. Nishio, T. Yanagishita, S. Hatakeyama, H. Maegawa, H. Masuda, Fabrication of ideally ordered anodic porous alumina with large area by vacuum deposition of Al onto mold, J. Vac. Sci. Technol. B, 26, L10 (2008). [5] I. W. Hamley in Developments in Block Copolymer Science and Technology ed. I. W. Hamley, Jhon Wiley & Sons, p.1 (2004). [6] M. Park, C. Harrison, P. M. Chaikin, R. A. Register, D. H. Adamson, Block Copolymer Lithography: Periodic Arrays of ;10 11 Holes in 1 Square Centimeter, Science, 276, 1401 (1997). [7] C. Park, J. Yoon, E. L. Thomas, Enabling nanotechnology with self assembled block 87

88 copolymer patterns, Polymer, 44, 6725 (2003). [8] C. J.Hawker, T. P. Russell, Block Copolymer Lithography: Merging Bottom-Up with Top-Down Processes, MRS Bulletin, 30, 952 (2005). [9] J. Bang, U. Jeong, D. Y. Rye, T. P. Russel, C. J. Hawker, Block Copolymer Nanolithography: Translation of Molecular Level Control to Nanoscale Patterns, Adv. Mater, 21, 4769 (2009). [10] R. A. Segalman, H. Yokoyama, E. J. Kramer, Graphoepitaxy of Spherical Domain Block Copolymer Films, Adv. Mater, 13, 1152 (2001). [11] J. Y. Chen, C. A. Ross, E. L. Thomas. H. I. Smith, G. J. Vancso, Fabrication of nanostructures with long-range order using block copolymer lithography, Appl. Phys. Lett., 81, 3657 (2002). [12] S. Xiao, X. Yang, E.W. Edwards, Y-H. La, P. F Nealey, Graphoepitaxy of cylinder-forming block copolymers for use as templates to pattern magnetic metal dot arrays, Nanotechnology, 16, S324 (2005). [13] Chen F, Akasaka S, Inoue T, Takenaka M, Hasegawa H, Yoshida H, Ordering Cylindrical Microdomains for Binary Blends of Block Copolymers with Graphoepitaxy, Macromol. Rapid. Commun. 28, 2137 (2007). [14] J. Chai, J. M. Buriak, Using Cylindrical Domains of Block Copolymers To Self-Assemble and Align Metallic Nanowires, ACS Nano, 2, 489 (2008). [15] I. Bita, J. K. W. Yang, Y. S. Jung, C. A. Ross, E. L. Thomas, K. K. Berggren, Graphoepitaxy of Self-Assembled Block, Science, (2008). [16] L. Rockford, Y. Liu, P. Mansky, T. P. Russell, M. Yoon, S. G. J. Mochrie, Polymers on Nanoperiodic, Heterogeneous Surfaces, Phys. Rev. Lett., 82: 2602 (1999). [17] S. O. Kim, H. H. Solak, M. P. Stoykovich, N. J. Ferrier, J depablo, P. F. Nealey, Epitaxial self-assembly of block copolymers on lithographically defined nanopatterned substrates, Nature, 424, 411 (2003). [18] E. W. Edwards, M. Müller, M. P. Stoykovich, H. H. Solak, J. J. de Pablo, P. F. Nealey, Dimensions and Shapes of Block Copolymer Domains Assembled on Lithographically Defined Chemically Patterned Substrates, Macromolecules, 40, 90 (2007). [19] M. P. Stoykovich, M. Müller, S. O. Kim, H. H. Solak, E. W. Edwards, J. J. de Pablo, P. F. Nealey, Directed Assembly of Block Copolymer Blends into Nonregular Device-Oriented Structures, Science 308, 1442 (2005). [20] J. Y. Cheng, C. T. Rettner, D. P. Sanders, H. Kim, W. D. Hinsberg, Dense Self-Assembly on Sparse Chemical Patterns: Rectifying and Multiplying Lithographic Patterns Using Block Copolymers, Adv. Mater., 20, 3155 (2008). [21] E. W. Edwards, M. P. Stoykovich, H. H. Solak, P. F. Nealey, Long-Range Order and Orientation of Cylinder-Forming Block Copolymers on Chemically Nanopatterned Striped Surfaces, Macromolecules, 39, 3598 (2006). [22] S. Xiao, X. Yang, S. Park, D. Weller, T. P. Russell, A Novel Approach to Addressable 4 Teradot/in. 2 Patterned Media, Adv. Mater., 21, 1 (2009). 88

89 [23] K. C. Daoulas, M. Müller, M. P. Stoykovich, H. Kang, J. J. de Pablo, P. F. Nealey, Directed Copolymer Assembly on Chemical Substrate Patterns: A Phenomenological and Single-Chain-in-Mean-Field Simulations Study of the Influence of Roughness in the Substrate Pattern, Langmuir, 24, 1284 (2008). [24] A. W. Bosse, E. K. Lin, R. L. Jones, A. Karim, Interfacial fluctuations in an ideal block copolymer resist, Soft Matter, 5, 4266 (2009) [25] M. P. Stoykovich, K. C. Daoulas, M. Müller, H. Kang, J. J. de Pablo, P. F. Nealey, Remediation of Line Edge Roughness in Chemical Nanopatterns by the Directed Assembly of Overlying Block Copolymer Films, Macromolecules 43, 2334 (2010). [26] R. Ruiz, H. Kang, F. A. Detcheverry, E. Dobisz, D. S. Kercher, T. R. Alberecht, J. J. de Pablo, P. F. Nealey, Density Multiplication and Improved Lithography by Directed Block Copolymer Assembly, Science, 321, 936 (2008). [27] Y. Tada, S. Akasaka, H. Yoshida, H. Hasegawa, E. Dobisz, D. S. Kercher, M. Takanaka, Directed Self-Assembly of Diblock Copolymer Thin Films on Chemically-Patterned Substrates for Defect-Free Nano-Patterning, Macromolecules, 41: 9267 (2008). [28] Y. Tada, S. Akasaka, M. Takenaka, H. Yoshida, R. Ruiz, E. Dobisz, H. Hasegawa, Nine-fold density multiplication of hcp lattice pattern by directed self-assembly of block copolymer, Polymer, 50, 9267 (2009). [29] L. Wan, X. Yang, Directed Self-Assembly of Cylinder-Forming Block Copolymers: Prepatterning Effect on Pattern Quality and Density Multiplication Factor, Langmuir, 25, (2009). [30] X. Yang, L. Wan, S. Xiao, Y. Xu, D. Weller, Directed Block Copolymer Assembly versus Electron Beam Lithography for Bit-Patterned Media with Areal Density of 1 Terabit/inch 2 and Beyond, ACS Nano, 3, 1844 (2009). [31] International Technology Roadmap for Semicondctors 2011 Ed., Lithography, [32] T. R. Albrehite, O. Hellwing, R. Ruiz, M. E. Schabes, B. D. Tereris, X. Z. Wu in Nanoscale Magnetic Materials and Applications Eds. J. P. Liu, E. Fullerton, O. Gutfleish, D. J. Sellmyer, Springer, Chapter 9, 237 (2009) [33] D. Sanders, J Cheng, C. T. Rettner, W. D. Hinsberg, H.-C. Kim, H. Trung, A. Fritz, S. Harrer, S. Holmes, M. Colburn, Integration of Directed Self-Assembly with 193nm lithography, J. of Photopolymer Science and Tech, 23, 11 (2010). [34] C. Bencher, J. Smith, L. Miao, C. Cai, Y. Chen, J. Y. Cheng, D. P. Sanders, M. Tjio, H. D. Truong, S. Holmes, W. D. Hinsberg, Self-Assembly Patterning for sub-15nm half-pitch, SPIE (2011). [35] M. P. Stoykovich, H. Kang, K. C. Daoulas, G. Liu, C-C. Liu, J. J. de Pablo, M. Müller, P. F. Nealey, Directed Self-Assembly of Block Copolymers for Nanolithography: Fabrication of Isolated Features and Essential Integrated Circuit Geometries, ACS Nano, 1, 168 (2007). [36] G. Liu, C. S. Thomas, G. S. W. Craig, P. F. Nealey, Integration of Density Multiplication in the Formation of Device-Oriented Structures by Directed Assembly of Block 89

90 Copolymer Homopolymer Blends, Adv. Functional Mater., 20, 1251 (2010). 5-6 Computational Lithography ( 計算機リソグラフィ ) 始めにデバイスの微細化の要求により 光リソグラフィの革新は急速に進んできたが 既にその解像度は限界に近く 次の EUV リソグラフィ (EUVL) の早期実現が強く望まれている しかしながら EUVL の実用化は 半導体産業始まって以来の革命的大変革で 容易には実現できない 次の EUVL の時代への橋渡しとして 計算機リソグラフィ (CL;Computational Lithography) による光リソグラフィの実用解像度の向上が強く要求されるようになっている 3) 図 は計算機リソグラフィの狭い意味での定義である それはリターゲット (Retarget), ソースマスク最適化 (SMO; Source Mask Optimization), マルチパターニング (MP; Multi-Patterning), 光近接効果補正 (OPC; Optical Proximity Correction), サブレゾルーションアシストフィーチャ (SRAF; Sub-Resolution Assist Feature), マスクルールチェク (MRC;Mask Rule Check), 検証 (Verification), マスクテータプロセシング (MDP; Mask Data Processing) の一連のデータ処理からなる 1), 2), 計算機リソグラフィ (Computational Lithography) Retarget SMO MP OPC SRAF MRC Verification MDP Scanner Matching Scanner Tuning design Design/ Fabless RET/OPC Mask making Fab/Foundry Lithography / wafer processing 図 計算機リソグラフィの定義 Figure Definition of of Computational Lithography Hp130nm 以降 微細化の要求とともに 強い像解像度増強技術 (RET; Resolution Enhanced Technology) や強い OPC 及びその関連技術が次々と光リソグラフィに導入された Hp32/22nm, TN22/15nm 以降では ダブルパターニング (DP) HP20/15nm TN15/11nmw ではトリブルパターニングあるいはクォドラパターニングが必要になる このように複数回のプロセスでパターニングする技術は総称してマルチパターニング (MP) と呼ばれている 4) SMO 90

91 GDS 形式の設計データがテープアウトされると まずスキャナーのソースが決定される かつての SMO はマスクとソースの最適化を逐次的に処理していたが 精度の点で限界に来ていた 最近の SMO では図 に示すように 精度の向上のためにソースとマスクの同時最適化を行っている 5),6) しかし SMO 処理には極めて長時間が必要で チップパターン全体に対し SMO 処理を施せない そこで GDS データから小領域のクリップパターンをサンプリングする このサンプリングパターを用いて マスクとソースの最適化が行われ 最適なソースとマスクが得られる CD 寸法はレジストモデルの影響を受けるが この段階では精度の高いレジストモデルは存在しない それ故 光学像のみあるいは仮定を置いたレジストモデルを用いて SMO 処理を行う しかし 処理結果は従来の方法に比較し良好である ソースが決定されると このソースを用い マスク全面に対するパターンの最適化が行われる まず SRAF パターンが決定され 続いて OPC 処理が行われ マスクパターンの最適化が終了する 最後に検証が行われ ホットスポットが発見された場合は 前の工程にフードバックされる 設計データは検証段階をパスしてマスク製造工程に移される Clip Simultaneous co-optimization SMO Full Chip MB-SRAF PW-OPC PW - Verification SMO Clip Clip Clip SMO Simultaneous co-optimization of mask and source for given input design. Source + SRA 図 SMO の概略 Figure Outline of SMO 図 に示すように 従来 ソースは回折光学素子 (DOE; Diffractive Optical Element) で形成していた 最近 プログラマブル照明システム (Programmable illumination system, FlexRay TM ) が開発され 計算機制御により 瞬時に任意のソース形状を形成することができるようになった 7) そのため 計算機リソグラフィとスキャナーのインテグレーションが急速に進んだ 8) 91

92 DOE illuminator FlexRay programmable illuminator 1. Change DOE 2. Move Zoom Lens 3. Move Axicon Micro mirrors 2 axis tilt DOE B DOE A 図 従来の DOE 照明系と最近開発された FlexRay TM による任意形状照明系 Fugure Conventional DOE illuminator and freeform source produced by FlexRay TM. 7). 図 は FlexRay で作成した Free Form ソースと 従来の DOE で作成した cquad ソースの比較である 9) パターンは 22nm のコンタクトを 2 層に分割したものである Free Form の場合の方が DOF(Depth of Focus) が大きく かつ MEEF( mask error enhancement factor) が小さく 望ましい結果となる 図 FlexRay で作成した光源と DOE 光源によるプロセスウィンドウと MEEF の比較 Figure Comparison between Free Form source created by FlexRay 92

93 and cquad source generated by DOE. DOF is larger and MEEF is smaller in Free Form source than those in cquad source 9). 図 はソースの最適化のフローである 10) 通常のパターンにおいては のクリップターンが存在する しかし コスト的に許容される計算機処理量から SMO 処理に使うクリップの数は 程度に抑えたい 数多いクリップパターンから数少ない代表的なクリップパターンを選択するために 似たような回折パターンを持つクリップはひとまとめにし クリップ総数の絞り込みを行っている このような方法で大量のクリップを数少ない代表的クリップで置き換えて SMO を実行し 処理時間を現実的にしている (A); まず のサンプルクリップを選択し (B);SMO を実施する (C); この処理で得られた最適光源を用い のすべてのクリップに対し MB-SRAF/MB-OPC 処理を行い (D);(C) の結果は SMO 処理で得られたリソグラフィ性能結果と比較され (E); (C) の結果にホットスポットやウォームスポットがあるならば それらを生むクリップパターンを加えて SMO をやり直す Memory Test patterns Logic A B Full Set of Clips ( ) C Optimized source Full set of Clips ( ) MB-SRAF OPC (Tachyon OPC+) Verification (Tachyon LMC) Pattern Selection Algorithms Yes F Tachyon SMO Verification (Tachyon LMC) Litho Performance No No OK? D Subset of Clips (15-50) Litho Performance comparable? Litho Performance OK? Yes No Qualified Source For Full Chip (SRAF & OPC) Add hotspots to increase pattern coverage Extract Hotspots E 図 フルチップ SMO のフロー Figure Flow of full-chip SMO すべてのクリップに対し D の比較が合格したなら この光源が SMO で出力される最適光源である 課題は SMO の処理は大変に重いので デバイス設計に使うクリップパターンの数を可能な限り減らすことが有効である 11) このために 設計パターンをできる限り単純にする RDR(Restrict Design Rule) の採用がコスト低減に有効である 93

94 5-6-3 OPC と SRAF TN65~45nm 以下では 従来用いられてきたエッジベースのモデルよりも イメージベースのモデルを用いたほうが光学計算は早い イメージベースでは 最終的なレジストバーン像はマスクモデル 光学モデル レジストモデル エッチングモデルの畳み込み計算で与えられる 従って 光学モデルのみを他のモデルと分離できる 12) 図 に示すように イメージベースを採用する Brion 社の Tachyon モデルでは 光学像がパターンの位置 x,y, スキャナーのフォーカス F 露光量 E により与えられる (FEM モデル ; Focus Exposure Matrix モデル ) 従って フォーカスエクスポウジャ空間 (FE 空間 ) の数点で校正すれば 任意の (F,E) 点の空間像が求められ FE 空間の上で光学像の予測が容易にできる これに反し 従来のエッジベースのモデルでは マスク スキャナー レジスト エッチングモデルが分離されておらず 光学条件 (F,E) 点ごとに 別のモデルが対応する 従って (F,E) 点ごとに校正が必要であり 任意の FE 空間上の光学像を予測するためには 多大な時間が必要となる Sample Calibrate Generate E Tachyon any (F, E) F Calibration at FE Space M=M (x, y, F, E) 4 5 Focus Exposure Model CD-SEM - Process Window Conventional E Calibration at F1,E1 M F1,E1 =M F1,E1 (x, y) (F2,E2) F + Calibration at F2,E2 M F2,E2 =M F2,E2 (x, y) (F1,E1) CD-SEM - Calibration at Fn,En M F2,E2 =M F2,E2 (x, y) (Fn,En) 図 ; イメージベース法における Focus Exposure Matrix (FEM) モデルと従来のエッジベース法における Model FEM モデルでは FE 空間の数点で校正すれば 他の意の (F,E) 点で光学像が得られる 従来の Model では (F,E) 点ごとに別なモデルが存在し 任意の (F,E) 点での像の予測はできない Figure ; Focus Exposure Matrix (FEM) model for image based method and image model for conventional edge based method. Aerial image at any point of (F,E) is easily obtained by FEM model. However, calibration is necessary for at every point of (F,E) for edge based model. After all, it takes long time to obtain images at multi-points. FEM モデルを用いればプロセスウィンドウ考慮 OPC(PW-OPC) が可能となる 13) 図

95 は通常のノミナル点の上での OPC 及び PW-OPC の比較の例である 14) 通常のノミナル点での OPC では 100nm のデフォーカスでホットスポットが生じているが PW-OPC ではそれがない PW-OPC はノミナルポイント OPC よりプロセスウィドウが広い 計算時間を短縮し コストを下げるために できる限り少ない (F,E) 点で FEM モデルの校正を行い OPC を実行することが求められる その一方 検証においては ホットスポットの捕捉率を上げるために 補正よりも多数の (F,E) 点での校正を行い FEM の精度を上げることが求められる Conventional OPC Line is broken Blue = 0 nm defocus Red = 100 nm defocus Process Widow Aware OPC Conventional OPC fails at 100 nm defocus Tachyon OPC+ shows good image at 100 nm defocus 図 ; 通常の OPC と PW-OPC の比較 Figure ; Comparison between conventional nominal point OPC and PW- OPC 14). 結像性能を上げるために TN65/45nm 以降では RB-SRAF( ルールベース SRAF) が使われている しかし 32nm 以降に対しては SRAF の性能をさらに上げ. る必要があることと RB-SRAF のルール作成の負荷が重荷になってきたために MB-SRAF が使用され始めている 15) 図 は MB-SRAF と MB-OPC によるマスクの最適化の例を示している まず どこに SRAF パターンを配置したらよいかを示す SRAF Guidance Map(SGM) を求める 16) 次に SGM に従い SRAF パターンを配置する 続いて マスク製作 検査の上からの制限要求を満たすか否かを調べるために Mask Rule Check(MRC) を行う MRC に背反する SRAF パターンは排除 修正される 最後に SRAF パターンを除いた本体パターンに OPC 処理を行う Calculate the two dimensional cost function map Place scattering bars at the optimum positions of the map Run clean-up algorithm to satisfy MRC constraints OPC is applied only to the main target patterns 図 MB-SRAF と MB-OPC によるマスクの最適化 95

96 Figure Mask Optimization by MB- SRAF and MB-OPC Rule-based 4X / 28N Rectangle MB-SRAF 22 / 20N and lower Freeform MB-SRAF Exposure Latitude (%) Freeform 10 Rectangle 8 Rule Depth of Focus (nm) Relative Full-chip Compute Cost Relative Mask Cost 10-25x Rule Rectangle Freeform 図 RB-SRAF, Rectangle MB-SRAF, Free Form MB SRAF の DOF と計算処理時間の比較 Figure Comparison of DOF and calculation time among RB-SRAF, Rectangle MB-SRAF and Free Form MB- SRAF. 図 は RB-SRAF, 矩形形状 MB-SRAF, FF MB-SRAF に対する DOF と処理時間比較である Free Form(FF) で得られるような複雑な SRAF を用いれば DOF が拡大するが その一方で計算処理時間が長くなり FF は現実的な解ではなくなる SRAF のタイプ理選択はコストと性能のトレードオフとなる コストと性能の両者を満足する解として FMO が提案されている ( 図 ) 17) SMO で得られた最適ソースを用い まず Rectangle MB- SRAF と PW-OPC を用いて マスクパターンの概ねの最適化を行う マスク全体を検証し ホットスポットなど危険個所が現れたら その危険な領域のみ精度の高い FF SRAF で修正する このような方法により 計算処理時間を増大させることなく リソグラフィ性能を改良することができる 図 は MB-SRAF/OPC, FF MB-SRAF/OPC, FMO について 相対的計算処理時間とマスクコストを比較したものである 図から判るように FMO は MB-SRAF/OPC に比較し 広い PW を持つ一方 その処理時間は若干長く マスクコストは若干高い程度で済む また FF MB-SRAF と比較すると計算機処理時間は半分 マスクコストは 1/5 程度で済む 96

97 図 Flexible Chip Mask Optimization (FMO). Figure Flexible Chip Mask Optimization(FMO). Turn around time (TAT) LMC SRAF & OPC Mask Cost MB-SRAF FF SRAF FMO Relative mask cost Dose (%) FMO with Freeform MB-SRAF Rectangle MB-SRAF Depth of focus (nm) 図 ; MB-SRAF, FF MB-SRAF, FMO による相対的計算機処理時間と相対的マスクコストの比較 Figure Relative computational time and relative mask cost comparison among MB-SRAF, FF MB-SRAF, and FMO モデルの 3 次元化微細化に伴い マスクやレジストプロファイルの三次元モデルが必要になってきた 18) マスクについては マスクパターンの寸法が露光波長以下になってきており マスクの三次元構造を 97

98 Exposure Latitude (%) リソグラフィ 考慮しないと 精度の高い光学計算ができなくなっている 厳密な三次元の電磁場計算は時間がかかりすぎ いかに簡単で精度の高い近似計算ができるかに成否がかかる 図 は理想的な薄膜マスク (TM: Thin Mask) と現実の三次元形状を考慮したマスクの比較である マスク三次元構造のために ベストフォーカスシフトが発生し プロセスウィンドウが狭くなる 19) Performance degrades in real world SMO FlexRay source 20 nm SRAM DPT contact Typical DPT SRAF/OP Total process window reduced with OMOG mask due to best focus shift 図 ; 薄膜マスク ( 緑 ) と三次元構造を考慮したマスク ( 赤 ) のプロセスウィンドウと Bossung curve の比較 Figure ; Process window and Bossung curve comparison between ideal thin mask (TM) and real mask with 3 dimension structure. Red corresponds to thin film mask and green 3D mask Defocus (nm) Thin Mask SMO & OPC+ M3D OPC+ M3D SMO & OPC+ M3D SMO, OPC+ & FlexWave 20 nm SRAM DPT contact OMOG mask Typical DPT SRAF/OPC TM SMO & OPC+ M3D OPC+ M3D SMO&OPC+ +FlexWave Notes: SMO for Source Optimization OPC for Mask Optimization FlexWave = SMO FlexWave M3D model for PW check same same (TM = Thin Mask model) (M3D = 3D Mask model) source wavefront 98

99 図 ; M3D モデルを SMO, OPC に適用することでプロセスウィンドウが拡大する さらに FlexWave( 図 ) で Wave Front を補正した場合 プロセスウィンドウは拡大する パターンは右上図に示される Figure ; PW is enlarged by application of M3D model to SMO and OPC. PW is furthermore enlarged by correction of wave front aberrations with FlexWave (Fig ). 図 は 1) 薄膜マスクモデルを SMO と OPC に適用した場合 2) 三次元マスクモデル (M3D) を OPC に適用した場合 3)M3D を SMO と OPC に適用した場合 4) 3) に加えて マスクの三次元構造に起因する位相のエラーを FlexWave( 後述 ) で補正した場合の比較を示す M3D モデルを適用することで ベストフォカスシフトが補正され その結果プロセスウィンドウは改善する 最近 図 に示すように マスクの三次元構造等により発生する位相誤差を補正可能とするフレクシブルレンズ素子 FlexWave TM が開発された 20) M3D 起因のベストフォーカスシフトに対し FlexWave 最も効果的に働く光学素子の一つである reticle Induced aberrations wave front without correction Programmed wave front offset FlexWave - element wave front after correction with FlexWave wafer Corrected aberrations 図 ; フレクシブルレンズ素子 FlexWave FlexWave は小領域ごとに屈折率を変え wave front を補正する Figure ; Flexible lens element, FlexWave. Element is divided into small areas where refractive index is changed to control wave front. また パターンが微細になるとともに 三次元レジストプロファイル (R3D) を考慮する必要が出てきた 21) 従来は垂直断面のレジストプロファイルを仮定し レジストトップとレジストボトムの寸法は同一としたモデルを使用してきた しかし 実際にはレジスト断面は角度を持っており SRAF パターン等微細なパターンは高さ方向に膜べりを起こす一方で 大きめのパターンは高さが保持される レジスト寸法の CD 測長値はレジストボトム寸法に近く エッチング後の CD 99

100 測長値はレジストトップ寸法に近い 図 左図に示すように 特に defocus 条件の時にエッチング後の CD はレジスト CD に比較し縮小している 図 右図では レジストボトムではホットスポットが見られないが レジストトップではホットスポットが出現する レジスト像では検出されないホットスポットが ポストエッチで検出される場合があることを示している Black Red Blue Top Mid Bot CD (nm) CD SEM Measurements 110 Resist CD Etch CD 60 Resist 50 Etch Focus (nm) 図 左図 ; レジストパターン寸法とエッチング後のパターン寸法のフォーカス依存性 右図 ; レジストボトム CD とレジストトップ CD の場合の Contour 比較 Figure Left; Focus dependence of resist pattern CD and etched pattern CD. Right; Verification result using top resist CD (Black) and bottom resist CD (Blue). Top loss Top contour (25 nm from top) Bottom contour (85 nm from top) Good profile Top loss NC F = -40 nm SMO without R3D model NC F = -40 nm SMO with R3D model 図 R3D を考慮しない場合とした場合の SMO 結果 考慮しない場合はデフォーカス 40nm で激しいレジストトップロスが予測される R3D を考慮した場合は レジストプロファイルを改善できるソースを得ることができる Figure SMO result without and with R3D. Resist top loss is forecasted in case without R3D, however, resist top loss is not forecasted in case with R3D. Using R3D model (optimizing the top and bottom contours) in SMO enables a source which improves CD profile across process window 100

101 図 は R3D の SMO への応用である 左図のように R3D モデルを使わなければ 激しいレジストトップロスが生じるが 右図に示すように R3D モデルを使えばソースを最適化し レジストトップ及びレジストボトム寸法を近づけることができる R3D モデルを用いることで PW を広げることができる R3D は厳密なホットスポット検出が必要な検証に有効である マルチパターニング Hp32nm, TN22nm 以降では 通常の露光では ArFi の限界解像力を超えるので ダブルパターニング (DP) が概ね必要になる DP としては パターン分割が必要な Litho-Etch-Litho-Etch (LELE) と Litho-Process-Litho-Etch (LPLE) 22) 並びにリソグラフィで形成した Mandrel の側壁にスベーサパターンを形成するSADP(Self Aligned Double Patterning) の開発が主流となっている 図 に示すように LELE ではパターニングを二回に分割して形成し 最終的に一つのパターンとして統合する 第一回目のパターニングのオーバレイ誤差と 第二回目のパターニングのオーバレイ誤差が積積み重なってて最終的パターンに現れるので 超高精度のオーバレイ精度が必要となる スキャナーを始めとし メトロロジー マスク等に 現状の実績を超えた高精度化が要求される Spit 1 1st Mask Exposure 1 Target layout combined patterns from exposures Frequency Double Layer Aware Coloring Spit 2 Overlay Aware Model Based Stitching Model OPC Processing Litho/etch Exposure 2 Final contour Split 2 2 nd Mask 図 LELE のフロー 正確なパターンの接続のためにモデルベース接続技術が必要となる Figure Flow of LELE Overlay aware Model Based stitching is necessary for accurate pattern formation. 101

102 さらなる微細化には トリプルパターニング 23,24) やクォドラパターニング 25) が有効である 図 は TN14nm 対応の第一メタル層 (M1 メタル ) へのパターンスプリプト型の応用である ダブルパターニングでは対応できず トリプルパターニングが必要になる また 図から判るようにパターンの接続が必要である 接続は線幅の大きなパターンで行うことが有利である 微細なパターンで接続を行う時には 精度をキープするうえで モデルベースの接続 ( 図 を参照 ) が有効である Color 1 Color 2 Color 3 Stitching 図 Figure nm M1 層に対するトリプルパーニングの適用 Triple pattern application to 14nm M1 layer. 図 はもう一つの DP 方式のスベーサタイプの SADP(Self Aligned Double Patterning) のフローである この場合 Mandrel パターンの側壁にスペーサパターンを形成し それを利用してより微細なパターンを形成するので オーバレイ精度の問題が小さい また 線幅がリソグラフィの解像能力ではなく エピタキシャル技術などで堆積して形成されるスベーサの厚みで決定される しかし この方式ではマスクパターンとシリコンウェーハ上に形成されるパターンが異なるため レイアウト設計が直観的に行えない さらに微細化を目指して クォドラプルパターン (SAQP; Self Aligned Quadruple Patterning) が開発されているが Flash Memory のような簡単なパターンに対しては有効であるものの ロジックや DRAM に対してはレイアウト設計が難しい 102

103 図 スベーサタイプの SADP(Self Aligned Double Patterning) のプロセスフロー Mandrel pattern と Final pattern が異なり 設計パターンからウェーハパターンを直観的にとらえることが難しい 26) Figure Example of spacer type SADP (Self Aligned Double Patterning) process flow. It is difficult to predict wafer image from mask pattern, because both patterns are different 26). 図 設計パターンとウェーハイメージが一致する SADP の レイアウト設計手法 Figure SADP layout design where mask image is the same with that of wafer image. 26) そこで 最近は SADP/SAQP に対するレイアウトの設計の一般的な手法の開発が行われている 図 はその例で マスクパターンとウェーハイメージが一致するような SADP の設計手法である 26) このような設計手法が有効ならば 容易に SADP/SAQD のレイアウト設計が可能となり その応用はメモリ以外にさらに広がる 最先端においては フラッシュメモリの開発段階で SAQP がすでに使われている ロジッ 103

104 ク系においては 年に量産段階に入る TN11nm に向け マルチパターニングとカッティングマスク ( あるいはフィルマスク ) の組み合わせによる方法の検討が進んでいる 27) 例として アクティブ層に対しては ライン & スペースパターンをまず形成し 後 カッティングマスクにより 最終パターンを形成する カッティングパターンのピッチがスキャナーの解像限界を超えているため 複数枚のカットマスクが必要となる 他の層に対しては SADP と LELE で対応する スキャナーの計算機制御スキャナーのモデルが開発されたことと 計算機制御可能なスキャナーのコンポーネントが開発されたことにより スキャナー間の CD マッチング 28), 29) あるいはスキャナーのチューニング 30). が計算機制御の下に行えるようになってきた 図 はスキャナーの像形成の補正について 最近の技術革新を示している SMO FlexRay OPC/SRAF OPC/SRAF FlexWave Conventional SMLO DoseMapper Innovation 図 ; 従来はマスク面を操作して CD を制御していた 最近はハードウェア ソフトウェアの開発の進展により マスク面以外にソース面 ( 例 ;FlexRay) pupil 面 ( 例 ;FlexWave) ウェーハ面( 例 ;DoseMapper 31) ) により操作可能となる Figure ; Conventionally, CD was corrected by mask pattern shape. Recently, CD is corrected by scanner source plane (e.g. FlexRay), pupil plane (e.g. FlexWave), wafer plane (e.g. DoseMapper 31) ) in addition to mask plane. 104

105 Scanner Mismatch (a.u) SRAM Through Pitch XT:1900i to XT:1700i matching Patterndependent solutions Potentially a nonpattern-specific solution Spec 0 PreMatch PMFC result 1 (σ+na+focus Range) PMFC result 2 (σ+na+focus Range) Freeform DOE (source tuning only) FlexRay Pupil (source tuning only) FlexWave tuning (Z6 aberration tuning) Through Pitch Constrained SRAM Constrained Quasar DOE FlexRay FlexWave 図 ; XT:1700i に対する XT:1900i の CD マッチング結果 Figure ; CD matching of XT:1900i to XT:1700i. 32) これにより 従来は CD の補正はマスクパターンを通してのみ可能であったが 最近はマスクパターンに加えて σ NA, ソース フォーカスレンジ dose のノブを操作して マスク製作後であっても CD の補正が可能となった 図 は XT1700i に対し XT1900i を CD マッチングさせた結果の例である 32) σ NA, フォーカスをノブとして CD マッチングを図った場合は CD マッチングを行わない場合に比較し その精度は改善するものの 仕様値は達成できない σ NA, フォーカスに加えて Free form DOE あるいは FlexRay をノブに用いた場合 CD マッチング精度は更に改善され 仕様値を達成できる しかし この場合は CD マッチング精度はパターン依存性がある これらノブに付け加えて FlexWave をもちいれば パターンに依存しない CD マッチング精度が得られる可能性がある パターンの微細化とともに FlexRay で発生される二重極照明のように 極端なオフアクシス照明が用いられる このような照明では レンズが等方的にエネルギーを受けられず スキャナーを使用している間に時間とともに局部的に加熱される その結果 いわゆるレンズヒーティング効果が生じる 従来は 実際のレチクルをスキャナーに搭載し レンズヒーティング効果を校正し スキャナーにフィードフォアードしていた (ASCAL; 図 参照 ) ところでレンズヒーティング効果の校正には レチクル一枚当たり 1.5 時間のマシーンタイムが必要になる スキャナーの価額は極めて高いことから スキャナーのマシーンタイムを不要とする校正法が求められていた 最近 ソフトウェアによるレンズヒーティング効果校正ツールが開発され (cascal) 図 に示すように レチクルパターン及び他の条件を Tachyon に入力すれば レンズヒーティング効果の校正が可能となった 33) レンズヒーティング効果の校正がレチクルとマシーンタ 105

106 イム抜きで可能となる結果 スキャナーの生産性はロジックで約 6%, メモリで約 0.7% 改善される 図 はレンズヒーティング効果の補正を行わなかった場合 ASCAL で補正を行った場合 及び cascal で補正を行った場合の比較である Zernike 項のドリフト Best Focus のドリフト, CD のドリフトが cascal による補正でもっともともよく改善される Negative Tone Development (NTD) Process は レジストコントラストを改善し, コンタクト層あるいはメタルトレンチ層に対し 極めて有力なレジストプロセス技術と考えられている 従来 コンタクト層にはダークフィールドマスクが使用され かなりの光がマスクで吸収され レンズには一部の光のみが到達していた ところが NTD プロセスでは マスクのポジ ネガが反転し かなりの光がマスクを通過し レンズに到達するようになる 従って NTD プロセスではレンズヒーティングの効果がはなはだ大きくなることが予測され その解決に向けた開発が喫緊の課題となっている 34) Lens heating model cascal LHFF cascal Reticle not required No scanner calibration Free of measurement noise and drift Mask Data Prep ASCAL = Application Specific Calibration LHFF = Lens Heating Feed Forward ASCAL LHFF ASCAL Reticle required Overhead: 1.5hr scanner calibration per reticle 図 レンズヒーティング効果の校正 / 補正法の概念 従来は実際のレチクルをスキャナーに搭載し レンズヒーティング効果の校正 (ASCAL) と補正を行っていた 最近 スキャナーのモデルの開発が進み レチクルパターンと他の条件を入力すれば計算機処理により レンズヒーティング効果の校正が可能となり (cascal) その結果得られる補正パラメータがスキャナーにフィードフォワードされ レンズヒーティング効果が補正される Figure Concept of lens heating calibration and correction. Conventional way: In order to calibrate lens heating effect, actual reticle is equipped with scanner (ASCAL), and result in a set of feed forward parameters to drive the different lens heating correction manipulators. New method; Using lens heating model, reticle pattern, and other condition, lens heating effect is calibrated without real reticle and scanner machine time (cascal), and followed by correcting lens heating effect. 106

107 Customer A NXT:1950i, freeform source, 2x node Customer B NXT:1950i, x-dipole, 2x nm node Coefficient (nm) Basline ASCAL cascal Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 Z11 Z12 Z13 Z14 Z15 Z16 Z17 Z18 Z19 Z20 Z21 Z22 Z23 Z24 Z25 Zernike Best Focus Range (nm) No LH calibration ASCAL cascal Customer C XT:1950i, freeform source, 2x nm node CD drift across slit center (nm) No Correction ASCAL cascal Pitch 図 レンズヒーティング効果と ASCAL 及び cascal による校正とその出力による補正結果 左上図はレンズヒーティングによる Zernike 項のドリフト及びその補正後の結果 右上図はレンズヒーティングによる Best Focus ドリフト及び補正後の結果 下図はレンズヒーティングによるスルーピッチパターンの CD ドリフト及び補正後の結果 Figure Lens heating effect and its corrected result by ASCAL and cascal. Left upper figure; Zernike term drift and result after correction by ASCAL/ALHC and cascal Right upper figure; Best focus drift induced by lens heating and results after correction by ASCAL and cascal. Lower figure; CD drift of through pitch pattern by lens heating effect and corrected data by ASCAL and cascal 計算機リソグラフィと設計及びプロセス技術とのインテグレーション計算機リソグラフィと上流の設計 及び下流のプロセス メトロロジーとのインテグレーションが進められている ( 図 ) 計算機リソグラフィとスキャナーのインテグレーションについては前述した 107

108 図 計算機リソグラフィと設計 プロセスの統合 Figure Integration of Computational Lithography, design and process. 計算機リソグラフィの発展とともにメトロロジーのスループット短縮と高精度化が重要となる 従来 メトロロジーツールとしては CD-SEM が使われてきたがスループットが低く ノイズが多いために 代替の装置が探索されている スキャタメトリー (Scattermetory; 光波散乱計測 ) による方法は 下地の影響を受けやすい アライメントマークが大型である 孤立バターンは計測出来ないなど 使用法が限定されているものの スループットの速さと測定精度の高さから 最近注目が集まっている 35) 計算機リソグラフィ スキャナー メトロロジーを有機的につなげる概念として Holistic lithography が ASML から提案されている 36) マスクについては 四倍体なので 200nm 以下のパターンは使われなかったが 最近はマスク上 200nm 以下のパターンも必須になってきた しかし マスク固有の近接効果やローディング効果などがあり マスク上 200nm 以下でマスク寸法リニアリティが劣化する問題があり 37) 計算機リソグラフィとの統合した解法が求められている マスクの CD エラーは他の要因より大きく 今後大きな問題となる このような状況の下 系統的マスク CD エラーマップを測定し その測定値を考慮した検証が行われ 有効性が確認されている 38) また マスクモデルが開発され マスクモデルを組み込んだ OPC あるいは検証ツールの評価が行われている マスクの欠陥検査においては マスクの欠陥がそのままウェーハ上で欠陥とはならず 逆にマスク上で問題なくともウェーハ上で欠陥となる場合がある この解決のために 欠陥検査装置で取り込んだマスク像を検査装置の光学モデルを使って逆変換してマスク像を求め そのマスク像にスキャナーモデルを畳み込み マスクの欠陥をウェーハ上で判断する方法が開発されている 39) このような方法によらなければ SRAF パターンなどの転写性チェックは困難になっている 光リソグラフィとマスクの統合による 光リソグラフィのさらなる微細化対応が追求されている 40) 108

109 光リソグラフィにおいては 様々な duty 比の L&S パターンを同時に高精度で形成するのは困難である 様々な duty 比の L&S パターンの使用はできるだけ避け duty 比は例えば 1:3 のみに限定する等の努力が払われている また 二次元パターンは精度が出にくいので 一次元パターンを用いる X,Y 両方向を同時に高精度パターン形成できないので 一方向に絞る等が行われている 2) 図 はパターンを単純化する RDR(Restricted Design Rule の例である 複雑な Original パターンを簡単なパターンで置き換えている このような簡単なパターンではプロセスウィンドウを広げることができ マスクの MEEF も低減できる また RDR により MP の適用が容易になる 図 左図 : TELA 社による RDR の例 バターンは 45nm ロジック 右図 : 従来の設計 によるレイアウト図 Figure Left Figure: RDR Example by TELA Inc. 45nm Logic pattern. Right Figure Original layout EUV マルチパターニングによる微細化対応はコスト増大の問題が大きく EUVLの実用化が求められている 41) EUVLにおいては 解像度が光リソグラフィより高く 大きなk1を用いることができる それゆえ OPCは光リソグラフィよりも簡単になる しかし フレアの取り扱いが課題となる EUVでは 反射ミラーを複数枚使うが 短波長故に表面からの散乱が大きい 各ミラーはEUV 光を散乱させ フレアを発生させる 表面の微小な凹凸の周期により 散乱の角度分布が異なり 大角度から小角度までの様々なフレアが現れる また フレアはスキャナーの構造に依存性がある 図 に示すように ミラー等による散乱で生じるオリジナルなフレアーはPSF(Point Spread Function ) で表される しかし フレアは装置に組み込まれる 109

110 Effective field dependent flare for an isolated field (simulated) exit aperture EUV beam Typical PSF implementation Wafer Brion s NXE:3100 based implementation Mask black border (BB) EUV reflection and field to field interactions Simulated multiple-field flare maps Neighboring shot field to field BB reflections at the edges BB reflection Neighbour field ReMa DGL Half shadow of ReMa Current scanning field 3x field to field reflections in the corners 図 フレアの説明図 Brion のフレアモデルは EUV スキャナーの構造と マスク構造を考慮 フレアの影響はフィールド境界で二倍 フィールドコーナーで 3 倍に拡大される Figure Explanation of EUV flare. Original flare is deformed by scanner exit aperture, reflection by BB, and effect by ReMa. アパーチャとマスクの構造にも依存する フレアは図 に示すようにアパーチャなどにより一部は蹴られ 強度が低下するとともに その形状が変形する また マスク周辺に配置される反射防止層 Black Boader (BB) による反射防止は完全ではなく 多少の反射が生じる 低減したBBからの反射光はReMaで遮蔽されるが 完全にはEUV 光をカットできず 隣のフィールドを弱く露光してしまう 装置及びマスクの構造による効果が加わって 最終的なフレアが形成される フレアによる影響はフィールドからにじむような形で現れ フィールド境界で二倍 フィールドのコーナーで3 倍に拡大される 42) EUVマスクは EUV 光を反射する多層膜の上にEUV 光を吸収する重金属のパターンから構成される 重金属のパターンは厚みがあり この厚みの影により露光量が変化しCDに影響する (Shadowing 効果 ) 43) Shadowing 効果はルールベースによる方法で補正できるが 微細化が進むとモデルベースによる補正が要求される 以上のように EUVではフレア OPC, Shadowing 効果の3つの補正が必要である 図 にEUVの補正のコンセプトを示す 110

111 図 EUVL におけるパターンの補正 フレア 近接効果 マスクシャドウイングの三つの補正が必要となる Figure Pattern correction in EUVL. Flare correction, Proximity effect correction and mask shadowing correction are necessary. パターン間の相互作用の距離は光リソグラフィの場合 1.5um 程度であるが EUVの場合 フレアの存在によりcmのオーダにもおよぶ それ故 広大な領域の中で 多数のパターン間の相互作用が発生し それによるCDの変動を補正する必要が生じる それはデバイスパターンの持つ階層を利用した高速計算処理を困難とし その処理の長時間化とデータサイズの膨張をもたらす 最近 高速計算処理法及びハードウェアによるフレアの低減等の開発により 高速計算の対応が進みつつある 図 はGDSパターンからEUVLのレジスト像を求めるフローである 44) スキャナーのソース 収差 スリット依存性等のマシーンデータを取り込んで GDSパターンデータから光学像が計算される 並行して パターン密度マップとフレアの畳み込み計算が行われ フレアマップが作られる さらに 光学像とフレアマップの畳み込み計算を行えばフレアを考慮した 光学像がえられる 111

112 図 EUVL における像形成のフロー Figure Imaging formation modeling flow of EUVL. 図 はフラットデータと EUVL 特有の圧縮を行ったデータ (HScan) の補正処理時間及びファイルサイズの比較の例である マスクシャドウイング及びマスク BB を考慮した場合と考慮しない場合の比較も行っている この例では 圧縮により 処理時間は DRAM の場合 1/100, ロジックの場合 1/20 に短縮され ファイルサイズは DRAM の場合 1/40, ロジックの場合 1/20 に圧縮される 図 圧縮処理による CD 補正処理時間の短縮化とファイルサイズの圧縮結果の例 Figure Example of run time reduction of Flare/OPC/Mask shadowing correction and file size reduction by data compaction, HScan. 検証の場合は フィールド全面のチップのチェックが必要になり 処理時間の短縮化が補正より困難である 図 は検証に対する最近の高速化の例である フラットデータ処理に比較し平均して 7 倍の高速化が達成されている 112

113 60 50 Run-time (hrs) x 3.5x 14x 8x Full-field flat LMC New full-field EUV LMC 10 0 FPGA Logic Metal DRAM Contact DRAM Poly 図 データ圧縮による検証時間の短縮化. Figure Run time reduction of verification, LMC, by data compaction. EUVL では 最初からオフアクシス照明が必要であり SADP, SMO, レンズヒーティングなど DUV スキャナーで開発されている技術の早い段階からの適用が予想されている さらに EUV スキャナーの場合は 光学系の収差が大きく スリット位置依存のモデルが必要であり 計算機リソグラフィの必要性は光リソグラフィに比較し決して低下するというものではない 今後の展望微細化の要求に沿って シングル露光 ダブルパターニング マルチパターニングと技術が進展している コストが低く スループットの高いマルチパターニングの方法が発見できればこの方向は更に進展する EUVL の実現の見通しが立てば その時点で流れは EUVL に行く スキャナーのモデルが開発され 計算機リソグラフィとスキャナーの統合が進んだ 今後は エッチング コータ / ディベロッパ 成膜といった装置 マスクプロセスのモデル化が進み 計算機リソグラフィと有機的に統合して行くのであろう 計算機リソグラフィは 現在 CD の補正に用いられているが 将来 オーバレイの補正にも用いられると予測される 新たなモデルが求められるとともに 計算機負荷とメトロロジーの負荷が増す 計算機リソグラフィにとっての課題はスピートの速い計算機の開発と 精度が高く 簡単で 計算機負荷が軽く しかもメトロロジー負荷の軽いモデル / アルゴリズムの開発である 半導体の微細化の継続的発展に計算機リソグラフィは本質的な役割を果たす 海外のデバイメーカの計算機リソグラフィの取り組みは実に充実したものになっている 特にパターンが複雑なロジックデバイスにおいては計算機リソグラフィの果たす役割は大きい 図 に示したように計算機リソグラフィは製造側で必要となる技術である 製造においては積極的に 113

114 計算機リソグラフィを取り込んでいかないと 世界に伍していけないだろう 今後ファブレス化も大いに進むと予測される ファブレスおいても 計算機リソグラフィを駆使して 徹底した計算機実験を行い コストメリットの出るロジックデバイス設計が可能であり 計算機リソグラフィは有効な技術であろう 参考文献 [1] J. Fung Chen, et al., Development of a Computational Lithography Roadmap, Proc. SPIE,6924, 69241c(2008) [2] Pter De Bisschop, et al. Joint-Optimization of Layout and Litho for SRAM and Logic towards the 20nm node, using 193i, Proc. of SPIE, (2011). [3] V.Farys, et al. Enabling 22-nm Logic Node with Advanced RET Solution, Proc. of SPIE Vol. 7973(2011) [4] Hidemi Yaegashi et al., Overview: Continuous evolution on double-patterning process, Proc. of SPIE Vol.8325 (2012) [5] Robert Socha, Xuelong Shi, David LeHoty, Simultaneous Source Mask Optimization (SMO), Proc. SPIE Vol (2005) [6] Stephen Hsu, et al., An Innovative Source-Mask co-optimization (SMO) Method for Extending Low k1 Imaging, Proc. of SPIE Vol.7140 (2008) [7] Joerg Zimmermann et al., Generation of arbitrary free form source shapes using advanced illumination systems in high-na immersion scanners, Proc. of SPIE Vol.7640(2010) [8] Seiji Nagahara, et al., SMO for 28-nm logic device and beyond: Impact of source and mask complexity on lithography performance, Proc. of SPIE Vol.7640(2010)4 [9] J. Bekaert, et al., Freeform illumination sources: An experimental study of source-mask optimization for 22nm SRAM cells, Proc. of SPIE Vol. 7640(2010) [10] Min-Chun Tsai, et al., Full-chip source and mask optimization, Proc. of SPIE Vol.7973(2011) [11] DongQing Zhang, et al., Source Mask Optimization Methodology (SMO) & Application to Real Full Chip Optical Proximity Correction, Proc., of SPIE Vol.8326(2012) [12] Hua-Yu Liu, et al., Separable OPC Models for Computational Lithography, Proc. of SPIE Vol.7028(2008). [13] Youping Zhang, et al., A Focus Exposure Matrix Model for Full Chip Lithography Manufacturability Check and Proximity Correction, Proc. of SPIE Vol. 6283(2006). [14] Mark Terry, et al., Process Window and Interlayer Aware OPC for 32nm Node, Proc. of SPIE Vol (2007) [15] Jinyu Zhang, et al., Sub-Resolution Assist Features Placement Using Cost-Function-Reduction Method., Proc. of SPIE Vol (2009). 114

115 [16] Min-Chun Tsai, et al., A full chip MB-SRAF placement using the SRAF guidance map. Proc. of SPIE Vol.7823(2010) [17] Charlotte Beylier, et al., Demonstration of an effective Flexible Mask Optimization (FMO) flow, Proc. of SPIE Vol.8326(2012) [18] Peng Liu, et al., A full-chip 3D computational lithography frame work, Proc. of SPIE Vol.8326(2012). [19] Peng Liu, Accurate prediction of 3D mask topography induced best focus variation in full-chip photolithography applications, Proc. of SPIE Vol (2011) [20] Frank Staals, et al., Advanced Wavefront Engineering for Improved Imaging and Overlay Applications on a 1.35 NA Immersion Scanner, Proc. of SPIE Vol (2011) [21] Xin Zhen, et al., Resist loss in 3-D compact modeling, Proc. of SPIE Vol. 8326(2012) [22] Patric Wong, et al., Litho1-Litho2 Proximity difference for LELE and LPLE double patterning process, Proc. of SPIE Vol.8326 (2012) [23] Rani S. Ghaida et al., A Novel Methodology for triple/multiple-patterning Layout Decomposition, Proc. of SPIE Vol [24] Yijian Chen et al., Self-aligned Triple Patterning for Continuous IC Scaling to Half-Pitch 15nm, Proc. of SPIE Vol. 7973(2011) [25] Ping Xu, et al., Sidewall spacer quadruple patterning for 15 nm half-pitch, Proc. of SPIE Vol. 7973(2011) [26] Koichi Nakayama et al., Self-Aligned Double and Quadruple Patterning Layout Principle, Proc. of SPIE Vol. 8327(2012). [27] Michael C.Smayling et al., Sub-20nm Lithography Optimization with Simple OPC and Multiple Pitch Division, Proc. of SPIE Vol. 8326(2012) [28] Robert Socha, et al., Improved fab CDU with FlexRay and Litho Tuner, Proc. of SPIE Vol.7973(2011) [29] Jongwon Jang, et al., Scanner matching using pupil intensity control between scanners in 30nm DRAM device, Proc. of SPIE Vol.7973 (2011) [30] Tsung-Chih Chien, et al., Model-based scanner tuning for process optimization, Proc. of SPIE Vol.7520(2009) [31] Nazneen Jeewakhan, et al., Application of DoseMapper for 65nm Gate CD Control: Strategies and Results, Proc. of SPIE Vol. 6349(2006) [32] Jong-Ho Lim, et al., Advanced Scanner Matching using Freeform Source and Lens Manipulation, Proc. of SPIE Vol.7973 (2011). [33] J.Bekaert, et al., Characterization and control of dynamic lens heating effects under high volume manufacturing conditions, Proc. of SPIE Vol. 7973(2011) [34] Scott Halle et al., Lens Heating Challenges for Negative Tone Develop Layers with Free Form Illumination: A comparative study of experimental vs. simulated results, Proc. of SPIE Vol. 8326(2012) [35] Karsten Bubke, et al., Simulation-base scanner tuning using FlexRay Capability and 115

116 Scatterometry, Proc. of SPIE Vol (2011) [36] Frank A.J.M.Driesden, Holistic lithography for EUV:NXE:3100 characterization of first printed wafers using an advanced scanner model and scatterometry, Proc. of SPIE Vol. 8166(2011) [37] Yasuko Saito, et al., Performance and stability of Mask Process Correction for EBM-7000, Proc. of SPIE Vol. 7748(2010). [38] J.Planchot, et al., Full field lithographical verification using scanner and mask intrafield fingerprint, Proc. of SPIE Vol. 8326(2012) [39] George Chen et al., Lithographic simulation and defect detection from high-resolution mask images, Proc. of SPIE Vol. 7379(2009) [40] T.Takigawa et al., Extension of Optical Lithography by Mask-Lito Integration with Computational Lithography, Proc. of SPIE Vol. 7748(2010) [41] Jan V. Hermans, et al., Progress in EUV Lithography Towards Manufacturing from an Exposure Tool Perspective, Proc. of SPIE 8322(2012) [42] Natalia Davydova, et al., Imaging performance improvements by EUV mask stack optimization, Pro. Of SPIE Vol. 7985(2011) [43] Gian F. Lorusso, et al., Model calibration and verification for pre-production EUVL, Proc. of SPIE Vol. 8322(2012) [44] Peter Nikolsky, et al., Feasibility study of the approach to flare, shadowing, optical and process corrections for EUVL OPC, Proc. SPIE Vol (2009). 116