極端紫外線リソグラフィ

極端紫外線リソグラフィ(EUVリソグラフィ)の概要

極端紫外線リソグラフィ(EUVリソグラフィ、英語: Extreme ultraviolet lithography、略称: EUVL)は、半導体製造プロセスにおいて、従来の光学リソグラフィに代わる次世代の露光技術です。波長13.5 nmという極端紫外線を用いて、シリコンウェハー上に回路パターンを形成します。この極めて短い波長により、7 nmノード以下の微細なパターン形成が可能になり、高集積度、高性能な半導体デバイスの製造に不可欠となっています。

2018年から実用化が始まり、TSMC、サムスン電子、Intelといった世界的な半導体メーカーが、最先端プロセスの製造にEUVリソグラフィを採用しています。EUV露光装置の製造は、現在ASML社が独占しており、その技術開発は半導体業界全体の進歩を大きく左右する重要な要素となっています。

EUV光源

EUV光は、キセノンやスズなどのプラズマを、高出力レーザーや放電によって生成することで得られます。しかし、EUV光の生成には莫大なエネルギーが必要であり、高効率な光源の開発が大きな課題となっています。現在、100 Wを超える出力を持つ光源が求められていますが、現状ではその目標値を達成するには至っていません。また、EUV光源は部分的にコヒーレントな光であるため、望まない波長や方向の光を取り除くためのフィルターが必要で、その結果エネルギー損失がさらに大きくなります。光源の安定性や寿命も、量産においては重要な課題です。

EUV光学系

EUV光は、あらゆる物質に強く吸収されるため、EUVリソグラフィは超高真空環境下で行われます。また、光学系は、モリブデンとシリコンの多層膜鏡を用いて構成されています。これらの鏡はEUV光を反射しますが、約30％の光を吸収するため、高輝度な光源が不可欠です。さらに、光学系の多層膜鏡は、高エネルギーイオンやデブリによる損傷を受けやすく、その耐久性向上も重要な課題です。

ウエハー処理能力も、EUVリソグラフィの重要な性能指標です。高真空環境下でのウエハーの出し入れ作業が処理速度を制限する要因であり、この点での改善も求められています。また、多層膜マスクへの斜入射照明による非対称性や、EUV光の短い波長に起因するレンズフレアなども、解像度や線幅粗さに影響を与えます。多層膜鏡の高熱負荷への対策や、水冷による振動抑制も考慮する必要があります。最近の研究では、EUV鏡の共鳴構造が光電子生成や二次電子放出に影響し、多層膜光学系の汚染を招くことも明らかになっています。

EUV特有のオーバーレイ問題

EUVリソグラフィは、真空環境下で反射光学系を用いるため、従来のリソグラフィにはない特有のオーバーレイ問題（重ね合わせ精度）を抱えています。静電チャックを用いたウェハー固定では、ウェハーのクランプ変動がオーバーレイ精度に影響するため、適切な対策が必要です。また、真空環境下でのウェハー加熱や、露光による熱変形も、オーバーレイ精度に影響します。レチクルの平坦性や固定方法も、ウェハー露光位置の精度に大きく関わってきます。

フォトレジストのEUV露光

EUV光子がフォトレジストに吸収されると、光電子と二次電子が生成されます。これらの電子は数十ナノメートル移動するため、EUVリソグラフィの解像度を制限する要因となります。特に、化学増幅型レジストでは、電子付着による酸発生剤の分解反応が、解像度に影響を与えます。レジストの厚さや、二次電子による前方散乱も、解像度に影響を与える要素です。EUV光子の吸収深度は電子の脱出深さを超えるため、電子は最終的に熱としてエネルギーを失います。

高線量照射や薄膜化は、レジスト底面層の照射量を増やすだけでなく、光電子と二次電子の生成量も増加させ、コントラスト低下や下層への損傷を引き起こします。線端粗さ(LER)も大きな問題であり、ショットノイズによる線量変動が、特に微細パターン形成において深刻な影響を与えます。

EUVL欠陥

EUVリソグラフィは、正帯電、粒子汚染、レジストへの汚染物堆積、ガス腐食など、特有の欠陥問題を抱えています。これらの欠陥は、EUV放射のイオン化エネルギーや、真空環境下での反応に起因します。マスク欠陥も重要な問題であり、特に微細な欠陥が、印刷可能な欠陥となる可能性があります。マスク欠陥の低減は、EUVリソグラフィの商業化における大きな課題となっています。

想定外の解像度限界

EUVリソグラフィは、波長の短縮によって解像度が向上すると期待されますが、実際には、フォトレジスト内での低エネルギー電子の移動や、ショットノイズによる線量変動などが解像度を制限します。レジストポリマーの凝集も、解像度に悪影響を与えます。

ショットノイズ

微細な領域では、EUV光子の数が少なくなり、光子のランダムな到着によるショットノイズが深刻な問題になります。線量を増やすことでショットノイズは減少しますが、フレアや自由電子の生成量も増加します。ショットノイズは、特に2次元パターンにおいて顕著であり、線端粗さ(LER)の主要因となっています。

近接効果(二次電子)

低エネルギー電子は、数十ナノメートル移動するため、近接効果が発生します。これは、隣接するパターンからの二次電子が、他のパターンに影響を与える現象です。この近接効果は、微細パターンの解像度を制限する重要な要因となっています。

EUVリソグラフィの実証

これまで様々な研究機関や企業によって、EUVリソグラフィを用いたデバイス製作が行われてきました。しかし、光源出力、欠陥、オーバーレイ、レジスト、マスクなどの問題により、EUVリソグラフィは当初の期待ほどには普及していません。

EUVとArF液浸ダブルパターニングのリソース要件

EUVリソグラフィは、ArF液浸ダブルパターニングと比較して、電力消費、設置面積、コストなど、必要なリソースがはるかに大きくなっています。

まとめ

EUVリソグラフィは、高解像度な微細加工を可能にする次世代露光技術として期待されていますが、光源、光学系、レジスト、マスク、欠陥、オーバーレイ、ショットノイズなど、多くの技術的課題が残されています。これらの課題の克服が、EUVリソグラフィの更なる発展と普及に不可欠です。

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