半導体プロセスと装置(4/7) - フォトリソグラフィープロセスと装置

1 つの概要

集積回路の製造プロセスにおいて、フォトリソグラフィーは集積回路の集積レベルを決定する中心的なプロセスです。このプロセスの機能は、回路グラフィック情報をマスク (マスクとも呼ばれます) から半導体材料基板に忠実に伝達して転写することです。

フォトリソグラフィープロセスの基本原理は、基板表面に塗布されたフォトレジストの光化学反応を利用してマスク上に回路パターンを記録し、それによって集積回路パターンを設計から基板に転写するという目的を達成することである。

フォトリソグラフィーの基本的なプロセス:

まず、塗布機を使用して基板表面にフォトレジストを塗布します。
次に、フォトリソグラフィー装置を使用してフォトレジストでコーティングされた基板を露光し、光化学反応機構を使用してフォトリソグラフィー装置によって送信されたマスクパターン情報を記録し、基板へのマスクパターンの忠実な送信、転写、複製が完了します。
最後に、現像液を使用して露光された基板を現像し、露光後に光化学反応を受けるフォトレジストを除去（または保持）します。

 
二次フォトリソグラフィー工程

設計したマスク上の回路パターンをシリコンウエハーに転写するには、まず露光工程を経て転写し、その後エッチング工程を経てシリコンパターンを得る必要があります。

フォトリソグラフィープロセスエリアの照明には、感光材料が感光しない黄色光源が使用されるため、黄色光エリアとも呼ばれます。

フォトリソグラフィーは印刷業界で初めて使用され、初期の PCB 製造の主要な技術でした。 1950 年代以降、フォトリソグラフィーは徐々に IC 製造におけるパターン転写の主流技術になってきました。
リソグラフィープロセスの主要な指標には、解像度、感度、オーバーレイ精度、欠陥率などが含まれます。

フォトリソグラフィープロセスで最も重要な材料は、感光性材料であるフォトレジストです。フォトレジストの感度は光源の波長に依存するため、g/i線、248nm KrF、193nm ArFなどのフォトリソグラフィープロセスでは異なるフォトレジスト材料が必要になります。

一般的なフォトリソグラフィープロセスの主なプロセスには 5 つのステップが含まれます:
-ベースフィルムの準備;
- フォトレジストを塗布し、ソフトベークします。
- アライメント、露光、および露光後のベーキング。
- 硬いフィルムを現像します。
- 開発の検出。

(1)ベースフィルムの準備：主に洗浄と脱水です。汚染物質があるとフォトレジストとウェーハ間の接着力が弱まるため、徹底的に洗浄することでウェーハとフォトレジスト間の接着力を向上させることができます。

(2)フォトレジストコーティング：これはシリコンウェーハを回転させることによって実現されます。フォトレジストが異なれば、回転速度、フォトレジストの厚さ、温度など、異なるコーティングプロセスパラメータが必要になります。

ソフトベーキング: ベーキングにより、フォトレジストとシリコンウェーハの間の密着性が向上するだけでなく、フォトレジストの厚さの均一性も向上します。これは、後続のエッチングプロセスの幾何学的寸法を正確に制御するのに有益です。

(3)アライメントと露出: アライメントと露光は、フォトリソグラフィープロセスの最も重要なステップです。マスクのパターンとウェハ上の既存のパターン（または表層パターン）を位置合わせし、特定の光を照射することを指します。光エネルギーはフォトレジスト内の感光成分を活性化し、それによってマスクパターンをフォトレジストに転写します。

アライメントと露光に使用される装置はフォトリソグラフィー装置であり、集積回路製造プロセス全体の中で最も高価な単一のプロセス装置です。露光装置の技術レベルは、生産ライン全体の進歩レベルを表します。

露光後ベーキング: 露光後の短いベーキングプロセスを指し、深紫外フォトレジストや従来の i 線フォト​​レジストとは異なる効果があります。

深紫外フォトレジストの場合、露光後ベーキングによりフォトレジスト内の保護成分が除去され、フォトレジストが現像液に溶解するため、露光後ベークが必要です。
従来の i 線フォト​​レジストの場合、露光後ベークによりフォトレジストの密着性が向上し、定在波が減少します (定在波はフォトレジストのエッジ形態に悪影響を及ぼします)。

(4)硬質フィルムの現像：露光後に現像液を使用してフォトレジスト（ポジ型フォトレジスト）の可溶部分を溶解し、フォトレジストパターンでマスクパターンを正確に表示します。

現像プロセスの重要なパラメータには、現像温度と時間、現像液の投与量と濃度、洗浄などが含まれます。現像の関連パラメータを調整することで、フォトレジストの露光部分と未露光部分の溶解速度の差を大きくすることができます。望ましい現像効果が得られます。

硬化は硬化ベーキングとも呼ばれ、現像後のフォトレジストに含まれる残留溶媒、現像液、水、その他の不要な残留成分を加熱および蒸発させて除去し、シリコン基板とフォトレジストの密着性を向上させるプロセスです。フォトレジストのエッチング耐性。

硬化プロセスの温度は、フォトレジストの種類や硬化方法によって異なります。前提として、フォトレジストのパターンが変形せず、フォトレジストが十分に硬くする必要があります。

(5)開発検査：現像後のフォトレジストパターンの欠陥を検査します。通常、画像認識技術を使用して、開発後のチップパターンを自動的にスキャンし、あらかじめ保存されている欠陥のない標準パターンと比較します。差異がある場合は不良品とみなされます。
欠陥数が一定値を超えると、シリコンウェーハは開発テストに不合格と判断され、必要に応じて廃棄または再加工される場合があります。

集積回路の製造プロセスでは、ほとんどのプロセスが不可逆的であり、フォトリソグラフィーはやり直すことができる数少ないプロセスの 1 つです。

 
3 つのフォトマスクとフォトレジスト材料

3.1 フォトマスク
フォトマスクは、フォトリソグラフィーマスクとしても知られ、集積回路ウェーハ製造のフォトリソグラフィープロセスで使用されるマスターです。

フォトマスクの製造工程は、集積回路設計技術者が設計したウエハ製造に必要な元のレイアウトデータを、マスクデータ処理によりレーザーパターンジェネレータや電子ビーム露光装置が認識できるデータ形式に変換し、露光できるようにする工程です。感光性材料でコーティングされたフォトマスク基板材料上の上記の装置。その後、現像、エッチングなどの一連の工程を経て、基板材料上にパターンを固定します。最後に、検査、修理、洗浄、フィルムラミネートを経てマスク製品となり、集積回路メーカーに納品されて使用されます。

3.2 フォトレジスト
フォトレジストとも呼ばれるフォトレジストは、感光性材料です。光の照射により、その中の感光性成分が化学変化を起こし、溶解速度が変化します。その主な機能は、マスク上のパターンをウェーハなどの基板に転写することです。

フォトレジストの動作原理: まず、フォトレジストを基板上にコーティングし、プリベークして溶媒を除去します。

次に、マスクが光にさらされ、露光された部分の感光性成分が化学反応を起こします。

次に、露光後ベークが実行されます。

最後に、現像によってフォトレジストが部分的に溶解され（ポジ型フォトレジストの場合は露光領域が溶解し、ネガ型フォトレジストの場合は未露光領域が溶解）、それによってマスクから基板への集積回路パターンの転写が実現されます。

フォトレジストの成分には主に膜形成樹脂、感光性成分、微量添加剤、溶剤が含まれます。

このうち成膜樹脂は、機械的特性や耐エッチング性を付与するために使用される。感光性成分は光の下で化学変化を起こし、溶解速度の変化を引き起こします。

微量添加剤には、フォトレジストの性能を向上させるために使用される染料、増粘剤などが含まれます。溶剤は成分を溶解し、均一に混合するために使用されます。

現在広く使用されているフォトレジストは、光化学反応機構に応じて従来型フォトレジストと化学増幅型フォトレジストに分けられ、また、化学反応機構に応じて紫外線、深紫外線、極紫外線、電子線、イオンビーム、X線フォトレジストに分けられる。感光波長。

 
フォトリソグラフィ装置 4 台

フォトリソグラフィー技術は、コンタクト/近接リソグラフィー、光学投影リソグラフィー、ステップアンドリピートリソグラフィー、スキャニングリソグラフィー、液浸リソグラフィー、および EUV リソグラフィーの開発プロセスを経てきました。

4.1 接触/近接露光装置
コンタクト リソグラフィ技術は 1960 年代に登場し、1970 年代に広く使用されました。これは小規模集積回路の時代の主要なリソグラフィー方法であり、主に 5μm を超える形状サイズの集積回路を製造するために使用されていました。

コンタクト/近接リソグラフィー装置では、通常、ウェーハは手動で制御された水平位置と回転作業台に置かれます。オペレータは、離散フィールド顕微鏡を使用してマスクとウェハの位置を同時に観察し、ワークテーブルの位置を手動で制御してマスクとウェハを位置合わせします。ウェーハとマスクの位置を合わせた後、マスクがウェーハ表面のフォトレジストと直接接触するように、両者を押し付けます。

顕微鏡の対物レンズを取り外した後、プレスされたウェーハとマスクは露光のために露光テーブルに移動されます。水銀ランプから発せられた光はレンズを通してコリメートされ、マスクに対して平行になります。マスクはウェハ上のフォトレジスト層と直接接触しているため、露光後にマスクのパターンは1:1の比率でフォトレジスト層に転写されます。

コンタクトリソグラフィー装置は、最もシンプルで最も経済的な光リソグラフィー装置であり、サブミクロンのフィーチャーサイズのグラフィックスの露光を実現できるため、現在でも小バッチ製品の製造や実験室研究で使用されています。大規模集積回路の製造では、マスクとウェハ間の直接接触によって引き起こされるリソグラフィコストの増加を回避するために、近接リソグラフィ技術が導入されました。

近接リソグラフィーは、1970 年代の小規模集積回路の時代と中規模集積回路の初期の時代に広く使用されました。コンタクト リソグラフィとは異なり、近接リソグラフィのマスクはウェーハ上のフォトレジストと直接接触せず、窒素で満たされたギャップが残されます。マスクは窒素上に浮かび、マスクとウェハの間のギャップのサイズは窒素の圧力によって決まります。

近接リソグラフィーではウェハとマスクが直接接触しないため、リソグラフィープロセス中に導入される欠陥が減少し、それによってマスクの損失が減り、ウェハの歩留まりが向上します。近接リソグラフィーでは、ウェハとマスクの間のギャップにより、ウェハがフレネル回折領域に入ります。回折の存在により、近接リソグラフィ装置の解像度のさらなる向上が制限されるため、この技術は主に、フィーチャ サイズが 3μm を超える集積回路の製造に適しています。

4.2 ステッパーとリピーター
ステッパーは、サブミクロンのリソグラフィープロセスの量産化を推進した、ウェハーリソグラフィーの歴史の中で最も重要な装置の 1 つです。ステッパーは、22mm × 22mm の一般的な静的露光フィールドと、縮小率 5:1 または 4:1 の光学投影レンズを使用して、マスク上のパターンをウェーハに転写します。

ステップアンドリピートリソグラフィ装置は一般に、露光サブシステム、ワークピースステージサブシステム、マスクステージサブシステム、フォーカス/レベリングサブシステム、アライメントサブシステム、メインフレームサブシステム、ウェハ搬送サブシステム、マスク搬送サブシステムで構成されます。 、電子サブシステム、およびソフトウェア サブシステムです。

ステップアンドリピートリソグラフィー装置の一般的な作業プロセスは次のとおりです。:

まず、フォトレジストが塗布されたウェハがウェハ搬送サブシステムを使用してワークピーステーブルに搬送され、露光されるマスクがマスク搬送サブシステムを使用してマスクテーブルに搬送されます。

次に、フォーカシング・レベリングサブシステムを使用して、ワークステージ上のウェハの多点高さ計測を実行し、ウェハの露光面の高さや傾斜角などの情報を取得し、露光領域を決定します。露光プロセス中、ウエハは常に投影対物レンズの焦点深度内で制御できます。その後、システムはアライメント サブシステムを使用してマスクとウェーハの位置合わせを行い、露光プロセス中にマスク イメージとウェーハ パターン転写の位置精度が常にオーバーレイ要件内に収まるようにします。

最後に、所定の経路に従ってウェハ全面のステップ露光動作が完了し、パターン転写機能が実現される。

後続のステッパー＆スキャナー露光機は、上記の基本作業プロセスをベースに、ステッピング→露光からスキャン→露光、デュアルステージモデルでのフォーカシング・レベリング→アライメント→露光から計測（フォーカシング・レベリング→アライメント）・スキャニングまでを改良したものとなっています。並行して露光します。

ステップ アンド スキャン リソグラフィ マシンと比較して、ステップ アンド リピート リソグラフィ マシンはマスクとウェーハの同期逆スキャンを実現する必要がなく、スキャン マスク テーブルや同期スキャン制御システムも必要ありません。したがって、構造が比較的簡単であり、コストも比較的低く、動作も確実である。

IC技術が0.25μmに入った後、走査露光フィールドサイズと露光均一性におけるステップアンドスキャンリソグラフィーの利点により、ステップアンドリピートリソグラフィーの適用は減少し始めました。現在、ニコンが提供する最新のステップアンドリピートリソグラフィーは、ステップアンドスキャンリソグラフィーと同等の静的露光視野を有し、1時間あたり200枚以上のウエハを処理することができ、非常に高い生産効率を実現しています。このタイプのリソグラフィー装置は現在、主に非クリティカルな IC 層の製造に使用されています。

4.3 ステッパースキャナー
ステップ アンド スキャン リソグラフィーの適用は 1990 年代に始まりました。ステップアンドスキャン技術は、異なる露光光源を構成することで、365nm、248nm、193nm 液浸から EUV リソグラフィまで、さまざまなプロセス技術ノードをサポートできます。ステップ アンド リピート リソグラフィとは異なり、ステップ アンド スキャン リソグラフィの単一フィールド露光ではダイナミック スキャンが採用されています。つまり、マスク プレートはウェーハに対して同期してスキャン動作を完了します。現在のフィールド露光が完了すると、ウェーハはワークピースステージによって運ばれ、次の走査フィールド位置にステップされ、繰り返し露光が継続されます。ウェハ全体のすべてのフィールドが露光されるまで、ステップ アンド スキャン露光を複数回繰り返します。

さまざまなタイプの光源 (i ライン、KrF、ArF など) を構成することにより、ステッパー スキャナーは半導体フロントエンド プロセスのほぼすべてのテクノロジー ノードをサポートできます。典型的なシリコンベースのCMOSプロセスでは、0.18μmノード以降、ステッパースキャナが大量に採用されてきました。現在 7nm 未満のプロセス ノードで使用されている極紫外線 (EUV) リソグラフィー マシンもステッパー スキャンを使用しています。部分的な適応修正の後、ステッパー スキャナは、MEMS、パワー デバイス、RF デバイスなどの多くの非シリコン ベースのプロセスの研究開発と生産もサポートできます。

ステップアンドスキャン投影リソグラフィー装置の主なメーカーには、ASML (オランダ)、ニコン (日本)、キヤノン (日本)、SMEE (中国) などがあります。 ASML は 2001 年に TWINSCAN シリーズのステップ アンド スキャン リソグラフィ マシンを発売しました。このリソグラフィ マシンはデュアルステージ システム アーキテクチャを採用しており、装置の出力レートを効果的に向上させることができ、最も広く使用されているハイエンド リソグラフィ マシンとなっています。

4.4 液浸リソグラフィー
レイリーの公式から、露光波長が変わらない場合、結像解像度をさらに向上させる効果的な方法は、結像システムの開口数を増やすことであることがわかります。 45nm未満以上の結像解像度については、ArFドライ露光法では（最大結像解像度65nmまで対応しているため）要件を満たせなくなるため、液浸リソグラフィー法の導入が必要となります。従来のリソグラフィ技術では、レンズとフォトレジストの間の媒体は空気ですが、液浸リソグラフィ技術では空気媒体が液体 (通常は屈折率 1.44 の超純水) に置き換えられます。

実際、液浸リソグラフィー技術では、光が液体媒体を通過した後の光源の波長の短縮を利用して解像度を向上させます。短縮率は液体媒体の屈折率です。液浸露光装置はステップアンドスキャン露光装置の一種であり、その装置システムソリューションは変わっていませんが、ArFステップアンドスキャン露光装置に関連する主要技術の導入により改良および拡張されたものです。浸漬に。

液浸リソグラフィーの利点は、システムの開口数の増加により、ステッパー スキャナー リソグラフィー装置のイメージング解像度能力が向上し、45nm 未満のイメージング解像度のプロセス要件を満たすことができることです。

液浸リソグラフィー装置は依然として ArF 光源を使用しているため、プロセスの連続性が保証され、光源、装置、プロセスの研究開発コストが節約されます。これに基づいて、複数のグラフィックスおよびコンピュータ リソグラフィ技術と組み合わせることで、液浸リソグラフィ マシンを 22nm 以下のプロセス ノードで使用できます。 EUVリソグラフィー装置が正式に量産される前は、液浸リソグラフィー装置が広く使用されており、7nmノードのプロセス要件を満たすことができました。しかし、液浸液の導入により、装置自体のエンジニアリングの難易度が大幅に増加しました。

同社の主要技術には、液浸液の供給・回収技術、液浸液フィールドのメンテナンス技術、液浸リソグラフィーの汚染・欠陥管理技術、超大開口数液浸投影レンズの開発・メンテナンス、液浸条件下での結像品質検出技術などが含まれる。

現在、市販の ArFi ステップ アンド スキャン リソグラフィー装置は、主にオランダの ASML と日本のニコンの 2 社によって提供されています。このうち、ASML NXT1980 Di 1 台の価格は約 8,000 万ユーロです。

4.4 極端紫外露光装置
フォトリソグラフィーの解像度を向上させるために、エキシマ光源の採用後さらに露光波長が短くなり、露光光源として波長10〜14nmの極端紫外光が導入されるようになった。極端紫外光は波長が非常に短いため、反射光学系としてはMo/SiやMo/Beなどの多層膜反射鏡が使用されることが多いです。

このうち、Mo/Si多層膜の理論最大反射率は13.0～13.5nmの波長域で約70%、それより短波長の11.1nmにおけるMo/Be多層膜の理論最大反射率は約80%である。 Mo/Be多層膜反射鏡の反射率は高いものの、Beは毒性が強いため、EUVリソグラフィー技術の開発時にこのような材料の研究は断念されました。現在のEUVリソグラフィー技術はMo/Si多層膜を使用しており、その露光波長も13.5nmと決まっています。

主流の極端紫外光源は、高強度レーザーを使用してホットメルト Sn プラズマを励起して発光させるレーザー生成プラズマ (LPP) 技術を使用しています。長い間、光源の出力と可用性が EUV リソグラフィー装置の効率を制限するボトルネックとなってきました。マスターオシレーターパワーアンプ、予測プラズマ（PP）技術、およびその場集光ミラークリーニング技術を通じて、EUV光源の出力と安定性が大幅に向上しました。

EUVリソグラフィー装置は主に、光源、照明、対物レンズ、ワークステージ、マスクステージ、ウェーハアライメント、フォーカシング/レベリング、マスク透過、ウェーハ透過、真空フレームなどのサブシステムで構成されています。極紫外光は、多層膜コーティングされた反射板で構成される照明システムを通過した後、反射マスクに照射されます。マスクで反射された光は、一連の反射鏡で構成される光学式全反射結像システムに入射し、最終的にマスクの反射像が真空環境内のウェーハ表面に投影されます。

EUV リソグラフィー装置の露光視野と結像視野は両方とも円弧状であり、ステップバイステップのスキャン方法を使用してウェーハ全体を露光し、出力レートを向上させます。 ASML の最先端の NXE シリーズ EUV リソグラフィー装置は、波長 13.5nm の露光光源、反射型マスク (6° 斜入射)、6 ミラー構造 (NA=0.33) の 4 倍縮小反射型投影対物系、スキャン視野26mm×33mm、真空暴露環境。

液浸リソグラフィー装置と比較して、極端紫外光源を使用する EUV リソグラフィー装置の単一露光解像度は大幅に向上しており、高解像度グラフィックスを形成するために複数のフォトリソグラフィーに必要な複雑なプロセスを効果的に回避できます。現在、開口数 0.33 の NXE 3400B リソグラフィー装置の 1 回露光解像度は 13nm に達し、出力速度は 125 枚/h に達します。

ムーアの法則のさらなる拡張のニーズを満たすために、将来、開口数 0.5 の EUV リソグラフィー装置では、0.25 倍/0.125 倍の非対称倍率を使用する中心遮光型の投影対物系が採用されます。走査露光の視野は 26m × 33mm から 26mm × 16.5mm に縮小され、単一露光の解像度は 8nm 以下に達する可能性があります。

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