図解を中心にリソグラフィ技術を解説（上巻）～基礎から最先端技術まで～
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調査資料詳細データ
矢野経済研究所では、2016年より大手企業等でご活躍されたシニアの方々を当社の「社外マイスター」としてお迎えし、現役時代に培った経験、知見、人脈などを矢野経済研究所の事業活動を通じて、社会に還元していただくための新たな組織を立ち上げました。エキスパートシリーズは、社外マイスターの方が執筆した、新たな切り口によるオリジナルレポートです。長年培った経験・知見による技術や開発、市場への目利き力で、従来の市場調査資料とは一味違った情報をご提供いたします。
本レポートは、弊社社外マイスターであり、ソニー株式会社でパワートランジスタ、CCDイメージセンサー等の開発を手掛け、ソニー長崎工場代表取締役兼工場長を経て、現在もサクセス インターナショナル取締役、厚木エレクトロニクス代表として半導体コンサルティングを行っており、半導体関連の著書も多数ある加藤俊夫氏（客員研究員）がとりまとめました。
調査主旨：モア・ムーア（More Moore）か、モア・ザン・ムーア（More than Moore）かが、業界の大きな話題となっている。これまでLSI業界はムーアの法則に則り、微細化により集積度が向上し、高速動作、低消費電力を達成してきた。この先どこまでムーアの法則が続くのか、業界の識者により意見はまちまちで、LSI微細化がそろそろ終焉を向かえると言う意見が聞かれるが、現在はNode14nmのFin FETが生産されており、Node10nmの生産も既に準備が整いつつあり、更にNode7nmの研究開発は進められており、Node5nmの声も聞かれる。しかしながら、そのような微細なパターンを得るのは生易しい技術ではなく、研究開発では実現できても、量産に耐えるコストが実現できるかどうかを危ぶむ声もある。こうした現状の技術を客観的に眺めて、将来を考えてみることにする。
調査方法：研究員による直接面談・電話・メール・ウェブ・文献調査を併用。
調査期間：2016年6月～8月
■掲載内容
１．フォトリソグラフィの基本
1.1 LSI微細化の必要性
（第1図）LSI微細化とデバイス構造の変遷
1.2 フォトリソグラフィの簡単な歴史
（第2図）ワックス吹き付けでパターンニング。
次いで、フォトレジストが使えるようになり右図のような極めて
簡単な露光機でパターンニングを行いました。
（第3図）プロキシミティ露光の原理図
1.3 フォトリソグラフィの概略プロセス
（第4図）フォトレジスト工程のフロー
（第5図）フォトプロセスの概略
1.3.1 フォトレジスト塗布
（第6図）フォトレジストの塗布
1.3.2 露光
（第7図）露光装置ステッパーの光学系とステップ露光の様子
1.3.3 現像
（第8図）ポジ型フォトレジストでは、露光により高分子の重合が切れて、
現像液に可溶性となります。
２．パターン微細化の目標
（第1表）露光装置の変遷（米国Nikon Researchのデータを参考に筆者が編集）
３．リソグラフィの主な用途
3.1 エッチングのマスク
（第9図）ハードマスクを利用したエッチング
3.2 イオン注入のマスク
（第10図）フォトレジストをマスクにしてイオンを打ち込みます
3.3 MEMSなどのウエハー上下の合わせと構造体
（第11図）上下の位置合わせを行った後露光用ランプを移動し、露光を行います。
（第12図）フォトレジストを構造体として利用する
４．解像度向上技術
（第13図）レーリー卿
4.1 マスクに加工を施すPSM（Phase Shift Mask、位相差マスク）
（第14図）位相シフトマスクによる解像度の向上
4.2 設計通りのパターンを得るためのOPC技術
（Optical Proximity Correction、光学的近接補正）
（第15図）OPCの例
4.3 解像度を向上し、ショット面積を大きくするScanner
（第16図）ステッパーとスキャナーの比較
4.4 微細化には光源の短波長が必要
（第17図）光源の開発状況
4.5 焦点深度問題を解決したCMP（Chemical Mechanical Polish）
（第18図）CMPによる平坦化で全面フォーカスが可能になる
4.6 輪帯照明とSMO（Source Mask Optimization）
（第19図）照明系2次元光源面の開口パターン
4.7 液浸ステッパー
（第20図）液浸露光機の構成
4.8 Double Patterning
4.8.1 LELEタイプのDP
（第21図）LELE式ダブルパターン
（第22図）LELEの原理図と、2度目の露光がずれた場合。
4.8.2 SADPのDP
（第23図）MOSトランジスタの製作に用いられているサイドウォール
（第24図）SADP方式のダブルパターニング
4.8.3 Quadタイプ多重パターン
（第25図）Quad Patterningで、80nmのL&Sを20nmのL&Sにできる
4.8.4 下地パターンとの合わせ
（第26図）位置合わせが重要
（第27図）パターンシフトの例。ウエハー工程での熱処理の影響や、
各種の膜からの応力でパターンがシフトしたものと思われます。
５．フォトレジストの進化
（第28図）某フォトレジストメーカーの開発計画の一例
5.1 フォトレジスト感光性
5.2 耐エッチング性を向上させるハードマスク
（第29図）難エッチング層のエッチングにはハードマスクや
スピン・オン・カーボンをマスクとして用いる
（第30図）ナノコーティングによるエッチング耐性の向上
5.3 LELEを改良してLLEに
（第31図）LLEによるダブルパターニング
5.4 3D-NANDフラッシュの珍しいフォトレジストの使い方
（第32図）3D-NANDフラッシュ・メモリーのパターニング
5.5 化学増幅型フォトレジスト
（第33図）化学増幅型レジストの反応メカニズム
（第34図）化学増幅型フォトレジストの原理。H+の存在で反応が起こり、
その際H+が発生するので、次の反応が起こる。（東京応化の資料）
5.6 レジスト倒れが重大問題に
（第35図）レジスト倒れ
（第36図）多層レジスト（または他のマスク材）によるレジスト倒れ対策
5.7 LER（Line Edge Roughness）の改善
（第37図）LERの原因は？レジスト分子の大きさがLERの一つの原因
5.8 どこまで微細パターンができるか？
（第38図）微細パターンのフォトレジスト写真 ArF用フォトレジストの特性の一例。
LWR＝3.36nm、露光焦点が±120nmずれても解像する。（東京応化工業提供による）
（第39図）東京応化工業のSAFIERプロセスによるパターン縮小
5.9 フォトレジストの剥離
（第40図）フォトレジスト剥離；アッシング
5.10 厚膜フォトレジスト
（第41図）厚膜フォトレジストを回転塗布すると肩切れを起こし易い
（第42図）厚膜フォトレジストを利用した銅の電解メッキ
5.11 反射防止膜
（第43図）反射によるゴースト光と反射防止膜の効果
６．EUVの実用化
6.1 EUVの全体状況
（第44図）EUV露光機。人の大きさと比べて下さい。
（第45図）SEMICON West 2015で、ASMLが発表した資料。
6.2 更に出力アップが期待されるEUV光源
（第46図）価電子ではない原子核に強く束縛されている電子を
剥ぎ取るには大きなエネルギーが要ります。
（第47図）EUV光源の構造と発光原理
6.3 EUV用装置の光学系
（第48図）EUV露光機の光学系
ミラーの数は10枚以上用いられているが図では省略しました。
（第49図）EUVは、Mo/Siの積層で反射します。ただし、反射率は70%と低い。
6.4 マスクにも問題が多い
（第50図）マスクのパターン金属は有限の高さを持っているので、
これによるケラレで、パターン寸法が影響を受けます。
（第51図）マスクに異物が入っている場合の2例
6.5 EUV用フォトレジスト
（第52図）EVUフォトレジストによるパターンの一例、（露光機はASML社製 NXE3100、
露光量は71～76mJ/㎠です）写真は東京応化工業㈱のご好意による
７．まとめ
7.1 ITRSのデータから
（第2表）ITRS2015より、パターン微細化の将来をまとめました
7.2 パターンの忠実度
7.3 コストの比較
（第53図）ArFステッパーによるSADP、LELEとEUVの比較
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