EUV露光によるリソグラフィーは最先端の半導体微細加工技術で、今後の半導体の性能向上の欠かせない技術です。EUV用フォトレジストは、このEUVリソグラフィーに使用されます。
最先端のEUV技術には、その他の光源にはない特徴があります。EUV用フォトレジストとして、従来のKrF、ArFベースのフォトレジスト、ポリマー結合PAG型フォトレジスト、分子レジスト、メタルレジストの４種のフォトレジストを紹介します。
EUVリソグラフィーとは？
半導体は「チップ上のトランジスタ集積率は18カ月で2倍になる」というムーアの法則に従って性能が向上し続けており、この性能の向上は主に半導体回路の微細化によって達成されてきました。半導体回路は半導体製造プロセス中のフォトリソグラフィー工程で形成されます。半導体回路の微細化は、リソグラフィー工程で使用する露光装置においては光源を短波長にした装置を開発し、短波長化した露光光源に対応したフォトレジストを開発することで達成されてきました。
露光装置の光源は、1980年台前半のg線（436 nm）から始まり、i線（365nm）、KrF線（248nm）、ArF線（193nm）、そして最新のEUV（13.5nm）へと短波長化してきました。
EUV露光によるリソグラフィーは最先端の半導体微細加工技術です。2019年に台湾のTSMCによって初めて量産投入されました。
そして、それぞれの光源に対応したフォトレジストが開発されてきました。
EUV技術の課題
最先端のEUV技術には、その他の光源にはない課題があります[1]。
高出力の光源
一般に、波長が短くなると光は物質に吸収されやすくなります。波長が13.5nmと極端に短いEUV光を従来のレンズ方式の露光装置で転写しようとすると、レンズや空気中の分子に吸収されてしまい、ウエハー上のフォトレジストまで届きません。このため、光が通る経路を真空にして、なおかつ照明光学系にミラーを導入し、レンズはパターン縮小に用いる投影光学系に限定して、吸収を最小化しています。しかも、EUV光の反射率には上限が68％である理論限界があり、EUV露光装置の照明光学系では十枚以上のミラーで反射させて露光するため、ウエハーに到達する光は光源出力の約1％に過ぎません。リソグラフィー工程で必要な露光量を得るために、EUV露光装置は高出力にする必要があり、その定格消費電力は1MWと非常に大きくなっています。
少ないフォトン
EUV光は1世代前のArF光と比較してフォトンが1/14に減少します。EUV光源のさらなる高出力化は困難なため、少ないフォトンで反応する超高感度なフォトレジストが必要です。
EUV用フォトレジスト材料に求められる性能
EUVレジストは、高い解像度（Resolution）、小さいラフネス（LER）、高い感度（Sensitivity）、などが求められます。これらのパラメータはトレードオフの関係にあります。
EUV用フォトレジストの種類
2024年時点では、EUV用フォトレジストの主流はKrF、ArFベースのフォトレジストです。しかし今後はEUVに合わせた新しいタイプのフォトレジストに代わっていくとみられています。
大学発のベンチャー企業であるInpriaは、長年メタルレジストの研究開発を続けていました。2021年にJSRはImpriaを子会社化し、メタルレジストで最も進んでいる企業となりました。フォトレジストシェアトップの東京応化も、「現在主力となっている化学増幅型レジストの改良を続けていくことが基本線だが、社内でも顧客ニーズに間に合うようにメタルレジストの開発も並行して進めている。」（電子デバイス産業新聞）とコメントしているように、メタルレジストを手掛けています。
KrF、ArFベースのフォトレジスト
KrFおよびArFパターン形成で一般的に使用されるポリマーベースの化学増幅型レジストは、一般に、マトリックスポリマー、光酸発生剤（PAG）、溶解抑制剤、および溶媒で構成されています。PAGは露光中に酸を生成し、マトリックスポリマーに拡散して、PEB工程でポリマー内のペンダントグループの脱保護を触媒し、現像液中のフォトレジストの溶解度を変えます。
マトリックスポリマーとしては、KrFレジストではポリ（4-ヒドロキシスチレン）誘導体、ArFレジストではポリメタクリル酸誘導体一般的に使用され、これらのマトリックスポリマーがEUVレジストにも適用可能です。
マトリックスポリマーにフッ素などのEUV吸収断面積が大きい非金属元素を組み込むことで、EUV光の吸収係数を高めることができます。
ポリマー結合PAG型フォトレジスト
従来はマトリックスポリマーと光酸発生剤（PAG）は別の分子で混合して使用されてきました。このタイプのフォトレジストでは、酸が拡散することで解像度が低下することが知られていました。マトリックスポリマーとPAGを結合させたポリマー結合PAG型フォトレジストは酸の拡散を抑制できるため、従来の非結合型と比較して、解像度が高くなる事例が報告されています[3]。
分子レジスト
分子レジストは低分子化合物をマトリックスとするフォトレジスト材料です。
メタルレジスト
メタルレジストは無機コアの表面を有機化合物で修飾したフォトレジスト材料です。
まとめ
EUV露光によるリソグラフィーは最先端の半導体微細加工技術で、今後の半導体の性能向上の欠かせない技術です。EUV用フォトレジストは、このEUVリソグラフィーに使用されます。
最先端のEUV技術には、その他の光源にはない特徴があります。EUV用フォトレジストとして、従来のKrF、ArFベースのフォトレジスト、ポリマー結合PAG型フォトレジスト、分子レジスト、メタルレジストの４種のフォトレジストを紹介しました。
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関連文献
- [1] Materialstoday, 2023, 67, 299-319 (https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.05.027)
- [2] J. Vac. Sci. Technol. B, 2001, 19, 2890 (https://doi.org/10.1116/1.1418413)
- [3] SPIE: Bellingham, WA, USA, 2011; Volume 7972, p. 79720A. (https://doi.org/10.1117/12.879394)