図1 米AZ Electronic Materials社は、ニコンの300mmウェーハ対応でNA 0.85のArF露光装置「NSR-S306D」と東京エレクトロンのコータ・デベロッパ「Clean Track ACT 12」を導入し、ArFレジストと反射防止膜の性能データを取得している。

液浸リソグラフィにおける賭け

　この5年間でリソグラフィ分野において最大の変化は、明らかに液浸リソグラフィ技術の台頭である。単なる研究対象にすぎなかったものが、この2年間でITSR（International Technology Roadmap for Semiconductor）に載るほどの重要な技術となり、最終的にはF₂（157nm）リソグラフィの計画を無期限保留にしてしまったほどだ。水の屈折率（1.43）は空気の屈折率（1.0）よりも高いため、レンズとウェーハ上のレジストの間に水分を満たすことで、液浸露光では焦点深度を約2倍に上げることができる。現在液浸技術はArF露光装置に適用されているが、KrF露光装置の延命とCOO（Cost of Ownership）低減のために液浸技術を適用する案も出ている。
　液浸リソグラフィが製造現場に導入されるのは2006年半ば頃が予定されている。まだフルフィールドの露光が可能な装置は完成していない。液浸技術を発展させていくには、開口数（NA）が0.85〜0.93から1.0より高いレンズの作製やフォトレジストおよび液浸用の液体の屈折率を上げることが必要になる。新しい光学系や高屈折率液体、量産対応の液浸露光装置など検証すべきことは数多くあるが、ArF液浸技術は22nmプロセスまで適用することができるであろう。
　ArFリソグラフィ技術がどこまで適用されるかは不明だが、45nmから32nm世代の要求を十分カバーできることに異論は少ない（図2）。その一方で、液中の微小気泡の制御やレジストから発生する脱ガスの制御、液浸手法に起因する欠陥の対応など克服すべき課題が残されている。
　米IBM社と台湾TSMC社が試作デバイスの製造に、フォトレジストと液浸流体の間にトップコートが使用された。トップコートの役割は、そもそもレンズをレジストから放出される脱ガスから守ることにある。コストを考慮した場合、トップコートが最終的に必要かどうかという議論が起こっている。Tzviatkov氏は、「われわれの戦略はトップコート無しの手法を開発すること。すでに実施した調査の結果によれば技術的に実現可能であることが明らかになっている。主要な浸出成分はPACと酸であり、両方とも本質的に結像に重要であることは認識している。しかし、浸出はレジストのごく表面に限られ、予想していたほど結像に影響を与えない。またそれを補う手段を確立し、性能を保つことができる」と述べる。Tzviatkov氏は、ユーザーからドライと同じレジストを液浸でも使用したいという要求が出ていると言う。「低い分子量の成分が水中に浸出すると、抽出物が発生することは分かっている。しかし、液体の供給方法が未完成のため、抽出物が結像や装置に影響するかどうかがまだ不明確である。各社リスクを負いたくはないため、液浸リソグラフィの最初の世代はトップコート無しのプロセスとなるだろう」（Tzviatkov氏）と指摘する。

	図2 液浸リソグラフィとトップコートを使用して形成された45nmライン＆スペースパターン。（出典：米Rohm and Haas Electronic Materials社）

　Rohm and Hass Electronic MaterialsのMicroelectronic Technologies部門でArFプログラムリーダーであるGeorge Barcley氏は抽出物のレベルは検出限界以下だが、トップコート使用が製造の妨げになるものでもないことが開発を通して分かった。この問題はユーザーが決定する問題であると述べている。「どれ位の度合いの浸出がArF液浸技術において許容範囲であるかをユーザーに教えてもらっている」。
　米AZ Electronic Materials社の技術ディレクタであるRalph Dammel氏は、「CDに対する液浸の影響を把握するためには詳細な研究が必要だ。例えば、ウェーハ上を動くパドルは露光面積よりも大きいので、使用レジストに経路依存性があるかどうか知る必要がある。しかし、この調査のためには、フルフィールドの液浸露光装置が必要になってくる」と説明している。
　現在開発されているトップコート材料に関しては、レジストメーカーは当然ながらも機密情報の開示に慎重になっている。しかし、Dammel氏は、「溶剤でトップコートを除去する工程は複雑でコストがかかるため、現像液に溶け込むことができるトップコートが使用される方向」と述べている。
　トップコートの利点の一つとして、トップコートに反射防止特性をもたらすよう加工できることが挙げられる。しかも下層にある反射防止膜の効果の妨げにはならない。米Brewer Science社のARC製品グローバルマーケティングマネージャであるShree Deshpande氏は「液浸では、反射特性を確保するため、2層BARC（Bottom Anti Reflective Coating）法を採用しなければならない」と語る。「さらに、言及するには時期尚早であるが、もし液浸用レジスト用に特定の屈折率を得るためにレジストメーカーがポリマー構造を変化しなけらばならないならば良好な形状を得られるようにBARCも何らかの変更する必要がある」と述べた。

反射防止膜

　反射防止膜（ARC）はCD制御の改善とプロセスウィンドウ拡大のため、基板の反射率をコントロールする役割を果たす。デュアルダマシン構造では、これらのARCはビアホールへの埋め込みや平坦化にも使われている。加えて、パターン倒壊を低減するのにも役立つ。ARCは、高いエッチング速度や異なるレジストに対応できるように絶え間なく改善されている。Hemond氏は「このような問題に対応することの重要さを実感しており、現在ではさらに薄膜で、速いエッチングを可能とする反射防止剤を開発している。必要ならば、薄いArFレジストへも対応できる」と述べている。
　従来の有機BARCは、高度なプロセスウインドウで優れた反射率の制御性能（ArFの場合0.5％以下に抑えられている）を発揮し、KrFによるパターン形成の限界を引き上げることができる。レジストがSiNやSiON、SiCNハードマスクから汚染されるのを防ぐため、ARCがレジストとハードマスクの間で使われている。これらのBARCは、レジストだけでなくハードマスクｔのエッチング選択比を確保する。また、ウェット現像が可能なBARCも存在し、これは追加のドライエッチングが不要となるだけでなく、レジストコストを20％から30％節約できるとDeshpande氏は述べている。「ウェット現像が可能なBARCは、すでに130nmプロセス以降のデュアルダマシン工程やイオン注入工程で使われている」。 　DRAMのディープトレンチ構造やロジックのデュアルダマシン構造には、ハイブリッドBARC（無機・有機）やEnsemble ARC（図3）が用いられている。

図3 Ensemble ARCを使用した90nm ライン&スペースのレジストパターン（左）、0.22μmの密接したビアの埋め込み特性（中央）、孤立ビア（右） （出典：米Brewer Science社）

　ハイブリットBARCは、反射率を制御し、エッチング選択比が高いため、インテグレーションが簡単になる。ビアファーストのダマシンプロセスでは、シームレスなプロセスが可能となり、リソグラフィ工程のプロセスウインドウのさらなる拡大が可能になる。
　次世代の液浸リソグラフィに向けたNA1.0以上の反射防止方法を開発するのは困難となるであろう。 Dammel氏は「大きなパターンにはほぼ垂直に、微細なパターンには45°というように広範囲の入射角が必要になる。もはや単層のBARCでは、光路が異なるため制御することはできない」と述べている。そのため、無機/有機に関わらず2層反射防止膜が主流になってくるだろう。現在、スピン塗布および無機CVDのBARCがある。無機BARCはハードマスクとしての役割も果たす。

メタクリル樹脂の理由

　開発の初期段階ではArFレジスト原料には、環状オレフィン、アクリル系樹脂、メタクリル樹脂、ビニールエーテルやこれらの混成物が検討されていた。レジストが完成されていくにつれ、設計の柔軟性や製造のしやすさ、使用有効期間といった観点から、メタクリル樹脂とアクリル系樹脂が最も有望であることが明らかになってくる。実際、この2つが現在販売されているArFレジストの90％を占めている。その他の原料は特殊なアプリケーションに使用されることが多い。
　Slezak氏は、「我々は主にメタクリル樹脂に焦点を絞っている。これらはの原料は成熟しており、ガラス転移温度が高いため、シュリンクやリフロープロセスに適応することができ、エッチング耐性などの問題を解決できる。さらに、メタクリル樹脂は、モノマーや保護基別なものに置換すれば特性も変えられるため、例えばMEEFの低減など特性を調整しやすい。ポリマーに柔軟性あるためこのようなことが可能になる」と付け加えている。 　Barcay氏もこれに同意し、「メタクリル樹脂はラジカル重合で作られる。このため、レジストに持たせる機能を組み合わせることができる。また、異なる重合法で作られたポリマーは、さまざまな機能を持たせることが難しい」と述べる。

ラインエッジラフネス

　露光後べーク(PEB)の感度、MEEFや欠陥などといった193nmレジストの初期問題の多くはおおむね解決された。「未解決のままになっている最大の問題点は、ラインエッジラフネスである。これは、製造現場で要求しているものとはほど遠い」とDammel氏は述べている。さらに同氏は「もし、AとBとCをやれば、LERが改善されるという包括的な理論が無い」と付け加える。CDばらつき許容値（2〜3nm）がポリマーの大きさに近づいているという事実を指摘されるかもしれない。Dammel氏は、「実験結果によれば、ポリマーの分子量はLERとは関係がない。他に特筆すべき要因がある。これは非常に複雑な分野であり、直観的な答えが必ずしもLERの改善につながるとは限らない」と述べている。
　LERの本当の原因は不明だが、いくつか関連するメカニズムが特定されてきている。「一つは間違いなくエッチング時のイオン照射であり、もう一つはポリマー成膜時のむらである」と米Applied Materials（AMAT）社酸化膜エッチング技術開発部門シニアマネージャPeter Hsieh氏は述べる。低エネルギー（低バイアス）でエッチングプロセスを行うと、LERの改善ができる。エッチングケミストリーを変えて側壁に付くポリマーを低減させることもできる。しかし、Hsieh氏はウェーハ全体のパターンに依存しており、ストライエーションの発生も使用するレジストとその構造に依存すると強調している。

	図4 スピン塗布ハードマスク手法は特定のパターン問題への対処が可能であり、CVDハードマスク手法よりコスト的に優位である。

　AMATのShen氏は、LERの発生要因はいろいろあると言う。最悪の場合、エッチングやレジストトリム中にLERやストレスによって、ラインの破壊やねじれ、移動などが発生してしまう。Shen氏は「パターン依存性が多く見受けられている。例えば、大きなパッドが微細なラインに接続されている場合、線幅とパッドの接点には大きなストレスがかかっている。そこで、エッチング選択比やLERの制御だけでなく柔軟なサーマルバジェットも必要になってくると、APF （Advanced Patterning Film）が重要な役割を果たすようになってきた」と述べている。

パターン倒壊

　もう一つの問題に、パターン倒壊がある。スピン現像工程で文字通りレジストパターンが毛管力で倒れてしまう現象である。パターン倒壊はライン＆スペースのアスペクト比が3以上の密集パターンで発生する。これは65nmノードプロセスにおいて深刻な問題であり、今後微細化していく上で更に重要になってくる。Dammel氏は「パターンが微細になっていくと、ライン間のスペースにかかるパターン倒壊のストレスが大きくなっていく。現在試験を行っている45nmでは、アスペクト比3のを保つことができない。現在のアスペクト比は2に近いが、それでは液浸リソグラフィで適用できる膜厚を制限することになってしまう」と語っている。
　Slezak氏によれば、パターン倒壊には、ポリマーの選択、形状制御、表面特性の3つの要因があるという。倒れる応力は表面張力に直接比例している。界面活性剤のリンス処理がスピン現像中でパターン倒壊を防いでいるのはこのためだ。BARCの原料を変えても、パターン倒壊のマージンを改善することができる。Barclay氏は「パターン倒壊の改善方法には二つある。一つはレジストとARCの界面を改良し、レジストの粘着性を上げること。二つ目はポリマーもしくは特性倒れの原因となっている毛管力を制御するためにリンス処理を改良すること」と述べている。
　Barclay氏は、パターン倒壊に関する更に大きな問題について述べている。「K1ファクタを下げていくと、像が黒と白というよりグレーの影のようになり、このれに対応できる薬品を開発する必要がある。これは現実的には可能なことで45nmや32nmでも結像をするのに十分なコントラストを確保することができる。一方でパターンが倒れないように十分考慮しなければならない」。

必要に応じて
マルチレイヤーを活用する

　CVD、無機もしくは有機のスピン塗布膜によるマルチレイヤー、多層レジスト技術（図4、表）は、CD縮小やLERを含む多くのプロセス問題の解決する。「このようなスピンハードマスク（バイレイヤー）やデュアルスピンハードマスク（トリレイヤー）プロセスを適用すると、これまで悩まされていた下地からの汚染や焦点深度を調整することができる。これによりCMPの研磨圧を低減する形状の制御、下層へのエッチング中に進行する際に発生するLERなどの問題が解決できる」とSlezak氏は述べている。マルチレイヤー手法には、エッチング後のLERと線幅ラフネス（LWR）を最小に抑えるために、リソ部門とエッチング部門が一致団結して取り組まなければならない。
　Slezak氏は「マルチレイヤー手法は45nmノードで期待されている。それは、スピン塗布のハードマスクの場合、CVD装置や高NAの露光装置が不要となり、無機の下層膜の平坦性が高いためCMP工程も不要となるためである」と述べている。
　バイレイヤーのレジスト構造では、標準レジストの上に薄膜なSiベースのパターン層があり、この構造が結像とエッチング耐性の役割を効果的に分担している。下層がエッチング耐性と平坦化に寄与している。

プロセス比較	CVD ダブルハードマスク	スピン塗布 単層ハードマスク	スピン塗布 デュアルハードマスク
積層構造
結像層	従来と同様	SSQ　表層の結像	従来と同様
解像度	良好	悪い→良好	良好
焦点深度	良好	悪い→良好	良好
LER	良好	悪い→良好	良好
ハードマスク	CVD	スピン塗布ハードマスク
ギャップフィル	悪い	良好
平坦化	悪い	良好
膜厚均一性	悪い	良好
反射防止特性	悪い	良好
エッチング抵抗	悪い	良好
エッチング後のLER	悪い	良好	良好
追加装置	CVD装置 HMエッチング装置	HMエッチング装置	HMエッチング装置 塗布装置
所有コスト	高	良	並

　コンタクトホールには、レジストをシュリンクさせる技術がすでに使われ始めた。これには熱処理（リフロー）による方法と薬液処理で行う（ケミカルシュリンク）方法がある。Slezakは、「この場合、ホールが楕円形ならば楕円形を保ちながら、アスペクト比を保持しなければならない。また、シュリンクプロセスは温度に依存しないことが必要である」と言う。さらに、「興味深いことに、コンタクトホールや孤立トレンチパターンに必要と思われていたネガレジストはあまり好評ではなかった。2年ぐらい前までは、ネガレジストが推奨されていたが、あまり有効でないと判明してから需要はほぼ無くなった」と付け加えている。
LERとパターン倒壊、
この2つが今解決すべき問題
　ArFレジストにおける欠陥や露光後の熱処理工程（PEB：Pose Exposure Bake）の感度などの多くの問題はほぼ解決された。しかし、LERとパターン倒壊は現在と次世代に向けて解決すべき問題として残っている。とはいえ、ArFレジストの量産準備が整ったことと、ArFレジストの液浸リソグラフィへの対応が可能であることは朗報と言えよう。液浸にトップコートが必要か、欠陥問題がどれだけ深刻になるかは時が経てば判明することだ。