半導体リソグラフィの不良とは？ピント・露光量・現像後検査で見る原因

リソグラフィとは、光で回路の形を写す工程

半導体の回路は、ウェハと呼ぶ薄い円盤の上に作ります。日立ハイテクの解説によると、回路の一層は、主に三つの工程でできます。薄い膜をつける「成膜」、光で形を写す「パターン転写」、膜を削って形に仕上げる「エッチング」です。この中の「パターン転写」が、リソグラフィ（フォトリソグラフィ）です。

リソグラフィでは、まず、ウェハの膜の上に、光に当たると性質が変わる膜を塗ります。これを「フォトレジスト」と呼びます。次に、「フォトマスク」を使います。フォトマスクは、回路の形を描いた、ガラス板の原版です。

露光装置が、フォトマスク越しに紫外線を当てます。マスクの、模様のない部分だけ、紫外線が通ります。紫外線が当たったフォトレジストは、感光して、化学的に変わります。模様は、レンズで数分の1に縮められて、ウェハの上に写されます。そのあと、「現像」をして、写した形を残します。

形を決める二つの条件、ピントと光の量

光で写すときに大切なのが、「フォーカス」と「ドーズ」です。フォーカスは、ピントのことです。ASMLの解説は、フォーカスを「像がどれだけシャープか」と説明しています。ドーズは、光の量のことで、レジストに与える露光のエネルギーを指します。

この二つは、写真のピントと明るさ（露出）に、よく似ています。ピントがずれると、像がぼやけます。光の量が多すぎたり、少なすぎたりすると、レジストの反応が足りなかったり、行きすぎたりします。

では、ちょうどよい値は、どう探すのでしょうか。カリフォルニア大学サンタバーバラ校のナノファブの資料は、「FEM（フォーカス・露光量マトリクス）」という試験を紹介しています。ドーズとフォーカスを、縦と横に少しずつ変えながら、格子の升目ごとに露光します。そして、升目ごとに、できた形が許容範囲に入っているかを調べます。失敗した升目では、パターンが何も見えないこともある、と書かれています。

ちょうどよい範囲「プロセスウィンドウ」

合格になった升目が集まった範囲を、「プロセスウィンドウ」と呼びます。窓のように、「この範囲なら、うまく写せる」という領域です。UCSBの資料は、窓の中心を選ぶことを勧めています。ドーズが高すぎる、低すぎる、フォーカスが高すぎる、低すぎる、という悪い結果を、すべて確かめてはじめて、窓の中心が分かります。

また、「いちばん良い升目」を選ばないよう、注意しています。いちばん良い升目は、窓の端にあることが多く、小さなばらつきでも、規格から外れてしまうからです。

ウィーン工科大学の博士論文も、同じ考え方を説明しています。フォーカスの影響は、ドーズによって変わるので、二つを一緒に動かして調べます。その結果をグラフにしたものを、「ボッスンプロット」と呼びます。グラフには、線の太さ（CD）のほか、壁の傾き（側壁角）や、レジストの減り（レジスト損失）も描けます。プロセスウィンドウは、これらがすべて規格に入る、フォーカスと光の量の組み合わせです。

さらに、この論文は、デフォーカス（ピントのずれ）が大きいと、ほかの誤差にも弱くなるので、実際に使えるピントの許容範囲は、理論の値より狭くなる、とも述べています。

光で写せる細かさにも、限りがある

ASMLの解説では、写せる最小の寸法（CD）は、「CD＝k1×波長÷NA」と表されます。波長は、光の波の長さです。NA（開口数）は、レンズが光を集める力を表す数字です。k1は、工程によって決まる係数です。

この式から、光の波長が短いほど、また、レンズが光をよく集めるほど、細かい形を写せる、と読み取れます。

現像のあとに、すぐ測る。やり直しもできる

写した形が正しいかは、現像のあとに、測って確かめます。日立ハイテクの解説によると、現像のあとに、CD-SEM（線の太さを測る電子顕微鏡）で、寸法を測ります。この測定の工程を、「ADI」と呼ぶことがあります。After Development Inspection、つまり「現像後検査」の略です。エッチングのあとにも、同じように測ります。こちらは「AEI」で、「エッチング後検査」です。

なぜ、現像のあとに、すぐ測るのでしょうか。KLAという検査装置メーカーの発表によると、現像の直後なら、ウェハを「やり直し（リワーク）」できる状態で、検査できるからです。エッチングで膜を削ったあとは、同じようにはやり直せない、と考えられます。写す工程の不良は、削る前に見つけるほうが、ずっと得になります。

同じ発表は、写す工程の初期の不良は、確実に見つけるのが、むずかしかったとも述べています。測って、検査する技術が、大切な理由です。

位置のずれ「オーバーレイ」も、リソグラフィの不良

写した形の「太さ」や「かたち」だけでなく、「位置」も大切です。回路は、何層も重ねて作ります。ASMLの解説は、二つの層を合わせる精度を「オーバーレイ」と呼んでいます。

ピントとオーバーレイは、ウェハに印刷した、繰り返しの試験パターン（メトロロジーターゲット）が、どれだけうまく印刷されたかを測って、監視します。測った結果は、生産ラインに組み込まれた装置から、露光装置へ戻されて、補正に使われます。つまり、測ることは、記録を残すだけでなく、次の露光を直すためにも、使われます。

ずれの原因を、設備保全と生産技術はどう探すのか

現場で、写した形のずれを見つけたら、次のような順番で調べる、と考えられます。

1. 現像後の測定結果を確認する。線の太さと位置が、どれくらい、どちらへずれているのかを見ます。
2. フォーカスと光の量の記録を調べる。露光装置の設定と、実際に使われた値を、見比べます。
3. 場所の特徴を整理する。ウェハのどこで、どのロットで、どの装置で、いつ起きたのかを、まとめます。
4. 試験（FEM）で、プロセスウィンドウの位置を確かめる。今の条件が、窓の中心にあるのか、端にあるのかを見ます。
5. 追加のデータで、確かめる。たまたま同時に起きただけかもしれないので、確かめてから判断します。

設備の調整や復旧は、所属する工場やメーカーの正式な手順と、権限のある人の判断のもとで行います。この記事は、原因を考えるときの見方を紹介するもので、設備の操作を指示するものではありません。

この問題を追う仕事は、プロセス、生産技術、設備保全、計測・検査などの担当が分担します。製造業で、条件の記録や、規格に対するばらつきを扱った経験は、「どの条件が、ちょうどよい範囲にあるか」を考える力として活きる、と考えられます。仕事の全体像は、半導体製造の仕事を工程別に見てみるから確認できます。

ことばのおさらい

この記事に出てきた言葉を、やさしい言い方で、もう一度まとめます。

• リソグラフィ：光で、回路の形を写す工程です。
• フォトレジスト：光に当たると性質が変わる膜。ここに形を写します。
• フォトマスク：回路の形を描いた、ガラス板の原版です。
• フォーカス：ピントのこと。像のシャープさです。
• ドーズ：光の量。レジストに与える露光のエネルギーです。
• プロセスウィンドウ：うまく写せる、ピントと光の量の範囲です。
• ADI：現像のあとに測って、検査することです。
• オーバーレイ：二つの層を合わせる精度のことです。

よくある誤解

Q. ピントが合っていれば、光の量は関係ありませんか？

関係あります。ピントの影響は、光の量によって変わります。だから、二つを一緒に変えて、うまく写せる範囲を調べます。

Q. いちばん良い結果が出た条件を使えば、安心ですか？

安心とは限りません。いちばん良い条件は、うまく写せる範囲の端にあることが多く、小さなばらつきで、規格から外れるためです。範囲の中心を選ぶのが、基本です。

Q. 現像のあとに測れば、エッチングのあとは測らなくてよいですか？

そうではありません。現像のあとも、エッチングのあとも、測ります。現像のあとは、やり直しができる段階の確認で、エッチングのあとは、削ったあとの形の確認です。

まとめ：写す工程は、ピントと光の量の「ちょうどよい範囲」で決まる

参考にした公式情報

• 日立ハイテク「1. 半導体製造工程」
• ASML「Measuring accuracy」
• ASML「Rayleigh criterion」
• UCSB Nanofab「Lithography Calibration – Analyzing a Focus-Exposure Matrix」
• TU Wien（Kirchauer博士論文）「Focus Effects and Process Window」
• KLA「Voyager 1015 and Surfscan SP7」（プレスリリース）