半導体の線幅（CD）ばらつき・LER/LWRの原因とCD制御

線幅（CD）とは、線の太さのこと

半導体の回路は、ウェハと呼ぶ薄い円盤の上に、とても細い線で作ります。この線の太さを「線幅」と呼びます。工場では、大切な寸法をまとめて「CD（シーディー）」とも呼びます。

CDは、「ウェハの上で、確実に作れて、確実に測れる、いちばん小さい寸法」のことだと、Averroesの解説は説明しています。線の太さのほかに、線と線のすき間や、穴の直径もCDに入ります。この記事では、まとめて「線の太さ」と書きます。

むずかしい言葉が出てきたら、「線の太さの話だな」と読み替えてください。それで十分に、この記事の中身がつかめます。

光で写して、削って、測る。太さは途中で変わる

回路の線は、次の順番で作ります。まず、レジストという、光に反応する膜に、光で線の形を写します。次に、エッチングという方法で、下の膜を削って、形を移します。この流れを「パターン転写」と呼びます。

形を移すたびに、線の太さは少しずつ変わることがあります。PTIの用語集は、エッチングで変わった寸法を「エッチングバイアス」と呼び、削る前のCDと、削ったあとのCDの差で表す、と説明しています。同じ資料は、数字で伝えるときには、「太くなったらプラスか、細くなったらプラスか」といった決まりを、はっきり書く必要があるとも述べています。

つまり、「ずれた」と言うだけでは、情報が足りません。いつの時点と比べて、どちら向きに、どれだけ変わったのかを、はっきりさせる必要があります。

削り方で、壁の形が変わる

削る方法は、大きく二つあります。一つは、薬液で溶かす方法です。ふつう、どの向きにも同じように削れるので、横にも削れてしまいます。これを「等方的」と呼びます。

もう一つは、プラズマという、電気を帯びた気体の中で削る方法です。ケンタッキー大学の設備紹介によると、この方法では、イオンという小さな粒が、ほぼ真上からウェハに当たります。そのため、壁が垂直に近い形に削れます。これを「異方性」と呼びます。

圧力、電気の強さ、ガスなど、形を決める条件はいくつもあります。どれかが変われば、プラズマの状態も変わると考えられます。ただし、条件が少し変わると線の太さが何nm変わる、という関係は、この資料からは言えません。装置や、削る膜によって違うからです。

溝の幅や、削る場所でも、掘れ方が変わる

削る速さは、場所によって同じとは限りません。Samcoの解説は、シリコンを削る場合、溝が狭いほど、底まで届く「反応する粒」が減って、削る速さが遅くなる、と説明しています。これを「マイクロローディング」と呼びます。

半導体製造装置メーカーのLam Researchの技術ブログも、似たことを述べています。設計のルールを守っていても、製造装置の力に限りがあるために、性能や歩留まり（良品の割合）が下がることがある、という内容です。

設計図どおりに作れば、そのままの形ができる、とは限りません。作る途中の条件によって、できあがりが変わります。

線の「縁」がギザギザになることもある

線の太さの平均が設計どおりでも、線の縁がギザギザしていることがあります。片側の縁のギザギザを「LER」、線の幅のばらつきを「LWR」と呼びます。名前は、いまは覚えなくて大丈夫です。

Lam Researchの解説は、LERは先端の半導体で大切なばらつきの原因で、性能が下がったり、故障したりする原因になりうる、と述べています。ただし、この解説の結果は、コンピューターの上の仮想の実験で、実際に測った値ではありません。

測った数字は、形そのものではない

CDを測る代表的な装置が、CD-SEM（シーディーセム）です。電子顕微鏡の一種で、日立ハイテクの解説によると、画像の明るさの違いから、線の太さを計算します。測るのは、光で形を写した後と、削った後です。

ここで、大事なことがあります。線の断面が台形の場合、上の幅と下の幅は違います。日立ハイテクの解説は、どこの幅を測った値にするかは、測定の設定で決める、と説明しています。つまり、同じ線でも、測る高さによって、数字が変わります。

「数字が合っている」ことと、「形が合っている」ことは、別のことです。数字は、ある方法で、ある場所を見た結果だと考えましょう。

寸法のずれは、何が困るのか

線の太さや縁の形が変わると、電気の流れやすさなど、回路の性質が変わる可能性があります。ただし、「何nmずれたら不良」という決まりは、この記事の資料からは言えません。製品や工程によって違うからです。確認できた範囲は、縁のギザギザが、条件によって性能低下や故障につながりうる、というところまでです。

ずれの原因は、どうやって探すのか

現場で線の太さ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. もう一度測る。測り方で、数字が変わることがあるためです。
2. 比べる基準をそろえる。光で写した後と、削った後の、どちらを比べるのかを決めます。
3. 場所の特徴を見る。ウェハのどこで、どの装置で、いつ作ったものかを整理します。
4. 装置の記録を調べる。圧力や電気の強さなど、形を決める条件の記録と、点検の履歴を見比べます。
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、設備保全、生産技術、プロセス、計測・品質などの担当が分担します。製造業で、寸法の公差や工程の記録を扱った経験は、「どの時点の、何の寸法なのか」をそろ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。

• 線幅・CD：線の太さのこと。穴の直径や、線のすき間も含みます。
• レジスト：光に反応する膜。ここに、光で線の形を写します。
• エッチング：膜を削って、写した形を下の膜へ移す工程です。
• LER・LWR：線の縁のギザギザと、線の幅のばらつきのことです。
• CD-SEM：線の太さを測る電子顕微鏡です。

よくある誤解

Q. 線は、細ければ細いほどよいのですか？

細さだけでは決まりません。太さの平均に加えて、縁のギザギザや、壁の形も関わります。この記事の資料からも、「小さければよい」と言える根拠は見つかっていません。

Q. CD-SEMの数字が設計どおりなら、形も設計どおりですか？

そうとは限りません。断面が台形なら、上と下で幅が違います。どこを測った数字なのかを、確かめる必要があります。

Q. 装置の設定が正常なら、ずれは装置のせいではないのですか？

設定の確認だけでは、足りません。同じ設定でも、溝の幅によって、削る速さが変わる例があるためです。設定、パターン、測り方の三つを合わせて見ます。

まとめ：線の太さのずれは、どこで変わったかを確かめる入口

参考にした公式情報

• Averroes「What is Critical Dimension SEM」
• PTI「Etch Bias」
• University of Kentucky CENSE「Reactive Ion Etching」
• Samco「Loading Effect and Microloading Effect in Silicon DRIE」
• Lam Research「Accelerating Semiconductor Development with Virtual Twins」（2025年）
• Practical Electron Microscopy and Database「LER/LWR」
• Lam Research「Improving Line Edge Roughness Using Virtual Fabrication」
• 日立ハイテク「4. CD-SEM（測長SEM）とは」