フォトレジストとは

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フォトレジストとは、光が当たった部分と当たらなかった部分で現像液への溶けやすさに差が生まれる感光性の材料です。 露光と現像を経て、次の工程で加工する場所を決めます。露光装置が作るのは光の像までで、それを形に変えるのはレジストです。量産のレジストは光で生じた酸を触媒にして感度を稼ぎますが、EUV世代では光子の個数の揺らぎとレジストの中の組成の散らばりがそのままパターンの欠陥になり、材料設計が露光装置と同じ重みを持つようになりました。

光で溶けやすさが変わる、炭素・酸素・水素の高分子

露光装置が精密に光を当てても、その光の形を写し取る材料があってはじめてパターンになります。レジストは、リソグラフィで回路パターンを転写する際に使う反応性材料で、露光により現像液への溶解性が変化してパターンが形成されます¹。フォトレジストは紫外線（水銀ランプやレーザー光）で感光するレジストで、電子線で感光するEBレジストとは光源の側で呼び分けます。東京応化工業は、EBレジストを高感度、パターン安定性を有したポジ型、ネガ型両タイプとしています。

中身は有機の高分子で、炭素、酸素、水素からできた固体の物質です²。この3つの元素でできているので、加工が済んだあとは酸素プラズマで燃やして気体へ変え、跡形なく取り除けます。

フォトマスクとの役目の違いもここにあります。マスクは光の通り道になる型で、1枚を繰り返し使います。レジストはウェーハ1枚ごとに塗り、現像し、加工が済むと剥がします。マスクの像を受け取る側がレジストです。

ポジかネガかは、材料と現像液の組み合わせで決まる

型は2つあります。ポジ型は光が当たった部分が現像液に溶け、膜として残るのは当たらなかった部分です。ネガ型は逆に、光が当たった部分が硬化し、現像液に溶けるのは当たらなかった部分です。同じマスクを使っても仕上がりが反転するため、どちらを使うかは設計と工程で決めます。

呼び分けには、材料そのものの型と、現像の仕方という2つの面があります。ポジ型になるように現像する方法をポジトーン現像（PTD：Positive Tone Development）、ネガ型になるように現像する方法をネガトーン現像（NTD：Negative Tone Development）と呼びます¹。量産の現像ではテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（TMAH）の2.38質量%水溶液が広く用いられ、この現像液はアルカリ性で、露光後のレジストの極性が高い部分を選択的に溶かします¹。現像液を酢酸エチルなどの有機溶媒へ替えると、溶けるのは極性が低い部分になり、溶ける側が入れ替わります。仕上がりの明暗は、材料と現像液の組み合わせで決まります。

同じ露光、2つの現像液

露光で極性が高くなった部分を、TMAH水溶液は溶かしてポジ型の像を作り、有機溶媒は残してネガ型の像を作ります。

化学増幅型では、1個の酸が何十、何百もの保護基を外す

いまの量産で溶けやすさを変える仕掛けは、化学増幅型レジスト（CAR：Chemically Amplified Resist）です。露光により発生する反応触媒による反応が増幅して現像液への溶解性が変化し、高感度にパターンを形成できます¹。

材料は、ヒドロキシ基やカルボニル基といった水になじむ官能基を保護基でふさいだ高分子に、光が当たると強い酸を生じる光酸発生剤（PAG：Photo Acid Generator）を混ぜたものです。露光でPAGが酸を生み、続く露光後ベークの熱で、その酸が触媒として保護基を外す反応（脱保護反応）を進めます。ふさがれていた官能基がむき出しになって、光が当たった部分だけ極性が高くなり、この極性の差が現像液への溶けやすさの差になります。

化学増幅の仕組み

光子1個から生じた酸1個が、露光後ベークの間に動き回って通り道の保護基を次々に外し、外れた所だけ親水基がむき出しになります。

「増幅」と呼ぶのは、酸が触媒だからです。触媒は反応で使い切られず、次の分子へ移ってまた反応を起こします。光子1個が生んだ酸1個が何十、何百という保護基を外していくので、わずかな露光量でもパターンが立ちます。EUV世代で光子の個数が減っても化学増幅型が使われ続けるのは、この倍率があるためです。裏を返せば、酸がどこまで拡散するかがパターンの縁のシャープさを左右し、露光後ベークの温度と時間がそのつまみになります。

酸は露光後ベークを待つあいだも少しずつ動きます。塗布現像装置は露光後の引き置きの影響を抑えるため、露光機に連結（インライン）され、レジスト塗布と露光後の現像を同じ装置でおこなうことも多い¹装置で、待ち時間が延びるほど仕上がりが揺れるため、物理的に連結して待ち時間を短く保ちます。SCREENのDT-3000もコータ／デベロッパです³。

波長ごとに、レジストは別物になる

レジストは、g線レジスト（435nm）、i線レジスト（365nm）、KrFレジスト（248nm）、ArFレジスト（193nm）、ArF液浸レジスト（193nm）、EUVレジスト（13.5nm）、EBレジスト（電子線）と、波長ごとに独立した用語が立っています。東京応化工業のラインアップもこの区切りのままで⁴、KrFレジストはアルカリ溶解抑制効果を持たせたPHS樹脂と酸発生剤（PAG）を用いた化学増幅系フォトレジストです。同社はEUVレジストについて、13.5nmに吸収波長があるEUVレジストの研究開発を続けており、量産ラインでの実績もあるとしています。

ArF液浸用は水に浸されて露光されるため、水とレジストの間にトップコート膜を挟むケースがあり、トップコートを省く場合は水の浸透を抑えるレジスト組成上の工夫をして使います¹。レジストの組成物を溶かしてスピンコートを可能にしている溶剤には、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（PGMEA）などがあります。

解像度を狙う先端ロジック向けの薄い膜と、めっきの型として立てる厚い膜では、設計が別方向です。東京応化工業は、RDL形成用レジストを2～20μmの薄膜から厚膜まで各膜厚に応じた再配線形成用めっき対応レジストとし、バンプ形成用レジストにはめっき液への耐性を、ウェットエッチング用レジストには酸性・アルカリ性エッチャントに耐性を持ったゴム系ネガレジストという性質を掲げています。

塗ってから剥がすまで、11の工程を通る

レジストがウェーハの上で過ごす時間は、露光の前後へ長く伸びています。

脱水ベーク：レジスト塗布前の基板表面に付いた水分を除くベークで、プロセス性能を安定させる目的でおこなう場合があります。
密着性向上材料の塗布：フォトリソプロセスや有機膜の積層構造体を形成する際に、下地基板との密着性を確保するための基板表面処理剤⁵を塗ります。
スピンコート：コーターと呼ばれる塗布装置でレジスト溶液をウェーハ上に滴下し、ウェーハを回転させて遠心力で広げます。液の中のゴミは、塗布欠陥を減らすための部品であるレジストフィルターでろ過します。
EBR（Edge Bead Removal）：ウェーハの端面付近に盛り上がったレジスト膜を、ウェーハを回しながらエッジ部へシンナーを吐出して溶かします。シンナーはレジスト塗布後のエッジリンスやバックリンスなど多くの用途で使います⁶。
ポストアプライベーク（PAB、プリベーク）：露光前のベークで、レジスト溶剤を乾かします。
露光：光酸発生剤（PAG）が酸を生みます。
露光後ベーク（PEB）：レジスト内でさらに化学反応を起こし、レジスト内で発生する光の定在波の影響でレジスト側壁が波打つ現象を、反応物の拡散で低減します。
現像：PEBのあとに現像液で処理してレジストパターンを形成します。多くの場合、カルボン酸や水酸基がアルカリ水溶液中でイオン化し、そのまま液へ移る現象を使います。
リンス：残ったTMAHを除くための水洗です。
ポストベーク：現像後にレジストを焼しめたり、現像液・リンス液を乾かしたりする熱処理です。
レジスト剥離：加工が済んだレジストを取り除きます。

膜厚は、回転数、レジストの粘度、溶媒の揮発性で決まります。厚すぎれば深い部分まで光が届かず、薄すぎればエッチングの途中で消えるので、要る解像度と次工程のエッチングの深さから逆算します。

リソグラフィープロセスでレジストと一緒に使う薬品類をレジスト付属品と呼び⁶、現像液・リンス液、シンナー、剥離液があります。剥離液は、エッチング後のレジスト除去と、エッチング時に発生した不純物の除去に使います。

剥離の装置は、プラズマアッシャ、オゾンアッシャ、ウェットステーションの3つです²。プラズマアッシャはプラズマ化したガスとレジストを反応させ、レジストを気化させて取り除きます。一般には酸素ガスを使い、炭素・酸素・水素でできたレジストは酸素プラズマと反応してすべて気体へ変わります。アッシングは英語で「灰にすること」を指し、プラズマアッシングは剥離工程で最もポピュラーな方法です。レジストに含まれる微量の重金属は気化を免れるため、SCREENはプラズマアッシングのあとにウェットステーションで洗うのが好ましいとしています。

薄いレジストで像を作り、下の厚い膜へ移す

レジストは1層で使う場合と、下地の膜と重ねて使う場合があります。下層反射防止膜（BARC：Bottom Anti-Reflective Coating）は、レジストの下面に塗布してリソグラフィ光の反射を抑える膜で、レジストの密着性を向上したり、レジストの形状を調整したりできます¹。さらに下層膜（BL）や中間層膜（ML）を重ねた多層レジストスタックもあり、レジスト膜をMLに転写したあと、酸素系のエッチングで厚い有機下層膜にレジストパターンを転写できるので、エッチングのパターン転写が容易になります。薄いレジストで細かい像を作り、その像を下の厚い膜へ移してからエッチングのマスクにする段取りです。

BARCも下層膜もスピンコートで塗る膜ですが、感光してパターンになるのはレジストの側です。BARCと下層膜が担うのは、反射を抑えること、下地を平らにすること、エッチングのマスクになることです。

この順番のどこかが崩れると、レジスト側の不良として表に出ます。代表的なものに、現像後の乾燥で細い線が倒れるパターン倒壊と、露光中にレジストから出たガスが光学系を汚すレジストアウトガスがあります。

感度・解像度・LWRは、同時に良くできない

リソグラフィの出来ばえを表す指標のうち¹、レジストの側から意味を持つものは次のとおりです。

感度（Sensitivity）：ターゲットの寸法を得るために要る露光機の露光量です。感度がいいとは、露光量が少なくて済むことを意味します。
解像度（Resolution）：パターン形成時の最小加工寸法で、密パターンのハーフピッチで表すことが多い量です。投影光学系の開口数（NA）を上げるか露光波長を短くすると上がり、レジストや露光機の光学条件、マスク特性からも影響を受けます。
LERとLWR：LER（Line Edge Roughness）はパターンの縁のがたつき、LWR（Line Width Roughness）は線幅のがたつきです。どちらも3σ（標準偏差の3倍）で表すことが多く、LWRは光コントラストが低いと値が大きくなります。
LCDU（局所寸法均一性）：同じ露光ショットの中での寸法の揺らぎです。解像限界の近くでは、レジスト成分の不均一分布、露光ドーズ量（光子数）、光学コントラスト（露光装置のNAに依存）によって決まるとされています。
CDU（パターン寸法均一性）：ウェーハ内の複数点で寸法を測り、ばらつきを3σで表します。
プロセスウィンドウ（PW）：寸法の許容幅（たとえば±10%）を守れる露光量と焦点の余裕です。焦点側の幅を焦点深度（DOF）、露光量側の幅を露光量裕度（EL）と呼び、レジストが良くなるとこの窓が広がります。
欠陥密度：単位面積あたりのパターン欠陥の数で、1平方センチメートルあたりで表すことが多い量です。
Z-ファクター：解像度・LWR・露光量をひとまとめにしてレジストの実力を比べる指標で、解像度の3乗とLWRの2乗と露光量の積です。

Z-ファクターが3つの量の積になっているのは、そこにトレードオフがあるからです。感度を上げれば1枚あたりの露光時間は短くなり、生産性は上がります。ところが露光量を減らすほど、レジストが受け取る光子の個数が減り、線幅の揺らぎが大きくなります。解像度・LWR・露光量の3つを同時に良くするのが難しいという事情を、この指標は1つの数値へ押し込めています。

EUVでは、光子の個数と組成の散らばりが欠陥になる

EUVは1光子あたりのエネルギーがDUVより大きく、同じ露光量を与えるのに要る光子の個数は少なくなります。光子のエネルギーは波長に反比例するので、193nmと13.5nmの比に当てはめると、同じ露光量で届くEUVの光子はArFの約14分の1です。個数が少なくなるほど、統計的なばらつきが相対的に大きくなります。同じ設計のパターンでも1つ1つの仕上がりが揺らぎ、線の縁が波打つ、穴の大きさがばらつく、まれに穴が塞がったままになる、という3つの症状になります。

同じ露光量で届く光子

EUVの光子は1個のエネルギーが大きく、同じ露光量で届く数はArFの約14分の1です。少ない光子の揺らぎが、線の縁の波打ち、穴の大きさのばらつき、塞がった穴になります。

ASMLのEUVは波長13.5nmの光を使い、先端のチップは何十億ものトランジスタを含みます⁷。何十億のトランジスタがすべてそろってはじめて回路が動くため、まれな揺らぎでも歩留まりを下げます。

この現象はストキャスティクス欠陥（Stochastics Defect）と呼ばれ、確率論的なばらつき（ストキャスティクス）に起因するレジストパターンの欠陥で、特にEUVリソグラフィで顕著にみられるようになりました¹。出方は4つで、離れているはずのパターンどうしが橋渡しされるブリッジ欠陥（スカム欠陥）、線の途中がくびれて断線するブレーク欠陥（ピンチング欠陥）、あるはずのパターンが欠けるミッシング欠陥、パターンどうしが結合するキッシング欠陥です。

原因は2つに分かれます。フォトンストキャスティクスは、微細化が進むほどパターン内の光子数が少なくなる影響によるもので、露光装置が渡す光子の個数の話です。ケミカルストキャスティクスはレジスト組成物の空間的な分布の影響によるもので、レジストの中でPAGや高分子がどう散らばっているかの話です。同じ露光量を与えても、材料の中の混ざり具合が均一さを欠けば、1つ1つのパターンの仕上がりが揺れます。

材料の系そのものを替える動きもあります。メタルオキサイドレジスト（MOR：Metal Oxide Resist）は、金属酸化物の反応を利用して露光部、未露光部の溶解性を変化させパターンを形成するレジストです。露光部の凝集反応を用いて露光部を現像液に不溶化するものが多く、解像力が高いため、EUVリソグラフィで用いられます。現像の側でも、薬液のかわりにドライエッチングで露光部あるいは未露光部を気化させるドライ現像が、用語として立てられています。

EUV世代のレジストには、限られた個数の光子で確実に反応し、なおかつ揺らぎを抑えるという相反する要求がかかり、その成否はLCDUの数値へまっすぐ返ってきます。LCDUを決める3つ、すなわちレジスト成分の不均一分布、露光ドーズ量（光子数）、光学コントラストのうち、材料メーカーが動かせるのは1つ目です。東京応化工業がEUVレジストについて「量産ラインでの実績もあります」と述べているのは、この1つ目をどこまで詰められたかという話でもあります。

よくある質問（FAQ）

フォトレジストとは何ですか？

光が当たった部分と当たらなかった部分で、現像液への溶けやすさに差が生まれる感光性の材料です。ウェーハ全面へ薄く塗り、露光と現像を経て、次の工程で加工する場所だけ下地をむき出しにするマスクになります。

ポジ型とネガ型の違いは何ですか？

光が当たった部分が溶けるか、残るかの違いです。ポジ型は光が当たった部分が現像液に溶け、ネガ型は光が当たった部分が硬化して当たらなかった部分が溶けます。マスクの明暗が反転するため、設計側で対応が要ります。

どうやって塗りますか？

ウェーハを回転させ、中心へ液を落として遠心力で広げます。回転数と粘度で膜厚が決まり、塗布のあとにベークして溶媒を飛ばします。SCREENのDT-3000は、この塗布と現像を受け持つコータ／デベロッパです。

膜厚は何で決まりますか？

回転数、レジストの粘度、溶媒の揮発性です。厚すぎれば深い部分まで光が届かず、薄すぎればエッチングの途中で消えるので、要る解像度と次工程のエッチングの深さから逆算します。

EUV世代で何が問題になりますか？

光子の数のばらつきです。EUVは1光子あたりのエネルギーが大きいぶん、同じ露光量なら光子の個数が少なくなり、統計的なばらつきが相対的に大きくなります。同じ設計のパターンでも仕上がりが揺らぎ、ブリッジや断線などのストキャスティクス欠陥になります。

レジストはどこが作っていますか？

レジストを作るのは材料メーカーで、工程としては塗布と現像を担うコータ／デベロッパと一体で運用されます。当サイトの装置カタログDBは装置familyを収録するため、レジスト単体は収録の対象外です。

化学増幅型レジストとは何ですか？

光で強い酸を生じる成分（光酸発生剤、PAG）を混ぜたレジストです。露光で生まれた酸がそのあとの露光後ベークで触媒として働き、高分子を守っている保護基を外す反応を次々に起こすので、少ない露光量でパターンが作れます。KrF、ArF、ArF液浸、EUV、EBの各リソグラフィで広く用いられています。

現像液には何を使いますか？

量産ではテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（TMAH）の2.38質量%水溶液が広く使われ、露光後に極性が高くなった部分を選んで溶かします。現像のあとはTMAHを除くために純水でリンスします。酢酸エチルなどの有機溶媒を現像液にして、極性が低い部分を溶かすネガトーン現像（NTD）もあります。

露光後ベーク（PEB）は何のためにしますか？

役目は2つです。露光で生まれた酸を触媒にした反応をレジストの中で進めることと、レジスト内に立つ光の定在波のせいで側壁が波打つ現象を、反応物の拡散でならすことです。

レジストは最後にどうなりますか？

加工が済むと剥がされます。レジストは炭素・酸素・水素からできた固体で、酸素プラズマと反応して気体になって消えます。この方法をプラズマアッシング（灰にすること）と呼び、剥離工程で最もポピュラーな方法です。

レジストの出来はどう測りますか？

感度（ターゲット寸法を得るのに要る露光量）、解像度（密パターンのハーフピッチ）、線幅の揺らぎを示すLWRとLER、同じショット内の揺らぎを示すLCDU、寸法の許容幅を保てる露光量と焦点の余裕（プロセスウィンドウ）などです。揺らぎは3σで表すことが多い量です。

波長ごとにレジストは別ですか？

別です。g線435nm、i線365nm、KrF 248nm、ArF 193nm、EUV 13.5nmのそれぞれに対応するレジストがあります。ArF液浸用は水に浸して露光するため、水とレジストの間にトップコート膜を挟む場合と、水の浸透を抑える組成上の工夫をする場合があります。

比較・違いを学ぶ

フォトレジスト材料とパターン品質── 材料とパターン品質の関係
High-NA EUVレジスト比較── EUV世代のレジスト

出典

7件を表示

1
日本半導体製造装置協会（SEAJ）：半導体製造装置用語集（リソグラフィ）seaj.or.jp a b c d e f g h i
2
SCREEN セミコンダクターソリューションズ：レジスト剥離screen.co.jp a b
3
SCREEN セミコンダクターソリューションズ：DT-3000screen.co.jp ↩
4
東京応化工業：フォトレジストtok-pr.com ↩
5
東京応化工業：表面改質剤tok-pr.com ↩
6
東京応化工業：フォトレジスト付属品tok-pr.com a b
7
ASML：EUV lithography systemsasml.com ↩