半導体では、シリコンウエハーの上に非常に細かな回路を作ります。
しかし、シリコンや金属膜をいきなり回路の形に削るわけではありません。
まず、
「どこを加工して、どこを残すのか」
を決める必要があります。
そのために使われる材料が、
フォトレジスト
です。
フォトレジストは光に反応し、現像液への溶けやすさが変わる材料です。
この性質を利用してウエハー上にレジストのパターンを作り、そのパターンをマスクとしてエッチングやイオン注入などを行います。
つまりフォトレジストは、
回路そのものになる材料ではなく、加工する場所を決めるための「一時的なマスク」
です。
この記事では、
- フォトレジストの役割
- 塗布・露光・現像の流れ
- ポジ型とネガ型の違い
- レジストの主な成分
- i線レジストの仕組み
- KrF・ArFなどの化学増幅型レジスト
- 光源によってレジスト材料が違う理由
を初心者向けに解説します。
フォトレジストとは？
フォトレジストとは、
光によって現像液への溶けやすさが変化する感光材料
です。
半導体製造では、加工したい膜の上へフォトレジストを塗ります。
その後、
レジスト塗布
↓
露光
↓
現像
↓
レジストパターン形成
↓
エッチングやイオン注入
↓
レジスト除去
という流れで使います。
重要なのは、
フォトレジストそのものが最終的な配線やトランジスタになるわけではない
ということです。
必要な加工が終われば、基本的にレジストは除去されます。
フォトレジストは何のために使う？
例えば、ウエハー上に薄い酸化膜があり、その一部分だけをエッチングしたいとします。
何も保護せずにエッチングすると、必要な部分まで加工されてしまいます。
そこで、残したい場所をフォトレジストで覆います。
レジストあり
→ 下の膜を守る
レジストなし
→ 下の膜を加工する
という使い方です。
つまり、
成膜
→ 加工する材料を作る
リソグラフィ
→ 加工する場所を決める
エッチング
→ 実際に下の膜を削る
という役割分担になります。
フォトレジスト工程の基本的な流れ
① レジストを塗布する
最初に液状のフォトレジストをウエハーへ滴下します。
一般的にはウエハーを高速回転させる、
スピンコート
によって薄く均一な膜を形成します。
その後、
PAB（Post Apply Bake）
を行います。
PABではレジスト中に残った溶剤を減らし、膜を安定させます。
② 露光する
次にフォトマスクなどの回路パターンを使ってレジストへ光を当てます。
光が当たった場所では、レジスト内部に化学的な変化が起こります。
ここで注意したいのは、
露光によってシリコンや下の膜を直接削っているわけではない
ことです。
まず変化するのはフォトレジストです。
③ 現像する
露光後に現像液を供給すると、レジストの溶けやすい部分が取り除かれます。
これによってウエハー上に、
レジストが残る部分
と
レジストがなくなる部分
ができます。
これがレジストパターンです。
現像で基本的に取り除く対象はレジストです。
この段階で下にある加工膜まで同じ形に削っているわけではありません。
④ 下の膜を加工する
現像後のレジストパターンをマスクとして、エッチングなどを行います。
レジストがない開口部
→ 下の膜が加工される
レジストに覆われた部分
→ 下の膜が守られる
という関係です。
つまり、
現像＝レジストにパターンを作る
エッチング＝そのパターンを下の膜へ転写する
と分けて考えると分かりやすくなります。
⑤ レジストを除去する
エッチングなどの加工が終わったら、不要になったレジストを除去します。
最終的にはレジストそのものではなく、
レジストの形を利用して加工された下の膜
が残ります。
ポジ型レジストとネガ型レジストの違い
フォトレジストには大きく、
ポジ型
と
ネガ型
があります。
違いは、
露光した部分が現像後に残るか、なくなるか
です。
| 種類 | 露光した部分 | 現像後に残る部分 |
|---|---|---|
| ポジ型 | 溶けやすくなる | 主に未露光部 |
| ネガ型 | 溶けにくくなる | 主に露光部 |
ポジ型
ポジ型では、
光が当たった部分が現像液へ溶けやすくなります。
そのため、
露光部
→ なくなる
未露光部
→ 残る
というパターンになります。
半導体の微細加工ではポジ型レジストが広く利用されています。
ネガ型
代表的なネガ型では、光が当たることで架橋などの反応が進み、現像液へ溶けにくくなります。
そのため、
露光部
→ 残る
未露光部
→ なくなる
という形になります。
厚膜形成やMEMS、バンプ形成などで利用される材料もあります。
フォトレジストは何でできている？
フォトレジストは1種類の物質ではありません。
代表的には、
- 溶剤
- ベース樹脂
- 感光成分
- 添加剤
などを混ぜて作られています。
溶剤
レジストを液体として塗布できるようにします。
塗布後のPABによって多くが除去されます。
ベース樹脂
現像後に残るレジスト膜の骨格となります。
密着性やエッチング耐性にも関係します。
感光成分
光を受けて化学反応を起こすきっかけになります。
i線用レジストではDNQ系感光剤、化学増幅型ではPAGなどが代表例です。
添加剤
感度、酸の拡散、密着性、パターン形状などを調整します。
なお、これらの成分は実際のレジスト液の中で層状に分かれているのではなく、均一に混ざっています。
i線レジストはどのように反応する？
i線は、
波長365nmの紫外線
です。
代表的なi線用ポジ型レジストには、
ノボラック樹脂
＋
DNQ系感光剤
の組み合わせがあります。
ここで少し不思議なのが、
「光に反応するのはDNQなのに、なぜ現像するとノボラック樹脂までなくなるのか？」
という点です。
DNQだけが溶けるわけではない
露光前のノボラック樹脂はアルカリ現像液に溶ける性質を持っています。
しかしDNQが存在することで、その溶解が抑えられています。
つまりDNQは、
溶解抑制剤
として働きます。
i線を照射するとDNQが光化学反応を起こし、その後の反応によってアルカリ現像液へ溶けやすい状態へ変化します。
すると、
DNQによる溶解抑制が弱くなる
↓
現像液がレジストへ作用しやすくなる
↓
ノボラック樹脂も現像液へ溶ける
↓
露光部分が取り除かれる
という流れになります。
つまり、
ノボラック樹脂が光を受けて直接消えているわけではない
ということです。
KrF・ArFでは化学増幅型レジストが使われる
より微細な回路を作るため、
KrF
→ 248nm
ArF
→ 193nm
と、より短い波長の光が利用されるようになりました。
これらでは、
化学増幅型レジスト（CAR）
が広く使われています。
化学増幅型では、
PAG（光酸発生剤）
が重要な役割を持ちます。
化学増幅型レジストの仕組み
ポジ型の代表例では、
① 露光
光がPAGへ当たると、
酸
が発生します。
↓
② PEB
露光後に、
PEB（Post Exposure Bake）
を行います。
加熱することで酸が反応を進め、ベース樹脂の保護基を外す脱保護反応を促進します。
↓
③ 溶けやすくなる
保護基が外れた樹脂は、アルカリ現像液へ溶けやすくなります。
↓
④ 現像
露光した部分が現像液へ溶け、レジストパターンができます。
簡単にすると、
光
↓
PAGから酸が発生
↓
PEBで酸が反応を進める
↓
樹脂が現像液へ溶けやすくなる
↓
現像
という流れです。
なぜ「化学増幅型」と呼ぶの？
化学増幅型では、露光によって発生した酸が、後のPEBで複数の化学反応を進めることができます。
つまり、
1回の光反応
↓
酸が発生
↓
その酸が複数の反応を進める
ことで、少ない露光エネルギーでも大きな化学変化を起こせます。
このため、
化学増幅型
と呼ばれます。
ただし、酸が広がりすぎると、本来反応させたくない場所まで反応してパターンの輪郭がぼやける可能性があります。
そのため、
PEB温度
PEB時間
PAG
クエンチャー
などの管理が重要です。
i線・KrF・ArF・EUVの違い
代表的な露光光源を整理すると次のようになります。
| 光源 | 波長 | レジストの代表的な特徴 |
|---|---|---|
| i線 | 365nm | DNQ・ノボラック系など |
| KrF | 248nm | 化学増幅型が中心 |
| ArF | 193nm | 化学増幅型が中心 |
| EUV | 13.5nm | 化学増幅型や新しい材料 |
基本的には短い波長ほど、より微細なパターン形成に利用しやすくなります。
しかし、
光源だけ短波長にすればよい
わけではありません。
なぜ光源ごとにレジスト材料を変えるの？
レジスト材料は、使用する光を適切に吸収し、膜の中まで反応させる必要があります。
例えばKrFで使いやすい樹脂でも、ArFの193nm光を強く吸収してしまうと、レジストの深い部分まで十分に光が届きません。
そこでArF用では、193nmでの光吸収を抑えた材料が使われます。
一方で、
光を通しやすい
エッチングに耐える
ウエハーへ密着する
細かなパターンを作れる
など、複数の性能を同時に満たす必要があります。
つまり、
露光装置だけ進化すれば微細化できるわけではなく、レジスト材料も一緒に進化する必要がある
ということです。
EUVになればi線やKrFは不要になる？
これも誤解しやすいポイントです。
EUVは非常に短い波長を利用できるため、最先端の微細加工で重要です。
しかし、
すべての半導体工程で最小の線幅が必要なわけではありません。
工程によって、
- 必要な寸法
- 生産性
- 装置コスト
- レジスト膜厚
などが異なります。
そのため、
i線
KrF
ArF
EUV
は用途に応じて使い分けられています。
新しい露光方式が登場したからといって、古い方式がすべてなくなるわけではありません。
フォトレジストに求められる性能
フォトレジストには、単に光へ反応するだけでなく、
- 細かなパターンを形成できる
- 少ない露光量で反応できる
- ウエハーへしっかり密着する
- エッチング中に形を保てる
- 狙った寸法を安定して作れる
- パターン端の粗さを小さくする
といった性能が求められます。
しかし、すべての性能を単純に最大化できるわけではありません。
例えば化学増幅型で酸を広がりやすくすれば感度を高めやすくなりますが、広がりすぎるとパターンの輪郭がぼやけます。
つまりフォトレジストも、
複数の性能のバランスを取ること
が重要です。
初心者が覚えておきたいポイント
① フォトレジストが最終的な回路になるわけではない
フォトレジストは加工場所を決める一時的なマスクです。
加工後には基本的に除去されます。
② 露光でシリコンを直接削るわけではない
露光でまず変化するのはレジストです。
実際に下の膜を削る代表的な工程がエッチングです。
③ 現像とエッチングは別の工程
現像
→ レジストパターンを作る
エッチング
→ そのパターンを下の膜へ転写する
という違いがあります。
④ i線とKrF・ArFでは反応の仕組みが異なる
代表的なi線用DNQ・ノボラック系では、DNQの溶解抑制が外れることで現像されます。
KrF・ArFなどの化学増幅型では、PAGから発生した酸をPEBで働かせます。
この記事で一番覚えてほしいこと
フォトレジストを理解するときは、
「光で回路を作る材料」
とだけ覚えるのではなく、
加工する場所を決めるための一時的なマスク
と考えることが重要です。
成膜
↓
レジスト塗布
↓
露光
↓
現像
↓
レジストパターン
↓
エッチングなど
↓
下の膜へ形を転写
↓
レジスト除去
という流れを理解すれば、リソグラフィとエッチングの関係も分かりやすくなります。
まとめ
フォトレジストとは、
光によって現像液への溶けやすさが変わる感光材料
です。
半導体製造では、
どこを加工し、どこを残すのか
を決めるために使われます。
ポジ型では代表的に露光部分が現像でなくなり、ネガ型では露光部分が残ります。
また、使用する光源によってレジストの仕組みや材料も異なります。
i線
→ DNQ・ノボラック系など
KrF・ArF
→ 化学増幅型レジストが中心
EUV
→ 化学増幅型に加え、新しい材料も利用・開発されている
という違いがあります。
最も重要なのは、
フォトレジスト自体が半導体回路になるのではなく、レジストに作った形を下の膜へ正確に転写するために使われる
という点です。
フォトレジストは、半導体の微細な回路を正確に作るための「型」として、リソグラフィに欠かせない材料です。
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