高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)

半導体向けEUVリソグラフィの現状と展望
株式会社東芝 セミコンダクター＆ストレージ社
半導体研究開発センター
リソグラフィプロセス技術開発部
内山 貴之© 2015 Toshiba Corporation

内容
1. はじめに デバイスのスケーリングとリソグラフィ技術
 次世代リソグラフィ技術の現状と課題

2. EUVリソグラフィの概要
 EUVリソグラフィの課題
 高NA-EUVリソグラフィ

3. まとめ高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation21. はじめにデバイスのスケーリングとリソグラフィ技術

高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation3

半導体製造工程

くりかえし

高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation

4半導体製造工程

高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation5

リソグラフィとはウェハ上に回路パターンを形成するプロセス要求されることパターンの微細化 より微細に
寸法精度
より均一に
パターン形状より正確に重ね合わせ精度 より高精度に
欠陥フリー
より少なく
コスト
より安く
スピード
より速く

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6

光リソグラフィの要素技術
設計

マスク製造

露光

光源
g線、i線: 水銀ランプ
KrF、ArF: エキシマレーザ

露光光

スキャン

投影レンズ

トラック（塗布・現像）
レジスト
（感光剤）

計測・制御

ウェハ

アライメントスキャン高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation

7

リソグラフィ技術の変遷
縮小投影露光

解像度・寸法

10μm

等倍密着
DNQ/ノボラックレジスト
露光

g線
波長:436nm高NA化 & 短波長化
i線
365nm

1μm

化学増幅型レジスト

超解像手法 / OPC

KrF
248nm

水銀ランプ

ArF
193nm

100nm

計算機リソグラフィ
ArF液浸 ダブル/マルチ
193nm パターニング 次世代技術
EUV(波長13.5nm)
インプリント
DSA
EB直描

10nm

エキシマレーザ
1980

1990

2000

2010

2020 (年)

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レイリーの式から計算した解像度
レイリーの式l
解像度＝k1
NA

次世代技術(実用化未了)

露光波長

NA

k1

解像度

436nm(g線)365nm(i線)
248nm(KrF)

0.6
0.65
0.86

0.75
0.6
0.31

550nm
350nm
90nm

193nm(ArF)
193nm(ArF)

0.93
1.35

0.31
0.26

65nm
38nm

13.5nm(EUV) 0.25
13.5nm(EUV) 0.33
13.5nm(EUV) 0.50

0.3
0.3
0.3

16nm
12nm
8nm

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スループット [WPH: Wafers/hour]

露光装置の処理能力(スループット)
光源パワーアップ
レジスト感度向上(低露光量化)
スキャンスピードアップ

光源パワー/露光量 [W/(mJ/cm2)]
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微細化のロードマップ

ITRS 2013より2020年以降Sub-10nmへ
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マルチパターニングによる微細化対応

Immersion
Single exp.

Doublepatterning

Quadruple
patterning
Octuplepatterning
ITRS 2013より

解像度＝k1λ(=193nm)
NA(=1.35)

光の延命で微細化に対応している状況
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ダブルパターニングとは
光露光における解像限界以下の微細なパターンを形成する技術。
ピッチスプリット(LELE)

側壁プロセス（SADP）

・光リソで露光可能な2枚のマスクに分割
・2回露光で分割パターンを合成

芯材（マスク）mask A

側壁つけて分
割

配線埋め込み入力

余分なパターンをトリミング

合成
mask B高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation 13

ダブルパターニング SADP
1st Exposure

P

P

P

2nd Exposure

ResistTrim process

Hard mask(HM)

SpacerHM
Etching

P/2

P/2 P/2

P/2

P/2 P/2

SADPは、露光が2倍になるだけでなく複雑なプロセス工程が付加されるので、プロセスコスト増大が課題。
T. Higashiki (Toshiba), Lithography Workshop 2007
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ダブルパターニング ピッチスプリットLELE
1st Exposure
ResistP

P

P

HM
Etching

ΔOL

CD1
CD2

レジスト

CD1 = CD － ΔOL
CD2 = CD ＋ ΔOL

2nd Exposure

Bottom Layer
Etching
P/2 P/2 P/2 P/2 P/2

重ね合わせ誤差ΔOLは
隣接パターンの寸法CD誤差になる。

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ダブルパターニングにおけるレイアウト分割
色分け
スティッチングなし
で色分け可能OK!

OK!

スティッチングは歩留まりに影響する恐れありNo!

S

スティッチング
S

2S

S

スティッチングありでも色分け不可

SADP

S

S

スティッチングあり
で色分け可能LELE

S

スティッチング
S

SS

コンフリクトS

No!
LELELE高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)No!

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ダブル/マルチパターニングにおける課題• コスト– 露光複数回によるパターニングコスト増大– プロセスステップ数増によるパターニングプロセスコスト増大• サイクルタイム– プロセスステップ数増によるTAT悪化• プロセス制御(重ね合わせ、寸法等)– 厳しい要求精度– 成膜、ドライエッチ含む複雑な制御が要求される• 検査・計測– 要求精度が厳しくなるに従いより高精度な検査・計測が必要

以上の課題を解決できる次世代技術の実用化に期待
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次世代リソグラフィ技術の現状と課題

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国際ロードマップ(ITRS)におけるリソグラフィ技術候補の変遷
ArF

F2

ArF i

ArF HI

DP

MP

PXL

EUV

IPL

EPL

NIL

ML2

DSA

6.Xnm

1992

250

250

180

180

180

130

1994

180

250

100

130

130

130

1997

130

130

130

130

130

130

1999

130

100

100

70

100

100

70

2001

110

90

65

65

65

90

65

2003

110

65

65

X

45

X

65

32

45

2005

90

X

65

45

X

32

45

2007

65

32

45

32

32

32

22

2009

45

X

32

22

32

22

22

16

22

22

22

22

22

16

14~

14~ 14-11 19-16 (<8)

2011

2013

45

30-20 19-16

高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)

11© 2015 Toshiba Corporation 19

ITRSにおけるリソグラフィ候補技術(MPU Fin/NAND)

30~20nm20~15nm15~11nm11~8nm

< 8nm

193nm DP

2015
15nm

2020
12nm

2025
7.5nm

193nm QP
193nm QPDSAEUV DP
Imprint
EUV DP
DSA
Imprint
ML2
EUV Extension
EUV DPEUV Extension
DSA Extension
Imprint
ML2
Innovation

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ITRSにおけるリソグラフィ候補技術(DRAM/MPU Metal)

30~20nm20~15nm

193nm DP

2015
24nm

2020
15nm

2025
10nm

193nm QP
EUV
DSA

15~11nm

193nm QPEUV DPEUV Extension
DSA
ML2
Imprint

11~8nm

EUV DPEUV Extension
DSA
ML2
Imprint< 8nm

EUV Extension
EUV QPDSA Extension
Imprint
ML2
Innovation
Innovation

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次世代リソグラフィ技術

Immersion
Single exp.

Doublepatterning

Quadruple
patterning
Octuplepatterning
ITRS 2013よりImmersion DP/MP

リソグラフィ技術

EUVL

EUVL extension

DSA(Directed Self assembly)
NIL(Nano Imprint Lithography)
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次世代リソグラフィ技術候補• ArF液浸マルチパターニング：従来の露光技術の延長– 現在使用の技術。ピッチスプリット、SAxP(側壁プロセス)の方式があるが、ともにプロセスが複雑で制御が難しい、工程数が長い、マスクが多い等課題がある。

• EUVL：波長13.5nmと非常に短い波長で高解像度– 光源パワーが低い。250W(2015年)の目標に対し80~110W。
– レジスト性能RLSトレードオフの克服。(RLS:解像度、ラインエッジラフネス、感度)– 露光機からマスクへのパーティクル汚染のためペリクルが必須であるが、現状量産で使用できるペリクルの開発未了。
– 無欠陥マスクのためのインフラ開発途上。

• DSAL：新しく提案されたボトムアップの技術– 欠陥とパターン位置精度が課題。他のリソグラフィとComplementary(補完的)な技術。

• ML2：マスクが不要– スループットと精度の両立が困難な状況。

• NIL：高価な露光装置が不要– 欠陥解決が最大の課題。
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2. EUVリソグラフィの概要
EUVリソグラフィの課題

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EUVリソグラフィ Extreme Ultra-Violet(極端紫外線)• 露光波長: 13.5nm– この波長領域で作成可能なミラーの波長から決定された• 光源– 現状、LPP(Laser Produced Plasma)方式が採用されている– これまではDPP(Discharged Produced Plasma)方式もあったが撤退– 2006年頃にFEL方式の光源の提案が行われたが、大規模すぎることから技術候補にならなかった経緯がある。最近、LPP光源のパワーアップの進捗が思わしくないこともあり、FEL光源が再び注目され始めた。

• 全反射光学系– 波長13.5nmで透明な光学レンズはないため、光学系は全て反射ミラーで形成– 反射ミラーはMo/Si(6.5~7nm)の多層膜で通常40ペア程度– ミラーの面精度は地球の大きさの真球に例えると、±1.5ｍｍの精度が必要
半径64000ｋｍ±1.5ｍｍ= 原子レベルの加工精度– 照明光学系＋反射マスク＋投影光学系で全12枚程度のミラーで構成– ミラーの反射率は約68% (例えば 0.68^12  0.98%)– 現状の最新装置のNA=0.33
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多層膜ミラーの反射率分布
1.0
Mo/Be
70%

反射率

0.8

Mo/Si
68%

0.6

0.4
0.2

0

11.0

12.0

13.0

波長 (nm)高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)

14.0
13.5

© 2015 Toshiba Corporation 26

EUV露光装置概略
スキャン

円弧露光フィールド

スキャン

マスク
照明光学系
中間集光点(光源パワーの基準点)(IF: Intermediate Focus)

LPP光源
1/4縮小投影光学系
現在のNA=0.33
スキャン

円弧露光フィールド
高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)

スキャン

ウェハ
© 2015 Toshiba Corporation 27

EUVリソグラフィ 国内開発プロジェクト
1985
1990

1986年~：当時NTTに在籍した木下博雄氏 (現:兵庫県立大学教授)らが
X線縮小投影露光の実験検証

Father of EUV lithographyと呼ばれている
1992~95年 SORTEC: ニコン、日立製作所がマスク、照明系、プロセスの開発

1995
2000

1998~2006年 ASET: プロセス、マスク、計測の基盤技術開発
2001~10年 MIRAI: マスク計測技術の開発
2002~11年 EUVA: 光源、露光装置、光学系計測の開発

2005
2010
2015

2003~07年 Leading PJ: 光源開発
2006~11年 Selete: ニコンフルフィールド露光機(α機)によるプロセス開発、マスク計測技術開発
2012年~ EIDEC: マスクインフラ、レジストの開発

2006年 ASML
フルフィールドα露光機ADT
2010年~ ASML
プレ量産露光機 3100
2013年~ ASML
量産露光機3300

2020年?? ASML
高NA量産露光機

2020
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EUVLの課題
2012 / 22hp

2013 / 22hp

2014 / 16hp

2015 / 16hp

1.Long-term reliable
source operation with

1.Long-term reliable
source operation with

1. Reliable source operation with > 75%

1. Reliable source operation with > 85%

a. 200 W at IF in 2014a. 125 W at IF in 2014

availability

availability

b. 500 W-1,000 W in2016

b. 250 W in 2015

‒ 125 W at IF in 1H / 2015 (at customer))‒ Expectation of 1500 average wafers
per day in 2016

‒ 250 W at IF in 1H / 2016 (HVM entry at
customer)

2. Mask yield & defectinspection/review
infrastructure

2. Defect free masks
through lifecycle &inspection/review
infrastructure

2. Resist resolution, sensitivity & LER
met simultaneously

2. Resist resolution, sensitivity & LER
met simultaneously‒ Progress insufficient to meet 2015
introduction target‒ Increased focus needed to
manufacturing performance(defectivity, pattern collapse,…)

3. Resist resolution,
sensitivity & LER
met simultaneously

3. Keeping mask
defect free

3. Mask yield & defect inspection/review

3. Mask yield & defect inspection/review- Availability of pellicle
mtg HVM req’t- Minimize defectadders during use• EUVL
manufacturing
integration

4. Resist resolution,
sensitivity & LER
met simultaneously

infrastructure

infrastructure‒ Enable high yield defect free mask
blank supply chain‒ Sustainability of mask tool supply
chain remains critical)

4. Keeping mask defect free
‒ Availability of pellicle mtg HVM req’t :need integrated industry strategy for4. Keeping mask defect free (by EUV
pellicle)‒ Pellicle demonstration in the field (on3300) required in 2016

solution‒Minimize defect adders during use

Ranked by 14th International EUVL Symposium Program Steering Committee, Maastricht, October 7, 2015
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#1 EUV光源: LPP(Laser Produced Plasma)光源
露光装置

Sn液滴

プレパスルレーザ

中間集光点 IF
(Intermediate Focus)

コレクタミラーHigh power drive laser (CO2 laser)
Main
Main
Main
PreOscillator
Amplifier Amplifier Amplifier Amplifier
IFパワー 250W仕様
プレパスルレーザ: YAGレーザ 100W 等
メインパスルレーザ: CO2レーザ 25~30kW
EUV発光周波数: 100kHz

CO2レーザエネルギーEUV光変換効率(CE)=4~5%程度

高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation 30

#1 EUV光源: LPP(Laser Produced Plasma)光源
プレパスルレーザ

Sn液滴(Max 120kHz)
プレパスルレーザ

メインパスルレーザ

H2

中間集光点 IFSn液滴
(球)
約20μmΦ

プラズマ(Intermediate Focus)

メインパルスレーザ

円盤

H2

デブリ

コレクタミラー
IFパワー 250W仕様
プレパスルレーザ: YAGレーザ 100W 等
メインパスルレーザ: CO2レーザ 25~30kW
EUV発光周波数: 100kHz

高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)

プラズマ
プラズマ

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EUV光源の開発
光源パワーアップ推移
500

450

Source Power (W)

400

稼働率

350

55%

70%

80%

90%

300
250

従来目標
250W,125wph

計画遅延

200

EUV光源メーカの信用は失墜している

150
100
80-90W50

現状の到達レベル

0 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q42009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
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#1 EUV光源：目標の250Wにまだ遠い
LPP(Laser Produced Plasma)方式• 2015年250W@IFの目標に対し、現在の安定出力は80W
目標の1/3レベル(現状：55~60%、チャンピオンデータ70%)• 課題：安定化・高出力化

ASMLでは安定化を優先させて開発中
現状実験機で130W(1時間程度連続運転)~183W:露光量制御スペックアウトで2分間のため到達したとは言えず– プレパルス方式導入とCO2レーザのパワーアップ等で高出力化予定– 高出力化による熱対策– ドロップレット安定化– デブリ対策– コレクタミラー長寿命化– ランニングコスト低減– 稼働率改善(目標95%以上)• 250W以上パワーアップの可能性？？
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#2 EUV レジスト; 開発が遅延• RLS トレードオフ：RLSを同時達成が必要– 解像度(R): ≤16nm LS• 14nm LS(NA=0.33)~k1=0.34(化学増幅レジスト)~但しラフネス悪い
13nm LS(NA=0.33)~ ~k1=0.32(金属錯体レジスト)~但し感度悪い– ライン幅ラフネス(LWR):目標≤3nm
その他の要求• 現状、16nm LSで>5nm
アウトガス• 追加プロセス等で短周期ラフネスは改善
エッチング耐性• 長周期ラフネスは低減困難

R:解像度

パターン倒れ– 感度(S): 目標≤20mJ/cm2

安定性• 化学増幅では50mJ/cm2レベル

L:LWR

S:感度

現状、全ての要求を満たすレジストはない
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#2 EUV レジスト

Optimum dose (mJ/cm2)• RLSトレードオフの克服は遅れるほど微細化が進み、より難しく。
 化学増幅レジスト: ラフネスの改善困難
 金属錯体レジスト: 低感度 (>60mJ/cm2)100

化学増幅レジストのパターニング例

50
00

10 20 30
L&S hp (nm)パターン寸法と最適露光量(現レジスト)

ショットノイズの影響を低減させるため、微細寸法ほど多くの露光量が要求される。
つまり、高出力光源がレジスト材料のブレークスルーが必要。
必要であるということ
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#3 EUVマスクインフラ整備; ほぼ予定通り進捗• マスクブランク検査装置 13.5nm波長による計測– EUV波長 (EIDEC/Lasertec)– DUV波長 (KLA-Tencor)• マスクパターン検査– DUV波長（Nuflare、KLA-Tencor等）– EB (AMAT、KLA-Tencor、EIDEC/EBARA等)– 13.5nm波長 (KLA-Tencor等):ペリクル貼り付け後の検査に必要• 空間像計測 13.5nm波長による計測– EUV AIMS (Carl Zeiss)

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反射型EUVマスク
静電チャック
導電膜

低熱膨張ガラス (LTEM)
多層膜(Si 4nm/Mo 3nm) X40層

バッファ層
（Ru)
光吸収膜
（TaBN)高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation 37

マスク・シャドウイング効果• 照明光は6度でマスクに入射光吸収膜は高さがあるため、パターンの方向により影が発生
マスクで形成した吸収膜のサイズは影を考慮して形成
影

光吸収膜

高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation 38

EUVマスク構造と課題
欠陥

欠陥
コンタミ

パーティクルペリクル

吸収膜欠陥“clear”

光吸収膜

TaBN
約50nm

バッファ層

Ru等
数nm

埋没パーティクル

多層膜

Mo/Si
280nm

多層膜欠陥
(位相欠陥)

Low Thermal
Expansion Material“opaque”

欠陥(LTEM)
裏面コーティング

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#4 EUVマスク欠陥対策• 露光機内のパーティクル対策– 現状ゼロでないことが報告されている• EUVペリクル：開発中(フルフィールド材料透過率未達)– ASMLを中心に開発中 ポリSi膜、グラフェン等– 要求項目• EUV光の透過率： >90% (往復で>81%)• サイズ：110.7 x144.1 mm2:inner / 118.0 x150.7mm2:outer• EUV耐光性：5W/cm2 (=250W光源の場合)• 寿命(EUV+H2環境) >315時間• 最大加速度：100 m/s2
• EUV透過率均一性 ばらつき<0.2% (寸法への影響 < 0.1nm相当)• ペリクル局所角度< 300 mrad
• ペリクルフレーム・スタンドオフ距離 2±0.5mm– 熱対策必要高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation 40

波長6.8nmのEUVLについて• リソグラフィ性能(解像力向上、焦点深度拡大等)は改善するが、困難な技術課題も多い。
– 多層膜ミラー(LaN/B4C)• 反射のバンド幅FWHMは 0.06nm(13.5nmの1/10)、反射角度範囲は13.5nmの1/3以下と極端に小さくなってしまう。
• 理論値(~75%)と比べ、実験値ではかなり低いミラー反射率(~約45%)しか得られていない。
• 界面粗さや界面拡散層に対してより敏感になる。
– EUV光源• 高融点金属ターゲット(Tb, Gd)?
• FEL?
– フレア• フレアは波長の二乗に反比例して大きくなる。
• ミラーのMSFR(Mid spatial frequency roughness)とHSFR(Highspatial frequency roughness)の更なる改善が必要
高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation 41

高NA-EUVリソグラフィ

高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation 42

EUVリソグラフィ技術トレンド2012 2013 2014 2015 2016

NA=0.25

EUV
スキャナ
課題

EUV光源

40W

LPP

NA=0.3380W

光源パワーアップ、CoO低減

EUVマスクインフラ

2020~

250W

High NA

500W

LPP>1kW 高NAマスク倍率とLPP

フィールドサイズ

第1目標

16nm対応11nm対応<11nm対応

ペリクル開発、マスクインフラ微細化対応

EUVレジスト

16nm

11nm

<11nm
<11nm プロセス開発

RLS(解像度・LWR・感度)トレードオフ改善
パターン倒れ防止技術
レジスト高NA対応: 無機レジスト等
コンソーシアム

SADP/DSA併用

EIDEC (13nm11nm/7nm)
高NA(=0.5) 小フィールド露光機による開発
EUVL導入の第1目標

ロジック(node/hp)
ITRS

NANDフラッシュメモリ

20/40nm

14/32nm

18nm 17nm

15nm

10/28nm
14nm

13nm

7/22nm
12nm

将来メモリ
高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)

5/18nm8nm© 2015 Toshiba Corporation 43

EUVにおける限界解像度
レイリーの式

解像度(nm)＝k1
k1
NA
0.25
0.30
0.33
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70

l
NA

0.40
21.6
18.0
16.4
15.4
13.5
12.0
10.8
9.8
9.0
8.3
7.7

l :
NA :
k1 :

露光波長
Numerical Aperture(レンズ開口数)
プロセス定数[物理的に0.25以上]

0.34

0.31

0.26

EUVレジスト(LS)レベル

ArFレジスト(2D)レベル

ArFレジスト(LS)レベル

18.4
15.3
13.9
13.1
11.5
10.2
9.2
8.3
7.7
7.1
6.6

16.7
14.0
12.7
12.0
10.5
9.3
8.4
7.6
7.0
6.4
6.0

14.0
11.7
10.6
10.0
8.8
7.8
7.0
6.4
5.9
5.4
5.0

光学的にSub-10nmパターニングのポテンシャル
高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation 44

高NA-EUVにおける光学系
高NA

低NA
吸収帯
マスク
照明光

(≥0.42~0.43)

対策案1) CRAを6°よりも大きくする。
マスク3D効果に起因したデフォーカス時パターン
シフトが発生。
困難

反射光

EUV mask

主光線入射角(CRA)=6度

6度

照明光と反射光が重なる

EUV light

対策案2)縮小投影倍率を1/4から1/5~1/8へ変更する。
CRAは6°レベルを維持。
2-1)マスクサイズ拡大(9インチ化)(懸念:マスクインフラ開発、マ
スクステージ大型化)
困難2-2)露光フィールド1/2~1/4化 =縮小投影倍率1/5~1/8
スループット低下対策必要
高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)

High NA(resolution)
Full-field(TPT)
6” maskASML提案
スキャン方向8X
非スキャン方向4X
フィールドサイズ1/2© 2015 Toshiba Corporation 45

高NA-EUVにおけるレジスト• RLSトレードオフ– 化学増幅レジストにおけるラフネス低減が困難。ポスト・プロセスによりラフネスの高周波成分の改善が可能であるが、低周波成分の対応困難。
– 微細寸法ではショットノイズの影響増大のためさらにラフネスが悪化、より多くの露光量が要求される。
– 高NA領域では特に解像度が要求されるため、レジスト感度が犠牲になる可能性あり。

• 新プラットフォーム材料– Inpria等の無機レジストにおいては、レジスト感度が低いが、限界解像力のポ
テンシャルはサブ10nmと比較的高く、期待される。
– ナノパーティクル・レジストは、非常に感度が高いものの、解像力改善が必要。
– レジスト材料の革新・ブレークスルーが望まれる。

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高NA-EUVにおける露光装置・光源• 露光装置– 高NAのEUV露光装置は現状よりさらに高価になることが懸念されるが、スルー
プット・高稼働への要求が非常に高くなる。
– ½ ~ ¼フィールドの可能性があるが、処理能力の低下を最低限にするために高速ステージや高出力光源が要求される。

• 将来の高NA-EUV光源には500W~1kW以上必要か– 光源の高出力化のためのミラー・マスク・ペリクル等光学系の耐久性・熱対策。
– 高稼働率が要求されるため、メンテナンス時間の短縮、部品・モジュールの高寿
命化等の対応が必要。
– EUV光源向けXFEL(X線自由電子レーザ)の検討も開始されている。

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EUV光源の開発
光源パワーアップ推移
500

1kW@2020年~(XFEL?)
500W 250wph

最新のTarget

450

Source Power (W)

400

稼働率

350

55%

70%

80%

90%

300
250

従来目標
250W,125wph

計画遅延

200
150
100
80-90W50

現状の到達レベル

0 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q42009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
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EUV光源向けX線自由電子レーザの課題
 Proof of concept; 13.5 nm波長かつ10kW以上の出力のFELに向けて 365D/24Hフル稼働(稼働率>95%)
 ウェハコストへの影響
 消費電力 施設のサイズ

 開発期間 高コヒーレンス(スペックル・ノイズ)・高ピークパワー光(ダメージ)高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation 49

次世代高出力EUV光源：X線自由電子レーザ
電子銃

超伝導加速空洞ビームダンプ

液体He冷却プラント

ERL (Energy Recovery LINAC)

FEL パラメータ
最適化

λ=13.5nm
アンジュレータ

大きさ : >~100m

10kW以上の高出力EUV光源の可能性(複数台のスキャナ向け)
13.5nm波長における高出力光源は前例なし。開発に長期間を要する。
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高パワーEUV-FEL光源を用いた光学系
 高パワー光のビームスプリッター、複数のスキャナまでのつなぎ光学系
 ピークパワー低減技術(パルス・ストレッチ)
 反射光学系におけるコヒーレンス低減技術
 1kWレベルのEUV光への耐性(多層膜ミラー、マスク、ペリクル等)
Beam splitter,
pulse stretcher& transportsystem

#1

#2

#3

#4

#5

#6

#7

#8

#9

#10

Scanner

XFEL
size~100 m

10 scanners
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EUV光源向けX線自由電子レーザの課題
 Proof of concept; 13.5 nm波長かつ10kW以上の出力のFELに向けて 何らかのエビデンス、試作実験装置等が欲しいところだが・・・。
 365D/24Hフル稼働(稼働率>95%)
 リダンダンシ・システムが必須となる。
 ウェハコストへの影響 スキャナ1台で比較すると、LPP光源よりも安価であることが期待される。
LPP光源のコスト削減次第であるため、詳細検討を要す。
 消費電力 スキャナ1台で比較すると、 ERL導入でLPP光源より少ないことが期待される。
 施設のサイズ
 100mレベルの大きな施設になる。
 開発期間 5年レベルの長期間になる。
 高コヒーレンス(スペックル・ノイズ)・高ピークパワー光(光学部材ダメージ) 反射光学系における対応が必要。

EUV-FELの実用化のためには、長期的な視点に立った十分な議論・検討が必要である。
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半導体向けEUVリソグラフィ・コミュニティの状況• EUVリソグラフィにおいて、露光機メーカはASML(オランダ)の1社のみの状況。(かつてはニコン、キヤノンも開発) 一方でレジスト等の材料メーカは日本が強い。
• 最新のEUV露光機NXE:3300はINTELやTSMC等のロジックLSIを中心としたチップメーカやコンソーシアムがオーダーした模様。これまで7台がユーザに出荷済み、５台は出荷のため製作中。ただし、光源パワーが低く、稼働率も低いため、量産への適用は困難な状況。必要な光源
パワーは応用分野(メモリ、ロジック等)によって異なる状況。
• 現状の光源であるLPPの開発はASMLの子会社サイマー(米)とギガフォトン(日)の2社で行われている。光源開発はサイマーが先行。これまで開発遅延が続いており、光源メーカの信用は地に落ちている。そのため、業界としては光源に関して非常に慎重な姿勢になっている。
• ロジックLSIメーカはペリクルが必須という認識であるが、従来のp-Si系材料では露光による発熱
により異物を核に破壊することが判明。現状、100W以上の光源に対応できるペリクル材料を探索している段階。
• これまで日本の国プロにおいてEUV光源開発を行ってきたが、未だ実用化には至っていない。そのため、今後新たに国プロを立ち上げることは簡単でないと推測される。
• 光源開発は露光機メーカの協力無しでは進まないが、2012年に6.Xnm波長でのEUV向け
FEL光源の発表をした後は、ASMLは公の場でFELについてのコメントをしていない。まずはLPP
光源の量産化を優先させていると推測。
• 最近のリソグラフィ国際会議においては、チップメーカとしてロジックファンダリ会社の
GlobalFounfriesがXFEL光源の発表を行っている。
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EUVLシンポジウム2015(10/5~7)の状況• 光源– ユーザー実績で平均パワー60W、1台で80W。稼働率は平均55-60%で1台
70%。
– ASML実験機で130W・1時間– 2015年~2016年1Hの250W達成はかなり難しい状況• レジスト– 化学増幅レジストは高感度技術開発が進み、25~30mJ/cm2レベルに。
– 新プラットフォームは量産適用性を改善中。
• ペリクル– 従来p-Si系材料では80W光源で破壊発生。
– 現在、高パワー光源向け材料探索中(グラフェン等)。
• マスク– ブランク欠陥数は使用可能レベルの10個以下レベルに到達– ペリクル付マスク検査装置の開発必要
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4. まとめ高エネルギー加速器科学研究奨励会 (10/16/2015, アルカディア市ヶ谷)© 2015 Toshiba Corporation 55

次世代リソグラフィ技術
13

14

15

16

17 18~

引き続き微細化・3D化を推進

A19nm
15nm

NAND (2D-cell)

BiCS

Post NAND (3D-cell)

Cross Point 3D ReRAM

Post-post NAND
コスト高騰、TAT悪化

New memory

ArF 液浸の延命
研究開発

量産

光源、マスク欠陥、レジスト

EUVL

低コスト化
次世代EUVL
X線自由電子レーザ光源

リソグラフィ

次世代NIL

欠陥、重ね精度

NIL

欠陥、重ね精度

DSA*(+EUVL/NIL)*DSA: Directed Self Assembly 誘導自己組織化

コスト効率のよい技術を採用
高エネルギー加速器セミナー OHO‘15 (9/3/2015, 高エネルギー加速器研究機構)© 2015 Toshiba Corporation 56

まとめ• デバイススケーリングに対応するため、ArF液浸リソグラフィのダブル・パ
ターニング、そしてマルチ・パターニングにより対応している。これらはプロセス制御が難しく、工程数が多くて工期も長いため、適切なCoOを有する次世代リソグラフィ(NGL)の実用化が切望されている。
• NGLのなかで、波長が短く高解像性が期待できるEUVリソグラフィ
が最有力候補である。光源パワーアップが最大の課題であるが、レジスト開発の課題も顕在化してきた。さらに、コストについての考慮も重要である。

• 高出力かつ低コストが期待される次世代EUV光源として、FELが再度脚光を浴びてきている。今後の実用化のためには技術的な観点のみならず、様々な環境要因を加味した上で、業界を挙げた長期的な開発ストーリー構築・合意が必要となる。
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2015/10/19

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