放射光第巻第号

()トピックス

X 線露光技術の現状
田口孝雄，松井技術研究組合

安次

超先端電子技術開発機構

Advances in Proximity X-ray Lithography
Takao TAGUCHI and Yasuji MATSUIAssociation of Super-Advanced Electronics Technologies (ASET )This article reviews recent progress of proximity x-ray lithography (PXL) Technology, emphasized theresults of ASET's program.
A newly developed EB mask writer (EBX3) and the writing processes have achieved the high accuracyof image-placement ＜10 nm and oritical dimension (CD) control ＜8 nm. X-ray masks with 100 nm densepatterns have been fabrloatedand demonstreated their performance.
Overlay accuracy of 30 nm incuding X-ray mask's error has been achieved with X-ray steppers, andshowed capability for 100 nm node device fabrioation. Extendibility of PXL to 70 nm-node or below will bediscussed.

.

はじめにX 線リソグラフィー（PXL; Proximity X-ray Lithography ） は 1972 年 に D. L. Spears と H. I. Smith1) に よ っ て
高解像性が実証されて以来，研究開発やデバイス試作の長い歴史を持 つ。その間 隆盛と沈滞 を繰り返し てきた。

PXL の原理を Fig. 1 に示す。従来の光リソグラフィーと
 X 線（～ 1 nm ）という極めて短い露の顕著な違いは，◯
 X 線マスクと転写ウエハを近接（ 10 
光波長，◯20 mm ）
 X 線を効率よく透過させる
設置した縦型ステッパー，◯
 等倍ための極薄膜（メンブレン）のマスク基板，そして◯Figure 1.

であるため，縮小系に比べてマスク上回路パターンが小さ

Principle of proximity X-ray lithography

い，ことに集約され，各々の装置や材料が検討，開発され要素技術研究所に進展した。これらの Proof-of-Lithogra-てきた。

80年代半ばまでには，米国では IBM, AT & T, Motoro-phy 実証に刺激され，90年代初めからコンパクトな SR 光la, Intel など，国内では NTT や主要半導体メーカ，また源を設置して（ NTT, IBM ，三菱），実用化を目指した研欧州では Fraunhofer 研究所などの主要プログラムが点光究が本格化した。その後，米国での PXL 研究は， DAR-源の X 線源や大型 SR (Synchrotron Radiation) リングをPA (Defense Advanced Research Projects Agency) 資金

Factoryが集中的に IBM に投下され，マスクライン， SR 光源と(KEK ) に専用ビームラインを設置，半導体メーカが研究SVG 社製ステッパーを有す転写施設が運営されてきた。

開発を進めた。更に官民出資によりソルテックが設立され

PXL の解像度（＜100 nm ）は従来デバイスのパターン

利 用 し て 研 究 を 開 始 し た 。 日 本 で は Photon

技術研究組合超先端電子技術開発機構厚木研究センタ 〒2430198 神奈川県厚木市森の里若宮 31
TEL: 046
247
3721 FAX: 0462473708 E-mail: ttaguchi＠aset.mx7.mesh.ne.jp

NTT 厚木研究開発センタ内――(C) 2001 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第巻第号()

サイズに比べ充分であったため，デバイス試作の検討も初期より開始されていた。ASET 開始前には，'95 に三菱の0.14 mm DRAM のセル試作2)，'96には東芝/NTT による0.12 mm DRAM の電気特性評価3) などが発表され， X 線マスクとステッパーを高精度化して，すぐにもデバイス試作にとりかかろうという機運が満ちていた。そこでウエハ対応のASET では NTT の技術をベースにした 8 ″ステッパー XS1 を導入すること，及びマスク製作でキーとなる EB 描画装置の開発に重点を置くこととなった。なお，X 線マスクそのものは NTTAT からの供給を前提とし，参画各社（NEC，東芝，日立，富士通，三菱，NTT

AT ）では吸収体材料やマスクプロセスの高度化を競合しFigure 2.

Proximity X-ray lithpgraphy R & D program at ASET.て進めることになった。なお，米国では総合的な纏めの成果として，'98に IBM より0.175 mm ルールの 1GDRAM,

PowerPC の試作が発表されている4)。しかし，当時においてはステッパーのアライメント精度，及びマスクの位置精度が不十分であり，かなり重ね合わせに余裕を持たせた構成となっている。すなわち， PXL 技術では，マスクも含めた総合重ね合わせ精度を実現することが最重要課題であった。
本稿では ASET での研究成果を中心に X 線露光技術の現状を紹介する。
Figure 3.

.

X-ray stepper XS1.

PXL の現状

ASET は高度情報化時代を実現する高性能半導体を製アライメント精度（＜20 nm）が得られた。

造するために次代の超微細加工の基盤技術研究を促進するためのプロジェクトである。その 1 テーマとして PXL は

◯

250 nm ル ー ル の 64M DRAM 実 デ バ イ ス パ タ ー

0.13 0.10 mm を目指した研究が '96 よりスタートした。

ン6) や 140 nm ル ー ル の 1G DRAM 相 当 の 高 密 度 パ

PXL 研究の研究スケジュールを Fig. 2 に示す。

ターン7)，及び100 nm トランジスタパターン8)を転写し，寸法精度 812 nm（3s），総合重ね合わせ精度25

. 露光システム

45 nm を得た。また， 90 nm レベルでトランジスタ動作が確認された9)。

ステッパー XS 1 は '96 中ごろに NTT 技術をベースにして製作され，年度末にはクリーンルームに導入されて，

◯

光学シミュレーションを用い， X 線露光の解像性

NTT との共同研究が開始された。装置外観を Fig. 3 に示

能を ArF や F2 レーザを用いた光リソグラフィーと比す。'97初期には解像度70 nm や100 nm パターンの形成に較し，転写のパターン忠実性やプロセス裕度に優るこ成功し，解像性能の良好なことをアピールできた。また，とを確認した10)。

'98 年には各種基板上でアライメントの目標精度 20 nm を の転写精度は 130 nm デバイスの量産スペックを特に◯達成した。その後の技術進展は順調であり， '99 初めには満足し，ベスト値は100 nm 仕様を達成しており，当面の「ウエハ温度の調整」という簡便な倍率補正法を新開発し，100 nm デバイスの試作に活用できるレベルにあると考え2 枚の評価用マスクを用いた総合重ね合わせで 100 nm デる。

バイスの量産仕様である35 nm の精度を達成した5)。

更に ASET では， b 機に相当するキヤノン製ステッパ

この結果を受けて，'99 年には参画各社（NEC，東芝，（ XRA ステッパ）を導入した。外観と構成を Fig. 4 に示

日立，富士通，三菱， NTT AT ）の協力のもとに， LSIす。高スループットを目指したグローバルアライメント方

デバイスパターンを用いた転写精度評価や光リソグラフ式と重ね合わせ精度向上のためのマスクへの外力印加方式

ィーとの解像性比較など，各種の切り口から PXL 技術のによる倍率補正機能を有している。100 nm の 4GDRAM

総合評価（＝技術実証）を行った。内容と結果の概要は以相当ゲート，及びコンタクトホールマスクを用いた転写評

下の通りである。

価では，10 nm 以下の寸法制御性（Fig. 5）や30 nm 以下

◯

CMP 基板のような難アライメントとされている下の重ねあわせ精度を達成している11)。

地においても，通常の SiO2 基板などと同等な良好な――放射光第巻第号

Figure 4.

()Photograph and constitution of X-ray stepper XRA.
Figure 6.
writer.

Speciˆcation, targets and photograph of EBX3 mask

Figure 7.

Photograph of 4GDRAM gate X-ray mask.

Figure 5. SEM photograph and CD data of printed 4GDRAM(100 nm) patterns with XRA stepper.

. EB 描画装置

100 nm ノードの 1 対 1 マスクに見合う精度の X 線マス
ク描画用 EB 露光装置開発は，最も重要且つ困難な課題であったが，電子鏡筒，次いで偏向系やステージなどの製作，調整がほぼスケジュール通り進捗し，'99 2 月末に納入されて NTT との共同研究を開始した。加速電圧 100kV ，ビーム電流密度は 50 A / cm2 ，解像性 50 nm ，ビームFigure 8.

Image placement and CD data of 4GDRAM gate mask.

アドレス単位 1 nm の性能を有する。電子ビーム描画装置

EBX3 の外観及び仕様を Fig. 6 に示す。描画の位置精度の向上を図るために，マスクの無歪保持機構の開発や温度術実証用のパターン描画を本格化し，更に IBM との共同管理および描画誤差要因分析，ビームドリフト補正と描画

評 価 も 開 始 し た 。 4G DRAM 相 当 の 100 nm パ タ ー ン

歪補正の最適化を行った。寸法精度に関しては，メンブレ（ Fig. 7, 8 ），及び IBM の SRAM パターンの描画精度とン描画時の近接効果評価，透過電子の散乱抑制制御およびして，いずれも位置精度 10 15 nm ，寸法均一性＜ 10 nm

レジストプロセスの最適化を行った。EB 装置の高精度化を達成している。

は非常に順調に進み，中間目標の描画位置精度20 nm を達成し，上記技術実証用のマスク試作にも一部適用して，1

. マスク材料とプロセス

Gb 相当の高集積パターン描画において描画位置精度＜15X 線マスクの高精度化には欠かせないテーマである。

nm ，寸法精度＜ 10 nm （いずれも 3s）を達成した。位置

特に吸収体エッチング時の応力変化に対応して，パターン精度に関してはベストデータとして X; 5.6 nm, Y; 8.4 nm

位置の歪みが生じる。この歪みは EB 描画時に補正できる( 3a ) と最終目標を大幅にクリヤする結果も得られていが，高精度化のためには歪みを小さくすること，プロセス

る12,13)。の再現性を上げることが重要となる。今回，吸収体応力の2000 年 4 月からは描画精度の向上を図るとともに，フ安定性や SiC メンブレンの厚膜化による剛性の改善などレーム付きメンブレンマスク無歪保持機構の適用によりを行い，エッチング歪みを最小化した。この材料を用いてXRA ステッパ用マスク描画を行い，マスクプロセスや技4G DRAM のゲート層，及びコンタクト層のマスクを各――

放射光4 枚試作し，位置精度 13 20 nm を得た14) 。マスク間の相.

対位置精度が特に良好（～10 nm ）であり，これは 50 nm

第巻第号()

おわりにPXL は ASET がスタートしてから現在に至る 5 年間で飛躍的な進歩を遂げ， 100 nm パターンを高精度に転写でデバイスに要求される値に相当する。

きるレベルに到達した。他の露光技術ではまだその実証試
. nm 以降への拡張性

験の実施段階に到達していないもので，ロードマップを100 nm は PXL 技術の入り口であり，拡張性は広い。

キープする技術の本命として PXL を位置づける事ができ10 mm ギャップでは，Fig. 9 に示すように典型的な70 nmる。更には，50 nm 以下に及ぶ PXL の解像能力を持ってデバイスパターンの転写が可能である。光リソに比べて，すれば，ロードマップを前倒ししたデバイス試作やプロセマスク形状への忠実性やプロセスマージンも大きい。また，

ス技 術の研究 開発も可能 になる。また ，光源，ス テッ

70 nm 適用の際に，重ね合わせで問題となるアライメントパー，マスク，レジストなどの主要装置やキー材料を提供

精度に関しては，XS 1 で10 nm レベルの実績があり，マできる有力メーカが国内にあり，日本の半導体産業の大きスク間の合わせでも上述したように10 nm 程度が可能であな差別化技術になろう。

る。すなわち，現行装置で70 nm に対応可能と云える。

F2 レーザ露光や EUVL 等の技術も光リソグラフィーのPXL の解像限界についての算定を Fig. 10 に示す。 10後継として期待されているが，未だ要素技術開発の段階にmm ギャップで60 nm が解像できており，現行の露光波長あり，直ちにデバイス試作に適用することは困難で，量産（ 0.8 nm ）では 6 mm に狭ギャップ化して， 50 nm まで対への適用性を判断するにも今しばらくの時間がかかる。一応できる。最近，北山等15)により短波長化 PXL が検討さ

方 PXL 技術は，既に 100 nm パターンを高精度に転写でれており 0.5 nm まで短波長化すれば，現行の 10 mm ギャきるレベルに到達し，多量のウエハを露光できるリソグラップで 50 nm に対応でき，狭ギャップ化で 30 nm-node まフィー環境を構築しており，エッチングなどのプロセス技で使える，と提案されている。すなわち， PXL は一旦導術やモジュール評価による新材料の開発，及びテストデバ入されると，3 ～ 4 世代に亘って使える技術となり得るとイスの試作検証に必要となる微細パターンをいち早く提供期待される。

可能である。但し，PXL には X 線マスクの納期や欠陥の低減，ステッパーなどの主要装置の量産性・信頼性の確認など，量産技術としての課題も少なからず残されている。
これらの点は，多量ウエハへの露光や種々のデバイス試作に応用することによって，定量的に評価されるべきである。このような観点から，今後は PXL 装置を有効活用していくことが，次世代リソグラフィー技術の選定を的確に進める観点から非常に有意義であると考える。
謝辞
本稿で紹介した内容のうち， ASET の研究は通産省プロジェクト「超先端電子技術開発促進事業」の一環としてNEDO の委託を受け，また NTT との共同研究により実Figure 9.

70 nm device patterns (simulation and experiment).

施したものです。研究室メンバー及び関係者に感謝いたします。

参考文献
1)
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5)

Figure 10.

Resolution limit of PXL.

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