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パターニング

パターニングはトランジスタが今日のサイズまでに縮小されたスケーリングの真髄であり、 現代の電子デバイスの価格を求めやすいレベルに引き下げることに貢献しています。結果として、パターニングはまた、半導体製造テクノロジーの背景にある多数の発展を牽引しています。

1975年に、インテル社の共同創設者であるゴードン・E. ムーアは 、1958年の集積回路の発明以来、回路におけるコンポーネントの数は毎年2倍の早さで増え続けていると語りました。ムーアは、この傾向は次の10年間も継続されると予測しました。ムーアの予測は半導体業界に量産向けの研究開発において”ロードマップ”として採り入れられ、今日も継続されています。これには、パターニングテクノロジーが大きく貢献しています。パターニングテクノロジーは、メーカーが回路やコンポーネントの限界寸法をスケールダウンし続け、シリコンウェーハのユニットエリアごとの機能を増強することを可能にしました。
 
パターニングは、デバイス製造プロセスの特定のステップにおいて、フォトリソグラフィーと光学マスクのプロセスを使用し、ウェーハ上に成膜した材料を除去してパターンを印刷します。デバイスの各層では、マスクで覆われていない領域で材料が成膜および除去され、次の層でまた新しいマスクが使用されます。ウェーハはこのような方法で繰り返し処理され、複数層の回路が形成されます。
 
数年にわたって電子デバイスへのさらなる高性能化への要求が高まり、チップメーカーはこの性能を牽引するトランジスタを、ウェーハ上により多く詰め込むことで応えました。このことは、パターニングされたトランジスタや配線の寸法は縮小し続けていることを意味します。また、形状が小さくなるに連れ、より多くの回路を各ウェーハに作成することができ、より高速かつ低消費電力のトランジスタを達成しつつ、低価格に抑えることができました。トランジスタ当たりのコストが下がることにより、より多くの機能を搭載したチップがコンシューマ機器を手頃な価格で提供できるコストで製造可能になります。このような継続的な価格低下が、携帯電話、タブレット、ネットブック、ビデオゲームや3Dテレビといった、製品の高性能化と需要を確実に後押ししています。
 
ウェーハ上で何世代にもわたり微細化を続けるためには、フォトリソグラフィー自体も進化しなければなりませんでした。45nm以降へとスケーリングが進むに連れ、深紫外線フォトリソグラフィーの波長は248nmから193nmに短縮され、液浸リソグラフィーは”乾式”フォトリソグラフィーに置き換えられました。これにより、解像度が30〜40%向上し、プロセスで採用されるわずかな波長の寸法でパターニングが可能になりました。今日では、このようなダブル、およびクアドルプルパターニング技術が、液浸リソグラフィーの解像度を拡張するために採用されています。ダブルパターニングは22nmまでのスケーリングを可能にし、クアッドパターニングでは10nmの形状まで可能になると予測されています。
 

アプライド マテリアルズが果たす役割とは?

アプライド マテリアルズは、半導体製造装置メーカーのリーダーとして、パターンのデバイス構造への移植を可能にします。アプライド マテリアルズの装置は、お客様がフォトリソグラフィー工程で使用するマスクのエッチングを可能にします。成膜、エッチング、およびウェーハ上のパターンに沿った関連プロセス、そしてマスクおよびウェーハを精査し、高品質のパターニングと付随するウェーハ上の性能を確保します。アプライド マテリアルズの装置とプロセスは、縮小し続けるパターン寸法からの数々の課題に応えるため、進化し続けています。
 
 
パターンがより小さくなるに連れ、マスクのパターンを精確に移植することは困難になり、これをエッチングする技術はより高度になりました。マスクを確実に欠陥がない状態にすることは、ウェーハ上にマスク欠陥を再現することでコストに響く廃棄処分を避けるため、特に高額なチップにおいて非常に重要です。フィーチャが縮小してアスペクト比(直径と深さの比率)が大きくなることにより、ウェーハ上のプロセスもより困難なスペックへの課題に対応しなければなりませんでした。究極的なデバイス性能を最適化するには、エッチングプロセスが必要です。エッチングは例えば、さまざまな膜のタイプを通して、精確なプロファイルの作成、均一なフィーチャ幅、スペース(CD均一性と呼ばれる)、なめらかな端部(例:ラインエッジラフネスがない)を生成します。この性能は、ウェーハ全体で精確に再現され、また一度に何千ものウェーハで繰り返されなければなりません。14nmノードの場合、フィーチャは原子20個分の幅で、 原子40個分の間隔となり、これらの要求を満たすためには並外れた精度と再現性の制御が必要です。次の数年でトランジスタが3Dデザインに移行するに伴い、エッチングプロセスはさまざまな深度の同時エッチングといった、複雑な新しい課題に直面します。
 
このようなエッチング精度を実現可能にするために、フォトレジストとハードマスク材料は、選択制、プロファイル制御、LER(ラインエッジラフネス)の観点から最先端のパターニングを可能にする、解像度の向上や強度を提供できるように進化しています。10年前に、より大きな形状に使用された厚い有機ポリマーフォトレジスト層(500nm以下)は、全膜厚を50%削減しながら強度が向上した複数層レジストに次第に置き換えられています。また、193nmリソグラフィー向けの新しいレジスト組成は、プラズマに対して脆く、変質や変形しやすいということが証明されました。このパターンエッジ完成度の損失が、より高いフィーチャ密度と統合性の達成を困難にしています。この問題は、有機およびメタルハードマスクで解決可能です。これらのうちのひとつが、アプライド マテリアルズが開拓した画期的なアモルファスカーボンハードマスクテクノロジーです。フォトレジストより堅牢で密着性の高い先進パターニング膜(APF)である同製品群は、小さなフィーチャや高いアスペクト比構造向けに、業界で幅広く採用されています。また、その高い選択制、優れたCD制御、無視できる程度のLER(ラインエッジラフネス)により、アプライド マテリアルズが開発の草分けとなる、自己整合型ダブルパターニングを可能にします。回路を構成するビアやトレンチを充填するプロセスも、欠陥のない成膜を可能にするために進化しました。アスペクト比が向上するに連れ、成膜しなければならない膜の開口部が縮小しつつあることが、課題となっています。この課題に応え、化学気相成長(CVD)は、より均一な膜を生成できるように進化しました。スパッタリングによって成膜する物理気相成長は、10nmまでこのテクノロジーを拡張する熱プロセスの採用により、ビアの側壁と底部において、要求されるカバレージを達成するように改良されました。
 
このような極小のフィーチャ形成に加え、アプライド マテリアルズのプロセスはまた、これらの膜の物理的統合性も維持します。いくつかのプロセスは、デバイス製造の前段階のステップにおいて、結晶のラティス構造を復元し、強化します。他のプロセス(酸化除去など)は次のステップのために、表面の清浄性を確保します。
 
プロセス品質モニタリングは、アプライド マテリアルズの検査・分析システムの役割です。パターニングとフィーチャ形状が縮小するに連れ、早期のテクノロジーノードでは問題にならなかった欠陥が致命的な欠陥となり、歩留まりを制限する大きな要因となっています。アプライド マテリアルズは、検査装置の解像度と画像処理性能を改善し続け、多次元画像処理と多岐にわたる光源条件の提供を可能にしました。インラインでウェーハ上のプロセスが可能なこれらの装置は、デバイス製造のシークエンスにおいてウェーハを何度も検査し、プロセスやその他の要因で引き起こされる可能性のある欠陥を検知し、分析します。これらのシステムはプロセス条件や装置の迅速な修正を促し、このような欠陥の発生を最低限に抑え、お客様の望み通りの歩留まり達成に貢献します。