1nmが見えてきたスケーリング 「VLSI 2020」リポート：湯之上隆のナノフォーカス（27）（5/7 ページ）

[湯之上隆（微細加工研究所），EE Times Japan]

ASMLによるEUVの発表

　TSMCは、7nmから孔系にEUVを量産適用し始めた。今年2020年には、配線にもEUVを使って5nmを量産している。もはや、最先端の微細加工には、EUVは無くてはならない露光装置となった。

　EUVを製造できる装置メーカーはオランダのASML1社しかないが、その出荷状況を図15に示す。2019年Q1に、積算で31台出荷されたEUVスキャナー「NXE:3400シリーズ」は、2020年Q4に53台になった。そして、2020年第Q1に4台追加されたと書かれていることから合計57台となり、この1年間で26台出荷されたことが分かる。

図15：ASMLによるEUV露光装置の合計出荷台数 出典：Anthony Yen, ASML, “EUV Lithography and Its Application to Logic and Memory Devices”, VLSI 2020, SC1.5（クリックで拡大）

　ASMLのEUV製造キャパシテイが年間26台と聞いていたので、ASMLはフル稼働でEUVをつくり続けていることになる。そして、1年間に26台出荷されたが、そのうち20台はTSMCに導入されたとみている。TSMCは、今後も1年に20台以上のペースでEUVを導入していくとみられる。

　TSMCに追い付くことを宣言しているSamsungも、これと同等のペースでEUVを導入しようとする動きがある。開発開始から約20年の歳月を経て、まさにEUVの時代がやってきたと言えよう。

EUVの性能の進歩

　TSMCに量産適用されることにより、EUVの性能も向上してきている。図16は、「NXE:3400B」の稼働率を示している。2019年Q1の平均稼働率は約70％だったが、2020年Q1には10％向上して約85％に改善されている。

図16：ASMLのEUV露光装置（NXE:3400B）の稼働率 出典：Anthony Yen, ASML, “EUV Lithography and Its Application to Logic and Memory Devices”, VLSI 2020, SC1.5（クリックで拡大）

　この稼働率の改善に伴って、スループットも上昇している（図17）。2019年後半以降、1台1日当り、約1500枚の処理が可能になっている。1時間当たりのスループットは、約62枚になる。また、2020年Q1に最高値として1台1日当り、2700枚以上の処理が実現した。1時間当たりのスループットは、112枚になる。

図17：ASMLのEUV露光装置（NXE:3400B）のスループット 出典：Anthony Yen, ASML, “EUV Lithography and Its Application to Logic and Memory Devices”, VLSI 2020, SC1.5（クリックで拡大）

　ASMLによれば、EUVを使う工程は、7nmで5〜6レイヤー、5nmで10レイヤー以上、3nmで20レイヤー以上であるという（図18）。現在、TSMCでは、孔にEUVを使う7nmの月産ウエハー枚数が170K（K=千枚）、配線にもEUVを使う5nmが130Kであり、ほぼフル稼働状態であると聞いている。

図18：7nm、5nm、3nmのロジック半導体に何レイヤーEUVを使うか 出典：Anthony Yen, ASML, “EUV Lithography and Its Application to Logic and Memory Devices”, VLSI 2020, SC1.5（クリックで拡大）

　TSMCが20台のEUVを使っていると仮定して、1台当たりのスループットを計算してみよう。

• 7nmのEUV工程を5レイヤーとすると、EUV処理枚数は170K×5＝850K
• 5nmのEUV工程を10レイヤーとすると、EUV処理枚数は130K×10＝1300K
• 1カ月当たりのEUV処理枚数は、850K＋1300K＝2150K
• 1時間当たりのスループットは、2150K÷20台÷30日÷24時間×稼働率85％＝127枚

　図16で示したASMLの最大のスループットが、1日当り2700枚、1時間当たり112枚だった。TSMCで20台のEUVが稼働率85％で動いているとすると、1時間当たりのスループットが127枚となり、ほぼ同じ値になった。TSMCでのEUVの稼働状況が、感覚的につかめたのではないだろうか。

次世代EUV露光装置

　露光装置における解像度は、次のレイリーの式で表される。

　R＝K1／λ・NA

　λは光の波長で、NAはレンズの開口数である。現在稼働しているEUVは、λ＝13.5nmで、NA＝0.33である。次世代のEUV露光装置では、λは13.5nmのままだが、レンズの開口数がNA＝0.55と大きくなる。その結果、解像度Rが向上する。

　NA＝0.55のEUV露光装置は、図19のように巨大化する。しかし、NAを大きくすることによって、より微細なパタンが形成できる。図20は、バークレーにあるThe Center for X-ray Optics（CXRO）のNA＝0.5のEUV露光装置で、米Inpriaの無機レジストをパターニングした結果である。Line & Spaceでは、ハーフピッチ（hp）で8nmが（かろうじてだが）解像できている。他にも、微細なピラーやティップパタンが形成できている。高NA化したEUV露光装置を使えば、より微細なパタンが形成できる期待が持てる。NA＝0.55のEUV露光装置のリリースは、2021年以降になる見込みである。

図19：次世代EUV露光装置（NAが0.3から0.55へ） 出典：Anthony Yen, ASML, “EUV Lithography and Its Application to Logic and Memory Devices”, VLSI 2020, SC1.5（クリックで拡大）

図20：NA0.5のEUV露光装置で無機レジストを使ったときの解像度 出典：Anthony Yen, ASML, “EUV Lithography and Its Application to Logic and Memory Devices”, VLSI 2020, SC1.5（クリックで拡大）