「SEMICON West 2016」、半導体露光技術の進化を振り返る（後編）：福田昭のデバイス通信（83）（2/2 ページ）

今回はステッパー（縮小投影分割露光装置）の進化の歴史をたどる。1980〜1990年代半ばにかけて、g線ステッパーでは光学系の開口数（N.A.）が順調に向上し、i線ステッパーへと移行していく。その後、1996〜1997年になると、量産に使えるKrFレーザーステッパーが登場する。

[福田昭，EE Times Japan]

X線リソグラフィの逆襲が0.5μmで始まる

　ステッパーの開発によって延命を果たした光露光技術だったが、1985年ころには研究開発コミュニティーで解像限界が再び議論されるようになった。なぜかというと、ステッパーの光源である水銀灯の輝線は、半導体露光に使える最も短い波長が365nm,（i線）に限定されており、i線を光源とするステッパー（i線ステッパー）の「次となる露光技術」が見えていなかったからだ。

　このころ、露光技術をけん引している半導体製品はDRAMだった。1985年当時は1.3μm〜1.0μm技術によって記憶容量が1MビットのDRAMチップを量産していた。

　当時のDRAMトレンドは現在とはまったく違い、「3年ごとに記憶容量を4倍」にすることがDRAM業界の常識だった。同時に、半導体の加工寸法を3年ごとに0.7倍に縮小することが求められていた。DRAMトレンドを将来に伸ばすと、1988年ころには0.7μmの最小加工寸法で4Mビット DRAMの量産が始まり、1991年ころには0.5μmの最小加工寸法で16Mビット DRAMの量産を始める、というシナリオになる。

　i線ステッパーの解像限界は1985年ころは、0.5μm〜0.6μmとされていた。従って0.5μm以下の最小加工寸法を安定に解像可能な、次の露光技術を半導体プロセス技術者は模索していた。

　ここで再びクローズアップされたのが、X線リソグラフィである。想定された露光方式は等倍の近接露光（プロキシミティ露光）で、0.1μm前後の解像度が目標とされた。線源の候補はシンクロトロン放射光である。シンクロトロン放射光とは電子ビームの軌道を電磁石によって強制的に振動させると発生するX線のことで、非常に強力なX線を得られるというメリットがあった。

短波長化で光露光を延命

　しかし光露光は再び、延命を果たす。手段は光源の短波長化だった。波長が248nmの光を出すレーザーが光源に選ばれた。具体的にはクリプトン（Kr）とフッ素（F）の化合物KrFの気体（ガス）をイオン化したガスレーザーである。i線の365nmからは、波長を短くするだけで原理的には解像度（最小加工寸法）を0.68倍に縮小できる。

　KrFレーザーを光源とするリソグラフィ技術の開発では、レーザー出力の安定化、石英を硝材とする屈折レンズの開発、短波長に対応した高感度レジストの開発、位置合わせ精度の向上などが課題となった。ステッパーを構成する要素技術のほとんどに、かなりの変更を加えなければならなかった。それでもX線リソグラフィに比べれば、技術的な飛躍は少なかったといえる。露光装置はこれまでと同様に、縮小投影分割露光（ステッパー）であり、アーキテクチャそのものはg線ステッパーとそれほど変わらなかったからだ。

i線ステッパーの躍進とKrFステッパー登場の遅れ

　実際には、g線ステッパーの次の世代であるi線ステッパーの改良が期待以上に進んだことで、光露光は大きく延命した。i線ステッパーが市場に本格的に投入され始めたのは1990年である。解像度は0.5μm、屈折レンズ光学系のN.A.は当初0.50〜0.52だった。このころのi線ステッパーは、16Mビット DRAMの量産で活躍した。

　その後はレンズとレジストの改良によってN.A.が上昇するとともにk1ファクタが低下し、i線ステッパーの解像度は大きく向上した。1995年には、N.A.を0.63に高め、k1ファクタを0.60にまで下げることで0.35μmを解像するi線ステッパーが発売された。64Mビット DRAMの量産に採用されたステッパーである。

　KrFレーザーを光源とするリソグラフィ技術が量産に使われるようになるのは、0.25μmの最小加工寸法からである。本格的に量産に使えるKrFレーザーステッパーが登場したのは1996〜1997年のことだ。

DRAMの記憶容量（シリコンダイ当たり）と露光技術（クリックで拡大）

（完結編（その1）に続く）

⇒「福田昭のデバイス通信」連載バックナンバー一覧