自己組織化リソグラフィによる微細な配線パターンの形成：福田昭のデバイス通信（292） Intelが語るオンチップの多層配線技術（13）

原理的には数nmピッチの微細なパターンを形成可能

　半導体のデバイス技術と回路技術に関する国際学会「VLSIシンポジウム」では、「ショートコース（Short Course）」と呼ぶ技術講座を開催してきた。2020年6月に開催されたVLSIシンポジウムのショートコースは、3つの共通テーマによる1日がかりの技術講座が設けられていた。その中で「SC1：Future of Scaling for Logic and Memory（ロジックとメモリのスケーリングの将来）」を共通テーマとする講演、「On-Die Interconnect Challenges and Opportunities for Future Technology Nodes（将来の技術ノードに向けたオンダイ相互接続の課題と機会）」が非常に興味深かった。そこで講演の概要を本コラムの第280回からシリーズでお届けしている。講演者はIntelのMauro J. Kobrinsky氏である。

　なお講演の内容だけでは説明が不十分なところがあるので、本シリーズでは読者の理解を助けるために、講演の内容を適宜、補足している。あらかじめご了承されたい。

　本シリーズの第5回から第11回（前々回）までは、多層配線の微細化と性能向上を両立させる要素技術を報告してきた。前回（第12回）から、ArF液浸技術やEUV技術などの露光技術の微細化限界を超える、あるいはこれらの露光技術を延命させる次世代のリソグラフィ技術「自己組織化リソグラフィ（DSAリソグラフィ）」の講演部分を解説している。

　前回では、DSA（Directed Self-Assembly）リソグラフィの基本原理と特長を簡単に説明した。自己組織化（自己集合）とは、基板表面で自然発生的に分子が集合し、特定の構造（組織）を形成する現象を指す。ここで何らかの処理を基板表面に施すと、所望の回路パターンを描くような立体構造を作れる。この技術を「誘導自己組織化（DSA）」と呼ぶ。

　（誘導）自己組織化（DSA）リソグラフィの特長は、解像度の限界が分子の大きさによって決まることだ。原理的には、数nmピッチと微細な平行配線パターンを形成できる。

18nmと極めて狭いピッチの平行な直線群を試作

　DSAリソグラフィの研究開発に使われている代表的な分子は、「ポリスチレン（PS：Polystyrene）」と「ポリメチルメタクリレート（PMMA：Poly（methyl methacrylate））」の共重合体（コポリマー）「PS-b-PMMA」である。このPS-b-PMMAを基板に塗布して熱処理すると、PS部分とPMMA部分がきれいに集合した規則的な立体構造（例えば表面から見ると指紋のような構造）が自然に生じる。

　ここでArF液浸リソグラフィによって自己組織化の誘導（ガイド）パターンを形成することを考える。基板表面に誘導層（ガイド層）となる下地層（under layer）を成膜し、その上にレジストを塗布する。細長く平行なレジストが残るようにArF液浸露光とサイドエッチによってレジストのパターンを形成する。続いてレジストをマスクとするエッチングによって細長く平行な下地層を残す。

「PS-b-PMMA」（「ポリスチレン（PS：Polystyrene）」と「ポリメチルメタクリレート（PMMA：Poly（methyl methacrylate））」の共重合体（コポリマー））の自己組織化現象を利用した狭ピッチ配線パターンの形成。左の図はArF液浸リソグラフィ（193i-Lithography）で作れるピッチよりも狭いピッチの平行配線パターンをDSAリソグラフィで形成する手順。右の写真はピッチが18nmと狭い平行な直線群を形成したパターンの断面観察像。出典：Intel（クリックで拡大）

　それからPS-b-PMMAを塗布して熱処理する。すると細長い下地層と同じ幅をハーフピッチとする平行直線パターンを作るようにPS部とPMMA部が細長く交互に集合する。ここでPMMA部だけをエッチングで除去すると、PS部がピッチの狭い平行直線群として残る。PS部をハードマスクとすれば、ArF液浸リソグラフィよりも狭いピッチの平行配線パターンを形成できる。

　講演では、ピッチが18nmと極めて狭い平行な直線群を形成したパターンの断面観察像を示していた。18nmという多層配線ピッチは、製造技術ノードでは2nm世代に相当する。

　なお、18nmピッチの平行直線群の形成にはPS-b-PMMAではなく、ほかの共重合体材料を使用している可能性がある。PS-b-PMMAはフローリー・ハギンズ（Flory Huggins）の相互作用パラメータ（interaction parameter）が0.04〜0.05と低いことから、ピッチの狭いパターンの形成には適さないとの指摘がなされている（参考文献：Yu Chen and Shisheng Xiong, 2020 Int. J. Extrem. Manuf. 2 032006）。

（次回に続く）

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