フォトレジストに関する新たな知見が重要な理由
中国の研究者らは、半導体リソグラフィーで使われる液膜中のフォトレジスト分子の挙動を直接観察し、その知見を工場ですぐに導入できる対策に生かして欠陥を大幅に減らしたと発表した。北京大学のチームが産業界のパートナーと進めたこの研究は、2025年9月30日付で「Nature Communications」に掲載された。研究チームによると、この手法により実際の製造条件下で300ミリウエハー上のポリマー残留物を最大99％削減できた。7ナノメートル以下のプロセスノードで歩留まりを高める可能性がある。
目次
フォトレジストは、シリコンウエハー上にトランジスタや配線のパターンを形成する感光性の塗膜だ。フォトリソグラフィーでは、露光装置が回路の画像をレジストに投影する。露光された領域は溶解性が変化し、その後の現像と洗浄でパターンが現れる。わずかな残留物やスカムが残ると、配線の短絡や接点の断線を招き、後工程で不具合が発生する恐れがある。線幅が狭く間隔も小さい先端ノードでは、分子が少数でも本来とは違う場所にあれば、チップの一部が機能しなくなる可能性がある。
中国は、特に高性能品で輸入フォトレジストへの依存度が高い。この依存は、最先端ノードで国内工場が歩留まり向上に苦戦してきた理由の一つだ。ASMLの最先端の極端紫外線（EUV）露光装置が2019年以降、中国市場から締め出されているため、国内半導体メーカーは7ナノメートル級の微細加工に複数回の深紫外線（DUV）パターニングを用いてきた。この方法では、ウエハーに対する露光、現像、湿式洗浄の回数が数十の工程を通じて増えるため、レジストの役割が一段と大きくなる。ランダム欠陥を減らせば、ウエハー1枚当たりの良品チップ数が増える。
研究チームが行ったこと
北京大学のチームは、ポリマーが本来の液体環境にある状態で、フォトレジスト膜にクライオ電子線トモグラフィーを適用した。この撮像法では、薄い試料を極めて速く凍結して分子の位置を固定し、透過型電子顕微鏡で傾斜させた画像を連続撮影する。ソフトウエアで画像を再構成し、ナノメートルスケールの3次元マップを作成する。研究者らはこの方法を使い、現像・リンス中に膜の内部や気液界面でレジストポリマーがどのように配列し、絡み合うかを可視化した。
画像と工程実験を組み合わせた結果、これまで知られていなかった残留物の発生源が示された。長い分子鎖が界面付近の膜上部で絡まり、リンスと乾燥の際にパターンのくぼみに閉じ込められることがある。チームはマップをもとに、界面でのポリマーの絡み合いを抑える手法を考案した。実際の製造環境で300ミリウエハーを使ったところ、残留物に起因する欠陥のほぼすべてを取り除けたとしている。
生物学から半導体製造へ、クライオ電子線トモグラフィーとは
クライオ電子線トモグラフィー（cryo-ET）は、タンパク質や細胞を本来の形のまま観察するため、構造生物学の分野で発展した。試料をガラス化する。これは、水や溶媒を結晶化させずにガラス状の状態で凍結し、構造の乱れを防ぐ処理だ。電子画像を傾斜角ごとに撮影し、その一連の画像から3次元像を再構成する。分子を乾燥させたり染色したりせず、元の位置に保てることが大きな利点だ。そうした処理は壊れやすい構造を動かしたり損傷させたりする可能性がある。cryo-ETを半導体材料に応用すれば、通常は溶液中で流動し、配置が変わるポリマーを観察し、欠陥の原因となるネットワークの形成過程を捉えられる。
ポリマーの絡み合いが欠陥を生む理由
現像では、露光された領域が溶ける一方、露光されていない部分は残って下地の膜を保護する。両方の領域にまたがるほど絡み合った分子鎖は、現像後に薄い膜状の残留物を残すことがあり、これは「スカミング」と呼ばれる。溝やコンタクトホールでは、絡まりが詰まってリンスで取り除けず、後のエッチングや金属堆積を妨げる残留物となる。これらは歩留まりを大きく損なう典型的な要因だ。線端粗さが増し、配線間に微小なブリッジができ、再加工が必要になる。影響を受けるパターンが多すぎれば、ウエハーは廃棄される。寸法が小さいほど問題は深刻になる。余分な材料が数ナノメートル付着するだけで、隙間がふさがったり、重要寸法が変わったりするためだ。
先端ノードの製造歩留まりをどう変えるか
歩留まりとは、ウエハー上に形成された全チップのうち、半導体工場の全工程を終えて良品となる割合だ。7ナノメートル以下では、最新のシステム・オン・チップに数百億個のトランジスタが搭載され、数百の工程が必要となる。ランダム欠陥は急速に積み重なる。レジストの調整で複数の層に共通する残留物の発生源を除ければ、工程全体を通じた効果が大きくなる。最終歩留まりが数ポイント上がる可能性があり、ファウンドリーの採算では良品チップ1個当たりのコストを大幅に改善できる。
レジストの挙動は露光と現像だけに関わるものではない。エッチング選択比、プラズマ損傷、湿式洗浄も、ポリマーネットワークの形成と分解の仕方に左右される。研究チームによると、界面を制御してリソグラフィーの残留物を減らすことで、エッチングや洗浄工程に持ち越される欠陥も減る。これにより重要寸法や線端粗さが安定し、デバイスのばらつきや性能の改善につながるという。
再加工を減らし、ウエハー当たりの良品チップを増やす
ファウンドリーでは、歩留まりを回復させるため、ウエハーを洗浄や修復工程に戻すことがよくある。工程を繰り返すたびに時間と費用がかかり、リスクも増える。残留物を99％減らせれば、追加工程の必要性が下がる。装置の稼働余力が生まれ、製造期間が短くなり、薬品の使用量も減る。顧客にとっては、潜在欠陥の減少がバーンイン試験や実使用時の信頼性向上につながる。半導体設計者にとっては、配線幅や接点のばらつきが小さくなることで、タイミングや消費電力を予測しやすくなる。
中国の半導体戦略における位置付け
材料とリソグラフィーは、外国企業への依存を減らそうとする中国の取り組みの中核にある。フォトレジストは明確な弱点の一つだ。国内メーカーはKrFやArF露光装置向けの中級品で進展を遂げたが、高性能品は依然として日本、米国、韓国の企業が市場を支配している。業界推計では、中国のフォトレジスト市場は2024年に約114億元で、2025年も成長が続くと見込まれる。フォトレジストの世界需要は昨年、約27億ドルと評価され、層数の増加や設計ルールの微細化を背景に、2031年には45億ドルに達する可能性がある。
中国の政策当局は、国家集積回路産業投資基金の最新の資金調達ラウンドで材料を重点分野に定めた。アナリストによると、第3期では化学品やレジスト、関連工程に500億元超が充てられ、装置・設備への投資も行われる。共通ルールの整備もその取り組みの一環だ。中国国家標準化管理委員会は、EUVフォトレジストの国家試験規格を発行した。共通の試験方法があれば、大学や企業が結果を比較し、供給企業を認定して、試験生産に備えやすくなる。
大学と企業が新材料を開発
中国の大学やスタートアップも、EUV時代に向けた新たな化学組成の研究を進めている。清華大学のチームは7月、ポリマーの主鎖にテルル原子を組み込み、波長13.5ナノメートルの光の吸収を高めたポリテルロキサン系レジストを発表した。露光時にTe-O結合が切れやすく、分子量を低く保って解像度を高めながら、感度を向上できる可能性がある。この材料を量産規模に拡大できれば、感度、線端粗さ、ガス放出のバランスを改善したEUVパターニングの国内供給源となり得る。
企業側では、SiCarrierの材料部門が金属クラスター型レジストを発表した。特許情報では酸化スズクラスターを基材とし、3～50ナノメートルのパターニングが可能とうたっている。これらの主張はファウンドリーの製造ラインで独立した検証が必要だが、より広い潮流を示している。中国企業はレジスト開発競争に参入し、装置メーカーも国内のリソグラフィーの選択肢を拡充している。上海微電子装備（SMEE）から新たに分社化した企業は、化合物半導体向けステッパーやレーザーアニール装置、検査装置を披露した。中国は依然としてASMLの先端EUV露光装置を入手できないものの、材料、計測、設計ソフトウエアの不足を補うため、エコシステムが形成されつつある。
今回の成果が意味すること、意味しないこと
北京大学の成果が対象とするのは、現像・リンス中の液膜や空気との界面におけるレジストポリマーの挙動という、非常に具体的な課題だ。構造を直接画像化し、その形成過程を変えることで、チームはよくある汚染源を減らす方法を提案した。工程条件の調整にかかる時間や試行錯誤を減らせる点で価値がある。いずれも、新しいノードの量産を立ち上げる際に慢性的な遅延要因となっている。
ただし、最小寸法の実現に必要な最先端の露光装置、マスク、レジストに代わるものではない。EUVリソグラフィーには、残留物以外にも課題がある。光源の輝度には限界があり、ショットノイズが線端のランダムなばらつきを招く。レジストには感度と線端粗さ、パターン崩壊の間でトレードオフがある。マスクには高エネルギー光に耐えるペリクルが必要で、汚染管理も難しい。界面制御は役立つが、中国の半導体工場は購入・製造できる装置による制約を受け続ける。
また、主張は幅広い検証を必要とする。ある環境で測定された99％の削減が、すべてのレジストや各層に当てはまるとは限らない。パターン密度や現像液、リンス液、エッチング薬液は複雑に影響し合う。次の段階では、複数の工場と工程で再現性を確かめ、残留物の減少が最終歩留まりや信頼性の向上につながることを示すデバイスレベルのデータが求められる。
研究と産業の次の段階
この成果が実際の生産を変えるかどうかは、いくつかの節目で明らかになる。第一に、独立系の半導体工場や材料サプライヤーが、一般的なArF液浸およびドライEUVのプロセス構成で手法を試し、工程条件の範囲を公表できる。第二に、ファウンドリーが重要層にこの手法を適用した際、再加工がどれだけ減り、線端粗さや重要寸法のばらつきがどの程度改善するかを報告できる。第三に、装置・薬品メーカーが、顧客が大幅な変更なしに導入できる一括導入型のレシピに界面制御を組み込むため、装置設定や配合を提案できる。
中国の政策動向は、フォトレジスト材料への投資が続くことを示している。EUVレジストの国家試験規格により、性能の比較やロットの認定が容易になる見通しだ。テルル系ポリマーを研究する清華大学などの大学プログラムは、人材育成の流れを支えている。企業も公開の場で露光装置、検査システム、新型レジストを組み合わせて披露し始めており、試験導入が増える可能性を示している。中国以外では、米国、欧州、日本、韓国の政府支援プログラムが半導体研究に数十億ドルを投じている。各地域が材料供給網のより広い範囲を掌握しようとする中、フォトレジスト技術をめぐる競争は一段と激しくなりそうだ。
要点
- 北京大学とパートナーは、クライオ電子線トモグラフィーを用いて液膜中および界面のフォトレジスト分子を画像化し、その後、チームの主張によると300ミリウエハー上のポリマー残留物を最大99％削減する工程を考案した。
- この研究は2025年9月30日付で「Nature Communications」に掲載された。わずかな残留物でもチップの一部が機能しなくなる、7ナノメートル以下のノードでの歩留まり低下を対象としている。
- 中国は高性能フォトレジストの輸入に依存し、輸出規制によりASMLの先端EUV露光装置を入手できない状況が続いている。
- 中国は資金投入や規格整備を通じて材料分野を支援しており、EUVフォトレジストの新たな国家試験規格も設けた。
- 清華大学はテルル系EUVレジストを発表した。中国企業も金属クラスター型レジストや国産リソグラフィー装置を披露しているが、多くの主張は独立した検証を待っている。
- 今回の成果はレジスト界面の挙動に関する理解と制御を改善するが、先端露光装置、マスク、次世代レジストの必要性をなくすものではない。
