次世代電子ビーム技術を研究室からファブへ

半導体が新たなプロセスノードを迎える度に、その構造は複雑化している。業界ではEUVリソグラフィを用いて2DロジックやDRAMのスケーリングの限界を押し広げるとともに、Gate-All-Around(GAA)トランジスタ、高アスペクト比のDRAMや3D NANDメモリといった精緻な3Dアーキテクチャへの移行を進めつつあり、こうした複雑化はプロセスエンジニアに大きな課題をもたらしている。

チップのパターンが微細化し、3D構造が広く採用されてレイヤ数も増えているため、欠陥の影響ははるかに重大で、検出もより困難になってくる。新たなロジックやメモリチップの微小な埋没欠陥を検出・分類する能力が、従来の電子ビーム技術の描画性能では追いつかなくなくなってきた。そもそも欠陥が見えなければ、対処ができない。

そこで注目を浴びるようになったのが、コールドフィールドエミッション(Cold Field Emission:CFE)技術だ。最適な電子ビーム技術として以前から知られていたCFEは室温で動作するため、より細く集束した高エネルギーの電子ビームを作ることができ、1500℃以上で動作する従来のサーマルフィールドエミッション(Thermal Field Emission:TFE)技術よりも高い解像度と描画速度が得られる。

• TFEとCFEのイメージ

プロセスエンジニアはCFE電子ビーム装置を制御することにより、解像度を最大限にすることも、解像度をTFEと同程度に抑えて描画を大幅に高速化することもできる。以下のアニメーションは、CFEとTFEを比較して解像度と描画速度にどのような差があるかを示している。

これまではCFE装置は研究室の環境でしか利用できなかった。電子ビームカラムが安定性を欠き、半導体の量産に課せられる厳しい要件を満たせなかったからだ。その主因の1つは電子ビームカラムの清浄度にある。一般に電子ビーム装置には、描画に用いる電子を放出するきわめて小さなソースチップ(ソース先端部分)がついている。このチップがごく微小なため、汚染物質の原子がわずか1個付着しただけでも電子の流れが阻害され、装置の動作が不安定になりかねない。

TFE装置ではソースチップがきわめて高温になるので、たとえ表面に何らかの汚染物質が付着したとしても自然に除去される。これに対しCFEでは、室温で動作するという特長が高性能をもたらす反面、ソースチップの洗浄がかなりの難題となる。

CFE技術を研究室での利用からファブでの量産への適用にあたり、アプライドマテリアルズ(AMAT)の技術スタッフはCFEの安定性の課題を解決する2つのイノベーションを開発した。

1つは電子ビームカラムの内部を1×10^-11ミリバールをはるかに下回る極高真空にしたことだ。これはTFE装置の真空圧に比べて2桁ないし3桁低いレベルで、宇宙空間の真空状態にほぼ匹敵する。アプライド マテリアルズは広範な最適化プロセスを通じ、極高真空と特殊開発のチャンバ材料を併用して電子ビームカラム内の汚染物質を減少させている。

極高真空下でも、微量の残留ガスは存在する。そうしたガス分子が電子ソースに付着してしまうと、性能は大きく劣化する。そこでアプライド マテリアルズが開発した第2のイノベーションが、周期的セルフクリーニングプロセスだ。汚染物質をCFEソースから継続的に除去することにより、量産環境における安定性と再現性が得られる。

以下のビデオでも解説しているとおり、アプライド マテリアルズがCFE電子ビーム技術を実用化するまでには10年を超える集中的な開発作業と、イスラエルおよびドイツに拠点を置くチームとのコラボレーションを要した。その結果生まれたのが、最近発表されたCFE電子ビーム製品の欠陥レビュー装置「SEMVision G10」と欠陥検査装置「PrimeVision 10」である。

アプライド マテリアルズは、これまで見ることのできなかった欠陥をより迅速に検出可能とすることで、顧客である半導体メーカーが先進的プロセスノードにおける開発と生産を加速するのを支援している。