フォトレジストとは何か？　どのような種類があるのか？なぜ、ポジ型が微細に有利なのか？

この記事で分かること

フォトレジストの種類

　半導体の重要性が増す中で、前工程装置は世界的に成長が続いています。

　https://optronics-media.com/news/20250414/99245/

　特に中国は米中対立もあり、大幅な投資増加が続いています。今後も先端技術を駆使した半導体の需要増加と従来技術による成熟プロセスともにその重要性は増加するとみられています。

　今回はフォトリソグラフィで使用されるフォトレジストとは何か、どんな種類があるのかの解説となります。

半導体の前工程とは

　半導体の前工程とは、シリコンウェハ上にトランジスタや配線などの微細な回路を形成する一連のプロセスのことです。ウェハを素材として、集積回路を作り込んでいく、半導体製造の最も重要な部分と言えます。非常に多くの精密な工程を経て、最終的な半導体チップの機能が決まります。

主な前工程は以下の通りです。

ウェハ準備

　シリコンインゴットの製造: 高純度のシリコンを溶解し、種結晶を用いて単結晶のシリコンインゴットを育成します。

• スライス: インゴットを薄い円盤状（ウェハ）にスライスします。
• 研磨: ウェハ表面を平坦かつ滑らかに研磨します。
• 洗浄: ウェハ表面の微細な異物や汚れを徹底的に除去します。

成膜

　ウェハ表面に、酸化膜、窒化膜、金属膜など、様々な薄膜を形成します。

• 成膜方法には、CVD（化学気相成長法）、スパッタリング（物理気相成長法）、ALD（原子層堆積法）などがあります。

フォトリソグラフィ

　ウェハ表面に感光材（フォトレジスト）を塗布します。

• 回路パターンが描かれたマスク（フォトマスク）を通して紫外線を照射し、レジストにパターンを焼き付けます。
• 現像液で不要なレジストを除去し、ウェハ上に回路パターンを形成します。

エッチング

　フォトリソグラフィでパターン形成されたレジストをマスクとして、露出した成膜を除去し、ウェハに回路パターンを転写します。

• エッチングには、液体を用いるウェットエッチングと、プラズマを用いるドライエッチングがあります。

不純物導入（ドーピング）

　半導体特性を持たせるために、リンやボロンなどの不純物をウェハ中に注入します。

• イオン注入法などが用いられます。

平坦化（CMP: Chemical Mechanical Polishing）

　表面の凹凸をなくし、平坦にするための処理です。

• 化学的な腐食と механическая研磨を同時に行います。

配線形成（メタライゼーション）

　形成されたトランジスタなどの素子間を金属配線で接続します。

• スパッタリングなどで金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングで配線パターンを作ります。

これらの工程を何度も繰り返し行うことで、複雑な集積回路がウェハ上に形成されます。前工程は、半導体の性能や品質を大きく左右する、非常に重要なプロセスです。

フォトレジストとは何か

　フォトレジスト（Photoresist）は、半導体製造において微細な回路パターンを形成するために不可欠な、光に反応して化学的な変化を起こす感光性の液体材料です。

　フォトリソグラフィと呼ばれる写真製版技術の原理を応用して、ウェーハ上に回路図を転写する際に使用されます。

フォトレジストの主な成分

フォトレジストは、主に以下の3つの成分から構成されています。

樹脂（ポリマー）

• フォトレジストの骨格を形成する基材です。
• 露光によって化学構造が変化し、後の現像液への溶解性が変化します。
• 使用する露光光の波長（g線、i線、KrF、ArF、EUVなど）や、求められる解像度、耐熱性、耐エッチング性などに応じて、様々な種類の樹脂が選択されます。

感光剤（フォトイニシエーター）

• 光（主に紫外線）を吸収し、そのエネルギーによって化学反応を開始させる役割を担う物質です。
• 光が当たると、感光剤が分解したり、酸を発生させたりすることで、周囲の樹脂の化学構造に変化をもたらします。

溶剤

• 樹脂や感光剤を均一に溶解・分散させ、ウェーハ表面に薄く均一に塗布できる液状にするための成分です。
• 塗布後、プリベーク（ソフトベーク）工程で蒸発し、固形分であるフォトレジスト膜が残ります。
• これらの他に、パターン解像度や耐エッチング性を向上させるための添加剤が少量配合されることもあります。

フォトレジストにはどのような種類があるのか

　フォトレジストは、光に反応してどのように溶解性が変化するかによって、大きく以下の2種類に分けられます。

ポジ型フォトレジスト (Positive Photoresist)

• 光が当たった（露光された）部分が、現像液に溶けるようになるタイプです。

• 未露光部分は現像液に溶けずに残ります。
• 一般的に、回路パターンを形成する際にポジ型フォトレジストが多く用いられています。微細加工において高い解像度とコントラストが得やすいという利点があります。
• メカニズムの例: 露光により感光剤が酸を発生させ、この酸が樹脂の分子構造を変化させ、アルカリ現像液に溶解しやすくなる（化学増幅レジスト）。

ネガ型フォトレジスト (Negative Photoresist)

• 光が当たった（露光された）部分が、現像液に溶けにくく（硬化して）なるタイプです。
• 未露光部分は現像液に溶けて除去されます。
• 古くから使われていますが、微細加工においてはポジ型に劣る場合があります。
• メカニズムの例: 露光により感光剤が架橋反応を促進させ、樹脂分子同士が結合して不溶化する。

ポジ型が微細化に有利な理由は

　半導体製造の最先端プロセスにおいては、以下のような理由から、ポジ型フォトレジストがより微細なパターン形成に適しているとされています。

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ポジ型フォトレジストが微細化に有利な理由

　ポジ型フォトレジストは、現像プロセス中のパターン安定性が高く、特に最先端の化学増幅型レジスト（CAR）は、微弱な光でも感光剤が酸を発生させ、それが触媒となって多数の分解反応を促進するため、高感度かつ高解像度を実現できます。

現像メカニズムの違い

　ポジ型フォトレジストでは、光が当たった（露光された）部分が現像液に溶けて除去されます。

　つまり、光が当たった部分が「穴」や「溝」になります。

　 微細な線やスペース（間隔）を作る場合、露光された部分だけが正確に除去されるため、エッジのシャープさやパターンの忠実性が高まります。

　露光量を精密に制御することで、非常に細い線や狭いスペースも高い精度で実現できます。

解像度とコントラストの優位性

　ポジ型フォトレジストは、露光と未露光の境界における溶解性の変化（コントラスト）が非常に鮮明です。

　これにより、光が当たった部分と当たらなかった部分の境目が明確になり、シャープなパターンエッジが得られます。

　ネガ型はスウェリングや、光の回折による影響を受けやすく、微細なパターンにおけるエッジのシャープさがポジ型に劣る傾向があります。

ネガ型の有利な点はあるのか

　ネガ型フォトレジストは、ポジ型フォトレジストが主流となっている現代の半導体製造において、その微細加工能力では劣るものの、特定の用途や状況において依然としていくつかの利点を持っています。

ネガ型フォトレジストの主な利点

高い感度と露光時間の短縮

ネガ型フォトレジストは、ポジ型に比べて光に対する感度が高い傾向があります。これは、少ない露光量で化学反応（架橋）が進行するため、露光時間を短縮できることを意味します。これにより、生産スループットの向上が期待できます。特に、大規模な基板へのパターン形成や、露光装置の稼働率を上げたい場合に有利になることがあります。

優れた耐エッチング性（特にウェットエッチング）

　露光によって架橋し、高分子が密に結合することで、ネガ型フォトレジスト膜はポジ型よりも強固な構造になります。

　このため、エッチング、特に液体を用いるウェットエッチングプロセスにおいて、より高い耐性を示すことがあります。エッチング液がレジスト膜の下に浸透しにくく、パターンが侵食されにくいという利点があります。

付着性（密着性）の良さ

　ネガ型フォトレジストは、基板への密着性が比較的良好な場合が多いです。これは、露光によって形成される架橋構造が基板表面との相互作用を強化するためと考えられます。これにより、現像時やエッチング時にパターンが剥がれ落ちるリスクを低減できます。

シンプルな化学構造

　一部のネガ型レジストは、ポジ型、特に化学増幅型レジストと比較して、構成する化学物質がシンプルである場合があります。これにより、材料設計やプロセス管理が比較的容易になることがあります。