チップはなぜこんなに小さいのですか? 100億個を超えるトランジスタはどのように詰め込まれたのでしょうか?

チップは街中のあらゆる場所で見られる電子機器の中に隠されています。スマートフォン、パソコン、家電などは、その制御から切り離すことはできません。

小さなチップに巨大な回路が組み込まれています。

チップを拡大してみると、内部に密集した回路が高速道路のように密集しており、非常に小規模ながら整然とした回路都市が構築されているかのようです。

チップ構造図（肉眼と顕微鏡） |画像ソース: pixabay

チップの内部はどれくらい小さいのでしょうか?現在、産業界で使用されている最小のチッププロセス、つまり人間が作成できる最小のサイズは3nmに達しており、チップ内には数百億個のトランジスタを集積することができます。

チップ製造における「多層」アプローチ

チップ上には無数のナノスケールの電子部品が交互に配置されています。各部品は事前に作られ、一つずつ配置されるのですか?

画像出典: pixabay (上); Searchmedia - ウィキメディア・コモンズ (下)

いいえ！この問題を別の角度から見ることができます。垂直方向に注意深く観察すると、チップは垂直方向に積み重ねられた異なるパターンを持つシート構造の層で構成されていることがわかります。あらかじめ各層を準備しておき、それを垂直に積み重ねていくと、2次元構造を3次元デバイスに積み重ねることができ、最終的に機能豊富なチップを形成できます。

チップ内部構造の垂直観察 |画像ソース: Searchmedia - Wikimedia Commons

ここでの私たちの目標は、特定のパターンを持つシート構造をどのように作るかになります。まず必要なのは、回路図を印刷できるシート状の材料、よく耳にするシリコンウエハーです。これは、非常に純度の高いシリコンの一種で、滑らかで非常に薄いウェハーに加工・切断されます。

シリコンウエハー |画像出典: pixabay (左); Searchmedia - ウィキメディア・コモンズ (右)

次に、大工のように、模様を彫るための適切な道具を見つける必要があります。複雑な内部構造と極めて小さなサイズのチップを製造するには、加工ツールのサイズを極めて大きくする必要があります。

私たちは賢く、光の彫刻刀を見つけました。光には豊富な波長があるため、短波長の光を使用することで極めて微細な加工を実現できます。

可視光の豊富な波長（不可視光はさらに豊富） |画像ソース Searchmedia - Wikimedia Commons

図面に設計された回路パターンを光露光によってシリコンウェハーに転写したいのですが、光はシリコン材料に影響を与えることができないため、光と直接相互作用できるフォトレジストという中間材料を使用する必要があります。

シリコンウェーハ上にフォトレジストをスピンコート（回転の遠心力により均一に塗布） |画像ソース: Searchmedia - Wikimedia Commons

光がパターン情報を伝達できるようにするには、光を完全に遮断したり、完全に通過させたりすることで、明暗のパターンを作り出すことができます。光は回路パターンが描かれた遮光板（マスク）を通過し、マスクのパターン情報をコピーすることができます。最後に、シリコン ウェーハの表面を均一に覆うフォトレジストと相互作用した後、必要なパターン情報がシリコン ウェーハ上に現れます。

フォトリソグラフィー露光プロセス |画像ソース: Searchmedia - Wikimedia Commons

フォトレジストはフォトリソグラフィーイメージングの主なキャリア媒体であり、ポジ型フォトレジストとネガ型フォトレジストに分けられます。露光された部分が現像液に溶解しやすいのがポジ型フォトレジストであり、露光された部分が現像液に溶解しにくいのがネガ型フォトレジストです。

露出プロセスの 2 つの結果 (肯定的および否定的) |画像ソース Searchmedia - Wikimedia Commons

ポジ型フォトレジストが使用されていると仮定すると、露光プロセスが完了すると、現像液は光にさらされたフォトレジストを溶解することができます。次に、露出したシリコンウェハーを化学薬品で溶解します。シリコンウェーハの表面に残ったフォトレジストはシリコンウェーハを保護することができます。これがエッチングの工程です。

現在、私たちは目標を達成し、特定の回路パターンを持つシリコンウエハーを入手しました。プロセス全体を通して、全体的な考え方は実は非常にスムーズですが、人類の英知の頂点を表す精密工学プロジェクトであるチップ製造には、数え切れないほどの厳しい要件が含まれます。

チップの内部サイズの制限は何ですか?

チップの主な構成要素はトランジスタです。大きなチップには数百億個のトランジスタが搭載されることがあります。トランジスタを小さくできるほど、チップに収容できるコンポーネントの数が増え、トランジスタの消費電力も低くなります。

チップ製造では、光を使用して小規模な回路パターンを作成しますが、なぜ光がこの効果を実現できるのでしょうか?光彫刻の限界はどこにあるのでしょうか？

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回折

光の彫刻レベルに影響を与える主な理由は、光の回折効果です。光は電磁波です。フォトリソグラフィープロセスでは回折が避けられず、露光範囲には最小の特性スケールがあります。光の解像度、つまりフォトレジストが光の照射に基づいてパターンを再構築する能力には限界があります。

露光中の回折 |画像ソース: Searchmedia - Wikimedia Commons

下の図に示すように、平行光線がスリットを通過すると、光は伝播の過程で無数のサブ波の形で互いに干渉し、明暗が交互に現れる回折パターンを形成します。

シングルスリット回折 |画像ソース: Searchmedia - Wikimedia Commons

つまり、微視的スケールで光の伝播を考えると、明るい領域と暗い領域が明確に区別されなくなり、曖昧な領域が出現します。理想的な物体点から発せられた光が障害物の端を通過すると、幾何光学の直線伝播の特性から外れ、理想的な像点を形成しなくなります。

これは、スリットの幅が光の波長に匹敵すると、光の波動効果が働くためです。光は波動効果を利用して障害物を回避し、空間に拡散し、光の発散による回折効果を形成し、露光領域が正確ではなくなり、光の解像度に限界が生じます。

光の波動効果（直線伝播と波動効果の比較） |画像ソース Searchmedia - Wikimedia Commons

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解決

光学イメージングの分野では、解像度は 2 つの隣接する物体点の像を分離する能力の尺度です。理想的には、各物体点が鮮明な像点を生成することが望まれますが、回折のため、実際の結果は特定のサイズの点になります。 2 つの光点 (回折パターン) が重なりすぎると、画像点を区別することが難しくなります。

レイリーは有効な基準を提案し、解像度の計算式は次のようになります。

この解像度式は、2 つの光点を分解できる限界位置、つまり 1 つの光点の最大位置が他の光点の最初のゼロ点と一致する位置を表します。ここで、λは照明光の波長です。

光点が区別できず、解像可能なだけの極限ケース |画像ソース: Searchmedia - Wikimedia Commons

NA は開口数であり、レンズが光を集束させる能力を表します。具体的には、平行光が入射（集光）した後の偏向の度合いとして表現されます。計算式は次のとおりです。

開口数（nは屈折率） |画像ソース Searchmedia - Wikimedia Commons

レイリー基準は、画像品質を評価するためによく使用され、フォトリソグラフィー システムはフォトレジストに画像を形成します。フォトレジストは高コントラストの画像形成媒体です。特定の露光条件下では、光学解像度がレイリー基準の解像度限界を下回ったとしても、フォトレジストは依然として良好な画像化結果を示し、処理目標を達成できます。

フォトリソグラフィーの解像度は次のとおりです。

Rlitho は、リソグラフィ システムによって解決できるグラフィック周期です。 k1はプロセス係数です。

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リソグラフィー

フォトリソグラフィーは、チップ製造において最も複雑で、高価で、重要なプロセスです。通常、投影リソグラフィー システムは、マスクの回路構造をシリコン ウェーハの表面に投影するために使用されます。

光学レンズは回折光を集めて画像品質を向上させることができます。フォトリソグラフィー技術では、可能な限り小さなパターンを得るために、マスクとフォトレジストの間に縮小比を持つ投影結像対物レンズが使用されます。

投影露光システム |画像出典: インターネット

この彫刻ナイフをどうやって磨けばいいでしょうか？

今では、光の最小処理スケール（解像度）によって、チップをどれだけ小さくできるかが決まることが分かっています。チップを小さくするにはどうすればいいですか?解像度をさらに高め、チップ上の回路をより機能的にする必要があります。

フォトリソグラフィー解像度の公式の 3 つの項に基づいて、彫刻ナイフを研磨するための 3 つのオプションがあります。

リソグラフィーシステムの開口数を増やす

リソグラフィ画像システムにおける投影対物レンズの開口数が大きいほど、解像度は向上します。具体的な操作は、液浸リソグラフィー装置を設計すること、つまり、ウェーハと投影対物レンズの最後のレンズの間に高屈折率媒体を充填することです。

波長を短くする

フォトリソグラフィー工程における光の波長は、G線（432nm）、I線（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm）の深紫外線帯域の開発を経てきました。現在、波長13.5nmの極端紫外線露光装置（EUV）が実用化されています。

プロセス要因の削減

リソグラフィの解像度は、照明条件、フォトレジストプロセス、マスク設計の改善など、リソグラフィプロセスパラメータを最適化することによっても向上できます。これらの方法はプロセス係数 k1 を低減することができ、解像度向上技術 (RET) と呼ばれます。

光は電磁波であるため、振幅、位相、偏光状態、伝播方向などの情報が含まれています。フォトリソグラフィー解像度向上技術は、上記4種類の光情報を制御することで、フォトレジスト上により微細なグラフィック構造を得る技術です。たとえば、オフアクシス照明技術は振幅と位相を変更でき、光近接効果補正技術は光波の振幅を変更でき、光源とマスクのジョイント最適化は光波の伝播方向、振幅、位相を変更できます。

各種プロセスノードとリソグラフィ技術の関係表 |出典: Sacco Micro Semiconductor 公式サイト、ASML、中泰証券研究所

リソグラフィー装置の開発の歴史を見ると、まさに波長を短くし続ける道を歩んでいることがわかります。表のデータを観察します。光源の波長が同じであれば、プロセスは継続的に縮小されます。これは、開口数、プロセス要因、その他の複雑な技術によるものです。

参考文献

[1] 魏亜易。計算リソグラフィーとレイアウト最適化[M]。 1. 電子産業出版社、2021年。

[2] スティーブン・A・キャンベルマイクロ・ナノスケール製造工学[M] 3. 電子産業出版社、2010年。

企画・制作

出典：中国科学院物理研究所

編集者：王夢如

校正：Xu Lai、Lin Lin