淺談光刻膠在集成電路制造中的應(yīng)用性能

（電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院，成都 610054）

摘 要：光刻膠技術(shù)是曝光技術(shù)中重要的組成部分,高性能的曝光工具需要有與之相配套的高性能的光刻膠才能真正獲得高分辨率的加工能力。主要圍繞光刻膠在集成電路制造中的應(yīng)用，對(duì)其反應(yīng)機(jī)理及應(yīng)用性能指標(biāo)進(jìn)行闡述，重點(diǎn)從工藝的角度去提出新的研究方向。

關(guān)鍵詞：光刻膠；應(yīng)用性能；反應(yīng)機(jī)理；集成電路；光刻

中圖分類號(hào)：TN305.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1003-353X(2005)06-0032-05

1 引言

作為微電子技術(shù)核心的集成電路制造技術(shù)是電子工業(yè)的基礎(chǔ)，其發(fā)展更新的速度是其他產(chǎn)業(yè)無法企及的。在集成電路制作過程中，光刻是其關(guān)鍵工藝[1]。光刻膠涂覆在半導(dǎo)體、導(dǎo)體和絕緣體上，經(jīng)曝光顯影后留下的部分對(duì)底層起保護(hù)作用，然后采用超凈高純?cè)噭┻M(jìn)行蝕刻，從而完成了將掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到底層上的圖形轉(zhuǎn)移過程。一個(gè)IC的制造一般需要經(jīng)過10多次圖形轉(zhuǎn)移過程才能完成,光刻膠及蝕刻技術(shù)是實(shí)現(xiàn)集成電路微細(xì)加工技術(shù)的關(guān)鍵[2]。蝕刻的方式主要分為濕法和干法兩種，等離子與反應(yīng)離子刻蝕（RIE）屬于干法蝕刻，主要是通過物理轟擊濺射和化學(xué)反應(yīng)的綜合作用來腐蝕薄膜層，而物理濺射是通過具有一定能量的粒子轟擊作用，使膜層的化學(xué)鍵斷裂，進(jìn)而發(fā)生分解；而濕法蝕刻是最簡(jiǎn)便的方法。

光刻膠又稱光致抗蝕劑，即通過紫外光、電子束、離子束、X射線等的照射或輻射，使其溶解度發(fā)生變化的耐蝕刻薄膜材料，經(jīng)曝光和顯影而使溶解度增加的是正性光刻膠，反之為負(fù)性光刻膠。光刻膠的分類及其特點(diǎn)見表1。

隨著IC特征尺寸亞微米、深亞微米方向快速發(fā)展，現(xiàn)有的光刻機(jī)和光刻膠已無法適應(yīng)新的光刻工藝要求。光刻機(jī)的曝光波長(zhǎng)也在由紫外譜g線 (436nm)→i線(365nm)→248nm→193nm→極紫外光（EUV）→X射線，甚至采用非光學(xué)光刻（電子束曝光、離子束曝光），光刻膠產(chǎn)品的綜合性能也必須隨之提高，才能符合集成工藝制程的要求 [3]。以下幾點(diǎn)為光刻膠制造中的關(guān)鍵技術(shù)：配方技術(shù)、超潔凈技術(shù)、超微量分析技術(shù)及應(yīng)用檢測(cè)能力。 制程特性要求有：涂布均勻性、靈敏度、分辨率及制程寬容度。

光刻膠在接受一定波長(zhǎng)的光或者射線時(shí),會(huì)相應(yīng)的發(fā)生一種光化學(xué)反應(yīng)或者激勵(lì)作用。光化學(xué)反應(yīng)中的光吸收是在化學(xué)鍵合中起作用的處于原子最外層的電子由基態(tài)轉(zhuǎn)入激勵(lì)態(tài)時(shí)引起的。對(duì)于有機(jī)物，基態(tài)與激勵(lì)態(tài)的能量差為3~6eV，相當(dāng)于該能量差的光(即波長(zhǎng)為0.2~0.4μm的光)被有機(jī)物強(qiáng)烈吸收，使在化學(xué)鍵合中起作用的電子轉(zhuǎn)入激勵(lì)態(tài)?；瘜W(xué)鍵合在受到這種激勵(lì)時(shí)，或者分離或者改變鍵合對(duì)象，發(fā)生化學(xué)變化。電子束、X射線及離子束(即被加速的粒子)注入物質(zhì)后，因與物質(zhì)具有的電子相互作用，能量逐漸消失。電子束失去的能量轉(zhuǎn)移到物質(zhì)的電子中，因此生成激勵(lì)狀態(tài)的電子或二次電子或離子。這些電子或離子均可誘發(fā)光刻膠的化學(xué)反應(yīng)。

IC制造中所用光刻膠通常有三種成分：樹脂或基體材料、感光化合物（PAC）以及可控制光刻膠機(jī)械性能（基體粘滯性）并使其保持液體狀態(tài)的溶劑 [4]。正性光刻膠中，PAC在曝光前后發(fā)生了從抑制劑到感光增強(qiáng)劑的變化。PAC能抑制樹脂溶解，但它吸收光能后會(huì)發(fā)生分解，其生成物在堿性顯影液中又能促進(jìn)樹脂的溶解，得到所需電路圖形。

形象地講，如果一個(gè)聚合物的曝光將導(dǎo)致斷鏈作用，則聚合物在顯影劑中就更容易溶解，其行為同正性光刻膠；若聚合物的曝光是產(chǎn)生交聯(lián)，那么 PAC將會(huì)抑制光刻膠在顯影劑中的溶解，其行為同負(fù)性光刻膠。

目前最常用的正性光刻膠為DQN，分別表示感光化合物（DQ）和基體材料（N）。對(duì)于線和線曝光，DQN是占?jí)旱箖?yōu)勢(shì)的光刻膠配方，其基體材料為稠密的酚醛樹脂聚合物，其反應(yīng)機(jī)理如圖1[5] 。

DQ在上述反應(yīng)后變?yōu)橐环N羧酸，而基體作為樹脂與其形成一種樹脂羧酸混合物，將迅速吸收水分，反應(yīng)放出的N也使光刻膠形成泡沫，進(jìn)而促進(jìn)溶解。在此溶解過程中，羧酸會(huì)分裂而成為水溶的胺。

3 應(yīng)用性能指標(biāo)及研究方向

3.1 應(yīng)用性能指標(biāo)

集成電路的進(jìn)一步發(fā)展需要相應(yīng)的曝光技術(shù)的支持，光刻膠技術(shù)是曝光技術(shù)的重要組成部分。高性能的曝光工具需要與之相配套的高性能的光刻膠才能真正獲得高分辨率的加工能力。光刻膠在集成電路中的實(shí)際應(yīng)用性能指標(biāo)主要包括下列幾個(gè)方面。

① 分辨率。分辨率是一個(gè)非常有用的性能指標(biāo)，雖然其在一定程度上與它的吸收譜有關(guān)，但仍極大地依賴于曝光設(shè)備的光源系統(tǒng)。

② 靈敏度。靈敏度可以體現(xiàn)在光刻膠的對(duì)比度曲線上，對(duì)比度定義如下

其中，D100為所有光刻膠被去掉所需的最低能量劑量,即靈敏度，也稱之為曝光閾值；D0 為光刻膠開始進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)作序的最低能量。

對(duì)比度可以被認(rèn)為是光刻膠區(qū)分掩模版上亮區(qū)和暗區(qū)能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)，且輻照強(qiáng)度在光刻膠線條和間距的邊緣附近平滑地變化。光刻膠的對(duì)比度越大，線條邊緣越陡。典型的光刻膠對(duì)比度為2~4，且D 100比D0大100.3~10 0.5倍。

對(duì)于理想光刻膠來說，如果受到該閾值以上的曝光劑量，則光刻膠完全感光；反之，完全不感光。而實(shí)際光刻膠的曝光閾值存在一個(gè)分布，該分布范圍越窄，光刻膠的性能越好。

③ 抗刻蝕性能。光刻膠在集成電路制造工藝中的抗刻蝕性能主要有兩個(gè) [6]：一是耐化學(xué)腐蝕性。 光刻膠在印制各層電路圖形于Si片及其他薄膜層上時(shí)，需把圖形保留下來，并把印有電路圖形的光刻膠連同晶片一起置入化學(xué)蝕刻液中，進(jìn)行很多次的濕法腐蝕。只有當(dāng)光刻膠具有很強(qiáng)的抗蝕性，才能保證蝕刻液按照所希望的選擇比刻蝕出曝光所得圖形，更好地體現(xiàn)器件性能 [7]。二是抗等離子刻蝕能力。在線寬小于3μm的工藝過程中，干法刻蝕因其優(yōu)良的各向異性而受到廣泛應(yīng)用[8]。與此同時(shí)，需要光刻膠對(duì)處于蝕刻腔中等離子態(tài)的氣態(tài)分子有一定的抗蝕性能，否則將會(huì)破壞所需電路的完整性，蝕刻效果也受到影響。另外，集成電路工藝中在進(jìn)行阱區(qū)和源漏區(qū)離子注入時(shí)，也需要有較好的保護(hù)電路圖形的能力，否則光刻膠會(huì)因在注入環(huán)境中揮發(fā)從而影響到注入腔的真空度。此時(shí)注入的離子將不會(huì)起到其在電路制造工藝中應(yīng)起到的性能，器件的電路性能受阻。

④ 駐波效應(yīng)。駐波效應(yīng)是抗蝕劑在曝光過程中的寄生現(xiàn)象。光刻膠在曝光過程中由于其折射率和基體材料折射率不匹配，在基體表面產(chǎn)生的反射光和入射光相互干涉而形成駐波。光強(qiáng)的駐波分布使光刻膠內(nèi)的光敏化合物（ PAC）的濃度也呈駐波分布，從而使光刻膠在顯影后邊緣輪廓有一定的起伏。駐波效應(yīng)將在一定程度上改變了元件預(yù)期的結(jié)構(gòu)和尺寸，降低了光刻圖形的質(zhì)量，尤其在線寬更細(xì)、更小的電路制作過程中[9]。

在集成電路的生產(chǎn)過程中，通常光刻工藝中采用的是1μm左右的薄光刻膠。一般認(rèn)為，駐波效應(yīng)對(duì)薄的光刻膠圖形有較大影響，減小駐波效應(yīng)的方法主要有：在光刻膠與襯底之間涂覆增透膜；采用與光刻膠相匹配的襯底以及采用適當(dāng)?shù)暮蠛婀に?。前兩種方法是通過改變光刻膠內(nèi)部光場(chǎng)分布來改善光刻膠顯影輪廓，而后烘是通過平滑PAC濃度分布來改善光刻膠顯影輪廓[10]。與此同時(shí)，微機(jī)電系統(tǒng)中采用的厚膠工藝受駐波影響卻不大。在膜厚大于5μm后，可忽略駐波效應(yīng)的影響。

其實(shí)，在理想情況下，基體與光刻膠的折射率可以認(rèn)為是匹配的，即在曝光過程中基體和光刻膠相鄰的表面沒有反射光，此時(shí)曝光劑量分布均勻一致，而實(shí)際曝光劑量的分布與光刻膠的PAC濃度密切相關(guān)。薄膜厚度在10μm以內(nèi)隨著其膜厚增大，光刻膠中的PAC濃度相對(duì)變化率將減小，成類似的反比例曲線。

3.2 研究方向

現(xiàn)階段光刻膠研究主要有兩個(gè)方向：

① 從工藝的角度去考慮。普通的光刻膠在成像過程中，由于存在一定的衍射、反射和散射，降低了光刻膠圖形的對(duì)比度，從而降低了圖形的分辨率。隨著曝光加工特征尺寸的縮小，入射光的反射和散射對(duì)提高圖形分辨率的影響也越來越大。為了提高曝光系統(tǒng)分辨率的性能，人們正在研究在曝光光刻膠的表面覆蓋抗反射涂層的新型光刻膠技術(shù) [11]。該技術(shù)的引入，可明顯減小光刻膠表面對(duì)入射光的反射和散射，從而改善光刻膠的分辨率性能，但由此將引起工藝復(fù)雜性和光刻成本的增加。

另外，在投影式曝光系統(tǒng)中，光束通常以一定的入射角進(jìn)入光刻膠體內(nèi)，膠膜越厚，形成的光刻膠圖形尺寸也越大。為了得到精確的光刻膠圖形，希望膠膜越薄越好。為了保證光刻圖形轉(zhuǎn)移無缺陷，膠膜也應(yīng)有一定厚度，約為1μm。分辨率與圖形轉(zhuǎn)移之間的矛盾性，使得人們正在研究具有表面成像功能的光刻膠技術(shù)，即一種多層光刻膠技術(shù)[12]。該技術(shù)的下層是較厚的普通光刻膠，然后再在表面覆蓋一層薄的表面感光膠技術(shù)。該膜的表面感光層材料受曝光光束后發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，形成一較硬的抗RIE蝕刻層，然后以其作為掩蔽層，利用RIE等蝕刻方法對(duì)下層的光刻膠進(jìn)行刻蝕，形成所希望的曝光加工圖形。

對(duì)于光刻膠成分的選擇必須同時(shí)考慮兩個(gè)需求相左的因素：由吸收系數(shù)決定的成像層最大厚度（單層膠即本身厚度，多層膠即表面成像層厚度）；能夠無缺陷地定義加工圖形的最小膠層厚度。兩者之間需采用專用系統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化選擇。

② 依附于曝光系統(tǒng)而變。 伴隨著新一代曝光技術(shù)（NGL）的研究與發(fā)展，為了更好的滿足其所能實(shí)現(xiàn)光刻分辨率的同時(shí)，光刻膠也相應(yīng)發(fā)展。先進(jìn)曝光技術(shù)對(duì)光刻膠的性能要求也越來越高。

在大規(guī)模集成電路的發(fā)展過程中,由于g線 (436nm)光致抗蝕劑(酚醛樹脂-重氮萘醌型正膠)也可以應(yīng)用于ｉ線(365nm)光刻中, 因此由g線光刻發(fā)展為ｉ線光刻比較順利，而從ｉ線光刻發(fā)展為深紫外248nmＫrF激光光刻時(shí)，光致抗蝕劑的組成與光化學(xué)成像機(jī)理都有了重大變化。248nm光刻中采用了化學(xué)增幅抗蝕劑,作為一種新型光致抗蝕劑, 化學(xué)增幅抗蝕劑與原有光致抗蝕劑不同。原有光致抗蝕劑在曝光時(shí)吸收一個(gè)光子最多發(fā)生一次交聯(lián)或分解反應(yīng), 效率較低; 而化學(xué)增幅抗蝕劑一般由光敏產(chǎn)酸物(PAG)和酸敏樹脂組成, 在曝光時(shí)光敏產(chǎn)酸物分解出超強(qiáng)酸, 從而催化酸敏樹脂的分解或交聯(lián)。由于催化劑在反應(yīng)中可以循環(huán)使用, 因此效率很高。248nm光刻中的正型化學(xué)增幅抗蝕劑一般采用聚對(duì)羥基苯乙烯的衍生物作為酸敏樹脂, 芳基碘翁鹽或硫翁鹽為光敏產(chǎn)酸物，其反應(yīng)機(jī)理如圖2所示。典型的負(fù)性化學(xué)增幅抗蝕劑的組成為以聚對(duì)羥基苯乙烯或甲酚醛樹脂為基體樹脂, 氨基樹脂(HMMM)為交聯(lián)劑,利用曝光區(qū)發(fā)生酸催化交聯(lián)反應(yīng)而產(chǎn)生曝光區(qū)與非曝光區(qū)的溶解度差。

由于248nm光致抗蝕劑的主體樹脂中存在苯環(huán)結(jié)構(gòu),它們對(duì)193nm波長(zhǎng)的光吸收很強(qiáng),不透明。因此,在發(fā)展193nm光致抗蝕劑時(shí), 樹脂的主體必須進(jìn)行改變。這時(shí)必須考慮到兩個(gè)問題，一是樹脂的抗干法蝕刻性，聚對(duì)羥基苯乙烯及酚醛樹脂由于含有大量苯環(huán)而具有良好的抗干法蝕刻性,取代它們的樹脂也必須具有良好的抗干法蝕刻性；另一個(gè)是光敏產(chǎn)酸物的效率，由于在248nm光致抗蝕劑中基體樹脂的酚羥基易于與激發(fā)態(tài)的碘翁鹽或硫翁鹽發(fā)生光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移，從而提高光敏產(chǎn)酸物的產(chǎn)酸效率， 而在193nm光致抗蝕劑的主體樹脂中將不含苯環(huán)結(jié)構(gòu)[13] 。因此,在發(fā)展新的193nm光致抗蝕劑的主體樹脂時(shí)，也需要發(fā)展新的、具有高光敏性的光敏產(chǎn)酸物。

在國(guó)內(nèi)，雖然193nm的曝光設(shè)備已經(jīng)成熟，但由于與之相配套的光刻膠技術(shù)還不成熟，達(dá)不到248nm曝光技術(shù)的分辨率性能。而在國(guó)外，248nm 光刻膠已進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)用階段，其使用線寬已達(dá)0.18~0.25μm [14]。193nm光刻膠成膜樹脂的研究已進(jìn)入實(shí)用階段，主要為脂環(huán)類聚合物。193nm單層光刻分辨率可達(dá)0.15mm；193nm光刻采用OPC技術(shù)和多層光刻膠技術(shù)分辨率可達(dá)0.1 mm。進(jìn)一步提高分辨率, 直至達(dá)到硅材料的極限0.1μｍ左右。另一條路線是采用更短波長(zhǎng)的激光如氟157ｎｍ和氬126ｎｍ激光 以及波長(zhǎng)僅為20～50ｎｍ的超深紫外光(EUV)和波長(zhǎng)更短的Ｘ射線作為曝光光源。根據(jù)推算,157ｎｍ和126ｎｍ光刻可以達(dá)到0.11和0.09mｍ的分辨率( K值為0.4,NA值為0.7時(shí))。EUV光刻和X光光刻則可以達(dá)到更高的分辨率。然而, 它們存在的掩膜制造困難，且掩膜易被強(qiáng)光損傷等缺陷限制了它們的工業(yè)化生產(chǎn)。而電子束光刻膠極有可能在集成電路線寬降至納米級(jí)時(shí)大顯身手，目前國(guó)外電子束膠研究水平已達(dá)0.07 mm，0.1mm技術(shù)已可量產(chǎn)。另外，X射線膠和離子束膠也因其優(yōu)勢(shì)可以對(duì)微電子光刻技術(shù)起到很好的推動(dòng)作用。

4 結(jié)束語

針對(duì)目前我國(guó)集成電路多代同堂長(zhǎng)期共存的局面，從目前及今后IC、分立器件及液晶顯示器件的發(fā)展趨勢(shì)來看，無論是紫外膠還是248nm、 193nm EUV光刻膠及離子束、電子束膠，由于它們之間用途不盡相同，且不可互替，所以應(yīng)繼續(xù)跟蹤國(guó)際光刻膠的發(fā)展，進(jìn)行更深入研究，開發(fā)出更高水平光刻膠，以滿足未來市場(chǎng)需求[15]。