浅谈光刻胶在集成电路制造中的应用性能

摘 要：光刻胶技术是曝光技术中重要的组成部分,高性能的曝光工具需要有与之相配套的高性能的光刻胶才能真正获得高分辨率的加工能力。主要围绕光刻胶在集成电路制造中的应用，对其反应机理及应用性能指标进行阐述，重点从工艺的角度去提出新的研究方向。

关键词：光刻胶；应用性能；反应机理；集成电路；光刻

中图分类号：TN305.7 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2005)06-0032-05

1 引言

作为微电子技术的集成电路制造技术是电子工业的基础，其发展更新的速度是其他产业无法企及的。在集成电路制作过程中，光刻是其关键工艺[1]。光刻胶涂覆在半导体、导体和绝缘体上，经曝光显影后留下的部分对底层起保护作用，然后采用超净高纯试剂进行蚀刻，从而完成了将掩膜版图形转移到底层上的图形转移过程。一个IC的制造一般需要经过10多次图形转移过程才能完成,光刻胶及蚀刻技术是实现集成电路微细加工技术的关键[2]。蚀刻的方式主要分为湿法和干法两种，等离子与反应离子刻蚀（RIE）属于干法蚀刻，主要是通过物理轰击溅射和化学反应的综合作用来腐蚀薄膜层，而物理溅射是通过具有一定能量的粒子轰击作用，使膜层的化学键断裂，进而发生分解；而湿法蚀刻是简便的方法。

光刻胶又称光致抗蚀剂，即通过紫外光、电子束、离子束、X射线等的照射或辐射，使其溶解度发生变化的耐蚀刻薄膜材料，经曝光和显影而使溶解度增加的是正性光刻胶，反之为负性光刻胶。光刻胶的分类及其特点见表1。

随着IC特征尺寸亚微米、深亚微米方向快速发展，现有的光刻机和光刻胶已无法适应新的光刻工艺要求。光刻机的曝光波长也在由紫外谱g线 (436nm)→i线(365nm)→248nm→193nm→极紫外光（EUV）→X射线，甚至采用非光学光刻（电子束曝光、离子束曝光），光刻胶产品的综合性能也必须随之提高，才能符合集成工艺制程的要求 [3]。以下几点为光刻胶制造中的关键技术：配方技术、超洁净技术、超微量分析技术及应用检测能力。 制程特性要求有：涂布均匀性、灵敏度、分辨率及制程宽容度。

光刻胶在接受一定波长的光或者射线时,会相应的发生一种光化学反应或者激励作用。光化学反应中的光吸收是在化学键合中起作用的处于原子外层的电子由基态转入激励态时引起的。对于有机物，基态与激励态的能量差为3~6eV，相当于该能量差的光(即波长为0.2~0.4μm的光)被有机物强烈吸收，使在化学键合中起作用的电子转入激励态。化学键合在受到这种激励时，或者分离或者改变键合对象，发生化学变化。电子束、X射线及离子束(即被加速的粒子)注入物质后，因与物质具有的电子相互作用，能量逐渐消失。电子束失去的能量转移到物质的电子中，因此生成激励状态的电子或二次电子或离子。这些电子或离子均可诱发光刻胶的化学反应。

IC制造中所用光刻胶通常有三种成分：树脂或基体材料、感光化合物（PAC）以及可控制光刻胶机械性能（基体粘滞性）并使其保持液体状态的溶剂 [4]。正性光刻胶中，PAC在曝光前后发生了从抑制剂到感光增强剂的变化。PAC能抑制树脂溶解，但它吸收光能后会发生分解，其生成物在碱性显影液中又能促进树脂的溶解，得到所需电路图形。

形象地讲，如果一个聚合物的曝光将导致断链作用，则聚合物在显影剂中就更容易溶解，其行为同正性光刻胶；若聚合物的曝光是产生交联，那么 PAC将会抑制光刻胶在显影剂中的溶解，其行为同负性光刻胶。

目前常用的正性光刻胶为DQN，分别表示感光化合物（DQ）和基体材料（N）。对于线和线曝光，DQN是占压倒优势的光刻胶配方，其基体材料为稠密的酚醛树脂聚合物，其反应机理如[5] 。

DQ在上述反应后变为一种羧酸，而基体作为树脂与其形成一种树脂羧酸混合物，将迅速吸收水分，反应放出的N也使光刻胶形成泡沫，进而促进溶解。在此溶解过程中，羧酸会分裂而成为水溶的胺。

3 应用性能指标及研究方向

3.1 应用性能指标
集成电路的进一步发展需要相应的曝光技术的支持，光刻胶技术是曝光技术的重要组成部分。高性能的曝光工具需要与之相配套的高性能的光刻胶才能真正获得高分辨率的加工能力。光刻胶在集成电路中的实际应用性能指标主要包括下列几个方面。

① 分辨率。分辨率是一个非常有用的性能指标，虽然其在一定程度上与它的吸收谱有关，但仍极大地依赖于曝光设备的光源系统。

② 灵敏度。灵敏度可以体现在光刻胶的对比度曲线上，对比度定义如下

其中，D100为所有光刻胶被去掉所需的能量剂量,即灵敏度，也称之为曝光阈值；D0 为光刻胶开始进行光化学反应作序的能量。

对比度可以被认为是光刻胶区分掩模版上亮区和暗区能力的衡量标准，且辐照强度在光刻胶线条和间距的边缘附近平滑地变化。光刻胶的对比度越大，线条边缘越陡。典型的光刻胶对比度为2~4，且D 100比D0大100.3~10 0.5倍。

对于理想光刻胶来说，如果受到该阈值以上的曝光剂量，则光刻胶完全感光；反之，完全不感光。而实际光刻胶的曝光阈值存在一个分布，该分布范围越窄，光刻胶的性能越好。

③ 抗刻蚀性能。光刻胶在集成电路制造工艺中的抗刻蚀性能主要有两个 [6]：一是耐化学腐蚀性。 光刻胶在印制各层电路图形于Si片及其他薄膜层上时，需把图形保留下来，并把印有电路图形的光刻胶连同晶片一起置入化学蚀刻液中，进行很多次的湿法腐蚀。只有当光刻胶具有很强的抗蚀性，才能保证蚀刻液按照所希望的选择比刻蚀出曝光所得图形，更好地体现器件性能 [7]。二是抗等离子刻蚀能力。在线宽小于3μm的工艺过程中，干法刻蚀因其优良的各向异性而受到广泛应用[8]。与此同时，需要光刻胶对处于蚀刻腔中等离子态的气态分子有一定的抗蚀性能，否则将会破坏所需电路的完整性，蚀刻效果也受到影响。另外，集成电路工艺中在进行阱区和源漏区离子注入时，也需要有较好的保护电路图形的能力，否则光刻胶会因在注入环境中挥发从而影响到注入腔的真空度。此时注入的离子将不会起到其在电路制造工艺中应起到的性能，器件的电路性能受阻。

④ 驻波效应。驻波效应是抗蚀剂在曝光过程中的寄生现象。光刻胶在曝光过程中由于其折射率和基体材料折射率不匹配，在基体表面产生的反射光和入射光相互干涉而形成驻波。光强的驻波分布使光刻胶内的光敏化合物（ PAC）的浓度也呈驻波分布，从而使光刻胶在显影后边缘轮廓有一定的起伏。驻波效应将在一定程度上改变了元件预期的结构和尺寸，降低了光刻图形的质量，尤其在线宽更细、更小的电路制作过程中[9]。

在集成电路的生产过程中，通常光刻工艺中采用的是1μm左右的薄光刻胶。一般认为，驻波效应对薄的光刻胶图形有较大影响，减小驻波效应的方法主要有：在光刻胶与衬底之间涂覆增透膜；采用与光刻胶相匹配的衬底以及采用适当的后烘工艺。前两种方法是通过改变光刻胶内部光场分布来改善光刻胶显影轮廓，而后烘是通过平滑PAC浓度分布来改善光刻胶显影轮廓[10]。与此同时，微机电系统中采用的厚胶工艺受驻波影响却不大。在膜厚大于5μm后，可忽略驻波效应的影响。

其实，在理想情况下，基体与光刻胶的折射率可以认为是匹配的，即在曝光过程中基体和光刻胶相邻的表面没有反射光，此时曝光剂量分布均匀一致，而实际曝光剂量的分布与光刻胶的PAC浓度密切相关。薄膜厚度在10μm以内随着其膜厚增大，光刻胶中的PAC浓度相对变化率将减小，成类似的反比例曲线。

3.2 研究方向
现阶段光刻胶研究主要有两个方向：

① 从工艺的角度去考虑。普通的光刻胶在成像过程中，由于存在一定的衍射、反射和散射，降低了光刻胶图形的对比度，从而降低了图形的分辨率。随着曝光加工特征尺寸的缩小，入射光的反射和散射对提高图形分辨率的影响也越来越大。为了提高曝光系统分辨率的性能，人们正在研究在曝光光刻胶的表面覆盖抗反射涂层的新型光刻胶技术 [11]。该技术的引入，可明显减小光刻胶表面对入射光的反射和散射，从而改善光刻胶的分辨率性能，但由此将引起工艺复杂性和光刻成本的增加。

另外，在投影式曝光系统中，光束通常以一定的入射角进入光刻胶体内，胶膜越厚，形成的光刻胶图形尺寸也越大。为了得到的光刻胶图形，希望胶膜越薄越好。为了保证光刻图形转移无缺陷，胶膜也应有一定厚度，约为1μm。分辨率与图形转移之间的矛盾性，使得人们正在研究具有表面成像功能的光刻胶技术，即一种多层光刻胶技术[12]。该技术的下层是较厚的普通光刻胶，然后再在表面覆盖一层薄的表面感光胶技术。该膜的表面感光层材料受曝光光束后发生光化学反应，形成一较硬的抗RIE蚀刻层，然后以其作为掩蔽层，利用RIE等蚀刻方法对下层的光刻胶进行刻蚀，形成所希望的曝光加工图形。

对于光刻胶成分的选择必须同时考虑两个需求相左的因素：由吸收系数决定的成像层厚度（单层胶即本身厚度，多层胶即表面成像层厚度）；能够无缺陷地定义加工图形的胶层厚度。两者之间需采用专用系统通过实验进行优化选择。

② 依附于曝光系统而变。 伴随着新一代曝光技术（NGL）的研究与发展，为了更好的满足其所能实现光刻分辨率的同时，光刻胶也相应发展。先进曝光技术对光刻胶的性能要求也越来越高。

在大规模集成电路的发展过程中,由于g线 (436nm)光致抗蚀剂(酚醛树脂-重氮萘醌型正胶)也可以应用于ｉ线(365nm)光刻中, 因此由g线光刻发展为ｉ线光刻比较顺利，而从ｉ线光刻发展为深紫外248nmＫrF激光光刻时，光致抗蚀剂的组成与光化学成像机理都有了重大变化。248nm光刻中采用了化学增幅抗蚀剂,作为一种新型光致抗蚀剂, 化学增幅抗蚀剂与原有光致抗蚀剂不同。原有光致抗蚀剂在曝光时吸收一个光子多发生交联或分解反应, 效率较低; 而化学增幅抗蚀剂一般由光敏产酸物(PAG)和酸敏树脂组成, 在曝光时光敏产酸物分解出超强酸, 从而催化酸敏树脂的分解或交联。由于催化剂在反应中可以循环使用, 因此效率很高。248nm光刻中的正型化学增幅抗蚀剂一般采用聚对羟基苯乙烯的衍生物作为酸敏树脂, 芳基碘翁盐或硫翁盐为光敏产酸物，其反应机理如所示。典型的负性化学增幅抗蚀剂的组成为以聚对羟基苯乙烯或甲酚醛树脂为基体树脂, 氨基树脂(HMMM)为交联剂,利用曝光区发生酸催化交联反应而产生曝光区与非曝光区的溶解度差。

由于248nm光致抗蚀剂的主体树脂中存在苯环结构,它们对193nm波长的光吸收很强,不透明。因此,在发展193nm光致抗蚀剂时, 树脂的主体必须进行改变。这时必须考虑到两个问题，一是树脂的抗干法蚀刻性，聚对羟基苯乙烯及酚醛树脂由于含有大量苯环而具有良好的抗干法蚀刻性,取代它们的树脂也必须具有良好的抗干法蚀刻性；另一个是光敏产酸物的效率，由于在248nm光致抗蚀剂中基体树脂的酚羟基易于与激发态的碘翁盐或硫翁盐发生光诱导电荷转移，从而提高光敏产酸物的产酸效率， 而在193nm光致抗蚀剂的主体树脂中将不含苯环结构[13] 。因此,在发展新的193nm光致抗蚀剂的主体树脂时，也需要发展新的、具有高光敏性的光敏产酸物。

在国内，虽然193nm的曝光设备已经成熟，但由于与之相配套的光刻胶技术还不成熟，达不到248nm曝光技术的分辨率性能。而在国外，248nm 光刻胶已进入生产实用阶段，其使用线宽已达0.18~0.25μm [14]。193nm光刻胶成膜树脂的研究已进入实用阶段，主要为脂环类聚合物。193nm单层光刻分辨率可达0.15mm；193nm光刻采用OPC技术和多层光刻胶技术分辨率可达0.1 mm。进一步提高分辨率, 直至达到硅材料的极限0.1μｍ左右。另一条路线是采用更短波长的激光如氟157ｎｍ和氩126ｎｍ激光 以及波长仅为20～50ｎｍ的超深紫外光(EUV)和波长更短的Ｘ射线作为曝光光源。根据推算,157ｎｍ和126ｎｍ光刻可以达到0.11和0.09mｍ的分辨率( K值为0.4,NA值为0.7时)。EUV光刻和X光光刻则可以达到更高的分辨率。然而, 它们存在的掩膜制造困难，且掩膜易被强光损伤等缺陷限制了它们的工业化生产。而电子束光刻胶极有可能在集成电路线宽降至纳米级时大显身手，目前国外电子束胶研究水平已达0.07 mm，0.1mm技术已可量产。另外，X射线胶和离子束胶也因其优势可以对微电子光刻技术起到很好的推动作用。

4 结束语

针对目前我国集成电路多代同堂长期共存的局面，从目前及今后IC、分立器件及液晶显示器件的发展趋势来看，无论是紫外胶还是248nm、 193nm EUV光刻胶及离子束、电子束胶，由于它们之间用途不尽相同，且不可互替，所以应继续跟踪国际光刻胶的发展，进行更深入研究，开发出更高水平光刻胶，以满足未来市场需求[15]。