共读好书
文青山，黄华佑，杨 丹，李运泉
( 广东省特种设备检测研究院顺德检测院)
摘要
光刻胶是半导体制造中关键的材料，用于光刻工艺中转移图案到硅片。随着微电子工艺的发展、曝光光源的不断进步和器件尺寸的缩小，光刻胶的性能指标正在不断提高，以满足更高的分辨率、灵敏度以及更低的线边粗糙度等工艺要求。本文探讨了光刻胶的工艺特征参数及其影响因素，并提出了光刻胶的未来展望。
0 引言
近年来，随着新兴应用领域的发展，全球光刻胶市场稳步增长，其重要性越发凸显。国家在半导体产业方面的政策支持和资金投入不断增加，为光刻胶产业创造了有利的发展环境。国内企业在光刻胶技术研发和生产方面逐渐具备了竞争力，并且不断进行创新，提高产品性能和品质，满足市场需求。当前国内晶圆厂及其他下游客户通过自主研发和引进先进技术，加快引进国产先进半导体光刻胶的步伐，部分国产半导体光刻胶已经开始进入到量产和规模出货的阶段［1］。光刻胶各界正在努力开发分辨率低于 20 nm 的光刻胶，以满足国际半导体技术发展路线图( international technology roadmap for semiconductors，ITＲS)对分辨率( resolution，Ｒ) 、粗糙度和灵敏度( sensitivity，S)的要求。作为半导体制造的核心流程，光刻工艺对于芯片制造来说至关重要，成本约占整个集成电路制程的 35%，耗时占整个集成电路制程的 40% ～ 60%［2］，光刻胶的工艺特征参数对器件制造的质量和电路性能具有重要影响。探讨光刻胶工艺特征参数及其影响因素在优化工艺流程，确保制造的一致性，提高器件性能等方面具有重要影响。
1 光刻胶概述
光刻胶是实现光刻工艺中图形转移的感光材料，具有选择性抵抗刻蚀的功能，主要由树脂、感光剂、溶剂和添加剂等材料组成。其中，光刻胶树脂是一种惰性聚合物基质，作用是将光刻胶中的不同材料黏合在一起。树脂决定光刻胶的 机 械 和 化 学 性 质 ( 黏附 性、胶膜 厚 度、柔顺 性等)，树脂对光不敏感，曝光后不会发生化学变化。半导体光刻胶产品品质要求高，树脂的分子量与分子量分布要非常接近，分子量分布越小越好( 理论值为 1. 0) 。感光剂是光刻胶中的光敏成分，曝光时会发生光化学反应，是实现光刻图形转移的关键。溶剂的作用是让光刻胶在被旋涂前保持液体状态，多数溶剂会在曝光前挥发，不会影响光刻胶的光化学性质。添加剂用来控制光刻胶的化学性质和光响应特性，并提高光刻胶的储存稳定性。
光刻技术不断增加对更小特征尺寸的需求，从而使集成电路的集成水平更高。如表 1 所示，光刻技术根据使用的曝 光 光 源 波 长 来 分 类［3］，如今 已 发 展 至 波 长 小 于13. 5 nm的极紫外( extreme ultraviolet，EUV)光刻，EUV 光刻技术被认为是继 193 nm 浸没式光刻技术与多种制模方法相结合之后，性价比最高的光刻技术。
光刻工艺一般包括 8 个基本步骤［4］: 气相成底膜、旋转涂胶、软烘( soft bake，SOB) 、对准和曝光( exposure) 、曝光后烘焙( post exposure bake，PEB) 、显影( develop) 、坚膜烘焙、显影检查。光刻胶研发的最终目的是提高光刻的工艺性能，其指标包含分辨率、灵敏度、粗糙度、对比度、黏滞性 / 黏度、黏附性、抗蚀性、表面张力、针孔、热流程等诸多参数。其中最重要的三个指标是表征其关键光刻性能的分辨率、灵敏度和粗糙度。半导体光刻胶一般会用 ＲLS特性来表示其主要工艺性能，即分辨率( Ｒ) 、线边缘粗糙度 / 线宽 粗 糙 度( line edge roughness，LEＲ / line width roughness，LWＲ) 和灵敏度( S) 。为了满足工业生产的要求，EUV 光刻胶的目标是高分辨率、高灵敏度和低 LWＲ，一般需要满足以下指标［5］: 分辨率＜10 nm，LWＲ＜15%，灵敏度＜20 mJ·cm－2。
EUV 光刻波长的急剧减少对光刻胶材料带来了重大挑战。光致抗蚀剂吸收的 EUV 光子数量仅为 193 nm 波长的 1 /14［6］，再进一步提高 EUV光源强度的难度是巨大的，因此需要开发超灵敏度的 EUV 光刻胶，以满足 EUV光刻的要求。为了提高灵敏度，目前主要研究的 EUV 光刻胶 类 型 是 聚 合 物 基 化 学 放 大 光 刻 胶 ( chemically amplified photoresist，CAＲ)，通过酸催化反应实现 EUV 光刻的快速响应来提高其灵敏度，但过高的灵敏度将提高酸扩散长度，导致光刻胶图形分辨率变低和粗糙度变高。另外，随着分辨率的提高，CAＲ 的灵敏度会大大降低，同时光刻胶的厚度会减小，这就要求提高 EUV 的抗蚀刻性能。同时对三种关键工艺特性进行优化时难度太大，受到许多物理、化学等因素的制约，很少有报道光刻胶能完全满足ITＲS 的所有要求。
2 典型特征参数
2. 1 分辨率
分辨率( Ｒ) 即光刻工艺中所能形成最小尺寸的有用图像，是区别硅片表面相邻图形特征的能力。芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸，其中最小的特征尺寸称为关键尺寸( critical dimension，CD)，其大小代表了半导体制造工艺的复杂水平。半导体制造希望增加单位面积的晶体管数量，因此减少结构尺寸和提高分辨率至关重要。一般用关键尺寸来衡量光刻胶的分辨率，关键尺寸越小，光刻胶的分辨率越高。从理论上讲，光刻所能产生的关键尺寸的分辨率 与 瑞 利 公 式 ( Ｒayleigh equation) 有关: CD = k1 ×( λ / NA)，λ 代表 光 源 波 长; k1 是工 艺 相 关 参 数，一般 在0. 25 ～ 0. 4 之间; NA( numerical aperture) 被称作数值孔径，是光学镜头的一个重要指标，一般光刻机设备都会明确标注该指标的数值。为了降低 CD，实现更为精细的加工尺寸，有三种方式: ①降低光源的波长 λ; ②提高镜头的 NA;③降低综合因素k1。实现较小 CD 的常见策略是减小曝光光源的波长，光刻曝光源已经从 g 线( 436 nm) 演变为当前的极紫外( 13. 5 nm)［7］。
在光刻胶的研发中需要注意光刻胶中过量的酸扩散和图案纵横比过大引起坍塌造成的模糊等问题，而这也限制了光刻胶的分辨率。分辨率深受光刻胶材质本身物理化学性质的影响，必须避免光刻胶材料在显影过程中收缩或在硬烤中流动。因此，若要使光刻材料拥有良好的分辨能力，需谨慎选择光刻胶组成材料及所用的显影剂。
2. 2 粗糙度
粗糙度表征了光刻图案边缘的粗糙程度，通常用 LEＲ或 LWＲ 来表示。CAＲ 通过酸催化诱导光刻胶在光照和温度等外部因素下发生反应，是 EUV 光刻胶中常见的光刻胶类型 之 一。曝光 步 骤 中，部分 光 刻 胶 暴 露 于 EUV 光线(13. 5 nm)，而电子被激发和发射，在基质中弹性或非弹性散射过程中，这些电子会产生次级电子并与 PAG 分子相互作用，从而产生酸［8］。通过 PEB 工艺步骤升高温度使 CAＲ产生的酸在聚合物中扩散并催化树脂的脱保护反应，将聚合物基质的疏水保护官能团转化为可溶于水性显影剂的亲水官能团，在显影步骤中溶解形成最终所需的图案。显影后沿图案边缘线存在的空间波动即 LEＲ。LEＲ 是光刻过程中光刻材料成分之间发生的各种物理现象和化学反应的结果。LEＲ 受到几个复杂因素的影响，如不同的工艺参数、掩膜版图像质量、PEB 和显影条件等。为了改善光刻胶侧壁形貌的垂直性，需要优化工艺和光刻胶材料。
EUV 光刻胶的当前关键挑战之一是减少最终图案的LEＲ，同时 保 持 高 分 辨 率 和 灵 敏 度。ITＲS 指出，LEＲ 和LWＲ 应小于临界尺寸的 8% ，光刻胶显影后的 LEＲ 会进一步影响蚀刻基底生成 CD 的变化程度，当需要设计的图案越小，对 LEＲ 的要求就越高。
2. 3 灵敏度
灵敏度［9］( S) 指的是光刻胶产生一个良好的图形所需一定波 长 光 的 最 小 能 量 值 ( 或最 小 曝 光 量)，单位 是mJ / cm2，通常是以曝光剂量作为衡量光刻胶灵敏度的指标，曝光剂量值越小，代表光刻胶有越高的灵敏度。灵敏度反映了光刻胶在某种波长的光线照射时的反应程度大小，不同的光刻胶在不同波长的光线中的反应是有选择性的，也因此制备了不同类型的光刻胶。光源的最大输出功率是恒定的，曝光剂量可以根据曝光时间的长短进行调整。非常灵敏的光刻胶由于只需要很小的曝光剂量即可产生足够的光反应，导致暴露和未暴露区域之间的溶解度存在显著差异。因此减少曝光时间，有利于提高生产效率。EUV 光源具有波长短、功率输出低等特点，研制高灵敏度的光刻胶显得日益重要。
光源在 248 nm ( i 线) 处发 出 的 光 强 度 只 有 365 nm( DUV) 处光强度的 1 /30，这要求在 248 nm 处创造出非常明亮的光源，或者发明超灵敏的光刻胶。因此，IBM 学者首次提出 CAＲ 的概念［10］，其原理是光刻胶中的光产酸剂( photo acid generator，PAG) 发生光化学反应产生酸分子，促进光刻胶膜中许多连续的化学转化反应产生酸，作为催化剂成分，只需少量的酸就可以通过化学反应放大曝光效果，从而大大提高光刻胶的灵敏度。由 193 nm ArF 光刻发展到 EUV光刻同样面临着相似的挑战，即同样吸收系数与剂量条件下光刻胶中 EUV 光子吸收量只有 193 nm 波长处的 1 /14。为了获得高灵敏度，EUV 光刻胶应该能够吸收尽可能多的光子，然后有效地利用吸收的光子。目前，EUV 光刻胶有着专门设计以获得高灵敏度，来面对极紫外波长急剧下降的挑战和与长波光刻曝光机制不同的挑战。
3 其他特征参数
除了光刻胶的 ＲLS 特性之外，光刻胶使用者也会关注图像对比度、黏附性、抗刻蚀能力、表面张力等诸多工艺参数。对比度 ( contrast) 指光 刻 胶 材 料 曝 光 前 后 化 学 物 质( 如溶解度) 改变的速率［11］。对比度可作光刻胶分辨掩膜版亮区与暗区的能力衡量指标，辐照强度沿光刻胶线条及间距边缘平滑变化，从曝光区到非曝光区过渡的侧壁陡度，侧壁越陡，对比度越好。光刻胶对比度越高，线条边缘就越陡峭，其典型反差在 2 ～ 4 之间。对理想光刻胶而言，当曝光剂量超过这个阈值时，光刻胶完全感光; 反之，完全不感光。在实际应用中，光刻胶的曝光阈值有一分布区间，此分布区间越窄光刻胶性能越高。
黏附性 ( adherence) 是表 征 光 刻 胶 黏 着 于 衬底 的 强度。这不仅关系到光刻胶自身的特性，还关系到衬底及其表面状况等。作为刻蚀阻挡层，光刻胶层要与晶圆表面有良好黏结才能紧密地将光刻层图形传递到晶圆表面层上，而且光刻胶黏附性须承受后续过程( 刻蚀、离子注入等)，若光刻胶缺乏黏附性将使硅片表面图形产生变形。一般情况下，不同衬底表面对光刻胶黏结能力存在差异，负胶的黏结能力强于正胶。
抗蚀性［12］( anti-etching) 是指光刻胶材料对刻蚀的抵抗力，以保护底层。当图形从光刻胶转移到芯片上时，光刻胶材料必须能够抵抗高能和高温( ＞150 ℃ ) 而不改变其原有性能，并在后续工序中对表面进行防护，具有良好的耐热稳定性好，抗刻蚀能力强，抗离子轰击。湿法刻蚀过程中，印刷有电路图形的光刻胶需与硅片一起放入化学刻蚀液并多次湿法刻蚀。只有光刻胶的抗蚀性足够强，才能够确保刻蚀液按预期选择比例对曝光后得到的图形进行刻蚀，提高精密制造的良率。干法刻蚀过程中，如集成电路工艺过程中阱区与源漏区离子注入过程中，需具备良好的电路图形保护能力，否则光刻胶由于在注入环境下蒸发将影响注入腔真空度，这时注入的离子在电路制造工艺中就起不到应有的效果，器件电路性能也就受到影响。
表面张力( surface tension) 指液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力［13］。光刻胶要有较低的表面张力使得光刻胶流动性和覆盖性好，这样有利于在晶圆片上涂覆一层光滑、均匀的耐蚀刻保护薄膜。
4 结语
光刻胶的工艺研究与开发中，需要通过材料设计，配方优化以及光刻工艺调整等手段，优化光刻胶的各个特性，并且在一定范围内相互协调，最终满足光刻工艺要求。EUV 光刻技术对于半导体工业实现低成本制造 7 nm 节点至关重要，设计新型的 EUV 光刻胶材料应考虑极紫外光和更小特征尺寸等工艺参数要求。国产光刻胶应以工艺特性为导向加大研发力度，提升技术水平和竞争力。此外，做好光刻胶的关键质量把控，以保证光刻胶的工艺匹配性和质量可靠性，满足半导体制造的使用需求和保障长期稳定供应。
欢迎扫码添加小编微信
扫码加入知识星球，领取公众号资料
