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光刻胶材料发展状况及下一代光刻技术对图形化材料的挑战
作者:李冰马洁刁翠梅孙嘉李海波
来源:《新材料产业》2018年第12期
李冰马洁刁翠梅孙嘉李海波
北京科华微电子材料有限公司
一、背景
光刻胶是制造集成电路的关键材料,其性能直接影响到集成电路芯片上的集成度、运行速度及功耗等性能。在摩尔定律的推动下,集成电路芯片集成度不断提高,光刻胶技术也不断发展,经历了宽谱光刻胶、G/I线光刻胶、248nm光刻胶、193nm光刻胶等一系列技术平台,从技术上经历了环化橡胶体系、酚醛树脂-重氮奈醌体系及化学放大体系。在设备、工艺与材料的共同作用下,分辨率从几十微米发展到了现在的10nm。本文回顾了不同光刻胶体系的基本组分、作用原理与技术特点,在此基础上分析了下一代光刻技术,特别是大分子自组装和极紫外光刻的技术特点及其对相关材料的挑战。
二、光刻胶技术发展历程
1.光刻胶关键性能指标光刻胶是一种感光材料,在光的照射下发生溶解度的变化,可以通过曝光、显影及刻蚀等一系列步骤将掩膜板上的图形转移到基片上。为了实现图形的精确转移,光刻胶的以下性能指标至关重要:
(1)分辨率
即在特定设备及工艺条件下光刻胶所能达到的最小分辨率,这决定了芯片的集成度及运算速度。一个特定的光刻系统的分辨率取决于瑞利公式,即公式(1)所示。
分辨率的主要影响因素为λ(曝光波长)和NA(镜头的数值孔径),曝光波长越短,系统的分辨率越高,光刻技术经历了宽谱曝光、G线(436nm)曝光、I线(365nm)曝光、KrF(248nm)曝光、ArF(193nm)曝光及极紫外(13.5nm)曝光方式的变革。对于光刻胶而言,影响其分辨率的主要因素是主体树脂的结构及与之配合的感光材料。
(2)感光速度
即光刻胶受光照射发生溶解速度改变所需的最小能量,感光速度越快,单位时间内芯片制造的产出越高,经济效益越好。另一方面,过快的感光速度会引起工艺宽容度的减小,影响工艺制程的稳定性。
(3)工艺窗口
即光刻胶性能,特别是线宽受工艺波动的影响,光刻胶线宽受曝光能量变化的影响称为“曝光宽容度(ExposureLatitude,EL)”;光刻胶线宽受焦距变化的影响称为“焦深(DepthofFocus,DoF)”。
(4)抗刻蚀能力
即光刻胶对光刻工艺后其他工艺的阻挡能力,具体表现在耐热性(在高温下不发生形变)、抗刻蚀性(在刻蚀过程中,光刻胶的损失较小,有较大的刻蚀选择比)、抗离子注入能力(在一定厚度下对离子注入的抵抗,确保不被所注入的离子击穿的能力)。
2.光刻胶技术类型
(1)环化橡胶型光刻胶
环化橡胶型光刻胶是目前仍在批量应用的最古老的光刻胶平台,它主要由环化橡胶、感光材料、添加剂及溶剂组成。其成膜树脂为聚异戊二烯橡胶,主链中含有多个未反应的双键;感光材料为包含多个双叠氮基团的小分子,在曝光后生成自由基,引发环化橡胶中的双键发生聚合反应,进而在曝光区生成不溶于显影液的三维网状交联结构(图1)。由于其交联机理,环化橡胶型负胶具有较好的粘附性及抗刻蚀能力,特别适用于有较高湿法刻蚀要求的工艺中;另一方面,环化橡胶的显影属于溶解机理,在显影过程中,显影液也会渗入曝光区,引起曝光区线宽的增加,这一现象称为溶胀现象,限制了环化橡胶类型的光刻胶的分辨率[1]。
(2)酚醛树脂-重氮奈醌型光刻胶
酚醛树脂-重氮奈醌型(Novolac/DNQ)光刻胶在20世纪70年代由柯达的研究人员发现,在光刻胶材料的性能、光刻设备的性能及光刻工艺优化的共同作用下,其分辨率由最初的十几微米,提高到了现在的0.35μm(某些特定的工艺下可以达到0.25μm)。Novolac/DNQ体系光刻胶目前仍是集成电路芯片制造中的主力光刻胶平台,其主要由酚醛树脂(Novolac)(图2)、重氮奈醌化合物(DNQ)(图3)、添加剂及溶剂组成。
作为成膜树脂的Novolac,一般为多组分的线性酚醛树脂,根据性能要求的不同其组分也各不相同,最常见的为对甲酚(m-cresol)、间甲酚(p-cresol)与甲醛的缩合产物;感光材料则为含有多个DNQ集团的感光剂(PhotoActiveCompound,PAC)。其作用
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