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                              光刻膠——光刻技術發展的攔路虎?
                              來源: | 作者:goodprecise | 發布時間: 2020-02-22 | 2446 次瀏覽 | 分享到:

                              進入任何一家芯片工廠的黃光區,幾乎每個人都會立刻聞到一股濃烈的化學品味道,繼而看到的是操作工的凈化服上沾滿顏色,這也許就是光刻膠留給大家的最初直觀印象。光刻膠作為光刻工藝中必不可少的基本要素,它與光刻技術的發展密不可分。中國有句古詩:“傾國宜通體,誰來獨賞眉?!钡拇_,在半導體制造中,沒有哪個環節可以獨善其身。所以在浸入式光刻、雙重圖形技術和EUV的討論不絕于耳的時候,與之對應的光刻膠材料的研究也應引起人們的重視。

                              誰在左右光刻膠的選擇?
                              如果要問半導體制造中最昂貴的化學品是什么,光刻膠、抗反射涂層(ARC)和聚酰亞胺(polymide)是當之無愧的前三名。的確,在成本效益地位愈發突出的今天,挑選到價廉物美的光刻膠是光刻工程師的一項重要技術活。那么到底是哪些因素在左右著光刻膠的選擇呢?

                              眾所周知,光刻機的曝光波長由紫外譜G線 (436納米)、I線(365納米)發展至248納米、193納米、極紫外光(EUV)甚至X射線,非光學光刻如電子束曝光、離子束曝光等技術也已出現在人們的視野之中,光刻膠產品的綜合性能也必須隨之提高,這樣才能符合集成工藝制程的要求。光刻膠成分性能及發展趨勢見表1。

                              Rohm & Haas電子材料(上海)有限公司微電子技術部亞洲區總經理丁術季認為,判斷光刻膠最重要的幾個因素是:涂布均勻性、靈敏度、分辨率、工藝窗口大小以及缺陷問題。在光刻中,對圖像質量起關鍵作用的兩個因素分別是分辨率(R)和焦深(DOF)。
                              R=kλ/NA   DOF=λ/2(NA)2
                              其中λ為波長,NA為光學系統的數值孔徑。顯而易見,減小曝光光源的波長并增加投影透鏡的NA都可以提高分辨率。對于焦深來說,數值孔徑增加后透鏡就可以捕獲更多的光學細節。所以在光刻中既要獲得更好的分辨率來形成關鍵尺寸圖形,又要保持合適的焦深是如影隨形的矛盾綜合體。雖然分辨率極大的依賴于曝光設備,但是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。

                              靈敏度可以體現在光刻膠的對比度曲線上,對比度定義如下

                              γ=[log10(D100/D10)]-1

                              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為光刻膠開始進行光化學反應作用的最低能量。對比度可以被認為是光刻膠區分掩模版上亮區和暗區能力的衡量標準,且輻照強度在光刻膠線條和間距的邊緣附近平滑地變化。光刻膠的對比度越大,線條邊緣越陡,典型的光刻膠對比度為2~4。對于理想光刻膠來說,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。而實際光刻膠的曝光閾值存在一個分布,該分布范圍越窄,光刻膠的性能越好。

                              除了分辨率和靈敏度以外,光刻膠還需要具有優異的抗等離子體性能、耐化學腐蝕以及抗刻蝕性能。集成電路工藝中在進行阱區和源漏區離子注入時,需要有較好的保護電路圖形的能力,否則光刻膠會因在注入環境中揮發從而影響到注入腔的真空度。此時注入的離子將不會起到其在電路制造工藝中應起到的性能,器件的電路性能受阻。耐化學腐蝕性也是極其重要的一點。光刻膠在印制各層電路圖形到硅片及其它薄膜層上時需把圖形保留下來,并把印有電路圖形的光刻膠連同硅片一起置入化學刻蝕液中,進行很多次的濕法腐蝕。只有當光刻膠具有很強的抗蝕性,才能保證刻蝕液按照所希望的選擇比刻蝕出曝光所得圖形,更好地體現器件性能??沟入x子刻蝕能力也是評價光刻膠的重要指標之一。干法刻蝕因其優良的各向異性而廣泛應用于線寬小于3μm的工藝過程中。與此同時,光刻膠對處于刻蝕腔中等離子態的氣態分子需要有一定的抗蝕性能,否則將會破壞所需電路的完整性,刻蝕效果也受到影響。

                              工程師在選擇光刻膠時,一般會從以上的性能結果來進行評價,同時會兼顧現有的產品要求、設備能力及光刻膠成本等進行綜合考量。光刻膠一旦選定,在較短時間內很難進行頻繁更換,這也是各大光刻膠制造商經常主動在第一時間將新產品交與工程師進行評價的原因。

                              面對后45納米時代,光刻膠準備好了嗎?
                              每年的ITRS都會更新修正半導體的發展趨勢,其中光刻部分往往是業內人士關注的熱點,圖1是ITRS 2007年的光刻膠發展趨勢。圖中紅色標注的是仍然未解的難題,紅色區域范圍之大讓大家都不敢掉以輕心。從ITRS2007中可以看到,隨著技術節點的減小,光刻膠的厚度、缺陷以及靈敏度等還有很多懸而未決的難題,這些將是未來業內人士努力的重點。

                              隨著45納米的量產,32納米正走入人們的視野。但是對于32納米以下技術節點光刻技術的選擇方案,業界尚無統一的看法。

                              目前大多數研發機構和公司都青睞于繼續拓展ArF浸入式光刻和雙重圖形技術。因為采用這兩種方法都不必大規模更換光刻基礎設備,這是半導體制造業最劃算的選擇。中芯國際研發總監吳漢明博士指出:“在45納米階段,浸入式光刻將占主導地位。進入32納米以后,EUV、雙重圖形和更高NA值的浸入液將會是光刻的解決方案?!盓UV的主要挑戰包括過高的光源能量、過短的光學器件壽命及缺乏光刻膠和掩膜版等。由于EUV技術具有較高的研發成本和技術壁壘,因此眾多fab還是相對保守,仍寄希望于延續現有的光刻技術。

                              光刻設備公司曾經有說法認為,進入后45納米時代,光刻膠發展的滯后在某種程度上阻礙了光刻的發展,Kempur Microelectronics的CEO Cindy Chen卻不這樣認為。她坦陳:“光刻膠和光刻設備的發展是相輔相成的??赡茉谀骋粫r期光刻膠遇到比較大的困難,但是在另一發展階段,光刻設備甚至設備與材料之間的融合會成為發展的焦點?!?/span>

                              對于光刻膠而言,目前業內的研究方向是193納米光刻膠與EUV光刻膠雙管齊下。丁術季認為,目前光刻膠發展的難點主要有光刻膠的靈敏度和分辨率不夠、厚度和均勻性難以控制、缺陷過多、掩膜版誤差增強因子(MEEF)以及邊緣粗糙等問題。在大規模集成電路的發展過程中,由G線光刻發展為I線光刻比較順利,而從I線光刻發展為DUV 248納米KrF激光光刻時,光刻膠中采用了化學增幅抗蝕劑作為一種新型光致抗蝕劑,問題也得以順利解決。繼續向193納米進軍的過程中,新的難題擺在了大家的面前。由于248納米光致抗蝕劑的主體樹脂中存在苯環結構,它們對193納米波長的光吸收很強,不透明。因此,在發展193納米光致抗蝕劑時樹脂的主體必須進行改變,主要是發展新的、具有高光敏性的光敏產酸物。目前193納米光刻膠成膜樹脂的研究已進入實用階段,主要為脂環類聚合物。193納米單層光刻分辨率可達0.15μm,采用OPC技術和多層光刻膠技術分辨率可達0.1μm。在浸入式光刻技術中,由于光刻膠中的小分子易溶于水,因此往往會添加一層覆蓋層以便使光刻膠在水中穩定。丁術季說:“這種方法雖然有效,但是會增加工藝步驟及成本。目前Rohm & Haas已研發出EBL光刻膠,它可產生in-situ分層效果,不用再增加覆蓋層,該技術已經可應用于45甚至32納米技術節點中?!?/span>

                              “業界正在努力將浸入式光刻和雙版圖形技術延伸至32納米以下,但是當進入15納米節點后,EUV和無掩模光刻技術被采用的可能性極大,”丁術季在談到光刻發展的另一條道路時坦陳,“EUV光刻技術的發展目前在設備方面,如能量和光源強度等問題上取得一些新進展。Rohm & Haas的EUV光刻膠研發也已經達到25納米的技術水平,未來還有很大的發展空間?!蹦壳癊UV光刻膠的困難與挑戰是分辨率、線寬粗糙度(LER)以及敏感度,其中LER與敏感度是一個相互競爭的關系。對于化學放大型光刻膠而言,它的機理是通過光照產生酸性基團進而發生反應。如果在其中添加較多的有機堿,就會中和光照產生的酸性基團,也就是意味著需要更多的光照來獲得足夠數量的酸性基團。提高有機堿的濃度,LER能夠得到改善,圖形更為光滑。相反,如果減少有機堿,光刻膠的敏感度會得到提升,但這會犧牲LER。

                              隨著45納米光刻技術的塵埃落定,光刻在下一個技術節點的競爭已進入白熱化階段,誰都想拔得頭籌。光刻膠作為光刻材料的主力,飽受諸多問題的困擾,前方的路似乎并不好走。不過換一個角度想,這些挑戰豈不正是光刻技術突破的新契機?那么攔路虎變成紙老虎也指日可待。


                              認識光刻膠

                              光刻膠是一種有機物,它受紫外光曝光后,在顯影液中的溶解度會發生變化。它在硅片制造中的主要作用是將掩膜版圖案轉移到硅片表面的光刻膠中,在后續工藝中起到保護下面材料的作用,如刻蝕或離子注入阻擋層。在各種工藝,如涂膠、顯影、烘焙、離子注入和刻蝕中,光刻膠都必須具備良好的性能。由于光刻膠是將掩膜版上的圖形轉移到硅片表面材料上的媒介,因此從某種意義上說光刻膠是下一代光刻技術繼續前進的關鍵。

                              光刻膠在半導體制造業經歷了兩個基本轉折點:一個是正性光刻膠的使用,另一個是化學放大深紫外線光刻膠的使用。所謂光刻膠的正負之分主要是基于光刻膠材料如何相應紫外光。負性光刻膠經過紫外光曝光的區域會硬化,硬化的部分難于溶解于顯影液溶劑中,因此無法在顯影液中除去。這樣一種負相的,即與原先掩膜版圖形相反的掩膜圖形形成在光刻膠上。正性光刻膠剛好與之相反,經過曝光的區域變得更容易溶解于顯影液中,與掩膜版圖形相一致的圖形即可形成。

                              在半導體光刻技術中,最早使用的主要是負性光刻膠,這種情況一直持續到20世紀70年代中期。這是因為負性光刻膠顯示出對硅片良好的粘附性以及對刻蝕良好的阻擋作用。然而由于顯影時的變形和膨脹,負性光刻膠的分辨率通常只能達到2μm。隨著技術節點的不斷減小,負性光刻膠逐漸被正性光刻膠所取代。這種轉換是光刻工藝中的一次根本改變。它需要改變光刻掩膜版的極性,即亮場區變成不透明的暗場區,而暗場區要變成透明的。在掩膜版制造工藝中,除了明暗場需要改變外,尺寸調節量也需要相應的變化。如今,正性光刻膠仍然是占主導地位的光刻膠。

                              對于最理想的圖形分辨率,光刻的目標是曝光光線的波長與關鍵尺寸成比例。20世紀90年代中期,采用波長365nm的I線曝光即可得到0.35μm的關鍵尺寸。而隨著技術節點的減小,標準I線光刻膠由于缺乏對更小波長的敏感性,不能被用于制造0.25μm及以下節點的深紫外(DUV)波長所接受。因此,基于化學放大(CA)的DUV波長光刻膠被引入勢在必行。這被認為是光刻膠發展的第二個轉折點。

                              20世紀80年代,IBM已經開發并使用CA DUV光刻技術生產DRAM。CA DUV光刻膠的主要優點是曝光速度快。CA化學試劑與DNQ線性酚醛樹脂光刻膠相比可提高曝光速度高達10倍,而且對于任何光刻膠沒有不良影響。但DUV光刻膠對于沾污非常敏感。當周圍環境中哪怕只有十億分之幾的胺,曝光后都會在光刻膠頂端側面引起不良的關鍵尺寸變化。CA DUV光刻膠目前已被廣泛應用于芯片制造。DUV曝光進行酸致催化反應從而加速反映速率。這個過程是通過采用一種稱之為光酸產生劑(PAG)的感光劑增加光刻膠的敏感性而完成的。

                               

                               


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