化學(xué)放大膠在電子束光刻技術(shù)中的應(yīng)用
發(fā)布時間:2008/6/5 0:00:00 訪問次數(shù):757
田豐，韓立，楊忠山 | |||||
（中國科學(xué)院電工研究所，北京 100080） | |||||
| 摘要：化學(xué)放大膠（chemically amplified resists,簡稱cars)是下一代光刻技術(shù)中極具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N光學(xué)記錄介質(zhì)。介紹了化學(xué)放大膠在電子束光刻技術(shù)中圖形制作工藝的關(guān)鍵步驟以及目前常用的幾種化學(xué)放大膠，分析了將化學(xué)放大膠用于電子束曝光工藝應(yīng)注意的問題和它將來的發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞：化學(xué)放大膠；電子束光刻；抗蝕劑 中圖分類號：tn305.7 文章編號：1671-4776（2003）12-0043-04
微電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展要求半導(dǎo)體器件的特征尺寸越來越小，器件特征尺寸的減小一方面依賴于曝光工具，另一方面也與抗蝕劑的選擇密切相關(guān)。電子束直寫曝光技術(shù)由于具有高分辨率，無需掩模等優(yōu)點成為下一代光刻技術(shù)中極具潛力的候選者。那么與此光刻技術(shù)相應(yīng)的電子抗蝕劑的選擇與應(yīng)用也成為光刻工藝中的一個重要研究內(nèi)容。電子束光刻中最常用的抗蝕劑是聚甲基丙烯酸甲酯（poly(methylmethacrylate),pmma），其優(yōu)點是分辨率高，附著力強，工藝簡單成熟。但其靈敏度低，耐干法腐蝕性差也限制了它的應(yīng)用范圍�；诨瘜W(xué)增幅原理的化學(xué)放大膠在很大程度上彌補了pmma的不足。它不僅具有高的靈敏度，有利于提高電子束曝光的效率，而且具有強的耐干法腐蝕性，有利于半導(dǎo)體后續(xù)加工工藝的進行，因此在半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。國外已有大量學(xué)者從事cars的工藝研究與應(yīng)用工作，而我國在此方面鮮有報道。本文對化學(xué)放大膠的電子束光刻工藝進行了綜述，為其在我國半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了一定的參考。 2光刻工藝 化學(xué)放大膠最初是為深紫外（duv）光學(xué)曝光開發(fā)的，但國外大量文獻[1~3]表明，將其用于電子束曝光工藝中也同樣具有高靈敏度、高對比度和高分辨率。 化學(xué)放大膠一般包括三個部分：基質(zhì)樹脂、有機溶劑和酸性發(fā)生劑（photoacid generator,pag）�；瘜W(xué)放大膠經(jīng)電子束曝光或光照后，pag吸收能量發(fā)生光分解，生成自由酸，發(fā)生酸催化反應(yīng)，使曝光區(qū)域的基質(zhì)樹脂發(fā)生保護基團的去除反應(yīng)或樹脂與交聯(lián)劑之間的交聯(lián)反應(yīng)，形成正性或負性潛影，在一定的溶劑中顯影形成曝光圖形�；瘜W(xué)放大膠的曝光工藝流程如圖1所示。 其中前烘（postapply bake,pab）、曝光后烘烤（postexposure bake,peb）和顯影是三個重要環(huán)節(jié)，每一步的工藝控制都能不同程度地影響曝光圖形的分辨率。 2.1前烘 前烘的目的是使膠膜內(nèi)的溶劑充分蒸發(fā)，使膠膜干燥，排除涂膠過程所造成的空隙，使抗蝕劑致密，同時增加它與基片的附著力。前烘的溫度一般應(yīng)稍高于抗蝕劑的玻璃化溫度，低于正膠的分解溫度或負膠的交聯(lián)溫度，溫度過高會影響抗蝕劑性能。烘烤時間應(yīng)適當，欠烘會導(dǎo)致溶劑揮發(fā)不完全，影響顯影剖面輪廓；過烘會降低化學(xué)放大膠的靈敏度，從而影響最終成像結(jié)果。 2.2 曝光后烘烤 曝光后烘烤是化學(xué)放大膠工藝中最關(guān)鍵，也是反應(yīng)機理最復(fù)雜的一道工序。烘烤的溫度、時間和曝光與烘烤之間停留的時間間隔（postexposure delay,ped）都是影響曝光圖形線寬的重要因素。例如，對于負性化學(xué)放大膠sal601，當曝光線條尺寸為150 nm時，其線寬隨ｐｅｂ溫度的變化為11nm/℃。 后烘過程中，化學(xué)放大膠內(nèi)存在多種反應(yīng)機制，情況復(fù)雜并相互影響[4]。例如：各反應(yīng)基團的擴散、蒸發(fā)將導(dǎo)致抗蝕劑的組成分布梯度變化；基質(zhì)樹脂中的去保護反應(yīng)會引起膠膜體積增加；但當烘烤溫度達到抗蝕劑的玻璃化溫度時，基質(zhì)樹脂又開始變得稠密，兩者同時又都會影響膠膜中酸的擴散，且影響作用相反。這眾多的反應(yīng)機制都將影響到最終的曝光圖形，給工藝帶來了很多不確定因素，也給建立合理正確的數(shù)學(xué)模型增添了很多困難。針對這一現(xiàn)象，科研人員研制了具有低活化能的化學(xué)放大膠，它們可以在常溫下發(fā)生酸催化反應(yīng)，從而避免了曝光后烘烤這一復(fù)雜過程。 2.3顯影 顯影就是用浸泡或噴涂的方法使曝光后樣品與某種溶劑接觸，將樣品上應(yīng)去除的抗蝕劑溶除干凈，以獲得所需要的曝光圖形。不同的抗蝕劑需要不同的顯影液，顯影時間隨抗蝕劑的厚度、顯影溫度和顯影方法的不同而不同。顯影時間過長，會使膠膜軟化膨脹，圖形邊緣參差不齊發(fā)生鉆溶，甚至出現(xiàn)浮膠；若顯影時間過短，曝光區(qū)域（對于負膠是非曝光區(qū)）底部會留有殘膠，將影響后續(xù)工藝。顯影液濃度、配比的選擇不僅會影響顯影時間，還會影響曝光圖形的對比度。對于化學(xué)放大膠，通常用四甲基氫氧化銨（tetramethylam
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