化学放大胶在电子束光刻技术中的应用

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:756

田丰，韩立，杨忠山

（中国科学院电工研究所，北京 100080）

摘要：化学放大胶（chemically amplified resists,简称cars)是下一代光刻技术中极具发展潜力的一种光学记录介质。介绍了化学放大胶在电子束光刻技术中图形制作工艺的关键步骤以及目前常用的几种化学放大胶，分析了将化学放大胶用于电子束曝光工艺应注意的问题和它将来的发展趋势。

关键词：化学放大胶；电子束光刻；抗蚀剂

中图分类号：tn305.7 文章编号：1671-4776（2003）12-0043-04

１引言

微电子产业的飞速发展要求半导体器件的特征尺寸越来越小，器件特征尺寸的减小一方面依赖于曝光工具，另一方面也与抗蚀剂的选择密切相关。电子束直写曝光技术由于具有高分辨率，无需掩模等优点成为下一代光刻技术中极具潜力的候选者。那么与此光刻技术相应的电子抗蚀剂的选择与应用也成为光刻工艺中的一个重要研究内容。电子束光刻中最常用的抗蚀剂是聚甲基丙烯酸甲酯（poly(methylmethacrylate),pmma），其优点是分辨率高，附着力强，工艺简单成熟。但其灵敏度低，耐干法腐蚀性差也限制了它的应用范围。基于化学增幅原理的化学放大胶在很大程度上弥补了pmma的不足。它不仅具有高的灵敏度，有利于提高电子束曝光的效率，而且具有强的耐干法腐蚀性，有利于半导体后续加工工艺的进行，因此在半导体工艺领域具有广阔的应用前景。国外已有大量学者从事cars的工艺研究与应用工作，而我国在此方面鲜有报道。本文对化学放大胶的电子束光刻工艺进行了综述，为其在我国半导体工艺领域中的应用提供了一定的参考。

2光刻工艺

化学放大胶最初是为深紫外（duv）光学曝光开发的，但国外大量文献[1~3]表明，将其用于电子束曝光工艺中也同样具有高灵敏度、高对比度和高分辨率。

化学放大胶一般包括三个部分：基质树脂、有机溶剂和酸性发生剂（photoacid generator,pag）。化学放大胶经电子束曝光或光照后，pag吸收能量发生光分解，生成自由酸，发生酸催化反应，使曝光区域的基质树脂发生保护基团的去除反应或树脂与交联剂之间的交联反应，形成正性或负性潜影，在一定的溶剂中显影形成曝光图形。化学放大胶的曝光工艺流程如图1所示。

其中前烘（postapply bake,pab）、曝光后烘烤（postexposure bake,peb）和显影是三个重要环节，每一步的工艺控制都能不同程度地影响曝光图形的分辨率。

2.1前烘

前烘的目的是使胶膜内的溶剂充分蒸发，使胶膜干燥，排除涂胶过程所造成的空隙，使抗蚀剂致密，同时增加它与基片的附着力。前烘的温度一般应稍高于抗蚀剂的玻璃化温度，低于正胶的分解温度或负胶的交联温度，温度过高会影响抗蚀剂性能。烘烤时间应适当，欠烘会导致溶剂挥发不完全，影响显影剖面轮廓；过烘会降低化学放大胶的灵敏度，从而影响最终成像结果。

2.2 曝光后烘烤

曝光后烘烤是化学放大胶工艺中最关键，也是反应机理最复杂的一道工序。烘烤的温度、时间和曝光与烘烤之间停留的时间间隔（postexposure delay,ped）都是影响曝光图形线宽的重要因素。例如，对于负性化学放大胶sal601，当曝光线条尺寸为150 nm时，其线宽随ｐｅｂ温度的变化为11nm/℃。

后烘过程中，化学放大胶内存在多种反应机制，情况复杂并相互影响[4]。例如：各反应基团的扩散、蒸发将导致抗蚀剂的组成分布梯度变化；基质树脂中的去保护反应会引起胶膜体积增加；但当烘烤温度达到抗蚀剂的玻璃化温度时，基质树脂又开始变得稠密，两者同时又都会影响胶膜中酸的扩散，且影响作用相反。这众多的反应机制都将影响到最终的曝光图形，给工艺带来了很多不确定因素，也给建立合理正确的数学模型增添了很多困难。针对这一现象，科研人员研制了具有低活化能的化学放大胶，它们可以在常温下发生酸催化反应，从而避免了曝光后烘烤这一复杂过程。

2.3显影

显影就是用浸泡或喷涂的方法使曝光后样品与某种溶剂接触，将样品上应去除的抗蚀剂溶除干净，以获得所需要的曝光图形。不同的抗蚀剂需要不同的显影液，显影时间随抗蚀剂的厚度、显影温度和显影方法的不同而不同。显影时间过长，会使胶膜软化膨胀，图形边缘参差不齐发生钻溶，甚至出现浮胶；若显影时间过短，曝光区域（对于负胶是非曝光区）底部会留有残胶，将影响后续工艺。显影液浓度、配比的选择不仅会影响显影时间，还会影响曝光图形的对比度。对于化学放大胶，通常用四甲基氢氧化铵（tetramethylam