作為半導(dǎo)體制造不可或缺的材料，光刻膠質(zhì)量和性能是影響集成電路電性、成品率及可靠性的關(guān)鍵因素。但光刻膠技術(shù)門檻高，市場上制程穩(wěn)定性高、工藝寬容度大、普適性強的光刻膠產(chǎn)品屈指可數(shù)。當半導(dǎo)體制造節(jié)點進入到100 nm甚至是10 nm以下，如何產(chǎn)生分辨率高且截面形貌優(yōu)良、線邊緣粗糙度低的光刻圖形，成為光刻制造的共性難題。
針對上述瓶頸問題，九峰山實驗室、華中科技大學(xué)組成聯(lián)合研究團隊，支持華中科技大學(xué)團隊突破“雙非離子型光酸協(xié)同增強響應(yīng)的化學(xué)放大光刻膠”技術(shù)。該研究通過巧妙的化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，以兩種光敏單元構(gòu)建“雙非離子型光酸協(xié)同增強響應(yīng)的化學(xué)放大光刻膠”，最終得到光刻圖像形貌與線邊緣粗糙度優(yōu)良、space圖案寬度值正態(tài)分布標準差（SD）極?。s為0.05）、性能優(yōu)于大多數(shù)商用光刻膠。且光刻顯影各步驟所需時間完全符合半導(dǎo)體量產(chǎn)制造中對吞吐量和生產(chǎn)效率的需求。該研究成果有望為光刻制造的共性難題提供明確的方向，同時為EUV光刻膠的著力開發(fā)做技術(shù)儲備。相關(guān)成果以“Dual nonionic photoacids synergistically enhanced photosensitivity for chemical amplified resists”為題，于2024年2月15日在國際頂級刊物Chemical Engineering Journal (IF=15.1)發(fā)表。該項目由國家自然科學(xué)基金、973計劃共同資助，主要作者為華中科技大學(xué)光電國家研究中心朱明強教授，湖北九峰山實驗室工藝中心柳俊教授和向詩力博士。
光刻膠全自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)開發(fā)
光刻膠線邊緣粗糙度與分辨率通常難以協(xié)同調(diào)控，應(yīng)對上述瓶頸問題，九峰山實驗室與華中科技大學(xué)研發(fā)人員共同設(shè)計新結(jié)構(gòu)體系和光響應(yīng)機制尋求解決策略。
此項研究分別將光敏單元：4,5-二甲氧基-2-硝基芐基甲基丙烯酸酯（MONMA）和光致產(chǎn)酸劑（PAG）：4,5-二甲氧基-2-硝基苯對甲苯磺酸酯（MONS）引入基質(zhì)中，光照下，基質(zhì)中自由分散的MONS光解成游離的小分子強酸，而聚合物主鏈上的MONMA則形成局域化羧酸，兩種酸同步協(xié)同催化叔丁基甲基丙烯酸酯（TBMA）保護基團轉(zhuǎn)化為可溶解于2.38% TMAH水基顯影液的羧酸（圖1）。TBMA生成的羧酸反過來可催化TBMA產(chǎn)生更多的羧酸，顯著加快酸單元的擴散增殖，可明顯降低光刻膠對曝光系統(tǒng)光照強度的要求。
圖1. 幾種不同光刻膠體系在紫外光輻照下膜層的紫外吸收光譜動態(tài)變化：(a) P(MONMA-TBMA); (b) P(MONMA-HEMA-TBMA); (c) MONS/PMMA; (d) MONS/PTBMA; (e) MONS/P(MONMA-TBMA); (f) MONS/P(MONMA-HEMA-TBMA)。
MONS/MONMA二元配合體系互相調(diào)制，將最終生成的光酸濃度控制在最佳范圍，因此該體系光刻膠的線邊緣粗糙度低且分辨率高。同時因MONMA與MONS分子結(jié)構(gòu)的高度相似性，MONS分子可完全分散溶解于三元聚合物P(MONMA-HEMA-TBMA)體系中，而不會出現(xiàn)相分離，確保了最終的光刻效果。在光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡的多重驗證下，最終得到的光刻圖像形貌與線邊緣粗糙度優(yōu)良，space圖案寬度值正態(tài)分布的標準差（SD）極小，約為0.05（圖2）。
圖3.（a）光刻顯影后P(MONMA-HEMA-TBMA)化學(xué)放大膠的光學(xué)顯微鏡效果圖；（b）光刻膠十字圖案表面形貌的掃描電鏡圖像；（c）光刻膠溝道圖案表面形貌的掃描電鏡圖像；（d）光刻膠溝道圖案寬度正態(tài)分布。
“用”為導(dǎo)向，產(chǎn)學(xué)研用深度融合
依托九峰山實驗室工藝平臺，上述具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光刻膠體系在產(chǎn)線上完整了初步工藝驗證，并同步完成了各項技術(shù)指標的檢測優(yōu)化，實現(xiàn)了從技術(shù)開發(fā)到成果轉(zhuǎn)化的全鏈條打通。
九峰山實驗室面向國家重大戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)需求，將繼續(xù)堅持以“用”為導(dǎo)向，與高校及研究機構(gòu)積極開展共同研究，推進產(chǎn)學(xué)研用深度融合，為學(xué)術(shù)成果加速產(chǎn)業(yè)化提供先進的工藝開發(fā)平臺，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)技術(shù)“燈塔”作用。
