過(guò)去50多年里，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一直沿著摩爾定律向前發(fā)展，芯片工藝節(jié)點(diǎn)先后跨越了90nm、45nm、28nm、14nm，如今7nm和5nm已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，3nm和2nm是現(xiàn)在業(yè)界努力的方向，在這個(gè)不斷演進(jìn)的過(guò)程中，以光刻為基礎(chǔ)的圖形化工藝在其中扮演著至關(guān)重要的角色。光刻是芯片制造過(guò)程中最重要、最復(fù)雜、最昂貴的工藝。其精密度決定了芯片的制程，以及器件性能。

　　目前實(shí)現(xiàn)14nm工藝節(jié)點(diǎn)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最常用的工藝是193nm沉浸式光刻結(jié)合自對(duì)準(zhǔn)雙圖形(SADP)技術(shù)，但對(duì)于7nm及以下節(jié)點(diǎn)SADP技術(shù)已無(wú)法滿足要求，必須采用四重甚至八重圖形技術(shù)，這將導(dǎo)致成本大幅增加，而且掩膜版之間的套刻精度也難以控制。為此，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界開(kāi)始探索下一代光刻技術(shù)的解決方案。2020年國(guó)際器件與系統(tǒng)路線圖(IRDS)將EUV光刻、定向自組裝(DSA)和納米壓印光刻(NIL)列為下一代光刻技術(shù)的主要候選方案。EUV光刻我們都有所了解或者比較熟悉些，本文我們將探討下半導(dǎo)體工藝技術(shù)中的另一個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)DSA。

　　DSA先進(jìn)光刻技術(shù)重回歷史舞臺(tái)?

　　定向自組裝(DSA)并不是一項(xiàng)新技術(shù)，早在2007年它就作為潛在的光刻解決方案登上了舊的國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖 (ITRS)。2010年左右，業(yè)界開(kāi)始對(duì)自下而上圖案化方法定向自組裝(DSA)技術(shù)產(chǎn)生興趣，甚至還引起了一番研究熱潮。世界知名的代工廠如臺(tái)積電、三星、英特爾、GlobalFoundries等都在自家實(shí)驗(yàn)室探索DSA，因?yàn)樗型鉀Q先進(jìn)光刻技術(shù)中的許多成本和復(fù)雜性問(wèn)題。

　　但好景不長(zhǎng)，隨著業(yè)界的不斷探索，他們發(fā)現(xiàn)這些材料容易出現(xiàn)缺陷。DSA材料的貼裝精度也很難控制。因此，考慮到這些問(wèn)題，芯片制造商便轉(zhuǎn)向在晶圓廠中采用更熟悉的多重圖案化技術(shù)，例如自對(duì)準(zhǔn)雙/四圖案化 (SADP/SAQP)。而事實(shí)證明，沒(méi)有一種光刻技術(shù)可以滿足當(dāng)前和未來(lái)的所有需求，SADP/SAQP也逐漸受到了挑戰(zhàn)。因此，隨著3nm到5nm光刻設(shè)備的討論，DSA作為補(bǔ)充技術(shù)或?qū)⒄加幸幌亍?/p>

　　多位業(yè)內(nèi)消息人士稱，英特爾繼續(xù)對(duì)DSA抱有濃厚的興趣，而其他芯片制造商正在重新審視該技術(shù)。此外，一年一度的SPIE先進(jìn)光刻會(huì)議，自2012年起就為嵌段共聚物DSA光刻技術(shù)設(shè)立了分論壇，供來(lái)自世界一流的企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)以及高校的相關(guān)研究者在一起進(jìn)行分享、交流和討論DSA光刻技術(shù)最新的進(jìn)展與未來(lái)發(fā)展方向。由此可見(jiàn)，工業(yè)界對(duì)該技術(shù)高度重視并寄予厚望。

　　需要知道的是，DSA本身并不是一種工具技術(shù)，這是一種互補(bǔ)的圖案化方法，可使用嵌段共聚物實(shí)現(xiàn)精細(xì)間距和預(yù)定義的圖案。它是一種“自下而上”的光刻技術(shù)，而EUV光刻是“自上而下”。DSA能夠突破傳統(tǒng)光學(xué)光刻的衍射極限。

　　5nm之后，工具和技術(shù)的結(jié)合或?qū)⑹钱a(chǎn)業(yè)關(guān)注的一個(gè)方向。將DSA光刻與傳統(tǒng)的“自上而下”的EUV光刻相結(jié)合，可以提高現(xiàn)有光刻工藝(例如自對(duì)準(zhǔn)四重圖案化或 SAQP)的分辨率、修復(fù)圖形缺陷和改善關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的特征尺寸均勻性，從而產(chǎn)生更高密度的半導(dǎo)體器件。此外，DSA光刻還有望能將芯片制程推進(jìn)到3nm甚至更小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

　　DSA的研究進(jìn)展 #Human Progress

　　現(xiàn)在DSA正在取得顯著進(jìn)展，包括英特爾、IBM、三星等國(guó)際知名半導(dǎo)體企業(yè)以及IMEC、CEA-Leti 等研究機(jī)構(gòu)以及開(kāi)始針對(duì)DSA光刻技術(shù)開(kāi)展了系統(tǒng)性的研究和產(chǎn)業(yè)化嘗試，他們?cè)诠に囬_(kāi)發(fā)、整合、器件應(yīng)用等方面為之努力。多個(gè)研究機(jī)構(gòu)都建立了300mm晶圓DSA先導(dǎo)線，已經(jīng)有大量的研究結(jié)果顯示DSA光刻在300mm晶圓先導(dǎo)線上展示了優(yōu)異的性能，這也為DSA光刻技術(shù)走向工業(yè)化生產(chǎn)邁出了重要的一步。

　　DSA光刻技術(shù)能夠取得快速的進(jìn)步與嵌段共聚物材料的發(fā)展密切相關(guān)。目前，嵌段共聚物PS-b-PMMA已成為DSA領(lǐng)域的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”，PS是非極性聚合物，而PMMA屬于極性聚合物。它的最小周期為22nm，用于分子自組裝的機(jī)理探究以及工藝摸索，PS-b-PMMA為DSA進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的理論支持與技術(shù)指導(dǎo)。

　　2016年，臺(tái)積電研究團(tuán)隊(duì)以柱狀相PS-b-PMMA為材料，采用物理外延法DSA光刻技術(shù)制備了接觸孔，并對(duì)接觸孔的缺陷進(jìn)行了深入研究。2019年，imec基于PS-b-PMMA嵌段共聚物的DSA，生成具有低且穩(wěn)定的缺陷率(即橋和位錯(cuò))的28 nm節(jié)距線/空間圖案。

　　然而，PS-b-PMMA的χ值較小(χ為兩種聚合物之間的弗洛里—哈金斯相互作用參數(shù))，無(wú)法滿足當(dāng)前集成電路制造中10nm及以下特征尺寸的需求。所以為了解決工藝節(jié)點(diǎn)的不斷發(fā)展，如更先進(jìn)的7nm/5nm/3nm等，學(xué)術(shù)界也聚焦于合成高χ值的嵌段共聚物，如PS-b-PPC、PS-b-P2VP、PS-b-P4VP、PS-b-PAA等。這些高χ值材料經(jīng)微相分離后形成的圖形特征尺寸均在10nm以下，可以很好地滿足目前集成電路制造的需求。

　　在2021年的SPIE高級(jí)光刻會(huì)議上，imec 首次展示了定向自組裝 (DSA) 的能力，使用高χ值嵌段共聚物材料制備了周期為18nm的線條光柵陣列結(jié)構(gòu)，他們與TEL切合作開(kāi)發(fā)的定制干法蝕刻化學(xué)物質(zhì)允許將18 nm線/空間圖案成功轉(zhuǎn)移到足夠深的 SiN 層中，以進(jìn)行后續(xù)缺陷檢查，而不會(huì)出現(xiàn)明顯的線擺動(dòng)或線塌陷。這些結(jié)果證實(shí)了DSA有潛力補(bǔ)充用于亞 2 納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)的工業(yè)制造的傳統(tǒng)自上而下圖案化。

         在高χDSA 和隨后蝕刻到目標(biāo) SiN 層后，18nm 線/空間圖案的自上而下(左)和橫截面(右)SEM 圖像。來(lái)源：IMEC

　　“近年來(lái)，DSA 吸引了大量的工業(yè)興趣，已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)由大學(xué)、計(jì)量學(xué)家、材料和設(shè)備供應(yīng)商組成的寶貴生態(tài)系統(tǒng)。我們的 DSA 生態(tài)系統(tǒng)是我們迄今為止取得的成果的關(guān)鍵，”imec的高級(jí)圖案化工藝和材料副總裁Steven Scheer說(shuō)。imec的DSA材料的合作伙伴包括德國(guó)的Merck、美國(guó)的Brewer Science、東京電子等等。

　　更重要的是，2021年TEL研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了基于嵌段共聚物DSA光刻技術(shù)對(duì)化學(xué)圖案上的缺陷具有一定的修復(fù)能力。嵌段共聚物為有機(jī)材料，它具有一定的柔性與可壓縮性，因此對(duì)化學(xué)圖案上的缺陷存在一定的容忍度。

　　德國(guó)的默克在2015年就已經(jīng)開(kāi)始試產(chǎn)電子級(jí)純度的DSA材料，為 DSA光刻技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化制造不懈努力?！斑@項(xiàng)革命性技術(shù)有望徹底改變半導(dǎo)體制造工藝，并將加快下一代構(gòu)圖應(yīng)用的引入?！蹦税雽?dǎo)體解決方案全球負(fù)責(zé)人Anand Nambiar表示。2020年9月，默克在德國(guó)正式開(kāi)設(shè)了新的電子應(yīng)用研究中心，將致力于下一代顯示和半導(dǎo)體材料的研發(fā)活動(dòng)，其中半導(dǎo)體材料包括光刻膠材料、電介質(zhì)和DSA材料。2021年4月，默克宣布投資2000萬(wàn)歐元將擴(kuò)大其在日本的研發(fā)和制造基地，將建設(shè)新的基礎(chǔ)設(shè)施，以推動(dòng)和加速電子材料的創(chuàng)新，這個(gè)工廠所開(kāi)發(fā)和制造的就包括DSA材料。

　　許多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)意識(shí)到DSA的優(yōu)勢(shì)，并希望將其應(yīng)用于微電子制造中。目前，基于嵌段共聚物的DSA光刻技術(shù)已經(jīng)被用于制造各種半導(dǎo)體器件，如鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)、存儲(chǔ)器、位元圖案介質(zhì)和光子器件等。在SPIE上發(fā)表的一篇論文中，也指出了DSA應(yīng)用于DRAM的可能性。

　　DSA工業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)

　　DSA光刻技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)化主要分大兩步，首先是采用“自上而下”的光刻工藝制備引導(dǎo)圖形。然后，嵌段共聚物分子在制備的引導(dǎo)圖形上進(jìn)行自組裝。目前進(jìn)行自組裝的研究已經(jīng)頗多，此前一直困擾DSA光刻的缺陷問(wèn)題也逐漸控制到半導(dǎo)體行業(yè)所能接受的范圍。并已經(jīng)在300mm晶圓DSA先導(dǎo)線上進(jìn)行了實(shí)踐，證明了其進(jìn)入工業(yè)化的可行性。

　　問(wèn)題主要在引導(dǎo)圖形上，目前關(guān)于DSA圖形化工藝的計(jì)算光刻以及EDA研究非常少，這是DSA光刻工業(yè)化中所面臨的最大挑戰(zhàn)。因?yàn)樵趯?shí)際芯片制造中，其版圖非常復(fù)雜，并不是簡(jiǎn)單的規(guī)則圖形。IBM研究團(tuán)隊(duì)提出在芯片制造中融入DSA工藝，開(kāi)發(fā)一套計(jì)算光刻工具，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工藝協(xié)同優(yōu)化，形成材料、設(shè)備、工藝、計(jì)算光刻、仿真模擬和EDA的完整產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)DSA光刻技術(shù)真正進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)。

　　當(dāng)然，嵌段共聚物DSA光刻技術(shù)進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)，還需對(duì)DSA工藝、材料以及與現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)線的兼容性問(wèn)題進(jìn)行全面了解。工藝方面，需要選擇合適的設(shè)備，優(yōu)化工藝條件，以實(shí)現(xiàn)高通量制造;材料方面，要保證嵌段共聚物的批量化生產(chǎn)、電子級(jí)純度以及穩(wěn)定性。此外，還需采用先進(jìn)的設(shè)備對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)和分析。

　　任何新技術(shù)在工業(yè)化的道路上都是漫長(zhǎng)且崎嶇的，EUV光刻技術(shù)也是經(jīng)歷幾十多年的發(fā)展，DSA這項(xiàng)光刻技術(shù)無(wú)疑也將面臨一些波折。不過(guò)DSA這項(xiàng)革新的自下而上的圖形形成方法以及在成本上的節(jié)約，將繼續(xù)支撐DSA研究者們的熱情。