5nm之後，這項光刻技術或將發揮重要作用!
文章導讀：在這個不斷演進的過程中，以光刻為基礎的圖形化工藝在其中扮演著至關重要的角色。光刻技術是芯片製造過程中最重要、最複雜、最昂貴的工藝。其精密度決定了芯片的製程，以及器件性能。
過去50多年裏，半導體產業一直沿著摩爾定律向前發展，芯片工藝節點先後跨越了90nm、45nm、28nm、14nm，如今7nm和5nm已經實現量產，3nm和2nm是現在業界努力的方向，在這個不斷演進的過程中，以光刻為基礎的圖形化工藝在其中扮演著至關重要的角色。光刻技術是芯片製造過程中最重要、最複雜、最昂貴的工藝。其精密度決定了芯片的製程，以及器件性能。
目前實現14nm工藝節點中的關鍵結構最常用的工藝是193nm沉浸式光刻結合自對準雙圖形（SADP）技術，但對於7nm及以下節點SADP技術已無法滿足要求，必須采用四重甚至八重圖形技術，這將導致成本大幅增加，而且掩膜版之間的套刻精度也難以控製。為此，學術界和工業界開始探索下一代光刻技術的解決方案。2020年國際器件與係統路線圖（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的主要候選方案。EUV光刻秋葵视频黄色网站下载都有所了解或者比較熟悉些，本文秋葵视频黄色网站下载將探討下半導體工藝技術中的另一個研發熱點DSA。
定向自組裝（DSA）並不是一項新技術，早在2007年它就作為潛在的光刻解決方案登上了舊的國際半導體技術路線圖 (ITRS)。2010年左右，業界開始對自下而上圖案化方法定向自組裝（DSA）技術產生興趣，甚至還引起了一番研究熱潮。世界知名的代工廠如台積電、三星、英特爾、GlobalFoundries等都在自家實驗室探索DSA，因為它有望解決先進光刻技術中的許多成本和複雜性問題。
但好景不長，隨著業界的不斷探索，他們發現這些材料容易出現缺陷。DSA材料的貼裝精度也很難控製。因此，考慮到這些問題，芯片製造商便轉向在晶圓廠中采用更熟悉的多重圖案化技術，例如自對準雙/四圖案化 (SADP/SAQP)。而事實證明，沒有一種光刻技術可以滿足當前和未來的所有需求，SADP/SAQP也逐漸受到了挑戰。因此，隨著3nm到5nm光刻設備的討論，DSA作為補充技術或將占有一席之地。
多位業內消息人士稱，英特爾繼續對DSA抱有濃厚的興趣，而其他芯片製造商正在重新審視該技術。此外，一年一度的SPIE先進光刻會議，自2012年起就為嵌段共聚物DSA光刻技術設立了分論壇，供來自世界一流的企業、研究機構以及高校的相關研究者在一起進行分享、交流和討論DSA光刻技術最新的進展與未來發展方向。由此可見，工業界對該技術高度重視並寄予厚望。
需要知道的是，DSA本身並不是一種工具技術，這是一種互補的圖案化方法，可使用嵌段共聚物實現精細間距和預定義的圖案。它是一種“自下而上”的光刻技術，而EUV光刻是“自上而下”。DSA能夠突破傳統光學光刻的衍射極限。
5nm之後，工具和技術的結合或將是產業關注的一個方向。將DSA光刻與傳統的“自上而下”的EUV光刻相結合，可以提高現有光刻工藝（例如自對準四重圖案化或 SAQP）的分辨率、修複圖形缺陷和改善關鍵結構的特征尺寸均勻性，從而產生更高密度的半導體器件。此外，DSA光刻還有望能將芯片製程推進到3nm甚至更小的技術節點。
現在DSA正在取得顯著進展，包括英特爾、IBM、三星等國際知名半導體企業以及IMEC、CEA-Leti 等研究機構以及開始針對DSA光刻技術開展了係統性的研究和產業化嚐試，他們在工藝開發、整合、器件應用等方麵為之努力。多個研究機構都建立了300mm晶圓DSA先導線，已經有大量的研究結果顯示DSA光刻在300mm晶圓先導線上展示了優異的性能，，這也為DSA光刻技術走向工業化生產邁出了重要的一步。
DSA光刻技術能夠取得快速的進步與嵌段共聚物材料的發展密切相關。目前，嵌段共聚物PS-b-PMMA已成為DSA領域的“黃金標準”，PS是非極性聚合物，而PMMA屬於極性聚合物。它的最小周期為22nm，用於分子自組裝的機理探究以及工藝摸索，PS-b-PMMA為DSA進入工業化生產提供了強有力的理論支持與技術指導。
2016年，台積電研究團隊以柱狀相PS-b-PMMA為材料，采用物理外延法DSA光刻技術製備了接觸孔，並對接觸孔的缺陷進行了深入研究。2019年，imec基於PS-b-PMMA嵌段共聚物的DSA，生成具有低且穩定的缺陷率（即橋和位錯）的28 nm節距線/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裏—哈金斯相互作用參數），無法滿足當前集成電路製造中10nm及以下特征尺寸的需求。所以為了解決工藝節點的不斷發展，如更先進的7nm/5nm/3nm等，學術界也聚焦於合成高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值材料經微相分離後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製造的需求。
在2021年的SPIE高級光刻會議上，imec 首次展示了定向自組裝 (DSA) 的能力，使用高χ值嵌段共聚物材料製備了周期為18nm的線條光柵陣列結構，他們與TEL切合作開發的定製幹法蝕刻化學物質允許將18 nm線/空間圖案成功轉移到足夠深的 SiN 層中，以進行後續缺陷檢查，而不會出現明顯的線擺動或線塌陷。這些結果證實了DSA有潛力補充用於亞 2 納米技術節點的工業製造的傳統自上而下圖案化。
“近年來，DSA 吸引了大量的工業興趣，已經發展成為一個由大學、計量學家、材料和設備供應商組成的寶貴生態係統。秋葵视频黄色网站下载的 DSA 生態係統是秋葵视频黄色网站下载迄今為止取得的成果的關鍵，”imec的高級圖案化工藝和材料副總裁Steven Scheer說。imec的DSA材料的合作夥伴包括德國的Merck、美國的Brewer Science、東京電子等等。
更重要的是，2021年TEL研究團隊報道了基於嵌段共聚物DSA光刻技術對化學圖案上的缺陷具有一定的修複能力。嵌段共聚物為有機材料，它具有一定的柔性與可壓縮性，因此對化學圖案上的缺陷存在一定的容忍度。
德國的默克在2015年就已經開始試產電子級純度的DSA材料，為 DSA光刻技術從實驗室走向工業化製造不懈努力。“這項革命性技術有望徹底改變半導體製造工藝，並將加快下一代構圖應用的引入。”默克半導體解決方案全球負責人Anand Nambiar表示。2020年9月，默克在德國正式開設了新的電子應用研究中心，將致力於下一代顯示和半導體材料的研發活動，其中半導體材料包括光刻膠材料、電介質和DSA材料。2021年4月，默克宣布投資2000萬歐元將擴大其在日本的研發和製造基地，將建設新的基礎設施，以推動和加速電子材料的創新，這個工廠所開發和製造的就包括DSA材料。
許多研究機構已經意識到DSA的優勢，並希望將其應用於微電子製造中。目前，基於嵌段共聚物的DSA光刻技術已經被用於製造各種半導體器件，如鰭式場效應晶體管（FinFET）、存儲器、位元圖案介質和光子器件等。在SPIE上發表的一篇論文中，也指出了DSA應用於DRAM的可能性。
DSA光刻技術應用於工業化主要分大兩步，首先是采用“自上而下”的光刻工藝製備引導圖形。然後，嵌段共聚物分子在製備的引導圖形上進行自組裝。目前進行自組裝的研究已經頗多，此前一直困擾DSA光刻的缺陷問題也逐漸控製到半導體行業所能接受的範圍。並已經在300mm晶圓DSA先導線上進行了實踐，證明了其進入工業化的可行性。
問題主要在引導圖形上，目前關於DSA圖形化工藝的計算光刻以及EDA研究非常少，這是DSA光刻工業化中所麵臨的最大挑戰。因為在實際芯片製造中，其版圖非常複雜，並不是簡單的規則圖形。IBM研究團隊提出在芯片製造中融入DSA工藝，開發一套計算光刻工具，實現設計工藝協同優化，形成材料、設備、工藝、計算光刻、仿真模擬和EDA的完整產業鏈，推動DSA光刻技術真正進入工業化生產。
當然，嵌段共聚物DSA光刻技術進入工業生產，還需對DSA工藝、材料以及與現有半導體產線的兼容性問題進行全麵了解。工藝方麵，需要選擇合適的設備，優化工藝條件，以實現高通量製造；材料方麵，要保證嵌段共聚物的批量化生產、電子級純度以及穩定性。此外，還需采用先進的設備對缺陷進行檢測和分析。
任何新技術在工業化的道路上都是漫長且崎嶇的，EUV光刻技術也是經曆幾十多年的發展，DSA這項光刻技術無疑也將麵臨一些波折。不過DSA這項革新的自下而上的圖形形成方法以及在成本上的節約，將繼續支撐DSA研究者們的熱情。
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