不止EUV，先進(jìn)芯片制造還有新選擇

DSA先進(jìn)光刻技術(shù)重回歷史舞臺？
DSA并不是一項新技術(shù)，早在2007年它就作為潛在的光刻解決方案登上了舊的國際半導體技術(shù)路線(xiàn)圖 (ITRS)。2010年左右，業(yè)界開(kāi)始對自下而上圖案化方法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(chǎng)如臺積電、三星、英特爾、GlobalFoundries等都在自家實(shí)驗室探索DSA，因為它有望解決先進(jìn)光刻技術(shù)中的許多成本和復雜性問(wèn)題。 但好景不長(cháng)，隨著(zhù)業(yè)界的不斷探索，他們發(fā)現這些材料容易出現缺陷。DSA材料的貼裝精度也很難控制。因此，考慮到這些問(wèn)題，芯片制造商便轉向在晶圓廠(chǎng)中采用更熟悉的多重圖案化技術(shù)，例如自對準雙/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(mǎn)足當前和未來(lái)的所有需求，SADP/SAQP也逐漸受到了挑戰。尤其是隨著(zhù)3nm和5nm的到來(lái)，對光刻設備的需求越來(lái)越苛刻，而DSA或將作為一個(gè)補充技術(shù)而占有一席之地。 多位業(yè)內消息人士稱(chēng)，英特爾繼續對DSA抱有濃厚的興趣，而其它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)設立了分論壇，供來(lái)自世界一流的企業(yè)、研究機構以及高校的相關(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)，這是一種互補的圖案化方法，可使用嵌段共聚物實(shí)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(shù)，而EUV光刻是“自上而下”。DSA能夠突破傳統光學(xué)光刻的衍射極限。 5nm之后，工具和技術(shù)的結合或將是產(chǎn)業(yè)關(guān)注的一個(gè)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SADP/SAQP）的分辨率、修復圖形缺陷和改善關(guān)鍵結構的特征尺寸均勻性，從而產(chǎn)生更高密度的半導體器件。此外，DSA光刻還有望將芯片制程推進(jìn)到3nm甚至更小的技術(shù)節點(diǎn)。

DSA的研究進(jìn)展#Human Progress
現在DSA已經(jīng)取得顯著(zhù)進(jìn)展，包括英特爾、IBM、三星等國際知名半導體企業(yè)以及IMEC、CEA-Leti 等研究機構開(kāi)始針對DSA光刻技術(shù)開(kāi)展了系統性的研究和產(chǎn)業(yè)化嘗試，他們在工藝開(kāi)發(fā)、整合、器件應用等方面為之努力。多個(gè)研究機構都建立了300mm晶圓DSA先導線(xiàn)，已經(jīng)有大量的研究結果顯示DSA光刻在300mm晶圓先導線(xiàn)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。
 國內學(xué)者在DSA領(lǐng)域的研究也頗深，在復旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院胡曉華, 熊詩(shī)圣的《先進(jìn)光刻技術(shù):導向自組裝》論文中指出，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“黃金標準”，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)提供了強有力的理論支持與技術(shù)指導。 2016年，臺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(shù)制備了接觸孔，并對接觸孔的缺陷進(jìn)行了深入研究。2019年，IMECI基于PS-b-PMMA嵌段共聚物的DSA技術(shù)，生成具有低且穩定的缺陷率（即橋連和位錯）的28 nm節距線(xiàn)/空間圖案。 胡曉華, 熊詩(shī)圣的《先進(jìn)光刻技術(shù):導向自組裝》論文還指出，然而，PS-b-PMMA的χ值較?。é譃閭z聚合物之間的弗洛里—哈金斯相互作用參數），無(wú)法滿(mǎn)足當前集成電路制造中10nm及以下特征尺寸的需求。為了滿(mǎn)足工藝節點(diǎn)的不斷發(fā)展需求，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(mǎn)足目前集成電路制造的需求。 在2021年的SPIE先進(jìn)光刻會(huì )議上，IMEC 首次展示了DSA圖形化 的能力，使用高χ值嵌段共聚物材料制備了周期為18nm的線(xiàn)條光柵陣列結構，他們與TEL密切合作開(kāi)發(fā)的定制干法蝕刻工藝允許將18 nm線(xiàn)/空間圖案成功轉移到足夠深的 SiN 層中，以進(jìn)行后續缺陷檢查，而不會(huì )出現明顯的線(xiàn)擺動(dòng)或線(xiàn)塌陷。這些結果證實(shí)了DSA有潛力補充用于亞 2 nm技術(shù)節點(diǎn)的工業(yè)制造的傳統自上而下圖案化。 “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)、計量學(xué)家、材料和設備供應商組成的寶貴生態(tài)系統。我們的 DSA 生態(tài)系統是我們迄今為止取得的成果的關(guān)鍵，”IMEC的高級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研究團隊報道了基于嵌段共聚物DSA光刻技術(shù)對化學(xué)圖案上的缺陷具有一定的修復能力。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(xué)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(jīng)開(kāi)始試產(chǎn)電子級純度的DSA材料，為 DSA光刻技術(shù)從實(shí)驗室走向工業(yè)化制造不懈努力?！?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">這項革命性技術(shù)有望徹底改變半導體制造工藝，并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(kāi)設了新的電子應用研究中心，將致力于下一代顯示和半導體材料的研發(fā)活動(dòng)，其中半導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)歐元將擴大其在日本的研發(fā)和制造基地，將建設新的基礎設施，以推動(dòng)和加速電子材料的創(chuàng )新，這個(gè)工廠(chǎng)所開(kāi)發(fā)和制造的就包括DSA材料。 許多研究機構已經(jīng)意識到DSA的優(yōu)勢，并希望將其應用于微電子制造中。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體器件，如鰭式場(chǎng)效應晶體管（FinFET）、存儲器、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應用于DRAM的可能性。

DSA工業(yè)化面臨的挑戰上文我們敘述了DSA技術(shù)的應用前景和優(yōu)勢，但是DSA真正工業(yè)化仍然面臨著(zhù)一些挑戰。在胡曉華, 熊詩(shī)圣的《先進(jìn)光刻技術(shù):導向自組裝》論文中點(diǎn)出，DSA光刻技術(shù)應用于工業(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圖形。然后，嵌段共聚物分子在制備的引導圖形上進(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體行業(yè)所能接受的范圍。并已經(jīng)在300mm晶圓DSA先導線(xiàn)上進(jìn)行了實(shí)踐，證明了其進(jìn)入工業(yè)化的可行性。 在胡曉華, 熊詩(shī)圣的《先進(jìn)光刻技術(shù):導向自組裝》論文中指出，問(wèn)題主要是在引導圖形上，目前關(guān)于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(yè)化中所面臨的最大挑戰。因為在實(shí)際芯片制造中，其版圖非常復雜，并不是簡(jiǎn)單的規則圖形。IBM研究團隊提出在芯片制造中融入DSA工藝，開(kāi)發(fā)一套計算光刻工具，實(shí)現設計工藝協(xié)同優(yōu)化，形成材料、設備、工藝、計算光刻、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)。 當然，嵌段共聚物DSA光刻技術(shù)進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)，還需對DSA工藝、材料以及與現有半導體產(chǎn)線(xiàn)的兼容性問(wèn)題進(jìn)行全面了解。工藝方面，需要選擇合適的設備，優(yōu)化工藝條件，以實(shí)現高通量制造；材料方面，要保證嵌段共聚物的批量化生產(chǎn)、電子級純度以及穩定性。此外，還需采用先進(jìn)的設備對缺陷進(jìn)行檢測和分析。 任何新技術(shù)在工業(yè)化的道路上都是漫長(cháng)且崎嶇的，EUV光刻技術(shù)也是經(jīng)歷了幾十多年的發(fā)展，DSA這項光刻技術(shù)無(wú)疑也將面臨一些波折。不過(guò)DSA這項革新的自下而上的圖形形成方法，使其在更先進(jìn)的工藝節點(diǎn)中頗具潛力。再考慮到其對芯片制造成本上可能實(shí)現的節約，這些都將繼續支撐DSA研究者們繼續探索下去，我們也期待DSA真正能夠助力5nm、3nm甚至更小工藝節點(diǎn)芯片的研發(fā)。
來(lái)源：半導體行業(yè)觀(guān)察