EUV光刻太貴，替代方案被考慮
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01.半導體光刻技術(shù)的起源與發(fā)展
光刻是半導體工業(yè)的核心技術(shù)。自1960年仙童半導體的羅伯特·諾伊斯發(fā)明單片集成電路以來(lái)，光刻一直是主要的芯片制造技術(shù)。光刻技術(shù)本質(zhì)上是，掩膜版用于對光刻膠進(jìn)行圖案化，從而實(shí)現圖案化沉積和蝕刻工藝。光刻工藝的最終分辨率由所用光源的波長(cháng)決定。在短波長(cháng)光刻源的開(kāi)發(fā)方面取得的進(jìn)展，使得以摩爾定律為特征的電路密度不斷增加。在過(guò)去光刻所需光源是Mercury discharged lamps，例如365nm時(shí)期采用的i-Line，但最近KrF為248nm或ArF為193nm的準分子激光器成為了首選光源。采用浸潤式光刻技術(shù)，需要將透鏡和芯片浸沒(méi)在折射率比空氣高的水中，由此ArF激光器獲得的最終分辨率約為50nm。過(guò)去二十年，193nm波長(cháng)的光刻技術(shù)得到了發(fā)展。雖然使用F2準分子激光的157nm光刻技術(shù)取得了一些突破，但人們主要關(guān)注的還是使用13.5nm軟X射線(xiàn)作為光源的極紫外（EUV）光刻技術(shù)。荷蘭光刻機龍頭ASML在EUV技術(shù)的研發(fā)中發(fā)揮了主導作用，目前其EUV設備主要被包括英特爾、三星和臺積電在內的先進(jìn)CMOS代工廠(chǎng)用于生產(chǎn)。
02.實(shí)踐中的光刻方法
▲圖2 三星 5LPE Gate和Fin Layout
自對準四重構圖（SAQP）幾乎可以肯定地用于對鰭片進(jìn)行構圖，鰭片心軸的大致位置如圖所示，該心軸本應使用ArF 193nm浸沒(méi)（ArF 193i）光刻法進(jìn)行圖案化，通過(guò)在心軸上形成側壁間隔件，進(jìn)而形成最終的鰭片圖案。心軸的間距為108nm，然后將心軸移除，使用第一側壁間隔物圖案來(lái)創(chuàng )建第二組側壁間隔件，最終給出27nm的鰭片間距。兩組側壁間隔物的大致位置和尺寸如圖3所示，這是一張橫截面TEM圖像，顯示了邏輯區域中三星5LPE工藝的27nm間距鰭片結構。
▲圖3 三星 5LPE Fin Cross Sectio
使用有源鰭片切割掩膜去除不需要的鰭片，并用淺溝槽隔離（STI）代替它們。圖2所示的金屬柵極很可能是使用自對準雙圖案化（SADP）技術(shù)形成的，其中心軸上的側壁間隔物直接用于圖案化多晶硅柵極，再用金屬柵極取代。目前正在制造的先進(jìn)半導體器件的尺寸明顯小于用ArF浸沒(méi)光刻法獲得的約50nm最小半間距，這就需要開(kāi)發(fā)越來(lái)越復雜的工藝技術(shù)。例如，根據最近TechInsights分析的結果，三星5nm LPE工藝使用了多種先進(jìn)的光刻方法，包括EUV，如表1所示。
▲Table 1 Summary of photolithography methods applied in Samsung’s 5LPE process
SAQP光刻技術(shù)可以產(chǎn)生非常精細的間距特征，但僅限于創(chuàng )建單向定向的單軸結構，且線(xiàn)路末端需要特殊的切割掩膜，以防止相鄰線(xiàn)路之間短路。EUV光刻沒(méi)有這些限制，但成本更高。圖4顯示了三星5LPE設備CPU邏輯區中金屬0布局的平面圖TEM顯微照片，觀(guān)察到的最小金屬間距約為44nm。此外，布局包括在兩個(gè)正交方向上定向的線(xiàn)，如果使用SADP或SAQP ArF 193i光刻方法，通常不可能產(chǎn)生這種情況。
▲圖4 三星5LP Metal 0 Layout
03.納米壓印和直接自組裝光刻
- 納米壓印光刻（NIL）
- 直接自組裝（DSA）光刻
- 電子束光刻（EBL）
04.探索專(zhuān)利中的先進(jìn)光刻技術(shù)創(chuàng )新
▲圖5 Top 5 Companies by NIL, EUV and DSA Patent Holdings
這張圖表展示了：- 佳能顯然在NIL技術(shù)上下了很大****注
- ASML在EUV方面投入最多，但也積極參與NIL和DSA研究
- 從先進(jìn)的光刻技術(shù)研發(fā)角度來(lái)看，臺積電顯然屬于領(lǐng)先的代工廠(chǎng)。他們在EUV方面投資最多，但在NIL和DSA方面也很活躍
- 排名第五的三星也在對沖****注，盡管他們的專(zhuān)利活動(dòng)水平遠低于臺積電
- 蔡司（Karl Zeiss）位列第四，毫不奇怪，作為光刻供應商，他們主要關(guān)注點(diǎn)是EUV
05.結語(yǔ)
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