EUV是實現7nm的唯一技術？| 半導體行業觀察

來源：微信公眾號 半導體行業觀察（ID：icbank）原創

在推動每一個後續半導體節點的發展方面，光刻技術的進步一直都起著至關重要的作用。

由於預見到浸沒式光刻技術在比例縮放能力方面的限制，這個行業一直在追求下一代光刻工藝。業界已提出了多種工藝，包括極紫外光刻（EUV）、多電子束光刻、納米壓印光刻和嵌段共聚物定向自組裝（DSA）。

從 21 世紀初的最初發展開始，業界主要半導體製造商便對 DSA 表示出了極大的興趣，並給予了持續多年的關注。

但部分由於業界對 EUV 光刻技術進行了大量密集投資，該技術獲得了長足發展，致使 DSA 在一定程度上淡出了人們的視野。DSA 材料和加工工藝的近期發展，讓人們看到攻克導致該技術應用滯後的問題的希望。

選擇適當的光刻工業不必成為二者選其一的命題。充分利用 EUV 光刻和 DSA 這二者的優勢，可能會成為最大的機會。儘管這兩項技術之間有時看起來存在相互競爭，但將二者視為互補技術的觀點則更為可取。

本文闡述了光刻技術會如何受益於充分利用 EUV 和 DSA 這兩種技術，而且之前存在的障礙應不再是問題。

EUV還欠火候？

過去幾十年，半導體產業在摩爾定律的指導下獲得了高速的發展，為了滿足摩爾定律「同等面積晶元集成的晶體管數每18個月翻一番」的要求，晶圓廠一直在推動工藝製程的更新。但隨著節點的演進，產業界普遍認為傳統的光刻將會在65nm或者45nm的時候遭受到障礙，為此他們尋找新的解決辦法，EUV就是他們的主要選擇。

所謂EUV，是指波長為13.5nm的光。相比於現在主流光刻機用的193nm光源，新的EUV光源能給矽片刻下更小的溝道，從而能實現在晶元上集成更多的晶體管，進而提高晶元性能，繼續延續摩爾定律。

晶元行業從20世紀90年代開始就考慮使用13.5nm的EUV光刻（紫外線波長範圍是10~400nm）用以取代現在的193nm。EUV本身也有局限，比如容易被空氣和鏡片材料吸收、生成高強度的EUV也很困難。業內共識是，EUV商用的話光源功率至少250瓦，Intel還曾說，他們需要的是至少1000瓦。

除了光刻機本身的不足之外，對於EUV光刻機系統來說，仍然有一些問題需要被解決的。

首先就是光罩問題；

據介紹，EUV所用的光罩和193nm浸沒式光刻的光罩完全不同，它們由使用了數十種不同材料的納米層組成。根據數據調查顯示，過去12個月來，光罩製造商已經製作了1041個EUV光罩，光罩良率目前僅為64.3%。但同期間曝光的主流的光罩數達到46萬2792個，平均良率高達94.8%。因此如何提升光罩良率和成本問題，就成為他們考慮的首要問題。

其次EUV薄膜問題也不能忽略；

雖然現在EUV設備都是處於超潔凈環境中，但是在製造過程中，灰塵是無可避免地產生的。如果有一點回城掉到光罩上，則會造成很大的損失。現在主流光罩的薄膜是透明的，能夠經受得起考驗，但是目前的EUV薄膜是不透明的，那就需要超薄型的薄膜去製造透明的EUV薄膜，能夠抵擋EUV光刻機的震蕩和相關干擾對光罩造成的影響。

還有一個重要的問題是目前沒有很好的方法去檢測光罩的缺陷；

因此雖然目前英特爾、台積電、三星和格芯(格羅方徳)都在積極準備7nm工藝，但是要用上EUV顯然還有很行的道路要走。

為了幫助行業到達頂峰，半導體工程已經考慮了多種7nm可能方案與設計靈感。

7nm工藝有多種方案，各個晶元製造商可能沿著不同的方向發展，但總體來講，這個行業主要考慮以下四個成像方案：

1.晶元製造商沒有使用7nm 工藝的EUV技術，而是僅僅使用浸沒式/多重成像。

2.晶元製造商首先使用浸沒式/多重成像，然後，在必要的位置使用EUV技術。

3.晶元製造商同時使用浸沒式/多重成像和EUV。

4.晶元製造商使用其他技術，如DSA和多光束。

下面我們著重介紹的是DSA技術。

另一條路：材料決定圖形化

DSA是運用材料內部的自然機制來產生有序結構。在這些材料內部的自然機制中，如在高分子材料中形成的條紋狀結構，可透過改變化學成份來適當地調整，使其實現納米級功能，進而能被用來強化光學和超紫外光(EUV)光刻。

和大多數掩膜版決定圖案的光刻技術不同，在 DSA 技術中，圖案存在於材料本身。DSA 的原嵌段共聚物聚合了聚苯乙烯（PS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）這兩種在單獨的階段彼此自然分離的聚合物。調整 PS 和 PMMA 在 PS-b-PMMA 材料中的相對比例，可以將其形態從球形改變為圓柱形，再變為層狀（見圖1）。弗洛里相互作用參數的乘積χ 和片段長度決定了有序結構的間距。χ 的值越高，最終結構之間的間距越小。

標準 PS-b-PMMA 材料的 χ 值相對較低，從而將間距限制在 20nm 或更大。部分材料製造商正在考慮用 PS-b-PMMA 之外的化合物來製備高 χ 值嵌段共聚物，採用聚二甲基硅氧烷或聚羥基苯乙烯來替代聚甲基丙烯酸甲酯。修飾 PS-b-PMMA 是另一種增加 χ 值得方法。這種方法可以微調 χ 值、分子量和玻璃轉化溫度，從而在不同退火條件下實現間距為 14nm 到 40nm 之間的層狀結構。

該嵌段共聚物沉澱的流程非常直接。旋塗在基材上的中性層允許嵌段共聚物在熱退火過程中分離為各自的域。中性層之所以支持域分離，是因為其與嵌段共聚物中聚合物鏈都沒有類同關係。聚合物域分離負責圖案形成。

工藝考量

DSA 沉澱工藝採用了兩大基本方法之一。它可藉由使用嵌段共聚物(block copolymer)來實現倍頻。當以適當的預圖形模式連結時，便可直接指示圖案方向，整體而言，DSA有助於減少最終印刷結構的間距。此外，DSA也能用於修復缺陷和修復原有印刷使其更加均勻。

製圖外延法利用表面特徵來對其嵌段共聚物，並將其沉澱在相對較深的溝道內。導向圖形確定了溝道的結構，從而將嵌段共聚物限制在能夠以首選方向進行對準的配置內。化學氣相外延法則根據平旦基材上的化學圖形，嵌段共聚物在該基材上進行自對準。

製圖外延法和化學氣相外延法都是半導體行業正在追求的方法，前者更適合製備細間距過孔，而後者則適合創建平行線組合。

退火溫度介於 250°C 至 275°C 之間，這與標準半導體加工工藝相兼容。退火步驟的時間比較長，創建足夠低缺陷率的結構需要最長兩小時，從而增加了該工藝的成本。

PS-b-PMMA 嵌段共聚物已然投入大批量製造。該材料目前在全球各個應用領域的使用量為 110 萬噸。該數量超出了整個半導體行業的需求。因此，雖然目前尚無針對半導體行業的商業化製造的 DSA 材料，但基礎設施已經就位，當這個行業準備好時，便可擴大適合的材料的生產規模。

現在 DSA 為何具有吸引力

DSA在2007年首次以關鍵層微影領先技術之潛力解決方案的角色出現在國際半導體技術藍圖(ITRS)。該技術也被認為能作為下一代微影候選技術的補充，如超紫外光(EUV) 微影和奈米壓印微影等。

半導體行業的主要參與者最初相信 DSA 能夠進入 14nm 至 7nm 邏輯節點之間的任何一個點的商業化生產，對 DRAM 而言甚至會更早；但目前還尚未通過。根據 2016 DSA 研討會的一項調查顯示，該技術仍未能成為主流，且在未來幾年也不會成為主流。但部分 IDM 希望加速該過程，他們有理由相信，這不但可能實現，而且還是他們所希望看到的局面。

通過將波長降至 193nm， 浸沒式光刻技術實現了最低 80nm 的線寬和間距。通過多重光刻/蝕刻疊加，自對準四倍圖案等工藝能夠創造出甚至更小的特性，但需要增加光刻步驟，每個步驟都需要定製化的掩膜。

浸沒式光刻正在接近其極限，同時也為下一代光刻技術創造了機會。10nm 至 30nm 範圍內的關鍵尺寸設計，為這些先進的技術創造了一個最有效擊球點。

EUV 光刻技術的發展是引導業界對其青睞有加、從而令 DSA 失色的因素之一。與前幾代的產品相比，如今的 EUV 材料具有更大的敏感性，因此需要的 UV 計量更低；而且線粗糙度也得到了改進。EUV 光刻能夠創造出 30nm 或 40nm 間距的過孔，這對浸沒式光刻而言是不可能實現的。

DSA 甚至能夠實現比半導體行業當前需求更細的解析度。特性規模正在接近 DSA 能夠尤為高效的水平。如果這些趨勢繼續，該技術將在這個十年內被普遍採用。

可以說，DSA提供了另一種達成精密組件曝光的解決方案；讓製造廠能探索極簡投資的可能；並且在最終量產階段可符合成本效益。

DSA 和 EUV：配合使用將更出色？

最有效的解決方案可能是充分利用 EUV 和 DSA 的優勢，讓這兩種技術配合使用。兩種方法都能實現與 N7 和 N5 邏輯節點相兼容的解析度水平。EUV 光刻非常適合多個不同間距的圖像化設計，最低刻實現 30nm 左右的線寬和間距。但對如此細緻的間距而言，所需的掩膜步驟數量可能會令該技術的尤為昂貴。局部關鍵尺寸均勻性（LCDU）也可能成為一個問題，尤其是在高吞吐率的情況下。

硬掩膜光刻的最初流程與 EUV 和 DSA 都一樣，但在圖形化處理過程中出現了分叉。嵌段共聚物沉澱後，DSA 可實現 30nm 特性尺寸，而無需額外的掩膜。退火過程將兩個階段自然分離成正確的形態。但 DSA 流程最適合單間距設計。

EUV 可用於在集成電路上圖形化較低解析度的特性，並未後續 DSA 沉澱創造間隔。這個以組合帶來了最大的設計靈活性，同時優化了加工流程，消除了工藝步驟並減低了掩膜成本。LCDU 還比單獨使用 EUV 更好。

DSA 最適合具有多次重複、常規細間距功能的設備。因此，它很可能首先得以在 DRAM 存儲中實現，隨後遷移到邏輯設備上的過孔層中使用。製圖外延法， 尤其是使用 EUV 沉澱間隔，能夠使用 DSA 實現更為複雜的設計，在這種設計中，晶元的不同區域要求不同的間距。這估計會成為邏輯晶元的首選方法。

儘管同時利用 DSA 和 EUV 前景良好，半導體行業只能在供應商讓 IDM 相信這些材料已經克服其技術限制後，才能遷移至該方法。DSA 面臨著多項挑戰，從而令其應用出現了滯後：主要問題包括缺陷、圖形布局精度、整合製造流程的便利性和成本。但有理由保持客觀，因為化學和加工方法的發展進行會改善所有這些指標。

克服技術挑戰

但即使是最熱心的支持者也不得不承認，就算是在最佳情況下，DSA技術也得經過很多年才能被用於CMOS量產。在DSA技術必須克服的數百種量產障礙中，缺陷密度僅是其中一種而已。

2016 DSA 研討會調查將缺陷列為了最大的技術挑戰。缺陷與成本相關，退火時間越長，缺陷水平就越低。退火最少五分鐘可以讓兩個階段分離，但製造出來的材料缺陷率太高，不合適商用。

晶圓通常一次只能為一個退火，這令退火成本非常高昂。然而，近期採用立式爐進行批量退火的研究展示出了削減成本方面的極大前景。通過同時對 150 個晶圓退火 30 分鐘，研究人員成功展示出了足夠低的缺陷水平，而且退火成本也低於自對準四倍圖案工藝。

同時使用 DSA 和 EUV 具有緩解圖形布局錯誤的問題。例如，EUV 光刻能夠為雙過孔創造預製圖形孔。兩個過孔在 EUV 過程中會合併，但隨後在 DSA 過程中會自動自動分離。如果沒有 DSA，則需要額外的光刻步驟來避免過孔合併。

當過孔形狀為優化狀態時，同時將 EUV 和 DSA 用於細間距過孔的這個方法最為可靠。研究表明，花生形狀最適合創造圖形布局錯誤風險最低的雙過孔，即使是頗具挑戰的 N5 界節點，而非橢圓形。

總結

半導體行業在光刻技術方面擁有大量經驗，但 DSA 需要轉變思維模式。嵌段共聚物材料並非這個行業習以為常的事物，材料和工藝的變化，如果是革命性的，而非漸進式的，則會面臨阻力。DSA 需要在實體設備上進行展示，才能吸引半導體市場的注意。

在嵌段共聚物方面經驗豐富的半導體行業材料供應商和化學公司之間的通力合作，是彌合這一縫隙的一條途徑。DSA 和 EUV 應被視為互補性技術，而非相互競爭的技術，二者最終將會在 N7 節點及以上領域成為細間距光刻技術的主流趨勢。與之前單一組織的努力不同，與材料和化學公司建立合作關係能夠實現平穩過渡。

文/半導體行業觀察 劉燚

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