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來(lái)源：半導體行業(yè)觀(guān)察 隨著(zhù)芯片法案宣布將補貼美國半導體研發(fā)和制造500多億美元，人們對芯片制造技術(shù)的基本現狀產(chǎn)生了極大的興趣。 目前，三星5納米工藝(指定為5LPE)就是向全球市場(chǎng)提供先進(jìn)芯片制造技術(shù)的其中之一，這代表了三星finFET技術(shù)取得了重大突破，未來(lái)勢必會(huì )更進(jìn)一步，以更低的成本在芯片上放置更多的晶體管，同時(shí)提供更高的性能。 在芯片上刻出超細特征所需的先進(jìn)光刻技術(shù)是實(shí)現這些進(jìn)步的主要推動(dòng)者。 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Fairchild Semiconductor的羅伯特·諾伊斯發(fā)明單片集成電路以來(lái)，光刻一直是主要的光刻技術(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)。 實(shí)踐中的光刻方法 許多光刻方法被應用于制造單個(gè)芯片設計，TechInsights最近對三星5LPE工藝進(jìn)行了詳細分析。圖2顯示了CPU邏輯區域中柵極和鰭片布局的平面圖TEM圖像。 
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 193 nm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108納米，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 Section 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50 nm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5 nm LPE工藝使用了多種先進(jìn)的光刻方法，包括EUV. 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 納米壓印和直接自組裝光刻 EUV設備和工藝極其復雜和昂貴，因此業(yè)界一直在研究替代方案。三個(gè)主要競爭者是： - 納米壓印光刻（NIL） - 直接自組裝（DSA）光刻 - 電子束光刻（EBL） 雖然EBL提供非常高的空間分辨率（優(yōu)于10nm），但配置和執行速度較慢，本文將不再進(jìn)一步討論。EBL確實(shí)可以商業(yè)應用，但不適用于大批量的先進(jìn)節點(diǎn)制造。 納米壓印光刻最早由明尼蘇達大學(xué)的Stephen Chu提出，該技術(shù)基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的壓縮成型。Chu和他的合著(zhù)者于1995年發(fā)表了開(kāi)創(chuàng )性的專(zhuān)利US5772905A，并在1996年《科學(xué)》雜志的一篇論文中報道了25納米分辨率的圖案化。 2003年，NIL技術(shù)被添加到ITRS路線(xiàn)圖中，這是一個(gè)不斷研發(fā)的領(lǐng)域。佳能是全球光刻機的主要供應商之一，他們現在提供NIL產(chǎn)品線(xiàn)，東芝是他們的早期客戶(hù)之一，其中提出的應用是NAND閃存生產(chǎn)。 直接自組裝光刻是指嵌段共聚物在預圖案化襯底上的直接取向，該技術(shù)類(lèi)似于SADP和SAQP，使用更粗的間距模板來(lái)創(chuàng )建更細的間距結構。DSA技術(shù)于20世紀90年代首次提出，并于2007年成為ITRS路線(xiàn)圖的一部分，IMEC的一個(gè)研究小組是其主要支持者，2021年他們使用DSA演示了18 nm間距線(xiàn)型的形成。 據TechInsights所知，任何一家大型半導體制造商都尚未采用直接自組裝進(jìn)行大批量生產(chǎn)，雖然在過(guò)去的二十年里，這項技術(shù)已經(jīng)有了相當多的研發(fā)和專(zhuān)利活動(dòng)，但還沒(méi)有商業(yè)用途。 探索專(zhuān)利中的先進(jìn)光刻技術(shù)創(chuàng )新 TechInsights與Cipher合作，一直在探索先進(jìn)光刻市場(chǎng)的創(chuàng )新。目前，基于光學(xué)光刻的技術(shù)主導半導體市場(chǎng)，ArF 193i是用于圖案化精細間距特征的主要方法，而基于EUV的光刻技術(shù)開(kāi)始出現在最先進(jìn)的CMOS技術(shù)中，如前一節討論的三星5LPE。 不幸的是，EUV方法非常昂貴，而且ASML交付EUV光刻機可能存在供應鏈問(wèn)題。TechInsights預計該行業(yè)將積極尋求替代方案，Cipher一直在與TechInsights合作開(kāi)發(fā)專(zhuān)利分類(lèi)器，用于監控特定領(lǐng)域的創(chuàng )新步伐，如EUV、NIL和DSA光刻。 Cipher專(zhuān)利分類(lèi)器已經(jīng)允許TechInsights繪制EUV, NIL和DSA先進(jìn)光刻專(zhuān)利的景觀(guān)。圖5顯示了按技術(shù)排序的前5家專(zhuān)利機構。
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)上下了很大賭注 - 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賭注，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 該表沒(méi)有顯示包括GlobalFoundries、IBM和Intel在內的北美主要組織，因為他們在排行榜上排名更靠后，分別位列第16、17和32位。 結論 先進(jìn)的光刻技術(shù)對于摩爾定律縮放的延續至關(guān)重要。目前業(yè)界認為，EUV加上先進(jìn)的193i技術(shù)，如SADP和SAQP，將能夠繼續擴展到上述5納米技術(shù)以下。 但是由于EUV依賴(lài)使用極其復雜和昂貴的設備，因此該行業(yè)繼續尋找替代品，如NIL或DSA，這可能提供一條替代的前進(jìn)道路。 |
