隨著芯片法案宣布將補貼美國半導(dǎo)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(xiàn)狀產(chǎn)生了極大的興趣。

目前，三星5納米工藝(指定為5LPE)就是向全球市場提供先進芯片制造技術(shù)的其中之一，這代表了三星finFET技術(shù)取得了重大突破，未來勢必會更進一步，以更低的成本在芯片上放置更多的晶體管，同時提供更高的性能。在芯片上刻出超細(xì)特征所需的先進光刻技術(shù)是實現(xiàn)這些進步的主要推動者。

半導(dǎo)體光刻技術(shù)的起源與發(fā)展

光刻是半導(dǎo)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，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行圖案化，從而實現(xiàn)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決定。

在短波長光刻源的開發(fā)方面取得的進展，使得以摩爾定律為特征的電路密度不斷增加。在過去光刻所需光源是Mercury discharged lamps，例如365nm時期采用的i-Line，但最近KrF為248nm或ArF為193nm的準(zhǔn)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。

過去二十年，193nm波長的光刻技術(shù)得到了發(fā)展。雖然使用F2準(zhǔn)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(dǎo)作用，目前其EUV設(shè)備主要被包括英特爾、三星和臺積電在內(nèi)的先進CMOS代工廠用于生產(chǎn)。

實踐中的光刻方法

許多光刻方法被應(yīng)用于制造單個芯片設(shè)計，TechInsights最近對三星5LPE工藝進行了詳細(xì)分析。圖2顯示了CPU邏輯區(qū)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(zhǔn)四重構(gòu)圖（SAQP）幾乎可以肯定地用于對鰭片進行構(gòu)圖，鰭片心軸的大致位置如圖所示，該心軸本應(yīng)使用ArF 193 nm浸沒（ArF 193i）光刻法進行圖案化，通過在心軸上形成側(cè)壁間隔件，進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(cè)壁間隔物圖案來創(chuàng)建第二組側(cè)壁間隔件，最終給出27nm的鰭片間距。

兩組側(cè)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(qū)域中三星5LPE工藝的27nm間距鰭片結(jié)構(gòu)。

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(zhǔn)雙圖案化（SADP）技術(shù)形成的，其中心軸上的側(cè)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半導(dǎo)體器件的尺寸明顯小于用ArF浸沒光刻法獲得的約50 nm最小半間距，這就需要開發(fā)越來越復(fù)雜的工藝技術(shù)。例如，根據(jù)最近TechInsights分析的結(jié)果，三星5 nm LPE工藝使用了多種先進的光刻方法，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(xì)的間距特征，但僅限于創(chuàng)建單向定向的單軸結(jié)構(gòu)，且線路末端需要特殊的切割掩膜，以防止相鄰線路之間短路。EUV光刻沒有這些限制，但成本更高。

圖4顯示了三星5LPE設(shè)備CPU邏輯區(qū)中金屬0布局的平面圖TEM顯微照片，觀察到的最小金屬間距約為44nm。此外，布局包括在兩個正交方向上定向的線，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(shè)備和工藝極其復(fù)雜和昂貴，因此業(yè)界一直在研究替代方案。三個主要競爭者是：

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(zhí)行速度較慢，本文將不再進一步討論。EBL確實可以商業(yè)應(yīng)用，但不適用于大批量的先進節(jié)點制造。

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和他的合著者于1995年發(fā)表了開創(chuàng)性的專利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路線圖中，這是一個不斷研發(fā)的領(lǐng)域。佳能是全球光刻機的主要供應(yīng)商之一，他們現(xiàn)在提供NIL產(chǎn)品線，東芝是他們的早期客戶之一，其中提出的應(yīng)用是NAND閃存生產(chǎn)。

直接自組裝光刻是指嵌段共聚物在預(yù)圖案化襯底上的直接取向，該技術(shù)類似于SADP和SAQP，使用更粗的間距模板來創(chuàng)建更細(xì)的間距結(jié)構(gòu)。DSA技術(shù)于20世紀(jì)90年代首次提出，并于2007年成為ITRS路線圖的一部分，IMEC的一個研究小組是其主要支持者，2021年他們使用DSA演示了18 nm間距線型的形成。

據(jù)TechInsights所知，任何一家大型半導(dǎo)體制造商都尚未采用直接自組裝進行大批量生產(chǎn)，雖然在過去的二十年里，這項技術(shù)已經(jīng)有了相當(dāng)多的研發(fā)和專利活動，但還沒有商業(yè)用途。

探索專利中的先進光刻技術(shù)創(chuàng)新

TechInsights與Cipher合作，一直在探索先進光刻市場的創(chuàng)新。目前，基于光學(xué)光刻的技術(shù)主導(dǎo)半導(dǎo)體市場，ArF 193i是用于圖案化精細(xì)間距特征的主要方法，而基于EUV的光刻技術(shù)開始出現(xiàn)在最先進的CMOS技術(shù)中，如前一節(jié)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(yīng)鏈問題。TechInsights預(yù)計該行業(yè)將積極尋求替代方案，Cipher一直在與TechInsights合作開發(fā)專利分類器，用于監(jiān)控特定領(lǐng)域的創(chuàng)新步伐，如EUV、NIL和DSA光刻。

Cipher專利分類器已經(jīng)允許TechInsights繪制EUV, NIL和DSA先進光刻專利的景觀。圖5顯示了按技術(shù)排序的前5家專利機構(gòu)。

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

從先進的光刻技術(shù)研發(fā)角度來看，臺積電顯然屬于領(lǐng)先的代工廠。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，盡管他們的專利活動水平遠(yuǎn)低于臺積電

蔡司（Karl Zeiss）位列第四，毫不奇怪，作為光刻供應(yīng)商，他們主要關(guān)注點是EUV

該表沒有顯示包括GlobalFoundries、IBM和Intel在內(nèi)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(jié)論

先進的光刻技術(shù)對于摩爾定律縮放的延續(xù)至關(guān)重要。目前業(yè)界認(rèn)為，EUV加上先進的193i技術(shù)，如SADP和SAQP，將能夠繼續(xù)擴展到上述5納米技術(shù)以下。但是由于EUV依賴使用極其復(fù)雜和昂貴的設(shè)備，因此該行業(yè)繼續(xù)尋找替代品，如NIL或DSA，這可能提供一條替代的前進道路。

審核編輯：劉清