光刻是半導(dǎo)體行業(yè)的核心技術(shù)。自仙童半導(dǎo)體公司的羅伯特諾伊斯在1960年發(fā)明單片集成電路以來，光刻技術(shù)一直是主要的光刻技術(shù)。

本質(zhì)上，陰影掩模（shadow mask）用來協(xié)助一種稱為光刻膠的光敏材料進(jìn)行圖案化，從而能夠進(jìn)行圖案化沉積和蝕刻工藝。而光刻工藝的最終解決方案是由所用光源的波長(zhǎng)決定的。

在開發(fā)更短波長(zhǎng)的光刻源方面取得了進(jìn)步。這使得以摩爾定律為特征的電路密度不斷增加。歷史上使用汞放電燈，例如 365 nm i-Line，但最近使用 248 nm 的 KrF 或 193 nm 的 ArF 準(zhǔn)分子激光器成為首選光源。當(dāng)使用液體浸沒技術(shù)時(shí)，ArF 激光器獲得的最終分辨率約為 50 nm，其中透鏡和半導(dǎo)體晶片浸入水中，水中的折射率高于空氣。

過去二十年見證了193 nm以下波長(zhǎng)光刻技術(shù)的發(fā)展。在使用 F2 準(zhǔn)分子激光器開發(fā)基于 157 納米的光刻技術(shù)方面付出了一些努力，但主要關(guān)注點(diǎn)是使用 13.5 納米軟 X 射線作為光源的極紫外 (EUV) 光刻技術(shù)。

荷蘭公司 ASML 在 EUV 技術(shù)的開發(fā)中發(fā)揮了主導(dǎo)作用，他們的工具集現(xiàn)在被包括英特爾、三星和臺(tái)積電在內(nèi)的主要先進(jìn) CMOS 代工廠用于生產(chǎn)。

光刻方法的實(shí)踐

應(yīng)用許多光刻方法來產(chǎn)生單芯片設(shè)計(jì)。TechInsights 最近對(duì)三星 5LPE 工藝進(jìn)行了詳細(xì)分析。圖 1 顯示了器件 CPU 邏輯區(qū)域中柵極和鰭片布局的平面圖 TEM 圖像。

圖 1：Samsung 5LPE Gate and Fin Layout

自對(duì)準(zhǔn)四重圖案化 (SAQP) 幾乎可以肯定用于對(duì)鰭進(jìn)行圖案化。圖像注釋中顯示了 fin mandrels的大致位置，該位置將使用 ArF 193 nm 浸入式 (ArF 193i) 光刻進(jìn)行圖案化。然后將通過在mandrel上創(chuàng)建 sidewall spacers來形成最終的 fin pattern。mandrel將具有 108 nm 的間距（pitch）。然后移除mandrel，然后使用第一個(gè)側(cè)壁間隔物（ sidewall spacer）圖案來創(chuàng)建第二組側(cè)壁間隔物，最終的鰭間距為 27 nm。

兩組側(cè)壁間隔物的大致位置和尺寸如圖 2所示，這是一張橫截面 TEM 圖像，顯示邏輯區(qū)域中三星 5LPE 工藝的 27 nm 間距鰭結(jié)構(gòu).

圖 2：Samsung 5LPE Fin Cross Section

然后將使用有源鰭（active fin）切割掩模去除不需要的鰭并用淺溝槽隔離 (STI：shallow trench isolation) 替換它們。圖 1中所示的金屬柵極很可能是使用自對(duì)準(zhǔn)雙圖案化 (SADP) 技術(shù)形成的，其中mandrel上的側(cè)壁間隔物直接用于圖案化多晶硅柵極，后來被金屬柵極取代。

目前正在生產(chǎn)的先進(jìn)半導(dǎo)體器件的尺寸明顯小于使用 ArF 浸沒式光刻技術(shù)可獲得的約 50 nm 最小半間距。這需要開發(fā)越來越復(fù)雜的工藝技術(shù)方案。例如，根據(jù)最近的 TechInsights 分析結(jié)果，三星 5 納米 LPE 工藝使用了多種先進(jìn)的光刻方法，包括 EUV，如表 1 所示。

表 1

SAQP光刻技術(shù)可以產(chǎn)生非常精細(xì)的間距特征；但是，它僅限于創(chuàng)建沿單個(gè)方向定向的單軸結(jié)構(gòu)（ uniaxial structures）。線路末端需要特殊切割（ Special cut）的掩模，以防止相鄰線路之間短路。EUV 光刻沒有這些限制，但成本較高。

圖 3 顯示了三星 5LPE 設(shè)備的 CPU 邏輯區(qū)域中metal 0 布局的平面圖 TEM 顯微照片。觀察到的最小金屬間距約為 44 nm。此外，布局包括在兩個(gè)正交方向上定向的線。這在使用 SADP 或 SAQP ArF 193i 光刻方法時(shí)通常是不可能的。

圖 3：Samsung 5LP Metal 0 Layout

納米壓印光刻和直接自組裝光刻

EUV 設(shè)備和工藝非常復(fù)雜和昂貴，因此業(yè)界一直在研究替代品。三個(gè)主要競(jìng)爭(zhēng)者是：

1. 納米壓印光刻 (NIL：Nano-Imprint Lithography)

2. 直接自組裝 (DSA：Direct Self-Assembly) 光刻

3. 電子束光刻 (EBL：Electron Beam Lithography)

其中，EBL 提供非常高的空間分辨率（優(yōu)于 10 nm），但配置和執(zhí)行速度較慢，本文將不作進(jìn)一步考慮。EBL 確實(shí)有商業(yè)應(yīng)用，但不是在大批量先進(jìn)節(jié)點(diǎn)制造中。

納米壓印光刻技術(shù)最早由明尼蘇達(dá)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 和他的合著者在 1996 年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇論文中報(bào)告了 25 nm 分辨率的圖案化。他們于 1995 年發(fā)布了開創(chuàng)性專利 US5772905A。NIL 技術(shù)于 2003 年被添加到 ITRS 路線圖中，該領(lǐng)域一直是持續(xù)研究和開發(fā)的領(lǐng)域。佳能是全球主要的光刻設(shè)備供應(yīng)商之一，并且他們現(xiàn)在提供 NIL 產(chǎn)品線，東芝是他們的早期客戶之一，建議的應(yīng)用是 NAND 閃存生產(chǎn)。

直接自組裝光刻取決于嵌段共聚物（block-copolymers）在預(yù)圖案化基板上的直接定向。該技術(shù)類似于 SADP 和 SAQP，因?yàn)槭褂幂^粗的間距模板（coarser pitch template）來創(chuàng)建較細(xì)的間距結(jié)構(gòu)（ finer pitch structure）。DSA 技術(shù)于 1990 年代首次提出，并于 2007 年成為 ITRS 路線圖的一部分。DSA 的主要支持者是 IMEC 的一個(gè)研究小組。2021 年，他們展示了使用 DSA 形成 18 納米間距線圖案。據(jù)我們所知，直接自組裝尚未被任何主要半導(dǎo)體代工廠用于大批量生產(chǎn)。在過去的二十年里，這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了大量的研發(fā)和專利活動(dòng)，但還沒有商業(yè)用途。

先進(jìn)光刻的創(chuàng)新專利

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(dǎo)著半導(dǎo)體市場(chǎng)，其中 ArF 193i 是用于圖案化細(xì)間距特征的主要方法?；?EUV 的光刻開始出現(xiàn)在最先進(jìn)的 CMOS 技術(shù)中，例如上一節(jié)中討論的三星 5LPE。

不幸的是，EUV 方法非常昂貴，并且可能存在與 ASML 交付 EUV 硬件相關(guān)的供應(yīng)鏈問題。我們預(yù)計(jì)該行業(yè)將積極尋求替代方案。Cipher 一直與 TechInsights 合作開發(fā)專利分類器，可用于監(jiān)控特定領(lǐng)域的創(chuàng)新步伐，例如 EUV、NIL 和 DSA 光刻。

Cipher 專利分類器使 TechInsights 能夠繪制出 EUV、NIL 和 DSA 先進(jìn)光刻專利的概況。圖 4 顯示了按技術(shù)排名前 5 位的專利組織的表格。

圖 4：Top 5 Companies by NIL, EUV and DSA Patent Holdings

表格顯示：

? 佳能顯然對(duì) NIL 技術(shù)寄予厚望；

? ASML 對(duì) EUV 的投資最多，但也積極參與 NIL 和 DSA 研究；

? 從先進(jìn)光刻研發(fā)的角度來看，臺(tái)積電顯然是領(lǐng)先的代工廠。他們是對(duì) EUV 投資最多，但在 NIL 和 DSA 方面也很活躍；

? 三星排在第五位，也在兩面下注，盡管他們的專利活動(dòng)水平遠(yuǎn)低于臺(tái)積電；

? Karl-Zeiss 排在第四位，他們作為光刻供應(yīng)商的主要關(guān)注點(diǎn)是 EUV 也就不足為奇了；

該表未顯示包括GlobalFoundries、IBM 和 Intel 在內(nèi)的北美主要組織，它們的排名更靠后，分別位于第 16 位、第 17 位和第 32 位。

圖 5 根據(jù) Cipher 專利分類器獲得的結(jié)果，將中國(guó)排名前 10 位實(shí)體的專利格局與世界其他地區(qū)進(jìn)行比較，按組織和光刻技術(shù)類型列出了當(dāng)前活躍專利家族的數(shù)量。

圖 5：Counts of Current Active Patent Families by Organization and Technology for China

圖 6顯示了按年份和先進(jìn)光刻技術(shù)提交的專利族數(shù)量?jī)H供中國(guó)公司使用的空間。專利總數(shù)相當(dāng)少，但有持續(xù)的EUV、DSA 和 NIL 這三個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的專利活動(dòng)呈上升趨勢(shì)。

圖 6：Number of Patent Families Filed by Year and Technology for China

相比之下，圖 7顯示了世界其他地區(qū)（不包括中國(guó)）在先進(jìn)光刻領(lǐng)域按年份和技術(shù)提交的專利族數(shù)量。

圖 7：Number of Patent Families Filed by Year and Technology for Rest of World

當(dāng)然，世界其他地區(qū)的專利數(shù)量要多于中國(guó)。數(shù)據(jù)顯示 EUV 專利活動(dòng)呈持續(xù)上升趨勢(shì)；然而，大約在 2013 年之后，DSA 專利活動(dòng)和 NIL 技術(shù)專利活動(dòng)在大約 2018 年之后有所下降。這也許并不奇怪，因?yàn)?ASML EUV 技術(shù)現(xiàn)已商用，從而減少了尋找替代品的動(dòng)力。

結(jié)論

先進(jìn)的光刻技術(shù)對(duì)于摩爾定律擴(kuò)展的延續(xù)至關(guān)重要。該行業(yè)目前正在押注EUV，輔以先進(jìn)的 193i 技術(shù)，如 SADP 和 SAQP，將繼續(xù)縮小到上面討論的 5 納米技術(shù)以下。不幸的是，EUV 取決于使用極其復(fù)雜和昂貴的設(shè)備，因此該行業(yè)繼續(xù)尋找替代品，例如作為 NIL 或 DSA，這可能會(huì)提供一條替代途徑。

審核編輯 ：李倩