光刻技術(shù)是使微電子和納米電子器件在過去半個世紀(jì)中不斷微縮的基礎(chǔ)技術(shù)之一。該過程使用光將圖案從光掩模轉(zhuǎn)移到基板上，然后進(jìn)行一系列化學(xué)處理，將曝光的圖案蝕刻到基板上，或以所需的圖案沉積新材料。

　　隨著進(jìn)一步的微縮，這種傳統(tǒng)的自上而下的圖案轉(zhuǎn)印過程變得越來越復(fù)雜和昂貴。器件的進(jìn)一步小型化要求對關(guān)鍵尺寸低于20nm的特征進(jìn)行patterning。除了縮放分辨率外，精確的圖案放置也變得非常具有挑戰(zhàn)性。隨著高縱橫比和復(fù)雜形狀的3D結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，有效占用空間的減少也隨之而來。

　　大約五年前，該行業(yè)開始對諸如區(qū)域選擇性沉積（area-selective deposition：ASD）和定向自組裝（directed self-assembly：DSA）之類的其他圖案化方法感興趣。這些自下而上的技術(shù)有其自身的優(yōu)點和挑戰(zhàn)，但是它們有一個共同點：它們可以提供新穎的解決方案，因此具有巨大的潛力來補充傳統(tǒng)圖案，以用于未來納米電子器件的工業(yè)制造。

　　DSA：縮小密集的規(guī)則圖案

　　從歷史上看，通過在光刻系統(tǒng)中應(yīng)用較短波長的光源，可以對越來越小的和更密集的特征進(jìn)行圖案化。過去這些年，波長已從436nm，405nm，365nm，248nm和193nm減小到最終的13.5nm，也就是我們熟知的極紫外（EUV）光刻。對于給定的波長，已經(jīng)引入了多種圖案技術(shù)的變化，以進(jìn)一步推動分辨率極限。如今，工業(yè)界正在使用例如光刻，平版印刷工藝（涉及兩個曝光步驟）或自對準(zhǔn)雙（甚至四）圖案化。后一種技術(shù)依賴于一個光刻步驟（以創(chuàng)建預(yù)圖案）以及附加的沉積和蝕刻步驟（以實現(xiàn)原始預(yù)圖案的復(fù)制）。已知這些多圖案化過程非常復(fù)雜且昂貴。

　　幾年前，DSA已被提出作為一種有前途的互補圖案選擇。DSA基于稱為BCP（block-copolymers ）一類分子的自組裝特性。在適當(dāng)?shù)那闆r下，這些材料在涂覆到晶圓上時會發(fā)生微相分離（microphase separatio）。這就可以獲取具有5-30nm特征的規(guī)則納米尺寸圖案?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)聚合物的組成及其尺寸來設(shè)計圖案。通過使用線/間隔或孔的預(yù)圖案，可以進(jìn)一步指導(dǎo)（指導(dǎo)）該裝配體，這是半導(dǎo)體行業(yè)感興趣的兩種結(jié)構(gòu)。這樣，最終圖案化的pitch將比template的小得多。由此可見，DSA是一種非常規(guī)的自底向上技術(shù)，可以增強圖案的密度和分辨率。

　　主要優(yōu)點和挑戰(zhàn)：

　　IMEC已經(jīng)確定了其多項優(yōu)點，以評估DSA流程與大批量生產(chǎn)的相關(guān)性。Imec認(rèn)為與傳統(tǒng)的多圖案技術(shù)相比，成本（COO）是DSA的主要優(yōu)勢。較低的COO可以主要歸因于減少的工藝步驟，并結(jié)合使用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)來創(chuàng)建更寬松的預(yù)圖案。英特爾在2019年IEDM會議上提出的第二個優(yōu)勢是輕松控制邊緣放置錯誤的能力，這是傳統(tǒng)圖案化方法遇到的主要挑戰(zhàn)之一。使用DSA，可以以非常均勻的方式在整個圖案化區(qū)域上獲得緊密的pitch。

　　但是，DSA雖然比傳統(tǒng)的（EUV）光刻簡單，但DSA的設(shè)計靈活性卻較低。DSA可以輕松打印常規(guī)圖案，但是很難打印非常規(guī)圖案（例如，pitch可變的圖案）。因此，將來的設(shè)計在采用DSA作為構(gòu)圖技術(shù)時將不得不接受這一限制?！傲私釪SA設(shè)計”將是今后幾年要解決的重要挑戰(zhàn)。

　　缺陷率：不再是最賣座的產(chǎn)品：

　　最初，半導(dǎo)體行業(yè)對DSA并不那么樂觀，因為控制缺陷率變得非常困難。為了與工業(yè)制造相關(guān)，總?cè)毕菝芏葢?yīng)在1cm -2以下，這在當(dāng)時很難實現(xiàn)。在自組裝過程中形成的位錯和橋接是造成總?cè)毕莸闹饕颉?/p>

　　但是，今天，imec很有信心充分控制缺陷率。近年來，imec深入研究了annihilation ，并獲得了有關(guān)如何控制位錯和橋接的基本見識。最終，該團隊能夠?qū)⑼嘶饡r間從最初的2.5小時減少到只有10分鐘，從而獲得具有穩(wěn)定且足夠低的缺陷數(shù)的有序狀態(tài)。如果我們使用傳統(tǒng)的電子顯微鏡，則需要一年多的時間才能發(fā)現(xiàn)缺陷。有了這些見解，imec現(xiàn)在可以為行業(yè)提供一本手冊，其中包含一些主要 knobs ，借助這些 knobs 可以控制DSA流程的缺陷（圖1）。

　　圖1. 2017年至2019年的DSA缺陷監(jiān)視結(jié)果。

　　通過提高吞吐量可以實現(xiàn)更低，更穩(wěn)定的缺陷率。

　　邁向第二代BCP：

　　這種穩(wěn)定且低缺陷的DSA工藝是通過使用3倍圖案密度乘法實現(xiàn)的?？梢允褂肂CP的DSA在84nm間距的預(yù)圖案上成功地圖案化28nm的最終圖案間距，該預(yù)圖案是通過193nm浸沒光刻技術(shù)獲得的。通過使用PS-b-PMMA （polystyrene-block-poly methyl methacrylate） 作為BCP，可以實現(xiàn)3x圖案致密化。

　　隨著imec朝20nm以下的間距發(fā)展，BCP鏈的長度也應(yīng)減少，以實現(xiàn)更小的間距。然而，小于間距21nm的PS- b - PMMA聚合物將不再形成透明結(jié)構(gòu)，從而使BCP處于混合無序狀態(tài)。為了解決這個問題，imec現(xiàn)在正在與材料供應(yīng)商和大學(xué)密切合作，轉(zhuǎn)向第二代BCP，即高X BCP。迄今為止，使用PS- b -PMMA獲得的知識已轉(zhuǎn)移到新一代BCP中，從而導(dǎo)致了良好的自組裝過程（圖2）。

　　圖2.高χDSA生成的16nm全pitch L / S模式。

　?。▓D片來源：Jan Doise /明尼蘇達(dá)大學(xué)/德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校）。

　　目前，尚在調(diào)查一些剩余的問題。首先，在這種微小的情況下，將圖案轉(zhuǎn)移到底層材料中比想象中更具挑戰(zhàn)性。其次，需要開發(fā)新的計量技術(shù)，以能夠評估現(xiàn)在尺寸非常小的自組裝結(jié)構(gòu)的缺陷性。

　　大約10年前，imec開始探索使用DSA作為替代圖案方法的想法。當(dāng)時，DSA主要是一個學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域?；诮陙砣〉玫倪M(jìn)展，DSA現(xiàn)在在工業(yè)領(lǐng)域引起 了巨大興趣。這種發(fā)展伴隨著大學(xué)，材料和設(shè)備供應(yīng)商以及計量學(xué)家的巨大承諾，即認(rèn)真控制和檢查材料和過程。這個生態(tài)系統(tǒng)是成功的關(guān)鍵，對于下一代DSA流程的開發(fā)也是如此。

　　ASD：僅在需要時存放材料

　　對于區(qū)域選擇性沉積，將根據(jù)預(yù)定義的圖案沉積材料，而不會在其余表面上發(fā)生沉積。該選擇性沉積可以通過依賴于選擇性表面反應(yīng)的沉積技術(shù)來實現(xiàn)，例如原子層沉積（ALD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）。

　　幾年前，這種自下而上的技術(shù)也引起了半導(dǎo)體行業(yè)的興趣，因為它是對傳統(tǒng)的自上而下的pattering進(jìn)行補充的方法。就像DSA一樣，ASD也有自己的優(yōu)點。與傳統(tǒng)光刻相比，它可以實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，例如在復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)中構(gòu)圖特征。ASD的另一個巨大機會是，它原則上只能在需要的地方放置結(jié)構(gòu)，并且在水平和垂直方向上都具有原子精度。這樣，對于某些應(yīng)用，它可能會成為一種更具可持續(xù)性和成本效益的方法，與自上而下的圖案相比，所需的化學(xué)產(chǎn)品和能源更少。

　　到目前為止，ASD的工業(yè)用途僅限于半導(dǎo)體的選擇性外延生長和互連結(jié)構(gòu)中納米級金屬薄層的生長，這主要是因為僅對有限數(shù)量的工藝和材料進(jìn)行了研究。為了擴大該技術(shù)的適用性，必須對表面化學(xué)，ALD和CVD工藝的表面依賴性以及前體在這些工藝中的作用有基本的了解。

　　另外，必須具有控制或減輕非生長區(qū)域缺陷的能力。自2016年以來，每年在ASD研討會上都會討論該領(lǐng)域的全球進(jìn)展。在本次研討會上越來越多的科學(xué)貢獻(xiàn)反映出學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對這一引人入勝的研究領(lǐng)域的興趣日益濃厚。

　　對表面化學(xué)和改性的深入了解：Imec成功地探索了幾種材料系統(tǒng)，這些系統(tǒng)有望選擇性沉積諸如TiN或Ru之類的材料，這些材料與芯片制造高度相關(guān)。據(jù)證實，例如，OH–等的SiO2 終止電介質(zhì)可以用作用于生長的Ru的生長表面起作用。

　　圖3. 7.5nm厚的TiN，用ALD選擇性沉積在Si3N4（空間）上。

　　aC（線）充當(dāng)非增長區(qū)域。

　　廣泛的潛在應(yīng)用：

　　對ASD期間的表面化學(xué)和生長機理的更深入了解將指導(dǎo)新穎的ASD工藝的設(shè)計，從而實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。潛在的應(yīng)用包括例如創(chuàng)建完全自對準(zhǔn)的通孔。通孔是金屬結(jié)構(gòu)，可將芯片后端的不同金屬層電互連。傳統(tǒng)上，通孔的形成始于對通孔開口進(jìn)行圖案化并將其蝕刻到下層中。然后在通孔中填充金屬（例如釕（Ru））并進(jìn)行過度填充，這意味著金屬沉積持續(xù)到在底層上形成完整的金屬層為止。蝕刻步驟和化學(xué)機械拋光步驟完成了通孔的形成（圖4）。通過這種方式，如果通孔過大或未對準(zhǔn)，則存在短路或可靠性問題的風(fēng)險。相反，利用電介質(zhì)上的電介質(zhì)ASD，由于創(chuàng)建了形貌，因此可以放寬通孔的對準(zhǔn)和過大規(guī)格。

　　圖4. 8nm厚的電介質(zhì)，通過ALD有選擇地沉積在低k上。

　　被甲基封端的有機膜功能化的銅線充當(dāng)非生長區(qū)域。

　　其他潛在的應(yīng)用是色調(diào)反轉(zhuǎn)（tone inversion）過程，通?？梢垣@得逆的材料圖案。這樣，它們可用于將孔變成柱子，或?qū)⒖臻g變成線。ASD是用于此類應(yīng)用程序的有前途的技術(shù)。使用預(yù)構(gòu)圖的犧牲層作為模板，通過使用區(qū)域選擇性沉積，通過自下而上的填充獲得反面的材料圖案。當(dāng)難以對材料進(jìn)行傳統(tǒng)的光刻構(gòu)圖時，例如對于TiN或Ru之類的硬掩模材料，使用ASD進(jìn)行色調(diào)反轉(zhuǎn)可以提供解決方案。此外，由于不需要過量填充和CMP步驟，因此該解決方案比傳統(tǒng)方法需要更少的處理步驟。用于音調(diào)反轉(zhuǎn)的ASD也可以擴展到較小的特征尺寸。

　　對于極端狹窄的溝槽或孔（例如，互連過孔），甚至高縱橫比的結(jié)構(gòu)（例如，Supervia），或垂直放置在復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)（例如，垂直孔）中，ASD也是一種候選方法。互補場效應(yīng)晶體管（或CFET）。潛在的應(yīng)用不限于此處列出的那些。

　　一種破壞性方法，無抗蝕劑光刻：

　　更具有破壞性的是，imec正在探索ASD作為替代無抗蝕劑光刻方法的潛力，以支持高NA（0.55數(shù)值孔徑（NA））EUV光刻工藝。高NA光刻有望成為下一代EUV光刻工藝，有望推動半導(dǎo)體規(guī)模向3nm以下技術(shù)節(jié)點發(fā)展。具有高數(shù)值孔徑光學(xué)器件的EUV光刻通常需要非常薄的光刻膠層，很難均勻地實現(xiàn)。而且，當(dāng)前的光致抗蝕劑材料具有非常復(fù)雜的化學(xué)組成。當(dāng)暴露在EUV光下時，暴露區(qū)域和未暴露區(qū)域之間的側(cè)壁可能會顯示出較高的粗糙度，從而導(dǎo)致有效特征尺寸發(fā)生波動。

　　在尋找用于高NA EUV光刻的最佳光刻膠材料的同時，imec正在研究在不使用光刻膠材料的情況下創(chuàng)建光刻圖案化掩模的可行性（圖5）。

　　圖5.無抗蝕劑的EUV光刻（右）與常規(guī)EUV光刻（左）的概念。

　　就像傳統(tǒng)的EUV光刻一樣，無抗蝕劑光刻也使用EUV光子發(fā)射。但是在這種情況下，僅頂表面需要暴露在光源下，從而可以減少暴露所需的EUV劑量。

　　如今，支持ASD的EUV光刻的主要目標(biāo)是與相關(guān)材料的區(qū)域選擇性沉積相結(jié)合，以建立對表面改性機制的基本理解。此外，這項工作的基本部分是研究EUV光與改性和未改性材料表面的相互作用。這項研究在很大程度上受到建模工作以及Attolab中即將可用的工具的支持。Attolab是imec和KMLabs的一項聯(lián)合計劃，最近成立的目的是使研究EUV光子吸收及其后續(xù)過程的時間跨度達(dá)到前所未有的范圍。

　　總結(jié)

　　DSA和ASD都被認(rèn)為是有前途的自下而上的構(gòu)圖方法，可以補充傳統(tǒng)的自上而下的構(gòu)圖方案。當(dāng)圖案化密集的規(guī)則結(jié)構(gòu)時，DSA是一項冠軍技術(shù)。與傳統(tǒng)的圖案化相比，該技術(shù)有望降低擁有成本，并降低邊緣放置誤差。Imec控制缺陷的能力是邁向工業(yè)應(yīng)用的重要一步。另一方面，ASD是一種新穎的方法，它允許以很高的精度僅在需要的地方放置結(jié)構(gòu)。只要能夠充分理解表面化學(xué)，表面鈍化和沉積機理，并控制缺陷率，該技術(shù)就有望在芯片制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用-從色調(diào)反轉(zhuǎn)到無抗蝕劑光刻。