光刻是半導體(tǐ)行業的核心技術。自仙童半導體(tǐ)公司的羅伯特諾伊斯在1960年發明單片集成電路(lù)以來(lái)，光刻技術一(yī)直是主要的光刻技術。
本質上(shàng)，陰影掩模（s*ow mask）用來(lái)協助一(yī)種稱為(wèi)光刻膠的光敏材料進行圖案化(huà)，從而能(néng)夠進行圖案化(huà)沉積和蝕刻工藝。而光刻工藝的*終解決方案是由所用光源的波長決定的。
在開發更短波長的光刻源方面取得了(le)進步。這(zhè)使得以摩爾定律為(wèi)特征的電路(lù)密度不斷增加。曆史上(shàng)使用汞放(fàng)電燈，例如(rú) 365 nm i-Line，但(dàn)*近使用 248 nm 的 KrF 或 193 nm 的 ArF 準分(fēn)子(zǐ)激光器(qì)成為(wèi)*光源。當使用液體(tǐ)浸沒技術時(shí)，ArF 激光器(qì)獲得的*終分(fēn)辨率約為(wèi) 50 nm，其中透鏡和半導體(tǐ)晶片浸入水中，水中的折射率高于空氣。
過去二十年見證了(le)193 nm以下(xià)波長光刻技術的發展。在使用 F2 準分(fēn)子(zǐ)激光器(qì)開發基于 157 納米的光刻技術方面付出了(le)一(yī)些(xiē)努力，但(dàn)主要關(guān)注點是使用 13.5 納米軟 X 射線作(zuò)為(wèi)光源的極紫外 (EUV) 光刻技術。
荷蘭公司 ASML 在 EUV 技術的開發中發揮了(le)主導作(zuò)用，他們的工具集現(xiàn)在被包括英特爾、三星和台積電在内的主要* CMOS 代工廠用于生(shēng)産。
光刻方法的實踐
應用許多光刻方法來(lái)産生(shēng)單芯片設計。TechInsights *近對三星 5LPE 工藝進行了(le)詳細分(fēn)析。圖 1 顯示了(le)器(qì)件 CPU 邏輯區域中栅極和鳍片布局的平面圖 TEM 圖像。
圖 1：Samsung 5LPE Gate and Fin Layout
自對準四重圖案化(huà) (SAQP) 幾乎可以肯定用于對鳍進行圖案化(huà)。圖像注釋中顯示了(le) fin mandrels的大緻位置，該位置将使用 ArF 193 nm 浸入式 (ArF 193i) 光刻進行圖案化(huà)。然後将通過在mandrel上(shàng)創建 sidewall spacers來(lái)形成*終的 fin pattern。mandrel将具有 108 nm 的間(jiān)距（pitch）。然後移除mandrel，然後使用*個(gè)側壁間(jiān)隔物（ sidewall spacer）圖案來(lái)創建第二組側壁間(jiān)隔物，*終的鳍間(jiān)距為(wèi) 27 nm。
兩組側壁間(jiān)隔物的大緻位置和尺寸如(rú)圖 2所示，這(zhè)是一(yī)張橫截面 TEM 圖像，顯示邏輯區域中三星 5LPE 工藝的 27 nm 間(jiān)距鳍結構.
圖 2：Samsung 5LPE Fin Cross Section
然後将使用有源鳍（active fin）切割掩模去除不需要的鳍并用淺溝槽隔離 (STI：shallow trench isolation) 替換它們。圖 1中所示的金(jīn)屬栅極很可能(néng)是使用自對準雙圖案化(huà) (SADP) 技術形成的，其中mandrel上(shàng)的側壁間(jiān)隔物直接用于圖案化(huà)多晶矽栅極，後來(lái)被金(jīn)屬栅極取代。
目前正在生(shēng)産的*半導體(tǐ)器(qì)件的尺寸明顯小于使用 ArF 浸沒式光刻技術可獲得的約 50 nm *小半間(jiān)距。這(zhè)需要開發越來(lái)越複雜的工藝技術方案。例如(rú)，根據*近的 TechInsights 分(fēn)析結果，三星 5 納米 LPE 工藝使用了(le)多種*的光刻方法，包括 EUV，如(rú)表 1 所示。
表 1
SAQP光刻技術可以産生(shēng)非常精細的間(jiān)距特征；但(dàn)是，它僅限于創建沿單個(gè)方向定向的單軸結構（ uniaxial structures）。線路(lù)末端需要特殊切割（ Special cut）的掩模，以防止相鄰線路(lù)之間(jiān)短路(lù)。EUV 光刻沒有這(zhè)些(xiē)限制，但(dàn)成本較高。
圖 3 顯示了(le)三星 5LPE 設備的 CPU 邏輯區域中metal 0 布局的平面圖 TEM 顯微照片。觀察到的*小金(jīn)屬間(jiān)距約為(wèi) 44 nm。此外，布局包括在兩個(gè)正交方向上(shàng)定向的線。這(zhè)在使用 SADP 或 SAQP ArF 193i 光刻方法時(shí)通常是不可能(néng)的。
圖 3：Samsung 5LP Metal 0 Layout
納米壓印光刻和直接自組裝光刻
EUV 設備和工藝非常複雜和昂貴，因此業界一(yī)直在研究替代品。三個(gè)主要競争者是：
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(zǐ)束光刻 (EBL：Electron Beam Lithography)
其中，EBL 提供非常高的空間(jiān)分(fēn)辨率（優于 10 nm），但(dàn)配置和執行速度較慢(màn)，本文将不作(zuò)進一(yī)步考慮。EBL 确實有商(shāng)業應用，但(dàn)不是在大批量*節點制造中。
納米壓印光刻技術*早由明尼蘇達大學的Stephen Chu 提出。該技術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 年發表在《科學》雜志上(shàng)的一(yī)篇論文中報(bào)告了(le) 25 nm 分(fēn)辨率的圖案化(huà)。他們于 1995 年發布了(le)開創性* US577290*。NIL 技術于 2003 年被添加到 ITRS 路(lù)線圖中，該領域一(yī)直是持續研究和開發的領域。佳能(néng)是全球主要的光刻設備供應商(shāng)之一(yī)，并且他們現(xiàn)在提供 NIL 産品線，東芝是他們的早期客戶之一(yī)，建議(yì)的應用是 NAND 閃存生(shēng)産。
直接自組裝光刻取決于嵌段共聚物（block-copolymers）在預圖案化(huà)基闆上(shàng)的直接定向。該技術類似于 SADP 和 SAQP，因為(wèi)使用較粗的間(jiān)距模闆（coarser pitch template）來(lái)創建較細的間(jiān)距結構（ finer pitch structure）。DSA 技術于 1990 年代*提出，并于 2007 年成為(wèi) ITRS 路(lù)線圖的一(yī)部分(fēn)。DSA 的主要支持者是 IMEC 的一(yī)個(gè)研究小組。2021 年，他們展示了(le)使用 DSA 形成 18 納米間(jiān)距線圖案。據我們所知，直接自組裝尚未被任何主要半導體(tǐ)代工廠用于大批量生(shēng)産。在過去的二十年裏，這(zhè)項技術進行了(le)大量的研發和*活動，但(dàn)還沒有商(shāng)業用途。
*光刻的創新(xīn)*
TechInsights與 Cipher 合作(zuò)，一(yī)直在探索*光刻市(shì)場(chǎng)的創新(xīn)。目前，基于光學光刻的技術主導着半導體(tǐ)市(shì)場(chǎng)，其中 ArF 193i 是用于圖案化(huà)細間(jiān)距特征的主要方法。基于 EUV 的光刻開始出現(xiàn)在**的 CMOS 技術中，例如(rú)上(shàng)一(yī)節中討(tǎo)論的三星 5LPE。
不幸的是，EUV 方法非常昂貴，并且可能(néng)存在與 ASML 交付 EUV 硬件相關(guān)的供應鏈問題。我們預計該行業将積極尋求替代方案。Cipher 一(yī)直與 TechInsights 合作(zuò)開發*分(fēn)類器(qì)，可用于監控特定領域的創新(xīn)步伐，例如(rú) EUV、NIL 和 DSA 光刻。
Cipher *分(fēn)類器(qì)使 TechInsights 能(néng)夠繪制出 EUV、NIL 和 DSA *光刻*的概況。圖 4 顯示了(le)按技術排名前 5 位的*組織的表格。
圖 4：Top 5 Companies by NIL, EUV and DSA Patent Holdings
表格顯示：
• 佳能(néng)顯然對 NIL 技術寄予厚望；
• ASML 對 EUV 的投資*多，但(dàn)也(yě)積極參與 NIL 和 DSA 研究；
• 從*光刻研發的角度來(lái)看，台積電顯然是*的代工廠。他們是對 EUV 投資*多，但(dàn)在 NIL 和 DSA 方面也(yě)很活躍；
• 三星排在第五位，也(yě)在兩面下(xià)注，盡管他們的*活動水平遠(yuǎn)低(dī)于台積電；
• Karl-Zeiss 排在第四位，他們作(zuò)為(wèi)光刻供應商(shāng)的主要關(guān)注點是 EUV 也(yě)就(jiù)不足為(wèi)奇了(le)；
該表未顯示包括GlobalFoundries、IBM 和 Intel 在内的北美主要組織，它們的排名更靠後，分(fēn)别位于第 16 位、第 17 位和第 32 位。
圖 5 根據 Cipher *分(fēn)類器(qì)獲得的結果，将中國排名前 10 位實體(tǐ)的*格局與世界其他地區進行比較，按組織和光刻技術類型列出了(le)當前活躍*家族的數量。
圖 5：Counts of Current Active Patent Families by Organization and Technology for China
圖 6顯示了(le)按年份和*光刻技術提交的*族數量僅供中國公司使用的空間(jiān)。*總數相當少，但(dàn)有持續的EUV、DSA 和 NIL 這(zhè)三個(gè)技術領域的*活動呈上(shàng)升趨勢。
圖 6：Number of Patent Families Filed by Year and Technology for China
相比之下(xià)，圖 7顯示了(le)世界其他地區（不包括中國）在*光刻領域按年份和技術提交的*族數量。
圖 7：Number of Patent Families Filed by Year and Technology for Rest of World
當然，世界其他地區的*數量要多于中國。數據顯示 EUV *活動呈持續上(shàng)升趨勢；然而，大約在 2013 年之後，DSA *活動和 NIL 技術*活動在大約 2018 年之後有所下(xià)降。這(zhè)也(yě)許并不奇怪，因為(wèi) ASML EUV 技術現(xiàn)已商(shāng)用，從而減少了(le)尋找替代品的動力。
結論
*的光刻技術對于摩爾定律擴展的延續*關(guān)重要。該行業目前正在押注EUV，輔以*的 193i 技術，如(rú) SADP 和 SAQP，将繼續縮小到上(shàng)面討(tǎo)論的 5 納米技術以下(xià)。不幸的是，EUV 取決于使用極其複雜和昂貴的設備，因此該行業繼續尋找替代品，例如(rú)作(zuò)為(wèi) NIL 或 DSA，這(zhè)可能(néng)會提供一(yī)條替代途徑。
審核編輯 ：李倩
