可以說(shuō)在過(guò)去幾十年，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在摩爾定律的推動(dòng)下持續(xù)高速發(fā)展。但隨著晶體管縮放尺寸逐漸逼近物理極限，半導(dǎo)體工藝制程的推進(jìn)也越來(lái)越困難，“摩爾定律”已死的說(shuō)法被越來(lái)越多的人認(rèn)同。

目前臺(tái)積電、三星、英特爾等少數(shù)的尖端制程制造商，也只能依靠著越來(lái)越昂貴的EUV光刻機(jī)在艱難的推動(dòng)半導(dǎo)體制程微縮，但是這依舊面臨著非常多的工藝上的挑戰(zhàn)以及成本難題。

對(duì)此，科技界也希望尋找一些新的技術(shù)路徑來(lái)改變目前的半導(dǎo)體制造困境，比如定向自組裝（DSA）技術(shù)。

DSA技術(shù)再度興起

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，DSA技術(shù)并不是一項(xiàng)新技術(shù)。早在十年前，當(dāng)半導(dǎo)體行業(yè)正在努力發(fā)展EUV光刻技術(shù)時(shí)，DSA技術(shù)幾乎成為了每一家決心跨過(guò)193nm(光源)光刻機(jī)限制的制造商的前沿技術(shù)路線。

這也是2012年SPIE高級(jí)光刻會(huì)議的熱門(mén)話題，應(yīng)用材料公司的一位與會(huì)者稱DSA技術(shù)具有顛覆行業(yè)的潛力。

然而，與半導(dǎo)體行業(yè)的許多新技術(shù)一樣，DSA解決重大行業(yè)挑戰(zhàn)的潛力所帶來(lái)的希望和興奮很快就遇到了越來(lái)越難以克服的挑戰(zhàn)。缺陷控制、可擴(kuò)展性和集成到現(xiàn)有工作流程的復(fù)雜性阻礙了進(jìn)展。

隨后，DSA被大多數(shù)公司擱置，尤其是隨著EUV技術(shù)逐步被應(yīng)用于生產(chǎn)。

但是DSA最初針對(duì)的問(wèn)題，比如在當(dāng)前光刻技術(shù)的限制下改進(jìn)圖案的CD特征值（光刻系統(tǒng)能夠放大的最小精度，CD=k1*λ/NA）過(guò)程中，并沒(méi)有消失。

此外，一些新的缺陷，如最先進(jìn)的EUV節(jié)點(diǎn)中的隨機(jī)缺陷正在出現(xiàn)。Fractilia首席執(zhí)行官Chris Mack表示，隨機(jī)性可以占大批量制造商（HVM）EUV圖案化錯(cuò)誤預(yù)算總額的50%以上。

imec的研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Hyo Seon Suh表示：“對(duì)DSA的普遍批評(píng)是，由于結(jié)構(gòu)的自組裝性質(zhì)，很難控制缺陷。”

“但EUV中的隨機(jī)缺陷也很難控制，這就是為什么許多行業(yè)和我們的核心芯片制造商合作伙伴再次將DSA視為糾正隨機(jī)問(wèn)題的可行選擇。”

英特爾發(fā)言人還表示，該公司目前正在開(kāi)發(fā)幾種利用定向自組裝（DSA）的集成工藝流程。“我們?cè)赟PIE等會(huì)議上公開(kāi)討論的一個(gè)工藝流程是使用DSA進(jìn)行EUV抗蝕劑整流。

DSA可以從根本上改善EUV光刻固有的系統(tǒng)性和隨機(jī)性變化。使用這項(xiàng)技術(shù)，英特爾展示了一種DSA增強(qiáng)的EUV多圖案化方法，最終金屬間距為18nm，電氣性能穩(wěn)健。”

其他人也表示同意。布魯爾科學(xué)公司首席技術(shù)官Rama Puligadda表示：“DSA正在回歸。”“但形式完全不同。它被用來(lái)輔助EUV，主要是用來(lái)校正線條。”

定向自組裝（DSA）通常被描述為共聚物材料自組裝以在半導(dǎo)體襯底上形成納米級(jí)分辨率圖案的過(guò)程。

雖然這是一個(gè)準(zhǔn)確的描述，但它并沒(méi)有提供太多細(xì)節(jié)來(lái)說(shuō)明這一過(guò)程是如何完成的，以及為什么這些共聚物材料會(huì)以這種方式表現(xiàn)。對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行一些簡(jiǎn)化的解釋有助于理解DSA技術(shù)如何有利于CD分辨率并為較低的制程工藝節(jié)點(diǎn)提供修復(fù)。

分離科學(xué)——從沙拉醬到半導(dǎo)體

DSA原理在大自然中隨處可見(jiàn)，比如我們的脂質(zhì)膜到細(xì)胞結(jié)構(gòu)，再到DNA能夠復(fù)制，并且一代代的遺傳下去，就是一種自然組裝技術(shù)。

天然的DSA形狀是納米級(jí)的，有規(guī)律和周期性，還很長(zhǎng)，這就是我們?cè)诰w管排列中所需要的，重要的是，它們能夠提供比傳統(tǒng)晶體管蝕刻更為精細(xì)的細(xì)節(jié)。

以下內(nèi)容可能不太容易理解，所以這里先借用美國(guó)研究人員Karl Skjonnemand關(guān)于自組裝技術(shù)的TED演講視頻來(lái)便于大家理解：

正如油和醋由于其不相容的性質(zhì)會(huì)分離成不同的層一樣，DSA中使用的某些聚合物表現(xiàn)相似，在納米尺度上。DSA通常將苯乙烯（S）單體結(jié)合形成聚苯乙烯（PS），并將甲基丙烯酸甲酯（MMA）單體組合形成聚甲基丙烯酸甲酯或PMMA。

DSA中通常使用的聚合物，如聚苯乙烯和PMMA，被設(shè)計(jì)成類似于油和醋的化學(xué)相分離。與后者不同，后者的分離是均勻的，在DSA中，這些聚合物的分離可以被仔細(xì)控制，從而產(chǎn)生精確的納米級(jí)結(jié)構(gòu)。

△圖1:PS-b-PMMA嵌段共聚物的形態(tài)。資料來(lái)源：Semiconductor Engineering/Gregory Haley

PS通常通過(guò)陰離子聚合來(lái)合成。這包括使用像鈉或鉀這樣的強(qiáng)堿來(lái)形成碳負(fù)離子，碳負(fù)離子在鏈的生長(zhǎng)中起著至關(guān)重要的作用。陰離子聚合提供的精確控制使其成為生產(chǎn)具有特定長(zhǎng)度和分子量的聚合物的理想選擇。

另一方面，PMMA可以通過(guò)自由基聚合或原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）來(lái)合成。盡管與PS合成不同，但這兩種工藝都致力于制造具有特定特性的聚合物。這是重要的，因?yàn)镈SA過(guò)程中得到的結(jié)構(gòu)的形狀由這些聚合物的最終構(gòu)型決定。[3]

當(dāng)使用諸如ATRP的技術(shù)合成時(shí)，PS和PMMA聚合物形成嵌段共聚物（BCP）PS-b-PMMA。PS和PMMA的嵌段在聚合物鏈內(nèi)共價(jià)連接，但由于其化學(xué)差異，它們分離成不同的結(jié)構(gòu)域（見(jiàn)圖1）。

PS也是疏水性嵌段，其中PMMA是親水性的，因此當(dāng)它們形成鏈時(shí)，BCP的PS端連接，PMMA端連接，同時(shí)相互排斥。（圖2）

△圖2：PS-b-PMMA BCP鏈中產(chǎn)生的不同結(jié)構(gòu)域?yàn)榘雽?dǎo)體結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)模板。資料來(lái)源：Semiconductor Engineering/Gregory Haley。

應(yīng)該注意的是，嵌段之間的能量差越大，它們之間的偏析就越明顯，這允許更小的鏈長(zhǎng)度和對(duì)可以形成的CD的更精細(xì)的控制。

然而，與半導(dǎo)體制造業(yè)的大多數(shù)事情一樣，沒(méi)有什么是免費(fèi)的。如果能量差太大，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度的相分離，從而可能導(dǎo)致加工復(fù)雜性或制造過(guò)程中的缺陷。

平衡區(qū)塊之間的能量差、鏈長(zhǎng)度和所需的域大小需要仔細(xì)優(yōu)化和考慮具體應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)這種平衡是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，需要對(duì)聚合物化學(xué)進(jìn)行精確的控制和理解。

定義CD

使用DSA對(duì)硅進(jìn)行圖案化有兩種有效的方法——石墨外延流和化學(xué)外延流。石墨外延流使用傳統(tǒng)光刻法對(duì)尺寸通常為最終CD尺寸的2倍至5倍的襯底進(jìn)行構(gòu)圖。用BCP填充溝槽并退火（>180°C）以誘導(dǎo)相分離。

溝槽的底部必須是中性的，以防止BCP粘附在基底上，同時(shí)一面墻與BCP濕結(jié)合。所得結(jié)構(gòu)的CD由BCP鏈的長(zhǎng)度定義（見(jiàn)圖3）。

△圖3：一個(gè)簡(jiǎn)化的流動(dòng)演示了石墨定向自組裝。資料來(lái)源：Semiconductor Engineering/Gregory Haley

另一方面，化學(xué)外延流依賴于不同的表面能來(lái)排列BCP層。在這個(gè)過(guò)程中，交聯(lián)PS的區(qū)域被施加到襯底上的中性區(qū)域旁邊。BCP中的PS與交聯(lián)的PS形成鍵，但與PMMA不形成鍵，并且中性區(qū)域不形成鍵。PS鍵為BCP流提供了錨，使相移的BCP在垂直維度上對(duì)齊（見(jiàn)圖4）。

△圖4：顯示化學(xué)外延DSA的簡(jiǎn)化流程。資料來(lái)源：Semiconductor Engineering/Gregory Haley

“例如，如果你使用193nm光刻工藝，它就無(wú)法形成這種間距圖案，”imec的研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Hyo Seon Suh說(shuō)。“但我們可以制作一個(gè)更大的間距模式，并用DSA填充。這被稱為‘間距分割’。DSA使制造商可以實(shí)現(xiàn)只有EUV光刻機(jī)才能實(shí)現(xiàn)的尺寸，但無(wú)需購(gòu)買(mǎi)EUV光刻機(jī)。”

DSA的優(yōu)點(diǎn)之一是其根據(jù)PS與PMMA的單體比例形成不同結(jié)構(gòu)的靈活性。當(dāng)每種聚合物的比例約為50%時(shí)，可以獲得如上圖所示的片狀圖案。

一個(gè)塊與另一個(gè)塊的比率顯著較低可以在較大塊的矩陣內(nèi)形成較小塊的球體，而相同塊的比率較高可以形成圓柱形結(jié)構(gòu)。這有助于提高孔的CD，甚至使孔倍增（見(jiàn)圖5）。

“定義結(jié)構(gòu)不需要完美，”Hyo Seon Suh補(bǔ)充道。“我們只需要一些模式，我們可以引導(dǎo)局部聚合物的自組裝，從而形成干凈的模式。”

△圖5：從較大的孔圖案中獲得較小尺寸孔圖案的過(guò)程。來(lái)源：imec

如上所述，這些是兩種一般類型的工藝流程的簡(jiǎn)化示例，盡管每種工藝流程中都有多個(gè)子集，使用不同的化學(xué)品、材料和層；行動(dòng)命令；以及實(shí)現(xiàn)期望結(jié)果的附加步驟。

石墨外延和化學(xué)外延都有其長(zhǎng)處和短處。石墨沉淀利用成熟的工藝形成基底結(jié)構(gòu)，通常需要較少的步驟才能獲得最終的CD。

然而，它要求溝槽的尺寸與鍵合對(duì)的BCP鏈長(zhǎng)度完全匹配，任何線形圖案的不規(guī)則性都可能出現(xiàn)在BCP結(jié)構(gòu)中。

化學(xué)外延需要更少的空間來(lái)實(shí)現(xiàn)類似的CD，并且在設(shè)計(jì)上提供了更多的靈活性，因?yàn)樗恍枰cBCP鏈長(zhǎng)度精確匹配。

但它通常涉及更復(fù)雜和微妙的過(guò)程，包括使用特定的化學(xué)構(gòu)圖材料，這可能會(huì)使控制變得更具挑戰(zhàn)性。化學(xué)外延也可能對(duì)表面能和聚合物-襯底相互作用的變化更敏感，如果不精確處理，可能會(huì)導(dǎo)致缺陷。

DSA的缺點(diǎn)是缺陷

將DSA從實(shí)驗(yàn)室引入晶圓廠仍然主要受到缺陷控制的阻礙。盡管控制在過(guò)去三年中有了顯著改善，但缺陷仍然太高，無(wú)法滿足<1/cm2的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

DSA中常見(jiàn)的缺陷包括線間橋接、線塌陷、氣泡和線位錯(cuò)。位錯(cuò)是一個(gè)特別的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谖g刻或圖案轉(zhuǎn)移過(guò)程中無(wú)法去除（見(jiàn)圖6）。

圖6:使用 DSA 的 EUV 圖案的 13nm/P28 不同缺陷的每平方厘米密度。來(lái)源：imec

DSA中的缺陷問(wèn)題是復(fù)雜的，影響缺陷的因素很多。工藝相關(guān)的問(wèn)題可能包括退火溫度、蝕刻方法、剝離方法和所需的膜厚度，而B(niǎo)CP本身的純度和成分等化學(xué)因素可能會(huì)引發(fā)問(wèn)題。

DSA過(guò)程的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是，它只能制作周期性的、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，例如空間中的線或孔，這使得它對(duì)常規(guī)存儲(chǔ)器芯片更好，但對(duì)邏輯芯片來(lái)說(shuō)更難。“如果一個(gè)器件有一個(gè)我們必須構(gòu)建的結(jié)構(gòu)，它必須是周期性的和簡(jiǎn)單的，”Hyo Seon Suh說(shuō)。“這對(duì)DRAM來(lái)說(shuō)很好，因?yàn)镈RAM的結(jié)構(gòu)是基本的，在高度重復(fù)的模式中是一致的。在邏輯器件的情況下，這是一個(gè)更隨機(jī)的結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要有DSA意識(shí)。”

其他人也表示同意。英特爾發(fā)言人表示：“DSA面臨的最大挑戰(zhàn)一直是缺陷以及如何使布局對(duì)DSA友好。”“幾年來(lái)，英特爾一直與材料和工具供應(yīng)商合作，將DSA缺陷降低到HVM級(jí)別，并與內(nèi)部設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)合作，使布局與DSA兼容。”

DSA檢查和計(jì)量

DSA結(jié)構(gòu)的尺寸計(jì)量也存在重大問(wèn)題。DSA形成的圖案缺乏化學(xué)對(duì)比度，這對(duì)測(cè)量的靈敏度提出了挑戰(zhàn)。這些圖案在轉(zhuǎn)移到基板上（通過(guò)蝕刻）后可以更好地看到，但這嚴(yán)重限制了微調(diào)和校正的選擇，導(dǎo)致成本高昂且耗時(shí)的返工，甚至報(bào)廢整個(gè)批次。

CD-SEM圖像主要用于識(shí)別DSA結(jié)構(gòu)中的圖案缺陷，但CD-SEM速度較慢，并且僅限于芯片上的幾個(gè)樣品位點(diǎn)，考慮到DSA的較高缺陷率，這是一個(gè)問(wèn)題。

此外，很少有數(shù)據(jù)集具有可供分析的比較監(jiān)督模型。然而，imec的研究人員在6月發(fā)表了一篇論文，內(nèi)容是使用SEM圖像分析的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）模型，使用YOLOv8（一種最先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）為六邊形接觸孔DSA圖案的數(shù)據(jù)集獲得完整的標(biāo)簽，該網(wǎng)絡(luò)的精度超過(guò)0.9mAP（平均精度的90%）。

根據(jù)多個(gè)來(lái)源，今天的DSA檢查通常使用散射測(cè)量法進(jìn)行。然而，imec的Dehaerne及其同事指出，DSA分析沒(méi)有傳統(tǒng)的自動(dòng)缺陷檢測(cè)軟件。

“基于機(jī)器學(xué)習(xí)的SEM圖像分析已成為使用監(jiān)督ML模型進(jìn)行缺陷檢測(cè)的一個(gè)越來(lái)越受歡迎的研究課題。”

DSA的新興用途

對(duì)計(jì)量學(xué)的研究只是DSA在半導(dǎo)體制造中突破性新應(yīng)用的最新進(jìn)展之一。韓國(guó)高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究院的科學(xué)家們正在使用<10nm的BCP沿著石墨烯2D薄片的原子邊緣進(jìn)行自組裝，以可靠地對(duì)線邊緣和線寬粗糙度非常低的2D材料進(jìn)行納米圖案化，形成具有開(kāi)關(guān)特性的<10nm石墨烯納米帶陣列。

布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家最近使用DSA在硅襯底上開(kāi)發(fā)了一種超導(dǎo)薄膜量子材料（厚度<100nm）。

他們的工藝可以在現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝中實(shí)現(xiàn)具有成本效益的大批量薄膜制造（HVM），這些工藝在幾乎零能量損失的情況下表現(xiàn)出電轉(zhuǎn)移。

結(jié)論

對(duì)于定向自組裝技術(shù)熱潮的重新出現(xiàn)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻。DSA為193nm光刻和EUV光刻的較低節(jié)點(diǎn)的圖案校正提供了一種可行的制造工藝，因?yàn)槿毕萋收诮档?，新的?jì)量選項(xiàng)上線。最吸引人的是，它可以在不必購(gòu)買(mǎi)EUV光刻機(jī)的情況下擴(kuò)展193nm光刻。

在十年前有了一個(gè)充滿希望的開(kāi)端，隨后在實(shí)驗(yàn)室里經(jīng)歷了多年的煎熬之后，DSA領(lǐng)域突然發(fā)展得更快。

盡管DSA尚未用于生產(chǎn)，但對(duì)新工藝流程和更高質(zhì)量聚合物的研究可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重復(fù)結(jié)構(gòu)中特征尺寸和圖案的更精細(xì)控制。