光刻是半導體行業的核心技術。自仙童半導體公司的羅伯特諾伊斯在1960年發明單片集成電路以來，光(guang)(guang)刻技(ji)術一直(zhi)是主要的光(guang)(guang)刻技(ji)術。
本(ben)質上，陰影掩模（s*ow mask）用(yong)來協助(zhu)一(yi)種稱(cheng)為光(guang)(guang)刻膠的(de)光(guang)(guang)敏材料(liao)進(jin)(jin)行圖案(an)化，從而能(neng)夠進(jin)(jin)行圖案(an)化沉積和蝕刻工(gong)藝。而光(guang)(guang)刻工(gong)藝的(de)*終(zhong)解決方案(an)是(shi)由(you)所用(yong)光(guang)(guang)源的(de)波長決定的(de)。
在開發更短波長的光刻源方面取得了進步。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*近使用 248 nm 的 KrF 或 193 nm 的(de) ArF 準分子激光器成為*光源(yuan)。當使用液體浸(jin)沒技術(shu)時，ArF 激光器獲得的(de)*終分辨(bian)率約為 50 nm，其中透鏡(jing)和半導(dao)體晶片浸(jin)入水(shui)(shui)中，水(shui)(shui)中的(de)折射率高于空氣。
過去二十年(nian)見證了193 nm以下波(bo)長光(guang)刻技術的發展。在使用 F2 準分子激光(guang)器開發基于 157 納米的光(guang)刻技術方面付出了一(yi)些努力，但主要關(guan)注點(dian)是使用 13.5 納米軟(ruan) X 射(she)線(xian)作為光(guang)源的極紫外 (EUV) 光(guang)刻技術。
荷蘭公司 ASML 在 EUV 技術的開發中發揮了主導作用，他們的工具集現在被包括英特爾、三星和(he)臺積電(dian)在(zai)內的主要* CMOS 代(dai)工廠用于生產(chan)。
光刻方法的實踐
應用許多光刻方法來產生單芯片設計。TechInsights *近對三星 5LPE 工藝進行了詳細分析。圖 1 顯示了器件 CPU 邏輯(ji)區域中柵極和鰭(qi)片布局的平面圖(tu) TEM 圖(tu)像。
圖 1：Samsung 5LPE Gate and Fin Layout
自對準四重圖案化 (SAQP) 幾乎可以肯定用于對鰭進行圖案化。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) 光刻進行圖案化。然后將通過在mandrel上創建 sidewall spacers來形成*終的 fin pattern。mandrel將具有 108 nm 的間距（pitch）。然后移除mandrel，然后使用*個(ge)側壁間隔(ge)物（ sidewall spacer）圖案來創建第(di)二組側壁間隔(ge)物，*終的鰭間距為 27 nm。
兩組側(ce)壁間隔物(wu)的大(da)致位置和尺寸(cun)如圖 2所示(shi)，這是一張橫截面 TEM 圖像(xiang)，顯示(shi)邏輯區域(yu)中三星(xing) 5LPE 工藝的 27 nm 間距鰭結構(gou).
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準雙圖案化 (SADP) 技術形成的(de)，其(qi)中mandrel上(shang)的(de)側壁間隔物直接用(yong)于圖案化多(duo)晶(jing)硅柵極，后來被(bei)金屬柵極取代。
目前(qian)正在生產的*半(ban)導體器件的尺寸明顯(xian)小于(yu)使用 ArF 浸沒式光(guang)刻技術可獲得的約 50 nm *小半(ban)間距(ju)。這需要開發(fa)越來越復(fu)雜的工(gong)(gong)藝(yi)技術方(fang)案。例如，根據*近的 TechInsights 分(fen)析結果，三(san)星 5 納米 LPE 工(gong)(gong)藝(yi)使用了多種*的光(guang)刻方(fang)法，包括 EUV，如表(biao) 1 所示(shi)。
表 1
SAQP光(guang)刻技術(shu)可以(yi)產生(sheng)非(fei)常精細的間(jian)距特征(zheng)；但是(shi)，它僅限于創建沿(yan)單(dan)個方向(xiang)定向(xiang)的單(dan)軸(zhou)結(jie)構（ uniaxial structures）。線(xian)(xian)路(lu)末端(duan)需(xu)要特殊切割（ Special cut）的掩模，以(yi)防止相鄰(lin)線(xian)(xian)路(lu)之間(jian)短(duan)路(lu)。EUV 光(guang)刻沒有這(zhe)些限制，但成本較高。
圖(tu) 3 顯示了三星 5LPE 設(she)備的(de) CPU 邏輯(ji)區(qu)域中metal 0 布(bu)局(ju)的(de)平面圖(tu) TEM 顯微照片。觀(guan)察到的(de)*小金(jin)屬間距約(yue)為 44 nm。此(ci)外，布(bu)局(ju)包括(kuo)在(zai)兩個正交方向(xiang)上(shang)定向(xiang)的(de)線。這在(zai)使(shi)用 SADP 或 SAQP ArF 193i 光刻方法時通常是不可能的(de)。
圖 3：Samsung 5LP Metal 0 Layout
納米壓印光刻和直接自(zi)組裝光刻
EUV 設備(bei)和工藝(yi)非常復雜(za)和昂貴，因此業(ye)界(jie)一直在研究替(ti)代(dai)品。三個主要(yao)競爭(zheng)者是：
1. 納米壓印光刻 (NIL：Nano-Imprint Lithography)
2. 直接自組裝(zhuang) (DSA：Direct Self-Assembly) 光刻
3. 電子束(shu)光(guang)刻 (EBL：Electron Beam Lithography)
其(qi)中，EBL 提(ti)供非常高的空間分辨率（優(you)于 10 nm），但配置和(he)執行速度較慢，本文將不作進一步考慮。EBL 確實有商業應用(yong)，但不是(shi)在大批量*節(jie)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》雜志上的一篇論文中報告了 25 nm 分辨率的圖案化。他們于 1995 年發布了開創性* US577290*。NIL 技術于 2003 年被添加到 ITRS 路線圖中，該領域一直是持續研究和開發的領域。佳能是全球主要的光刻設備供應商之一，并且他們現在提供 NIL 產品線，東芝是他們的早期(qi)客戶之(zhi)一，建議的應用是 NAND 閃存生產(chan)。
直接(jie)(jie)自組(zu)裝光刻取決于嵌段共聚(ju)物（block-copolymers）在(zai)(zai)預圖(tu)(tu)案化基板上的直接(jie)(jie)定向(xiang)。該技(ji)術(shu)類似(si)于 SADP 和 SAQP，因為(wei)使用(yong)較(jiao)粗的間(jian)距(ju)模(mo)板（coarser pitch template）來創建較(jiao)細的間(jian)距(ju)結構（ finer pitch structure）。DSA 技(ji)術(shu)于 1990 年(nian)代*提出，并于 2007 年(nian)成為(wei) ITRS 路線(xian)(xian)圖(tu)(tu)的一(yi)部分。DSA 的主要支持者是 IMEC 的一(yi)個(ge)研(yan)究小組(zu)。2021 年(nian)，他們展示了(le)使用(yong) DSA 形成 18 納米間(jian)距(ju)線(xian)(xian)圖(tu)(tu)案。據我們所知，直接(jie)(jie)自組(zu)裝尚未被任何主要半導體代工廠用(yong)于大批量生產(chan)。在(zai)(zai)過去的二十年(nian)里，這項技(ji)術(shu)進行了(le)大量的研(yan)發和*活動，但還沒(mei)有商業用(yong)途(tu)。
*光刻的創新*
TechInsights與 Cipher 合作，一直在探索*光刻市場的創新。目前，基于光學(xue)光刻的技術主導(dao)著半導(dao)體市場，其中(zhong) ArF 193i 是用(yong)于圖案化細間距特征的主要方(fang)法。基于 EUV 的光刻開始出現在**的 CMOS 技術中(zhong)，例如上(shang)一(yi)節中(zhong)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(ying)件(jian)相關的(de)供(gong)應鏈問題(ti)。我們預計該行(xing)業(ye)將(jiang)積極尋求替代方案。Cipher 一直與(yu) TechInsights 合作開發*分類器(qi)，可(ke)用(yong)于監控特定領域的(de)創新步伐，例(li)如 EUV、NIL 和(he) DSA 光刻。
Cipher *分(fen)類器使 TechInsights 能夠繪制(zhi)出 EUV、NIL 和 DSA *光刻(ke)*的(de)概況。圖 4 顯示了按技術排名前 5 位的(de)*組織的(de)表格(ge)。
圖 4：Top 5 Companies by NIL, EUV and DSA Patent Holdings
表格顯示：
? 佳能顯然(ran)對(dui) NIL 技術寄予厚望；
? ASML 對(dui) EUV 的投資*多(duo)，但也積極參與(yu) NIL 和 DSA 研(yan)究(jiu)；
? 從*光刻研發的(de)角度來看，臺積電顯然是*的(de)代工(gong)廠。他(ta)們是對 EUV 投資*多，但在(zai) NIL 和 DSA 方(fang)面(mian)也(ye)很活躍；
? 三星排(pai)在第(di)五位，也在兩(liang)面(mian)下注(zhu)，盡管他(ta)們(men)的*活動水平遠低于臺(tai)積電；
? Karl-Zeiss 排在(zai)第(di)四位，他們(men)作為光刻(ke)供(gong)應(ying)商的主要關注(zhu)點是 EUV 也就不足為奇了；
該表未顯示包括GlobalFoundries、IBM 和 Intel 在內的北美主要組織，它們(men)的排名更(geng)靠后，分別位(wei)于第(di) 16 位(wei)、第(di) 17 位(wei)和第(di) 32 位(wei)。
圖 5 根(gen)據(ju) Cipher *分(fen)類器(qi)獲得(de)的(de)結果，將(jiang)中(zhong)國排名前 10 位實(shi)體的(de)*格局與世界其他(ta)地(di)區進行比較，按組(zu)織和光刻技術(shu)類型(xing)列(lie)出了當前活(huo)躍*家族(zu)的(de)數量。
圖(tu) 5：Counts of Current Active Patent Families by Organization and Technology for China
圖(tu) 6顯示(shi)了按年份和*光刻技(ji)術(shu)提交的*族(zu)數量僅供中國公(gong)司使用的空(kong)間。*總數相當少，但(dan)有持(chi)續的EUV、DSA 和 NIL 這三個技(ji)術(shu)領域的*活動呈上(shang)升趨勢。
圖 6：Number of Patent Families Filed by Year and Technology for China
相比之下，圖 7顯示了世界(jie)其(qi)他地區（不包括(kuo)中國）在*光(guang)刻(ke)領域按年(nian)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(qu)的*數量要(yao)多于中國。數據顯示 EUV *活動(dong)呈持續上(shang)升趨勢；然而(er)，大約在(zai) 2013 年之(zhi)后，DSA *活動(dong)和 NIL 技(ji)術*活動(dong)在(zai)大約 2018 年之(zhi)后有(you)所下降。這也許并不奇怪，因為 ASML EUV 技(ji)術現(xian)已商(shang)用，從而(er)減少(shao)了尋找替代品的動(dong)力。
結論
*的光刻技術對于摩爾定律擴展的延續*關重要。該行業目前正在押注EUV，輔以*的 193i 技術，如 SADP 和 SAQP，將繼續縮小到上面討論的 5 納米(mi)技術(shu)以下。不幸的是，EUV 取(qu)決于使用極其復雜和昂(ang)貴(gui)的設(she)備，因此該行(xing)業(ye)繼續尋(xun)找替代品，例如作為 NIL 或 DSA，這可(ke)能會提供一(yi)條(tiao)替代途徑。
審核編輯 ：李倩
