DSA於21世紀初得到初步發展,並在隨後幾年裡引起了主要半導體製造商的高度關注,後來在一定程度上失寵,部分原因是EUV微影獲得了重要投資,取得了進步。然而,DSA材料及製程的最新進展,可望打消延遲實現的疑慮。

選擇合適的微影技術,不一定要非此即彼,二中選一。結合使用EUV微影及DSA技術,可能會創造難能可貴的機會。雖然兩者有時被看作是競爭對手,但將其視為相得益彰的互補型技術,則更加合情合理。本文介紹了結合使用EUV和DSA技術為微影技術帶來的益處,以及此前存在的障礙變得無足輕重的原因。

材料定義圖案

大多數微影技術採用掩模定義圖案,然而在DSA製程中,圖案存在於材料本身,這就是它與眾不同的地方。用於DSA的原始嵌段共聚物(BCP)結合了聚苯乙烯(PS)和聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。這兩種聚合物能自然而然地將自身分離成獨立相。調整PS-b-PMMA材料中的PS及PMMA的相對比例,使形態由球形變為圓柱形,再變為層狀形態(圖1)。Flory相互作用參數χ及片段長度的乘積,決定了有序結構的間距。χ值越大,所得結構的間距越精細。

20171123TA01P1 圖1 BCP類形態作為組分的函數。當Α組分的佔比增加時,結構從球體變為圓柱體,再變為層狀。圖中L0指特征域長度尺度、N為鏈段數。

標準PS-b-PMMA材料具有相對較低的χ,將間距限制在20nm或更大。一些材料製造商正考慮使用PS-b-PMMA以外的化學成分,生產高的BCP,用聚二甲基矽氧烷或聚羥基苯乙烯代替PMMA組分。更改PS-b-PMMA亦可增加χ,亦可能調節χ、分子量及玻璃化轉變溫度,在各種退火條件下,實現14nm~40nm之間的層片間距。

BCP沉積的製程比較簡單。旋塗在基材上的中性層,可使BCP在熱退火過程中分離成單個域。中性層不對BCP中任一聚合物鏈具有親和力,可使域分離。聚合物域分離負責圖案形成。

製程注意事項

DSA沉積過程使用此兩種基本方法中的一種。製圖利用地形學對準BCP,沉積在相對較深的溝槽中。引導圖案決定溝槽,將BCP限制在其優先方向對準的圖案。化學外延法基於平面基底上的化學圖案,其上是BCP自對準。

半導體產業正追求製圖外延結合化學外延,有利於製圖外延法產生細間距穿孔,亦有助於化學外延創建平行線陣列。

退火溫度在250℃~275℃之間,符合標準半導體製程規範。退火過程可長達兩個小時,使所創建結構的缺陷率足夠低,但增加了製程成本。

PS-b-PMMA BCP正在大規模量產。目前,全球有110萬噸此種材料用於各種應用,如此龐大之數量,超過了整個半導體產業的需求。因此,未進行商業化生產的DSA材料當前目標為滿足半導體應用,但產業準備就緒之時,且已安裝基礎設施,便可擴大適合材料的生產。

DSA正紅的原因

2007年DSA入選國際半導體技術藍圖(ITRS)。起初,主要半導體產業企業認為,DSA會在14nm和7nm之間的任一邏輯節點邁入商業生產,甚至動態隨機存取記憶體(DRAM)可以更快地實現商業生產;但目前為止未能實現。2016年DSA研討會調查顯示,DSA技術尚不具備成為主流技術之條件,且在未來數年內也不會成為主流,但是一些整合零件製造商想推進DSA製程發展,也有支持此舉不僅具備可能性,也十分可取的理由。

20171123TA01P2 圖2 使用含矽抗反射塗層(Si-HM)的色調反轉製圖外延法(TIGER)的示例製程,包括微影、DSA沉積及蝕刻。

將波長降低到193nm浸潤式微影,使線寬和間距降至80nm。自對準四重圖案化(SAQP)等技術,可以透過多次微影/蝕刻迭代產生更小的特徵,惟需添加微影步驟,每一個都需要定制掩模。

浸潤式微影技術快走至窮途末路,亦為下一代微影技術提供了機會。在10nm~30nm關鍵尺寸(CD)的設計,為此等最先進的技術創造了最佳條件。

EUV微影技術的進步,為業界青睞DSA的一個因素。當今的EUV材料與老一代產品相比,具有更高的靈敏度,因此需要較低的紫外線劑量;線粗糙度亦有所提高。EUV微影可以產生30nm或40nm間距的通孔,但浸潤式微影無法做到。

DSA的較高解析度,甚至超過了半導體產業當前需求。當前,特徵尺寸發展水準,可使DSA尤為有效。若此趨勢繼續發展,到2020年末,人們會廣泛使用此技術。

DSA及EUV兩相結合可相得益彰?

最有效的解決方案在於綜合運用EUV和DSA技術,將每種技術的優點發揮到極致。這兩種方式都能讓解析度達到與N7和N5邏輯節點兼容的水準。EUV微影製程非常適合多種不同間距的曝光設計,這些間距低至線寬,並且間隔大約為30nm。然而,對於此類精細間距,需要的光罩步驟數量可能會使這項技術非常昂貴。尤其是在高產能率下,局域線寬均勻性(LCDU)也是一個很大的問題。

最初的硬質光罩微影製程對於EUV和DSA是一樣的,但它們在曝光過程中有差異。一旦BCP沉積,DSA無需額外光罩即可達到30nm特徵尺寸。退火自然地將這兩個階段分成不同的形態,但是DSA製程最適合單一間距的設計。

EUV可用於在晶圓上繪製解析度較低的特徵,並製作後續DSA沉積的間隔物。這種組合提供設計最大彈性的同時,又簡化了製造過程,達到消除製程步驟和減少光罩成本的目的。與單一的EUV相比,LCDU更好一些。

DSA最適合具有多重、重複、普通精細間距特徵的裝置。因此,它可能會首先被用於DRAM中,隨後會用於邏輯裝置上的層中。尤其是利用EUV來沉積間隔物時,使用DSA製圖能實現更複雜的設計,滿足不同地區對晶片間距的不同要求。這大概是選擇晶片的方法。

20171123TA01P3 圖3 DSA材料化學外延法 Liu-Nealey(LiNe)製程製程。

儘管有運用DSA和EUV的承諾,只有供應商能說服整合設備製造商(IDM),讓他們相信這種材料已經克服了技術限制,半導體產業才會轉而使用這種方法。DSA遭受了很多挑戰,導致它被推遲採用:基本的問題包括缺陷、曝光放置準確度、整合至製造製程的難易度和成本。但我們有理由積極看待這些問題,隨著化學的進步,就這些度量標準而言,製程方法上都有了提升。

克服技術挑戰

2016年的DSA研討會調查中將缺陷確定為最大的技術挑戰。缺陷和成本是相關的,因為最低的缺陷等級往往伴隨著最長的退火時間。使這兩個階段分離只需低至5分鐘的退火時間,但最後的材料含有太多缺陷,導致其不適於商業使用。

每次只能給一片晶圓退火,這使退火成本大幅提高。然而,最近的研究顯示,立式爐中運用批量退火可望能大幅減少成本,透過給150個並行的晶圓退火30分鐘,研究者能充分論證透過比SAQP更低的成本達到低的缺陷等級。

同時運用DSA和EUV將有望緩解曝光放置錯誤的問題。例如,EUV微影製程能為雙峰穿孔製造自組裝孔。在EUV過程中,這兩個穿孔可能會合併,但在DSA過程中又會自動分離。在沒有DSA的情況下,為避免合併的穿孔,可能需要額外的微影製程步驟。

當穿孔形狀最佳化時,對於精細間距的穿孔,運用EUV和DSA的方法最可靠。研究表明,花生形狀而非橢圓形,最適合以最低風險的曝光放置錯誤來製造自組裝穿孔,甚至對於最具挑戰性的N5節點也一樣。

合作以加快DSA採用

半導體產業在微影製程方面有大量的經驗,但DSA需要我們在思維模式上做出轉變。BCP材料在半導體產業內還是新生事物,它在材料上的改變是革命性的而非漸進的,因此這一過程可能面臨諸多阻礙。在將DSA材料投放到半導體市場交易之前,需要在實際裝置上示範使用這些材料。

為填補這一空白,需要半導體產業材料供應商和在BCP方面有資深經驗的化工公司的鼎力合作。這樣的合作已經在進行中了。Brewer Science已經與Arkema合作,後者是一家有20幾年生產BCP經驗的公司,但幾乎從未涉足半導體產業。兩家公司的合作關係確立於2015年,開始了DSA材料的試產,這為這項技術從實驗室到運用至商業半導體產品的過程鋪平了道路。

DSA和EUV應該被視為相輔相成而非互相競爭的技術,它們最終會成為精細間距微影製程運用在N7等節點的主流技術。業內企業應跳出孤軍奮戰的局面,且材料供應商和化工公司應建立合作關係以迎接這種轉變。