十年前，定向自組裝（DSA）迎來了一個(gè)充滿希望的開端，隨后又在實(shí)驗(yàn)室里苦苦掙扎了數(shù)年，如今，DSA 領(lǐng)域突然發(fā)展得更加迅速。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在重復(fù)結(jié)構(gòu)中比以往更精細(xì)地控制特征尺寸和圖案。

圖：2020版國際設(shè)備和系統(tǒng)路線圖（IRDS）

十年前，當(dāng)業(yè)界努力開發(fā)極紫外光刻（EUV）技術(shù)時(shí)，定向自組裝 （DSA） 迅速成為幾乎所有決心擴(kuò)展 193i 極限的制造商的研發(fā)前沿。

然而，與半導(dǎo)體行業(yè)中的許多新技術(shù)一樣，對(duì)DSA 能夠解決重大行業(yè)挑戰(zhàn)的潛力的承諾和興奮，很快就遇到了其自身難以克服的挑戰(zhàn)。僅舉了幾個(gè)例子，缺陷控制、可擴(kuò)展性以及與現(xiàn)有工作流程集成的復(fù)雜性阻礙了進(jìn)度。

喧囂聲平息，DSA 被大多數(shù)公司擱置，尤其是當(dāng)EUV生產(chǎn)接近時(shí)。

但 DSA 最初針對(duì)的問題（例如在當(dāng)前光刻技術(shù)的極限下改進(jìn)圖案精度）并沒有消失。此外，一些新的問題正在出現(xiàn)，例如最先進(jìn)的 EUV 節(jié)點(diǎn)中的隨機(jī)缺陷。Fractilia， LLC 首席執(zhí)行官Chris Mack表示，隨機(jī)因素可能占大批量制造 （HVM） EUV 圖案總誤差預(yù)算的 50% 以上。［2］

“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，”imec 研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Hyo Seon Suh 說道。“但 EUV 的隨機(jī)缺陷也難以控制，這就是為什么許多行業(yè)以及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)問題的可行選擇。”

英特爾的發(fā)言人表示，該公司目前正在尋求多種利用定向自組裝（DSA）的集成工藝流程。“我們?cè)?SPIE 等會(huì)議上公開討論過的一個(gè)工藝流程是使用 DSA 進(jìn)行 EUV 光刻膠校正。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。利用這項(xiàng)技術(shù)，英特爾展示了 DSA 增強(qiáng)型 EUV 多重圖案化方法，最終金屬間距為 18 納米，并具有強(qiáng)大的電氣性能。”

其他人也同意。Brewer Science首席技術(shù)官Rama Puligadda表示：“DSA即將回歸 。” “但以一種非常不同的形式。它被用來輔助EUV，不是為了改進(jìn)間距，而是為了矯正線條。”

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)體基板上形成納米級(jí)分辨率圖案的過程。雖然這是一個(gè)準(zhǔn)確的描述，但它沒有提供有關(guān)如何完成此過程以及為什么這些共聚物材料會(huì)產(chǎn)生這樣的行為的詳細(xì)信息。對(duì)該過程進(jìn)行稍微簡化的解釋有助于理解 DSA 技術(shù)如何使關(guān)鍵尺寸（Critical Dimension，簡稱CD） 分辨率受益并為較低節(jié)點(diǎn)提供修復(fù)。

分離的科學(xué)——從沙拉醬到半導(dǎo)體

如油和醋由于不相容的性質(zhì)而分離成不同的層一樣，DSA中使用某些聚合物也有類似的行為，但在納米尺度上。DSA通常結(jié)合苯苯乙烯（S）結(jié)合形成了聚甲基纖維素（PS），與甲基纖維素（MMA）結(jié)合形成了聚甲基纖維素（PMMA）。

DSA 中通常使用的聚合物（例如聚苯乙烯和 PMMA）旨在進(jìn)行化學(xué)相分離，類似于油和醋。與后者的分離是均勻的不同，在 DSA 中，這些聚合物的分離可以被精心控制，從而產(chǎn)生精確的納米級(jí)結(jié)構(gòu)。

圖 1：PS-b-PMMA 嵌段共聚物的代表。每個(gè)嵌段的長度由每個(gè)嵌段中單體的數(shù)量控制，是螺距的決定因素。資料來源：半導(dǎo)體工程/Gregory Haley

PS通常通過硅氧烷聚合合成。這涉及使用鈉或鉀等強(qiáng)堿來形成負(fù)離子，碳負(fù)離子在碳增長中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。硅氧烷聚合提供了具有精確控制的制造特定長度和麥克風(fēng)的能力。聚合物的理想選擇。另外，PMMA可以通過原子轉(zhuǎn)移聚合或原子轉(zhuǎn)移聚合（ATRP）來合成。雖然與PS合成不同，但這兩種工藝都旨在制造具有特定性能的聚合物。這很重要，因?yàn)?DSA 過程中獲得結(jié)構(gòu)的形狀是由這些聚合物的最終結(jié)構(gòu)決定的。［3］

PS-b-PMMA共聚物

當(dāng)使用 ATRP 等技術(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，但由于化學(xué)性質(zhì)不同，它們分成不同的域（見圖1）。

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

圖 2：PS-b-PMMA BCP 鏈中創(chuàng)建的不同域?yàn)榘雽?dǎo)體結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)模板。資料來源：半導(dǎo)體工程/Gregory Haley。

需要指出的是，嵌段之間的能量差異越大，它們之間的偏析就越明顯，這允許更小的鏈長度和對(duì)可以形成的CD的更精細(xì)的控制。［1］

然而，與半導(dǎo)體制造中的大多數(shù)事情一樣，沒有什么是免費(fèi)的。如果能量差太大，可能會(huì)導(dǎo)致過度的相分離，從而可能導(dǎo)致加工復(fù)雜化或制造過程中的缺陷。平衡嵌段之間的能量差、鏈長度和所需的域大小需要仔細(xì)優(yōu)化并考慮具體應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)這種平衡是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，需要精確控制和理解聚合物化學(xué)。

定義 關(guān)鍵尺寸（CD）

通過 DSA 對(duì)硅進(jìn)行圖案化有兩種有效的方法：圖形外延流和化學(xué)外延流。圖形外延流程使用傳統(tǒng)光刻技術(shù)在尺寸通常為最終 CD尺寸 2 至 5 倍的基板上形成圖案。溝槽充滿 BCP 并退火 （》180°C） 以引發(fā)相分離。溝槽底部必須是中性的，以防止 BCP 粘附到基板上，同時(shí)一壁濕法粘合到 BCP 上。所得結(jié)構(gòu)的 CD 由 BCP 鏈的長度定義（見圖3）。

圖 3.展示圖形外延定向自組裝的簡化流程。資料來源：半導(dǎo)體工程/Gregory Haley

另一方面，化學(xué)外延流依靠不同的表面能來排列 BCP 層。在此過程中，將交聯(lián) PS 區(qū)域施加到靠近中性區(qū)域的基材上。BCP中的PS與交聯(lián)的PS形成鍵，但不與PMMA形成鍵，并且中性區(qū)域不形成鍵。PS 鍵為 BCP 流動(dòng)提供錨點(diǎn)，在垂直方向上對(duì)齊相移的 BCP（見圖4）。

圖 4. 展示化學(xué)外延 DSA 的簡化流程。資料來源：半導(dǎo)體工程/Gregory Haley

“例如，如果您使用 193i 工藝，它就無法打印這種高精度模式，”Suh 說。“但是我們可以制作一個(gè)更大的間距圖案并與 DSA 填充該模式。這稱為“間距分割pitch splitting” 。DSA 使制造商能夠?qū)崿F(xiàn)只有 EUV 才能實(shí)現(xiàn)的尺寸，而且無需支付購買 EUV 工具的費(fèi)用。”

DSA 的優(yōu)點(diǎn)之一是它可以根據(jù) PS 與 PMMA 的單體比例靈活地形成不同的結(jié)構(gòu)。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層圖案。一個(gè)塊與另一個(gè)塊的顯著較低的比率可以在較大塊的矩陣內(nèi)形成較小塊的球體，而同一塊的較高比率可以形成圓柱形結(jié)構(gòu)。這對(duì)于提高孔的 CD 甚至倍增孔很有用（見圖5）。

“定義結(jié)構(gòu)不需要是完美的，”Suh 補(bǔ)充道。“我們只需要一些圖案來引導(dǎo)本地聚合物的自組裝，從而完成制作清晰圖案的工作。

圖 5：從較大尺寸孔圖案獲得較小尺寸孔圖案的過程。來源：imec

如上所述，這些是兩種一般類型的工藝流程的簡化示例，盡管每個(gè)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；以及達(dá)到預(yù)期結(jié)果的額外步驟。

圖案外延和化學(xué)外延都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。圖案外延利用成熟的工藝來形成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，通常需要更少的步驟來實(shí)現(xiàn)最終的 CD。然而，它要求溝槽的尺寸與鍵合對(duì)的 BCP 鏈長度完全匹配，任何不規(guī)則的線條圖案都可能出現(xiàn)在 BCP 結(jié)構(gòu)中。

化學(xué)外延需要更少的空間來實(shí)現(xiàn)類似的 CD，并在設(shè)計(jì)上提供更大的靈活性，因?yàn)樗恍枰c BCP 鏈長度完全匹配。但它通常涉及更復(fù)雜和微妙的過程，包括使用特定的化學(xué)圖案材料，這使得控制更具挑戰(zhàn)性。化學(xué)外延也可能對(duì)表面能和聚合物-基底相互作用的變化更加敏感，如果處理不精確，可能會(huì)導(dǎo)致缺陷。

DSA的缺點(diǎn)是缺陷率

將 DSA 從實(shí)驗(yàn)室引入工廠仍然主要受到缺陷控制的阻礙。盡管控制在過去三年里有了很大改善，但缺陷仍然太高，無法滿足 《1/cm2 的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。DSA 中的常見缺陷包括線間橋連、線塌陷、氣泡和線錯(cuò)位。位錯(cuò)是一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谖g刻或圖案轉(zhuǎn)移過程中無法被去除，如圖 6 所示。

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

DSA缺陷問題比較復(fù)雜，影響缺陷的因素較多。與工藝相關(guān)的問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 BCP 本身的純度和成分等化學(xué)因素可能會(huì)引發(fā)問題。

DSA 工藝的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是它只能制造周期性的、簡單的結(jié)構(gòu)，例如空間中的線或孔，這對(duì)于常規(guī)存儲(chǔ)設(shè)備來說更好，但對(duì)于邏輯來說卻更困難。“如果一個(gè)設(shè)備有一個(gè)我們必須打印的結(jié)構(gòu)，它必須是周期性的和簡單的，”Suh 說。“這對(duì)于 DRAM 來說非常有用，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)是基本的，并且在高度重復(fù)的模式中是一致的。就邏輯而言，這是一個(gè)更加隨機(jī)的結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要具有 DSA 感知能力。”

其他人也同意。“DSA 面臨的最大挑戰(zhàn)始終是缺陷以及如何使布局適合 DSA，”英特爾發(fā)言人表示。“英特爾多年來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的檢驗(yàn)和計(jì)量

DSA 結(jié)構(gòu)的尺寸計(jì)量存在一個(gè)重大問題。由于 DSA 形成的圖案缺乏化學(xué)對(duì)比，測(cè)量的靈敏度受到挑戰(zhàn)。這些圖案在轉(zhuǎn)移到基材（通過蝕刻）后可以看得更清楚，但這嚴(yán)重限制了微調(diào)和校正的選擇，導(dǎo)致昂貴且耗時(shí)的返工，甚至整個(gè)批次的報(bào)廢。

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 速度慢且僅限于晶圓上的幾個(gè)采樣點(diǎn)，考慮到 DSA 的缺陷率較高，這是一個(gè)問題。另外，很少有數(shù)據(jù)集具有用于分析的比較監(jiān)督模型。然而，imec 的研究人員在 6 月份發(fā)表了一篇論文，內(nèi)容涉及使用 SEM 圖像分析的機(jī)器學(xué)習(xí) （ML） 模型，使用最先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) YOLOv8 獲得六邊形接觸孔 DSA 圖案數(shù)據(jù)集的完整標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)了超過 0.9 mAP 的精度（平均精度的 90%）。［4］

據(jù)多個(gè)消息來源稱，當(dāng)今的 DSA 檢查通常使用散射測(cè)量法進(jìn)行。然而，imec 的 Dehaerne 和同事指出，沒有可用于 DSA 分析的傳統(tǒng)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)日益流行的研究主題。”［4］

DSA的新興用途

有關(guān)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。韓國高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所的科學(xué)家們正在使用 《10nm BCP 沿著 2D 石墨烯薄片的原子邊緣進(jìn)行自組裝，以實(shí)現(xiàn)線邊緣和線寬粗糙度水平非常低的 2D 材料的可靠納米圖案化，從而形成 具有開關(guān)特性的《10nm石墨烯納米帶陣列。

布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家最近使用 DSA 在硅襯底上開發(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制造（HVM）薄膜，并以接近零的能量損失實(shí)現(xiàn)電傳輸。

結(jié)論

這是定向自組裝重新出現(xiàn)的激動(dòng)人心的時(shí)刻。隨著缺陷率的下降和新計(jì)量選項(xiàng)的上線，DSA 提供了一種可行的制造工藝，可在 193i 和 EUV 光刻的較低節(jié)點(diǎn)進(jìn)行圖案校正。最有吸引力的是，它可以擴(kuò)展 193nm 光刻技術(shù)，而無需購買 EUV ***。

十年前，DSA 領(lǐng)域迎來了一個(gè)充滿希望的開端，隨后又在實(shí)驗(yàn)室里苦苦掙扎了數(shù)年，如今，DSA 領(lǐng)域突然發(fā)展得更加迅速。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在重復(fù)結(jié)構(gòu)中比以往更精細(xì)地控制特征尺寸和圖案。