光刻是半導體(tǐ)行業的核心技(jì )術。自仙童半導體(tǐ)公(gōng)司的羅伯特諾伊斯在1960年發明單片集成電(diàn)路以來，光刻技(jì )術一直是主要的光刻技(jì )術。

本質(zhì)上，陰影掩模（s*ow mask）用(yòng)來協助一種稱為(wèi)光刻膠的光敏材料進行圖案化，從而能(néng)夠進行圖案化沉積和蝕刻工(gōng)藝。而光刻工(gōng)藝的*終解決方案是由所用(yòng)光源的波長(cháng)決定的。

在開發更短波長(cháng)的光刻源方面取得了進步。這使得以摩爾定律為(wèi)特征的電(diàn)路密度不斷增加。曆史上使用(yòng)汞放電(diàn)燈，例如 365 nm i-Line，但*近使用(yòng) 248 nm 的 KrF 或 193 nm 的 ArF 準分(fēn)子激光器成為(wèi)*光源。當使用(yòng)液體(tǐ)浸沒技(jì )術時，ArF 激光器獲得的*終分(fēn)辨率約為(wèi) 50 nm，其中(zhōng)透鏡和半導體(tǐ)晶片浸入水中(zhōng)，水中(zhōng)的折射率高于空氣。

過去二十年見證了193 nm以下波長(cháng)光刻技(jì )術的發展。在使用(yòng) F2 準分(fēn)子激光器開發基于 157 納米的光刻技(jì )術方面付出了一些努力，但主要關注點是使用(yòng) 13.5 納米軟 X 射線(xiàn)作(zuò)為(wèi)光源的極紫外 (EUV) 光刻技(jì )術。

荷蘭公(gōng)司 ASML 在 EUV 技(jì )術的開發中(zhōng)發揮了主導作(zuò)用(yòng)，他(tā)們的工(gōng)具(jù)集現在被包括英特爾、三星和台積電(diàn)在内的主要* CMOS 代工(gōng)廠用(yòng)于生産(chǎn)。

光刻方法的實踐

應用(yòng)許多(duō)光刻方法來産(chǎn)生單芯片設計。TechInsights *近對三星 5LPE 工(gōng)藝進行了詳細分(fēn)析。圖 1 顯示了器件 CPU 邏輯區(qū)域中(zhōng)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 (SAQP) 幾乎可(kě)以肯定用(yòng)于對鳍進行圖案化。圖像注釋中(zhōng)顯示了 fin mandrels的大緻位置，該位置将使用(yòng) ArF 193 nm 浸入式 (ArF 193i) 光刻進行圖案化。然後将通過在mandrel上創建 sidewall spacers來形成*終的 fin pattern。mandrel将具(jù)有(yǒu) 108 nm 的間距（pitch）。然後移除mandrel，然後使用(yòng)*個側壁間隔物(wù)（ sidewall spacer）圖案來創建第二組側壁間隔物(wù)，*終的鳍間距為(wèi) 27 nm。

兩組側壁間隔物(wù)的大緻位置和尺寸如圖 2所示，這是一張橫截面 TEM 圖像，顯示邏輯區(qū)域中(zhōng)三星 5LPE 工(gōng)藝的 27 nm 間距鳍結構.

圖 2：Samsung 5LPE Fin Cross Section

然後将使用(yòng)有(yǒu)源鳍（active fin）切割掩模去除不需要的鳍并用(yòng)淺溝槽隔離 (STI：shallow trench isolation) 替換它們。圖 1中(zhōng)所示的金屬栅極很(hěn)可(kě)能(néng)是使用(yòng)自對準雙圖案化 (SADP) 技(jì )術形成的，其中(zhōng)mandrel上的側壁間隔物(wù)直接用(yòng)于圖案化多(duō)晶矽栅極，後來被金屬栅極取代。

目前正在生産(chǎn)的*半導體(tǐ)器件的尺寸明顯小(xiǎo)于使用(yòng) ArF 浸沒式光刻技(jì )術可(kě)獲得的約 50 nm *小(xiǎo)半間距。這需要開發越來越複雜的工(gōng)藝技(jì )術方案。例如，根據*近的 TechInsights 分(fēn)析結果，三星 5 納米 LPE 工(gōng)藝使用(yòng)了多(duō)種*的光刻方法，包括 EUV，如表 1 所示。

表 1

SAQP光刻技(jì )術可(kě)以産(chǎn)生非常精(jīng)細的間距特征；但是，它僅限于創建沿單個方向定向的單軸結構（ uniaxial structures）。線(xiàn)路末端需要特殊切割（ Special cut）的掩模，以防止相鄰線(xiàn)路之間短路。EUV 光刻沒有(yǒu)這些限制，但成本較高。

圖 3 顯示了三星 5LPE 設備的 CPU 邏輯區(qū)域中(zhōng)metal 0 布局的平面圖 TEM 顯微照片。觀察到的*小(xiǎo)金屬間距約為(wèi) 44 nm。此外，布局包括在兩個正交方向上定向的線(xiàn)。這在使用(yòng) SADP 或 SAQP ArF 193i 光刻方法時通常是不可(kě)能(néng)的。

圖 3：Samsung 5LP Metal 0 Layout

納米壓印光刻和直接自組裝(zhuāng)光刻

EUV 設備和工(gōng)藝非常複雜和昂貴，因此業界一直在研究替代品。三個主要競争者是：

1. 納米壓印光刻 (NIL：Nano-Imprint Lithography)

2. 直接自組裝(zhuāng) (DSA：Direct Self-Assembly) 光刻

3. 電(diàn)子束光刻 (EBL：Electron Beam Lithography)

其中(zhōng)，EBL 提供非常高的空間分(fēn)辨率（優于 10 nm），但配置和執行速度較慢，本文(wén)将不作(zuò)進一步考慮。EBL 确實有(yǒu)商(shāng)業應用(yòng)，但不是在大批量*節點制造中(zhōng)。

納米壓印光刻技(jì )術*早由明尼蘇達大學(xué)的Stephen Chu 提出。該技(jì )術基于聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 的壓縮成型。Chu 和他(tā)的合著者在 1996 年發表在《科(kē)學(xué)》雜志(zhì)上的一篇論文(wén)中(zhōng)報告了 25 nm 分(fēn)辨率的圖案化。他(tā)們于 1995 年發布了開創性* US577290*。NIL 技(jì )術于 2003 年被添加到 ITRS 路線(xiàn)圖中(zhōng)，該領域一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，并且他(tā)們現在提供 NIL 産(chǎn)品線(xiàn)，東芝是他(tā)們的早期客戶之一，建議的應用(yòng)是 NAND 閃存生産(chǎn)。

直接自組裝(zhuāng)光刻取決于嵌段共聚物(wù)（block-copolymers）在預圖案化基闆上的直接定向。該技(jì )術類似于 SADP 和 SAQP，因為(wèi)使用(yòng)較粗的間距模闆（coarser pitch template）來創建較細的間距結構（ finer pitch structure）。DSA 技(jì )術于 1990 年代*提出，并于 2007 年成為(wèi) ITRS 路線(xiàn)圖的一部分(fēn)。DSA 的主要支持者是 IMEC 的一個研究小(xiǎo)組。2021 年，他(tā)們展示了使用(yòng) DSA 形成 18 納米間距線(xiàn)圖案。據我們所知，直接自組裝(zhuāng)尚未被任何主要半導體(tǐ)代工(gōng)廠用(yòng)于大批量生産(chǎn)。在過去的二十年裏，這項技(jì )術進行了大量的研發和*活動，但還沒有(yǒu)商(shāng)業用(yòng)途。

*光刻的創新(xīn)*

TechInsights與 Cipher 合作(zuò)，一直在探索*光刻市場的創新(xīn)。目前，基于光學(xué)光刻的技(jì )術主導着半導體(tǐ)市場，其中(zhōng) ArF 193i 是用(yòng)于圖案化細間距特征的主要方法。基于 EUV 的光刻開始出現在**的 CMOS 技(jì )術中(zhōng)，例如上一節中(zhōng)讨論的三星 5LPE。

不幸的是，EUV 方法非常昂貴，并且可(kě)能(néng)存在與 ASML 交付 EUV 硬件相關的供應鏈問題。我們預計該行業将積極尋求替代方案。Cipher 一直與 TechInsights 合作(zuò)開發*分(fēn)類器，可(kě)用(yòng)于監控特定領域的創新(xīn)步伐，例如 EUV、NIL 和 DSA 光刻。

Cipher *分(fēn)類器使 TechInsights 能(néng)夠繪制出 EUV、NIL 和 DSA *光刻*的概況。圖 4 顯示了按技(jì )術排名(míng)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(jì )術寄予厚望；

• ASML 對 EUV 的投資*多(duō)，但也積極參與 NIL 和 DSA 研究；

• 從*光刻研發的角度來看，台積電(diàn)顯然是*的代工(gōng)廠。他(tā)們是對 EUV 投資*多(duō)，但在 NIL 和 DSA 方面也很(hěn)活躍；

• 三星排在第五位，也在兩面下注，盡管他(tā)們的*活動水平遠(yuǎn)低于台積電(diàn)；

• Karl-Zeiss 排在第四位，他(tā)們作(zuò)為(wèi)光刻供應商(shāng)的主要關注點是 EUV 也就不足為(wèi)奇了；

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(míng)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)類器獲得的結果，将中(zhōng)國(guó)排名(míng)前 10 位實體(tǐ)的*格局與世界其他(tā)地區(qū)進行比較，按組織和光刻技(jì )術類型列出了當前活躍*家族的數量。

圖 5：Counts of Current Active Patent Families by Organization and Technology for China

圖 6顯示了按年份和*光刻技(jì )術提交的*族數量僅供中(zhōng)國(guó)公(gōng)司使用(yòng)的空間。*總數相當少，但有(yǒu)持續的EUV、DSA 和 NIL 這三個技(jì )術領域的*活動呈上升趨勢。

圖 6：Number of Patent Families Filed by Year and Technology for China

相比之下，圖 7顯示了世界其他(tā)地區(qū)（不包括中(zhōng)國(guó)）在*光刻領域按年份和技(jì )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(tā)地區(qū)的*數量要多(duō)于中(zhōng)國(guó)。數據顯示 EUV *活動呈持續上升趨勢；然而，大約在 2013 年之後，DSA *活動和 NIL 技(jì )術*活動在大約 2018 年之後有(yǒu)所下降。這也許并不奇怪，因為(wèi) ASML EUV 技(jì )術現已商(shāng)用(yòng)，從而減少了尋找替代品的動力。

結論

*的光刻技(jì )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(jì )術，如 SADP 和 SAQP，将繼續縮小(xiǎo)到上面讨論的 5 納米技(jì )術以下。不幸的是，EUV 取決于使用(yòng)極其複雜和昂貴的設備，因此該行業繼續尋找替代品，例如作(zuò)為(wèi) NIL 或 DSA，這可(kě)能(néng)會提供一條替代途徑。

審核編輯 ：李倩