過去50多年里，半導體產業一直沿著摩爾定律向前發展，芯片工藝節點先后跨越了90nm、45nm、28nm、14nm，如今7nm和5nm已經實現量產，3nm和2nm是現在業界努力的方向，在這個不斷演進的過程中，以光刻為基礎的圖形化工藝在其中扮演著至關重要的角色。光刻是芯片制造過程中最重要、最復雜、最昂貴的工藝。其精密度決定了芯片的制程，以及器件性能。

　　目前實現14nm工藝節點中的關鍵結構最常用的工藝是193nm沉浸式光刻結合自對準雙圖形（SADP）技術，但對于7nm及以下節點SADP技術已無法滿足要求，必須采用四重甚至八重圖形技術，這將導致成本大幅增加，而且掩膜版之間的套刻精度也難以控制。為此，學術界和工業界開始探索下一代光刻技術的解決方案。2020年國際器件與系統路線圖（IRDS）將EUV光刻、定向自組裝（DSA）和納米壓印光刻（NIL）列為下一代光刻技術的主要候選方案。EUV光刻我們都有所了解或者比較熟悉些，本文我們將探討下半導體工藝技術中的另一個研發熱點DSA。

　　DSA先進光刻技術重回歷史舞臺？

　　定向自組裝（DSA）并不是一項新技術，早在2007年它就作為潛在的光刻解決方案登上了舊的國際半導體技術路線圖 （ITRS）。2010年左右，業界開始對自下而上圖案化方法定向自組裝（DSA）技術產生興趣，甚至還引起了一番研究熱潮。世界知名的代工廠如臺積電、三星、英特爾、GlobalFoundries等都在自家實驗室探索DSA，因為它有望解決先進光刻技術中的許多成本和復雜性問題。

　　但好景不長，隨著業界的不斷探索，他們發現這些材料容易出現缺陷。DSA材料的貼裝精度也很難控制。因此，考慮到這些問題，芯片制造商便轉向在晶圓廠中采用更熟悉的多重圖案化技術，例如自對準雙/四圖案化 （SADP/SAQP）。而事實證明，沒有一種光刻技術可以滿足當前和未來的所有需求，SADP/SAQP也逐漸受到了挑戰。因此，隨著3nm到5nm光刻設備的討論，DSA作為補充技術或將占有一席之地。

　　多位業內消息人士稱，英特爾繼續對DSA抱有濃厚的興趣，而其他芯片制造商正在重新審視該技術。此外，一年一度的SPIE先進光刻會議，自2012年起就為嵌段共聚物DSA光刻技術設立了分論壇，供來自世界一流的企業、研究機構以及高校的相關研究者在一起進行分享、交流和討論DSA光刻技術最新的進展與未來發展方向。由此可見，工業界對該技術高度重視并寄予厚望。

　　需要知道的是，DSA本身并不是一種工具技術，這是一種互補的圖案化方法，可使用嵌段共聚物實現精細間距和預定義的圖案。它是一種“自下而上”的光刻技術，而EUV光刻是“自上而下”。DSA能夠突破傳統光學光刻的衍射極限。

　　5nm之后，工具和技術的結合或將是產業關注的一個方向。將DSA光刻與傳統的“自上而下”的EUV光刻相結合，可以提高現有光刻工藝（例如自對準四重圖案化或 SAQP）的分辨率、修復圖形缺陷和改善關鍵結構的特征尺寸均勻性，從而產生更高密度的半導體器件。此外，DSA光刻還有望能將芯片制程推進到3nm甚至更小的技術節點。

　　DSA的研究進展 #Human Progress

　　現在DSA正在取得顯著進展，包括英特爾、IBM、三星等國際知名半導體企業以及IMEC、CEA-Leti 等研究機構以及開始針對DSA光刻技術開展了系統性的研究和產業化嘗試，他們在工藝開發、整合、器件應用等方面為之努力。多個研究機構都建立了300mm晶圓DSA先導線，已經有大量的研究結果顯示DSA光刻在300mm晶圓先導線上展示了優異的性能，這也為DSA光刻技術走向工業化生產邁出了重要的一步。

　　DSA光刻技術能夠取得快速的進步與嵌段共聚物材料的發展密切相關。目前，嵌段共聚物PS-b-PMMA已成為DSA領域的“黃金標準”，PS是非極性聚合物，而PMMA屬于極性聚合物。它的最小周期為22nm，用于分子自組裝的機理探究以及工藝摸索，PS-b-PMMA為DSA進入工業化生產提供了強有力的理論支持與技術指導。

　　2016年，臺積電研究團隊以柱狀相PS-b-PMMA為材料，采用物理外延法DSA光刻技術制備了接觸孔，并對接觸孔的缺陷進行了深入研究。2019年，imec基于PS-b-PMMA嵌段共聚物的DSA，生成具有低且穩定的缺陷率（即橋和位錯）的28 nm節距線/空間圖案。

　　然而，PS-b-PMMA的χ值較小（χ為兩種聚合物之間的弗洛里—哈金斯相互作用參數），無法滿足當前集成電路制造中10nm及以下特征尺寸的需求。所以為了解決工藝節點的不斷發展，如更先進的7nm/5nm/3nm等，學術界也聚焦于合成高χ值的嵌段共聚物，如PS-b-PPC、PS-b-P2VP、PS-b-P4VP、PS-b-PAA等。這些高χ值材料經微相分離后形成的圖形特征尺寸均在10nm以下，可以很好地滿足目前集成電路制造的需求。

　　在2021年的SPIE高級光刻會議上，imec 首次展示了定向自組裝 （DSA） 的能力，使用高χ值嵌段共聚物材料制備了周期為18nm的線條光柵陣列結構，他們與TEL切合作開發的定制干法蝕刻化學物質允許將18 nm線/空間圖案成功轉移到足夠深的 SiN 層中，以進行后續缺陷檢查，而不會出現明顯的線擺動或線塌陷。這些結果證實了DSA有潛力補充用于亞 2 納米技術節點的工業制造的傳統自上而下圖案化。

　　在高χDSA 和隨后蝕刻到目標 SiN 層后，18nm 線/空間圖案的自上而下（左）和橫截面（右）SEM 圖像。來源：IMEC

　　“近年來，DSA 吸引了大量的工業興趣，已經發展成為一個由大學、計量學家、材料和設備供應商組成的寶貴生態系統。我們的 DSA 生態系統是我們迄今為止取得的成果的關鍵，”imec的高級圖案化工藝和材料副總裁Steven Scheer說。imec的DSA材料的合作伙伴包括德國的Merck、美國的Brewer Science、東京電子等等。

　　更重要的是，2021年TEL研究團隊報道了基于嵌段共聚物DSA光刻技術對化學圖案上的缺陷具有一定的修復能力。嵌段共聚物為有機材料，它具有一定的柔性與可壓縮性，因此對化學圖案上的缺陷存在一定的容忍度。

　　德國的默克在2015年就已經開始試產電子級純度的DSA材料，為 DSA光刻技術從實驗室走向工業化制造不懈努力。“這項革命性技術有望徹底改變半導體制造工藝，并將加快下一代構圖應用的引入。”默克半導體解決方案全球負責人Anand Nambiar表示。2020年9月，默克在德國正式開設了新的電子應用研究中心，將致力于下一代顯示和半導體材料的研發活動，其中半導體材料包括光刻膠材料、電介質和DSA材料。2021年4月，默克宣布投資2000萬歐元將擴大其在日本的研發和制造基地，將建設新的基礎設施，以推動和加速電子材料的創新，這個工廠所開發和制造的就包括DSA材料。

　　許多研究機構已經意識到DSA的優勢，并希望將其應用于微電子制造中。目前，基于嵌段共聚物的DSA光刻技術已經被用于制造各種半導體器件，如鰭式場效應晶體管（FinFET）、存儲器、位元圖案介質和光子器件等。在SPIE上發表的一篇論文中，也指出了DSA應用于DRAM的可能性。

　　DSA工業化面臨的挑戰

　　DSA光刻技術應用于工業化主要分大兩步，首先是采用“自上而下”的光刻工藝制備引導圖形。然后，嵌段共聚物分子在制備的引導圖形上進行自組裝。目前進行自組裝的研究已經頗多，此前一直困擾DSA光刻的缺陷問題也逐漸控制到半導體行業所能接受的范圍。并已經在300mm晶圓DSA先導線上進行了實踐，證明了其進入工業化的可行性。

　　問題主要在引導圖形上，目前關于DSA圖形化工藝的計算光刻以及EDA研究非常少，這是DSA光刻工業化中所面臨的最大挑戰。因為在實際芯片制造中，其版圖非常復雜，并不是簡單的規則圖形。IBM研究團隊提出在芯片制造中融入DSA工藝，開發一套計算光刻工具，實現設計工藝協同優化，形成材料、設備、工藝、計算光刻、仿真模擬和EDA的完整產業鏈，推動DSA光刻技術真正進入工業化生產。

　　當然，嵌段共聚物DSA光刻技術進入工業生產，還需對DSA工藝、材料以及與現有半導體產線的兼容性問題進行全面了解。工藝方面，需要選擇合適的設備，優化工藝條件，以實現高通量制造；材料方面，要保證嵌段共聚物的批量化生產、電子級純度以及穩定性。此外，還需采用先進的設備對缺陷進行檢測和分析。

　　任何新技術在工業化的道路上都是漫長且崎嶇的，EUV光刻技術也是經歷幾十多年的發展，DSA這項光刻技術無疑也將面臨一些波折。不過DSA這項革新的自下而上的圖形形成方法以及在成本上的節約，將繼續支撐DSA研究者們的熱情。