微納制造技術(shù)：定向自組裝（DSA）終于找到了立足點

十年前，定向自組裝（DSA）迎來了一個充滿希望的開端，隨后又在實驗室里苦苦掙扎了數(shù)年，如今，DSA 領域突然發(fā)展得更加迅速。盡管 DSA 尚未用于生產(chǎn)，但對新工藝流程和更高質(zhì)量聚合物的研究可以在重復結(jié)構(gòu)中比以往更精細地控制特征尺寸和圖案。

圖：2020版國際設備和系統(tǒng)路線圖（IRDS）

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

然而，與半導體行業(yè)中的許多新技術(shù)一樣，對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)。僅舉了幾個例子，缺陷控制、可擴展性以及與現(xiàn)有工作流程集成的復雜性阻礙了進度。

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

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

“對 DSA 的普遍批評是，由于結(jié)構(gòu)的自組裝性質(zhì)，很難控制缺陷，”imec 研發(fā)團隊負責人 Hyo Seon Suh 說道?！暗?EUV 的隨機缺陷也難以控制，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?！拔覀冊?SPIE 等會議上公開討論過的一個工藝流程是使用 DSA 進行 EUV 光刻膠校正。DSA 可以從根本上改善 EUV 光刻固有的系統(tǒng)性和隨機性變化。利用這項技術(shù)，英特爾展示了 DSA 增強型 EUV 多重圖案化方法，最終金屬間距為 18 納米，并具有強大的電氣性能?！?/p>

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，不是為了改進間距，而是為了矯正線條?！?/p>

定向自組裝（DSA）通常被描述為共聚物材料自組裝以在半導體基板上形成納米級分辨率圖案的過程。雖然這是一個準確的描述，但它沒有提供有關如何完成此過程以及為什么這些共聚物材料會產(chǎn)生這樣的行為的詳細信息。對該過程進行稍微簡化的解釋有助于理解 DSA 技術(shù)如何使關鍵尺寸（Critical Dimension，簡稱CD） 分辨率受益并為較低節(jié)點提供修復。

分離的科學——從沙拉醬到半導體

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）旨在進行化學相分離，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)生精確的納米級結(jié)構(gòu)。

圖 1：PS-b-PMMA 嵌段共聚物的代表。每個嵌段的長度由每個嵌段中單體的數(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堿來形成負離子，碳負離子在碳增長中發(fā)揮了至關重要的作用。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，因為 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

當使用 ATRP 等技術(shù)合成時，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)共價連接，但由于化學性質(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，因此當它們形成鏈時，BCP的PS端與PMMA端連接，同時彼此排斥。（圖2 ）

圖 2：PS-b-PMMA BCP 鏈中創(chuàng)建的不同域為半導體結(jié)構(gòu)提供了基礎模板。資料來源：半導體工程/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可以形成的CD的更精細的控制。［1］

然而，與半導體制造中的大多數(shù)事情一樣，沒有什么是免費的。如果能量差太大，可能會導致過度的相分離，從而可能導致加工復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優(yōu)化并考慮具體應用。實現(xiàn)這種平衡是一項復雜的任務，需要精確控制和理解聚合物化學。

定義 關鍵尺寸（CD）

通過 DSA 對硅進行圖案化有兩種有效的方法：圖形外延流和化學外延流。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：半導體工程/Gregory Haley

另一方面，化學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 流動提供錨點，在垂直方向上對齊相移的 BCP（見圖4）。

圖 4. 展示化學外延 DSA 的簡化流程。資料來源：半導體工程/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?！暗俏覀兛梢灾谱饕粋€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 才能實現(xiàn)的尺寸，而且無需支付購買 EUV 工具的費用?！?/p>

DSA 的優(yōu)點之一是它可以根據(jù) PS 與 PMMA 的單體比例靈活地形成不同的結(jié)構(gòu)。當每種聚合物的比例約為 50% 時，可以獲得如上圖所示的片層圖案。一個塊與另一個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 補充道?！拔覀冎恍枰恍﹫D案來引導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，盡管每個流程中都有多個子集，使用不同的化學品、材料和層；行動命令；以及達到預期結(jié)果的額外步驟。

圖案外延和化學外延都有其優(yōu)點和缺點。圖案外延利用成熟的工藝來形成基礎結(jié)構(gòu)，通常需要更少的步驟來實現(xiàn)最終的 CD。然而，它要求溝槽的尺寸與鍵合對的 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。

化學外延需要更少的空間來實現(xiàn)類似的 CD，并在設計上提供更大的靈活性，因為它不需要與 BCP 鏈長度完全匹配。但它通常涉及更復雜和微妙的過程，包括使用特定的化學圖案材料，這使得控制更具挑戰(zhàn)性?；瘜W外延也可能對表面能和聚合物-基底相互作用的變化更加敏感，如果處理不精確，可能會導致缺陷。

DSA的缺點是缺陷率

將 DSA 從實驗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)標準。DSA 中的常見缺陷包括線間橋連、線塌陷、氣泡和線錯位。位錯是一個特殊的挑戰(zhàn)，因為它們在蝕刻或圖案轉(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缺陷問題比較復雜，影響缺陷的因素較多。與工藝相關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因素可能會引發(fā)問題。

DSA 工藝的一個顯著缺點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，這對于常規(guī)存儲設備來說更好，但對于邏輯來說卻更困難。“如果一個設備有一個我們必須打印的結(jié)構(gòu)，它必須是周期性的和簡單的，”Suh 說?！斑@對于 DRAM 來說非常有用，因為它的結(jié)構(gòu)是基本的，并且在高度重復的模式中是一致的。就邏輯而言，這是一個更加隨機的結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)的設計需要具有 DSA 感知能力。”

其他人也同意?！癉SA 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商合作，將 DSA 缺陷降低到 HVM 級別，并與內(nèi)部設計團隊合作，使布局與 DSA 兼容。”

DSA的檢驗和計量

DSA 結(jié)構(gòu)的尺寸計量存在一個重大問題。由于 DSA 形成的圖案缺乏化學對比，測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，但這嚴重限制了微調(diào)和校正的選擇，導致昂貴且耗時的返工，甚至整個批次的報廢。

CD-SEM 圖像主要用于識別 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采樣點，考慮到 DSA 的缺陷率較高，這是一個問題。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 圖像分析的機器學習 （ML） 模型，使用最先進的神經(jīng)網(wǎng)絡 YOLOv8 獲得六邊形接觸孔 DSA 圖案數(shù)據(jù)集的完整標簽，實現(xiàn)了超過 0.9 mAP 的精度（平均精度的 90%）。［4］

據(jù)多個消息來源稱，當今的 DSA 檢查通常使用散射測量法進行。然而，imec 的 Dehaerne 和同事指出，沒有可用于 DSA 分析的傳統(tǒng)自動缺陷檢測軟件。“基于機器學習的 SEM 圖像分析已成為使用監(jiān)督 ML 模型進行缺陷檢測的一個日益流行的研究主題。”［4］

DSA的新興用途

有關計量學的研究只是 DSA 在半導體制造中突破性新應用的最新進展之一。韓國高級科學技術(shù)研究所的科學家們正在使用 《10nm BCP 沿著 2D 石墨烯薄片的原子邊緣進行自組裝，以實現(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 具有開關特性的《10nm石墨烯納米帶陣列。

布魯克海文國家實驗室的科學家最近使用 DSA 在硅襯底上開發(fā)了一種超導薄膜量子材料（厚度《100nm）。他們的工藝可以在現(xiàn)有的半導體制造工藝中實現(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現(xiàn)電傳輸。

結(jié)論

這是定向自組裝重新出現(xiàn)的激動人心的時刻。隨著缺陷率的下降和新計量選項的上線，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)點進行圖案校正。最有吸引力的是，它可以擴展 193nm 光刻技術(shù)，而無需購買 EUV ***。

十年前，DSA 領域迎來了一個充滿希望的開端，隨后又在實驗室里苦苦掙扎了數(shù)年，如今，DSA 領域突然發(fā)展得更加迅速。盡管 DSA 尚未用于生產(chǎn)，但對新工藝流程和更高質(zhì)量聚合物的研究可以在重復結(jié)構(gòu)中比以往更精細地控制特征尺寸和圖案。