光刻是半導體行業(yè)的核心技術(shù)。自仙童半導體公司的羅伯特諾伊斯在1960年發(fā)明單片集成電路以來，光刻技術(shù)一直是主要的光刻技術(shù)。

本質(zhì)上，陰影掩模（s*ow mask）用來協(xié)助一種稱為光刻膠的光敏材料進行圖案化，從而能夠進行圖案化沉積和蝕刻工藝。而光刻工藝的*終解決方案是由所用光源的波長決定的。

在開發(fā)更短波長的光刻源方面取得了進步。這使得以摩爾定律為特征的電路密度不斷增加。歷史上使用汞放電燈，例如 365 nm i-Line，但*近使用 248 nm 的 KrF 或 193 nm 的 ArF 準分子激光器成為*光源。當使用液體浸沒技術(shù)時，ArF 激光器獲得的*終分辨率約為 50 nm，其中透鏡和半導體晶片浸入水中，水中的折射率高于空氣。

過去二十年見證了193 nm以下波長光刻技術(shù)的發(fā)展。在使用 F2 準分子激光器開發(fā)基于 157 納米的光刻技術(shù)方面付出了一些努力，但主要關(guān)注點是使用 13.5 納米軟 X 射線作為光源的極紫外 (EUV) 光刻技術(shù)。

荷蘭公司 ASML 在 EUV 技術(shù)的開發(fā)中發(fā)揮了主導作用，他們的工具集現(xiàn)在被包括英特爾、三星和臺積電在內(nèi)的主要* CMOS 代工廠用于生產(chǎn)。

光刻方法的實踐

應用許多光刻方法來產(chǎn)生單芯片設計。TechInsights *近對三星 5LPE 工藝進行了詳細分析。圖 1 顯示了器件 CPU 邏輯區(qū)域中柵極和鰭片布局的平面圖 TEM 圖像。

圖 1：Samsung 5LPE Gate and Fin Layout

自對準四重圖案化 (SAQP) 幾乎可以肯定用于對鰭進行圖案化。圖像注釋中顯示了 fin mandrels的大致位置，該位置將使用 ArF 193 nm 浸入式 (ArF 193i) 光刻進行圖案化。然后將通過在mandrel上創(chuàng)建 sidewall spacers來形成*終的 fin pattern。mandrel將具有 108 nm 的間距（pitch）。然后移除mandrel，然后使用*個側(cè)壁間隔物（ sidewall spacer）圖案來創(chuàng)建第二組側(cè)壁間隔物，*終的鰭間距為 27 nm。

兩組側(cè)壁間隔物的大致位置和尺寸如圖 2所示，這是一張橫截面 TEM 圖像，顯示邏輯區(qū)域中三星 5LPE 工藝的 27 nm 間距鰭結(jié)構(gòu).

圖 2：Samsung 5LPE Fin Cross Section

然后將使用有源鰭（active fin）切割掩模去除不需要的鰭并用淺溝槽隔離 (STI：shallow trench isolation) 替換它們。圖 1中所示的金屬柵極很可能是使用自對準雙圖案化 (SADP) 技術(shù)形成的，其中mandrel上的側(cè)壁間隔物直接用于圖案化多晶硅柵極，后來被金屬柵極取代。

目前正在生產(chǎn)的*半導體器件的尺寸明顯小于使用 ArF 浸沒式光刻技術(shù)可獲得的約 50 nm *小半間距。這需要開發(fā)越來越復雜的工藝技術(shù)方案。例如，根據(jù)*近的 TechInsights 分析結(jié)果，三星 5 納米 LPE 工藝使用了多種*的光刻方法，包括 EUV，如表 1 所示。

表 1

SAQP光刻技術(shù)可以產(chǎn)生非常精細的間距特征；但是，它僅限于創(chuàng)建沿單個方向定向的單軸結(jié)構(gòu)（ uniaxial structures）。線路末端需要特殊切割（ Special cut）的掩模，以防止相鄰線路之間短路。EUV 光刻沒有這些限制，但成本較高。

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

圖 3：Samsung 5LP Metal 0 Layout

納米壓印光刻和直接自組裝光刻

EUV 設備和工藝非常復雜和昂貴，因此業(yè)界一直在研究替代品。三個主要競爭者是：

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

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

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

其中，EBL 提供非常高的空間分辨率（優(yōu)于 10 nm），但配置和執(zhí)行速度較慢，本文將不作進一步考慮。EBL 確實有商業(yè)應用，但不是在大批量*節(jié)點制造中。

納米壓印光刻技術(shù)*早由明尼蘇達大學的Stephen Chu 提出。該技術(shù)基于聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 的壓縮成型。Chu 和他的合著者在 1996 年發(fā)表在《科學》雜志上的一篇論文中報告了 25 nm 分辨率的圖案化。他們于 1995 年發(fā)布了開創(chuàng)性* US577290*。NIL 技術(shù)于 2003 年被添加到 ITRS 路線圖中，該領(lǐng)域一直是持續(xù)研究和開發(fā)的領(lǐng)域。佳能是全球主要的光刻設備供應商之一，并且他們現(xiàn)在提供 NIL 產(chǎn)品線，東芝是他們的早期客戶之一，建議的應用是 NAND 閃存生產(chǎn)。

直接自組裝光刻取決于嵌段共聚物（block-copolymers）在預圖案化基板上的直接定向。該技術(shù)類似于 SADP 和 SAQP，因為使用較粗的間距模板（coarser pitch template）來創(chuàng)建較細的間距結(jié)構(gòu)（ finer pitch structure）。DSA 技術(shù)于 1990 年代*提出，并于 2007 年成為 ITRS 路線圖的一部分。DSA 的主要支持者是 IMEC 的一個研究小組。2021 年，他們展示了使用 DSA 形成 18 納米間距線圖案。據(jù)我們所知，直接自組裝尚未被任何主要半導體代工廠用于大批量生產(chǎn)。在過去的二十年里，這項技術(shù)進行了大量的研發(fā)和*活動，但還沒有商業(yè)用途。

*光刻的創(chuàng)新*

TechInsights與 Cipher 合作，一直在探索*光刻市場的創(chuàng)新。目前，基于光學光刻的技術(shù)主導著半導體市場，其中 ArF 193i 是用于圖案化細間距特征的主要方法?；?EUV 的光刻開始出現(xiàn)在**的 CMOS 技術(shù)中，例如上一節(jié)中討論的三星 5LPE。

不幸的是，EUV 方法非常昂貴，并且可能存在與 ASML 交付 EUV 硬件相關(guān)的供應鏈問題。我們預計該行業(yè)將積極尋求替代方案。Cipher 一直與 TechInsights 合作開發(fā)*分類器，可用于監(jiān)控特定領(lǐng)域的創(chuàng)新步伐，例如 EUV、NIL 和 DSA 光刻。

Cipher *分類器使 TechInsights 能夠繪制出 EUV、NIL 和 DSA *光刻*的概況。圖 4 顯示了按技術(shù)排名前 5 位的*組織的表格。

圖 4：Top 5 Companies by NIL, EUV and DSA Patent Holdings

表格顯示：

? 佳能顯然對 NIL 技術(shù)寄予厚望；

? ASML 對 EUV 的投資*多，但也積極參與 NIL 和 DSA 研究；

? 從*光刻研發(fā)的角度來看，臺積電顯然是*的代工廠。他們是對 EUV 投資*多，但在 NIL 和 DSA 方面也很活躍；

? 三星排在第五位，也在兩面下注，盡管他們的*活動水平遠低于臺積電；

? Karl-Zeiss 排在第四位，他們作為光刻供應商的主要關(guān)注點是 EUV 也就不足為奇了；

該表未顯示包括GlobalFoundries、IBM 和 Intel 在內(nèi)的北美主要組織，它們的排名更靠后，分別位于第 16 位、第 17 位和第 32 位。

圖 5 根據(jù) Cipher *分類器獲得的結(jié)果，將中國排名前 10 位實體的*格局與世界其他地區(qū)進行比較，按組織和光刻技術(shù)類型列出了當前活躍*家族的數(shù)量。

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

圖 6顯示了按年份和*光刻技術(shù)提交的*族數(shù)量僅供中國公司使用的空間。*總數(shù)相當少，但有持續(xù)的EUV、DSA 和 NIL 這三個技術(shù)領(lǐng)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顯示了世界其他地區(qū)（不包括中國）在*光刻領(lǐng)域按年份和技術(shù)提交的*族數(shù)量。

圖 7：Number of Patent Families Filed by Year and Technology for Rest of World

當然，世界其他地區(qū)的*數(shù)量要多于中國。數(shù)據(jù)顯示 EUV *活動呈持續(xù)上升趨勢；然而，大約在 2013 年之后，DSA *活動和 NIL 技術(shù)*活動在大約 2018 年之后有所下降。這也許并不奇怪，因為 ASML EUV 技術(shù)現(xiàn)已商用，從而減少了尋找替代品的動力。

結(jié)論

*的光刻技術(shù)對于摩爾定律擴展的延續(xù)*關(guān)重要。該行業(yè)目前正在押注EUV，輔以*的 193i 技術(shù)，如 SADP 和 SAQP，將繼續(xù)縮小到上面討論的 5 納米技術(shù)以下。不幸的是，EUV 取決于使用極其復雜和昂貴的設備，因此該行業(yè)繼續(xù)尋找替代品，例如作為 NIL 或 DSA，這可能會提供一條替代途徑。

審核編輯 ：李倩