新的应用程序给这个新兴技术新的希望,但不是其原来的目标。
十年前,这个行业努力交付EUV光刻时,定向自组装(DSA)咆哮的前沿研究和发展几乎所有制造商决定延长193年我的极限。这是2012年的热门话题,有先进光刻技术会议上,一位与会者从应用材料比较其潜在扰乱行业1969年伍德斯托克音乐会。[1]
像许多新技术在半导体行业,然而,DSA的承诺和兴奋的潜力来解决一个主要产业挑战很快就跑自己的对抗越来越不可逾越的挑战。缺陷控制的复杂性、可伸缩性和集成到现有的工作流程,这些只是其中一部分,阻碍进步。buzz安静下来,DSA被大多数公司搁置,特别是EUV有接近生产。
但DSA最初目标的问题,比如提高CD模式在现有的光刻技术的局限性,并没有消失。此外,一些新的随机缺陷的最先进的EUV节点出现。根据克里斯•麦克Fractilia的CEO,推测学可以占50%以上的高容量的制造商(HVM)总EUV模式误差预算。[2]
“一般的批评DSA是很难控制defectivity由于结构的自组装性质,“说Hyo Seon Suh,在imec研发团队领导。“但随机缺陷EUV也很难控制,这也是为什么很多行业,和我们的核心芯片制造商伙伴,再次看着DSA作为整流随机问题的可行的选择。”
英特尔发言人还说,公司目前正在寻求一些集成的流程流,利用定向自组装(DSA)。“一个流程流,我们已经讨论了在会议上公开学报等EUV抵制与DSA整改。DSA可以从根本上提高固有EUV光刻系统和随机变化。使用这种技术,英特尔已经证明DSA-enhanced EUV多模式的方法,最终金属18海里,距健壮的电气性能。”
其他人也同意。说:“回来DSA是罗摩Puligadda,首席技术官布鲁尔科学。“但一个非常不同的形式。它被用来协助EUV,而不是乘球场但对整流线路。”
定向自组装(DSA)通常被描述为一个过程中,丙烯材料自组装形成纳米级分辨率模式在半导体衬底。虽然这是一个精确的描述,它并没有提供多少细节,这个过程是如何实现的,以及为什么这些丙烯材料的行为方式。有些简化这个过程的解释是有利于了解DSA技术可以受益CD的决议,并提供维修较低的节点。
分离的科学——从半导体的沙拉酱
就像油和醋分离成不同的层由于其不兼容的特性,某些聚合物用于DSA表现类似,但在纳米范围内。DSA一般的单体苯乙烯(S)结合形成聚苯乙烯(PS)和单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)形成聚甲基丙烯酸甲酯,或采用溶胶。
聚合物通常利用在DSA,如聚苯乙烯和PMMA,被设计成分离的化学,类似于油和醋。与后者不同的是,分离是统一的,在DSA,这些聚合物可以精心控制的隔离,导致精确的纳米结构。
图1:PS -的代表b甲基丙烯。每一块的长度,由单体的数量控制在每一个街区,是决定性的因素。来源:半导体工程/格里高利·哈雷
PS通常是通过阴离子聚合合成。这涉及到使用强碱如钠或钾形成负碳离子,在链增长起着至关重要的作用。阴离子聚合提供的精确控制是一种理想的用于创建与特定的长度和分子量聚合物。PMMA,另一方面,可以通过自由基聚合合成或原子转移自由基聚合(ATRP)。虽然不同于PS合成,两个进程都面向制造聚合物与特定的特征。这非常重要,因为DSA过程中产生的结构的形状是由这些聚合物的最终配置决定的。[3]
PS -b甲基丙烯酸共聚物
当使用技术,如合成ATRP, PS、PMMA聚合物形成嵌段共聚物(BCP) PS -b采用溶胶。块PS、PMMA共价连接在聚合物链,但他们隔离成不同的域由于化学不同(参见图1)。
PS也是一个疏水块,PMMA是亲水的,所以当他们形成一个链,PS的BCP连接和PMMA结束连接而互相排斥。(图2)
图2:PS -创建的截然不同的领域b -PMMA BCP链提供半导体结构的基本模板。来源:半导体工程/格里高利·哈雷。
应该注意的是,较大的块之间的能量差,更突出它们之间的隔离,使得小链长度和更精确的控制CD,可以形成。[1]
在大多数情况下在半导体制造,但是,没有什么是免费的。如果能量差太大,它可能会导致过度相分离,导致加工制造过程中的并发症或缺陷。平衡块之间的能量差,链长,所需的域的大小需要仔细的考虑优化和特定的应用程序。实现这种平衡是一项复杂的任务,要求精确控制和高分子化学的理解。
定义CD
有两个模式硅使用DSA的有效方法——graphoepitaxial和chemoepitaxial流动。Graphoepitaxial流使用传统的光刻图案衬底与维度通常2 x 5 x的大小最终CD。沟充满BCP和退火(> 180°C)诱导相分离。沟的底部必须中性防止BCP秉承衬底,而墙是湿的连着BCP之一。结果结构定义的CD BCP链的长度(见图3)。
图3所示。一个简化的流程演示graphoepitaxial定向自组装。来源:半导体工程/格里高利·哈雷
Chemoepitaxial流动,另一方面,依靠不同的表面能量使BCP层。在这个过程中,一个地区的交联PS应用于衬底旁边一个中立的地区。BCP的PS形成交联键的PS,但不是与PMMA,和中立的地区没有债券形式。PS债券提供的锚BCP流,调整相位转移BCP在垂直维度(见图4)。
图4所示。一个简化的流程演示chemoepitaxial DSA。来源:半导体工程/格里高利·哈雷
“例如,如果您正在使用一个193我过程,它不能打印此音高模式,“Suh说。”,但我们可以做更大的音高模式并填写DSA。它叫做“分裂。DSA使制造商实现维度只可能与EUV,但没有买一个EUV工具的费用。”
DSA的优势之一是它的灵活性,形成不同的结构基于PS的PMMA单体的比例。薄片模式如上述所示数据时可以获得每个聚合物的比例在50%左右。的比例显著降低一个街区到另一个可以形成球体较小的块矩阵内的更大的块,而更高比例的同一块可以形成圆柱形结构。这是用于提高孔的CD,甚至乘洞(参见图5)。
“定义结构不需要完美,“Suh补充道。“我们只是需要一些模式,我们可以指导当地的聚合物的自组装,将工作做一个清洁模式。”
图5:获得的过程模式从一个更大的一个小范围洞。来源:imec
正如上面提到的,这些都是简化流程流的两个一般类型的例子,虽然有多个在每个子集,利用不同的化学物质,材料,和层;订单的行动;和额外的步骤才能获得希望的结果。
制图外延法和chemoepitaxy都有他们的优点和缺点。制图外延法利用完善的流程形式的基本结构和通常需要更少的步骤来实现最终的CD。然而,它需要的尺寸海沟与碳链的长度的BCP完全匹配对,和任何线违规可以出现在BCP结构模式。
Chemoepitaxy需要更少的空间来实现类似的CD和设计提供了更多的灵活性,因为它不需要完全匹配的BCP链长度。但它通常包括更复杂和微妙的过程,包括使用特定的化学模式材料,这可以让它更具挑战性的控制。Chemoepitaxy也可能对表面能的变化更敏感,polymer-substrate交互,可能导致缺陷如果不是处理精度。
DSA的缺点是defectivity
引入DSA走出实验室,工厂仍然是阻碍主要由缺陷控制。虽然控制有了较大的改善在过去的三年里,缺陷仍然过高,以满足行业标准的< 1 /厘米2。常见的缺陷DSA包括线之间的桥接,行崩溃,泡沫,和行混乱。混乱是一个特别的挑战,因为他们不能删除在腐蚀或模式转移(参见图6)。
图6:不同缺陷的密度每平方厘米13海里/ P28 EUV模式与DSA。来源:imec
defectivity在DSA的问题是复杂的,有许多因素影响的缺陷。流程相关问题可以包括退火温度、蚀刻方法,剥离方法,和所需的膜厚度,化学纯度和BCP本身的组成等因素会引起问题。
DSA过程的一个重要缺点是它只能使周期,简单的结构,如线在空间或一个洞,使其更好的为常规内存设备但更难的逻辑。“如果一个设备有一个结构,我们必须打印,必须周期性的和简单的,“Suh说。“这是对DRAM,结构基本和统一在高度重复的模式。在逻辑的情况下,这是一个随机结构,所以结构的设计需要DSA-aware。”
其他人也同意。“最大的挑战与DSA一直defectivity DSA-friendly如何布局,“英特尔发言人说。“英特尔曾与材料和工具供应商多年来驱动DSA缺陷HVM水平,和内部设计团队进行布局与DSA兼容。”
DSA检查和计量
有一个重要的问题与DSA结构的空间计量。测量的灵敏度受到缺乏化学对比模式由DSA。这些模式可以看到更好的后转移到衬底(通过腐蚀),但这严重限制了选择微调和修正,导致昂贵和耗时的返工,甚至整个批量的报废。
CD-SEMDSA图像大多是用来识别模式缺陷结构,但CD-SEMs缓慢和有限的几个示例网站晶片,这是一个问题考虑缺陷率较高的DSA。另外,很少有数据集比较监督模型进行分析。但是,康奈尔大学的科学家发表了一篇论文在6月使用机器学习(ML)模型的扫描电镜图像分析得到完整的标签数据集使用YOLOv8六角接触孔DSA的模式,一个先进的神经网络,实现精度超过0.9地图意味着平均精度(90%)。[4]
今天的DSA检查通常是使用散射测量,根据多个来源。然而,康奈尔的Dehaerne和同事注意没有传统,自动缺陷检测软件可用于DSA分析。“机器上优于SEM图像分析已经成为一个越来越受欢迎的研究课题与监督毫升模型缺陷检查。”[4]
新兴DSA使用
计量的研究只是最近的一个突破性发展半导体制造的新应用DSA。韩国先进科学和技术研究所的科学家们正在使用< 10 nm bcp沿着原子的二维自组装的石墨烯片可靠的2 d nanopatterning材料非常低水平的直线边缘和线宽粗糙度形成小于10纳米石墨烯nanoribbon数组切换特色。
布鲁克海文国家实验室的科学家们最近发达一种超导薄膜量子材料(< 100 nm厚)在硅基板上使用DSA。他们的过程可以节省成本,大批量生产(HVM)现有的半导体制造流程的超薄薄膜表现出电子转移在接近于零的能量损失。
结论
这是一个激动人心的时刻的重新定向自组装。DSA为模式提供了可行的生产工艺整改193我和降低节点的EUV光刻defectivity利率下降,新上线计量选项。最吸引人,它可以使193纳米光刻技术的延伸,而不用购买EUV扫描仪。
十年前的一个有希望的开始紧随其后的是年后含情脉脉的在实验室里,DSA突然推进领域的更快。虽然DSA还没有用于生产,研究新的流程和高质量的聚合物可以使更精细的控制功能规模和模式比以往任何时候都在重复结构。
引用
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