DSA于21世纪初得到初步发展，并在随后几年里引起了主要半导体制造商的高度关注，后来在一定程度上失宠，部分原因是EUV光刻获得了重要投资，取得了进步。然而，DSA材料及工艺的最新进展，可望打消延迟实现的疑虑。
选择合适的光刻技术，不一定要非此即彼，二中选一。结合使用EUV光刻及DSA技术，可能会创造难能可贵的机会。虽然两者有时被看作是竞争对手，但将其视为相得益彰的互补型技术，则更加合情合理。本文介绍了结合使用EUV和DSA技术为光刻技术带来的益处，以及此前存在的障碍变得无足轻重的原因。
材料定义图案
大多数光刻技术采用掩模定义图案，然而在DSA工艺中，图案存在于材料本身，这就是它与众不同的地方。用于DSA的原始嵌段共聚物(BCP)结合了聚苯乙烯(PS)和聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。这两种聚合物能自然而然地将自身分离成独立相。调整PS-b-PMMA材料中的PS及PMMA的相对比例，使形态由球形变为圆柱形，再变为层状形态(图1)。Flory相互作用参数χ及片段长度的乘积，决定了有序结构的间距。χ值越大，所得结构的间距越精细。
图1：BCP类形态作为组分的函数。当Α组分的占比增加时，结构从球体变为圆柱体，再变为层状。图中L0指特征域长度尺度、N为链段数。
标准PS-b-PMMA材料具有相对较低的χ，将间距限制在20nm或更大。一些材料制造商正考虑使用PS-b-PMMA以外的化学成分，生产高的BCP，用聚二甲基硅氧烷或聚羟基苯乙烯代替PMMA组分。更改PS-b-PMMA亦可增加χ，亦可能调节χ、分子量及玻璃化转变温度，在各种退火条件下，实现14nm~40nm之间的层片间距。
BCP沉积的工艺比较简单。旋涂在基材上的中性层，可使BCP在热退火过程中分离成单个域。中性层不对BCP中任一聚合物链具有亲和力，可使域分离。聚合物域分离负责图案形成。
工艺注意事项
DSA沉积过程使用此两种基本方法中的一种。制图利用地形学对准BCP，沉积在相对较深的沟槽中。引导图案决定沟槽，将BCP限制在其优先方向对准的图案。化学外延法基于平面基底上的化学图案，其上是BCP自对准。
半导体产业正追求制图外延结合化学外延，有利于制图外延法产生细间距穿孔，亦有助于化学外延创建并行线数组。
退火温度在250℃~275℃之间，符合标准半导体工艺规范。退火过程可长达两个小时，使所创建结构的缺陷率足够低，但增加了工艺成本。
PS-b-PMMA BCP正在大规模量产。目前，全球有110万吨此种材料用于各种应用，如此庞大之数量，超过了整个半导体产业的需求。因此，未进行商业化生产的DSA材料当前目标为满足半导体应用，但产业准备就绪之时，且已安装基础设施，便可扩大适合材料的生产。
DSA正红的原因
2007年DSA入选国际半导体技术蓝图(ITRS)。起初，主要半导体产业企业认为，DSA会在14nm和7nm之间的任一逻辑节点迈入商业生产，甚至动态随机存取内存(DRAM)可以更快地实现商业生产；但目前为止未能实现。2016年DSA研讨会调查显示，DSA技术尚不具备成为主流技术之条件，且在未来数年内也不会成为主流，但是一些整合零件制造商想推进DSA工艺发展，也有支持此举不仅具备可能性，也十分可取的理由。
图2：使用含硅抗反射涂层(Si-HM)的色调反转制图外延法(TIGER)的示例工艺，包括光刻、DSA沉积及蚀刻。
将波长降低到193nm浸润式光刻，使线宽和间距降至80nm。自对准四重图案化(SAQP)等技术，可以透过多次光刻/蚀刻迭代产生更小的特征，惟需添加光刻步骤，每一个都需要定制掩模。
浸润式光刻技术快走至穷途末路，亦为下一代光刻技术提供了机会。在10nm~30nm关键尺寸(CD)的设计，为此等最先进的技术创造了最佳条件。
EUV光刻技术的进步，为业界青睐DSA的一个因素。当今的EUV材料与老一代产品相比，具有更高的灵敏度，因此需要较低的紫外线剂量；线粗糙度亦有所提高。EUV光刻可以产生30nm或40nm间距的通孔，但浸润式光刻无法做到。
DSA的较高分辨率，甚至超过了半导体产业当前需求。当前，特征尺寸发展水平，可使DSA尤为有效。若此趋势继续发展，到2020年末，人们会广泛使用此技术。
DSA及EUV两相结合相得益彰？
最有效的解决方案在于综合运用EUV和DSA技术，将每种技术的优点发挥到极致。这两种方式都能让分辨率达到与N7和N5逻辑节点兼容的水平。EUV光刻工艺非常适合多种不同间距的曝光设计，这些间距低至线宽，并且间隔大约为30nm。然而，对于此类精细间距，需要的光罩步骤数量可能会使这项技术非常昂贵。尤其是在高产能率下，局域线宽均匀性(LCDU)也是一个很大的问题。
最初的硬质光罩光刻工艺对于EUV和DSA是一样的，但它们在曝光过程中有差异。一旦BCP沉积，DSA无需额外光罩即可达到30nm特征尺寸。退火自然地将这两个阶段分成不同的形态，但是DSA工艺最适合单一间距的设计。
EUV可用于在晶圆上绘制分辨率较低的特征，并制作后续DSA沉积的间隔物。这种组合提供设计最大弹性的同时，又简化了制造过程，达到消除工艺步骤和减少光罩成本的目的。与单一的EUV相比，LCDU更好一些。
DSA最适合具有多重、重复、普通精细间距特征的装置。因此，它可能会首先被用于DRAM中，随后会用于逻辑设备上的层中。尤其是利用EUV来沉积间隔物时，使用DSA制图能实现更复杂的设计，满足不同地区对芯片间距的不同要求。这大概是选择芯片的方法。
图3：DSA材料化学外延法 Liu-Nealey(LiNe)工艺工艺。
尽管有运用DSA和EUV的承诺，只有供货商能说服整合设备制造商(IDM)，让他们相信这种材料已经克服了技术限制，半导体产业才会转而使用这种方法。DSA遭受了很多挑战，导致它被推迟采用：基本的问题包括缺陷、曝光放置准确度、整合至制造工艺的难易度和成本。但我们有理由积极看待这些问题，随着化学的进步，就这些度量标准而言，工艺方法上都有了提升。
克服技术挑战
2016年的DSA研讨会调查中将缺陷确定为最大的技术挑战。缺陷和成本是相关的，因为最低的缺陷等级往往伴随着最长的退火时间。使这两个阶段分离只需低至5分钟的退火时间，但最后的材料含有太多缺陷，导致其不适于商业使用。
每次只能给一片晶圆退火，这使退火成本大幅提高。然而，最近的研究显示，立式炉中运用批量退火可望能大幅减少成本，透过给150个并行的晶圆退火30分钟，研究者能充分论证透过比SAQP更低的成本达到低的缺陷等级。
同时运用DSA和EUV将有望缓解曝光放置错误的问题。例如，EUV光刻工艺能为双峰穿孔制造自组装孔。在EUV过程中，这两个穿孔可能会合并，但在DSA过程中又会自动分离。在没有DSA的情况下，为避免合并的穿孔，可能需要额外的光刻工艺步骤。
当穿孔形状优化时，对于精细间距的穿孔，运用EUV和DSA的方法最可靠。研究表明，花生形状而非椭圆形，最适合以最低风险的曝光放置错误来制造自组装穿孔，甚至对于最具挑战性的N5节点也一样。
合作以加快DSA采用
半导体产业在光刻工艺方面有大量的经验，但DSA需要我们在思维模式上做出转变。BCP材料在半导体产业内还是新生事物，它在材料上的改变是革命性的而非渐进的，因此这一过程可能面临诸多阻碍。在将DSA材料投放到半导体市场交易之前，需要在实际装置上示范使用这些材料。
为填补这一空白，需要半导体产业材料供货商和在BCP方面有资深经验的化工公司的鼎力合作。这样的合作已经在进行中了。Brewer Science已经与Arkema合作，后者是一家有20几年生产BCP经验的公司，但几乎从未涉足半导体产业。两家公司的合作关系确立于2015年，开始了DSA材料的试产，这为这项技术从实验室到运用至商业半导体产品的过程铺平了道路。
DSA和EUV应该被视为相辅相成而非互相竞争的技术，它们最终会成为精细间距光刻工艺运用在N7等节点的主流技术。业内企业应跳出孤军奋战的局面，且材料供货商和化工公司应建立合作关系以迎接这种转变。
作者：Douglas J.Gerrero，Brewer Science，高级技术专家暨比利时微电子研究中心(IMEC)成员
via：eettaiwan
