Automontagem Direcionada (DSA): Não é um substituto para EUV, mas sim uma ferramenta muito útil / Offsyanka

Quando, há mais de uma década, no final de 2014, especialistas líderes da indústria de semicondutores da IBM, ASML, Imec, Applied Materials e outras empresas similares debatiam acaloradamente a viabilidade da tecnologia EUV, que estava apenas começando a migrar dos laboratórios para as linhas de produção, a auto-montagem dirigida (DSA) era frequentemente mencionada entre outros meios de aprimorar a litografia ultravioleta profunda (DUV) com um comprimento de onda de 193 nm. Diversas variações desse método são conhecidas — aquelas que se baseiam na tensão superficial de líquidos diferentes, na gravidade ou em campos magnéticos como principal força motriz —, mas os engenheiros de microeletrônica estavam focados principalmente na DSA usando polímeros especiais. A essência é que uma estrutura guia em escala relativamente grande — um pré-padrão — é formada inicialmente em uma pastilha de silício, para a qual sistemas DUV relativamente baratos e abundantes são perfeitamente adequados. Em seguida, uma resina fotorresistente contendo copolímeros em bloco — cadeias de macromoléculas compostas por blocos de polímero (subcadeias de monômeros) alternados e ligados covalentemente, com composições variáveis ​​— é depositada sobre essa estrutura.

(a) Fórmulas estruturais do poliestireno e do polimetilmetacrilato; (b) Diagrama da seção transversal de um filme fino de PS-b-PMMA, que forma dois domínios de PS sobre um substrato de sílica neutralizado com RCP (fonte: doi.org/10.1002/admi.202200962)

Um exemplo é um copolímero de bloco de dois componentes — um copolímero dibloco — de polimetilmetacrilato e poliestireno; PS-b-PMMA, poli(estireno-bloco-metilmetacrilato). Seus dois componentes, que possuem energias superficiais significativamente diferentes (um exemplo comum de substâncias semelhantes nesse sentido é a água e o óleo), se repelem. Em um substrato com propriedades físico-químicas neutras, eles formariam estruturas estreitas e curvas alternadas — domínios — compostas de polimetilmetacrilato puro ou poliestireno e morfologicamente semelhantes a padrões papilares. Para a auto-montagem guiada, o substrato é pré-marcado usando um método químico (quimioepitaxia; deposição de “trilhas” de uma substância para a qual um dos componentes do copolímero de bloco gravita de acordo com sua energia superficial) ou um método físico (grafoepitaxia; gravação dos sulcos correspondentes). E quando, após a conclusão do procedimento preliminar, o copolímero de bloco é aplicado ao substrato preparado, ele forma estruturas geométricas bem definidas – linhas elevadas acima da superfície, espaços entre elas, cavidades com bordas anelares, etc. Além disso, usando lasers de 193 nm para aplicar a estrutura guia, com a ajuda da DSA em laboratórios, já é possível atingir uma distância mínima física entre os centros de trilhas metálicas adjacentes de 12,5 nm (e teoricamente este não é o limite) – enquanto que paraA tecnologia de processo EUV, comercializada como “3 nm”, é equivalente a 24 nm. Parece mais do que tentadora; no entanto, a TSMC, a Samsung e a Intel continuam a investir centenas de milhões de dólares em máquinas EUV — e, ainda assim, não demonstram qualquer vontade de acelerar o desenvolvimento das unidades DUV aprimoradas por DSA, que são claramente mais econômicas. O que está impedindo o desenvolvimento de uma tecnologia tão promissora?

À esquerda: Para a tecnologia de processo de 5 nm, a distância física entre as linhas centrais dos barramentos metálicos adjacentes é de 28 nm e, portanto, quando as interconexões são estabelecidas entre condutores em tais camadas sobrepostas, a distância entre os centros dos canais passantes atinge 40 nm. À direita: a mesma estrutura, mas para a tecnologia de processo de 3 nm: em uma camada, a distância entre as linhas centrais dos condutores é de 24 nm e, entre os centros das conexões intercamadas, é de 34 nm (fonte: Proc. SPIE)

⇡#DefinitivamenteMelhor!

Vamos começar com a justificativa para seu potencial: a DSA é claramente superior à litografia EUV clássica, pelo menos em um parâmetro chave como a densidade média de defeitos por unidade de área do chip fabricado. Já escrevemos sobre por que a miniaturização dos padrões de processo abaixo do limite de 5 nm leva a uma ocorrência mais frequente desses defeitos. A questão é que, para “expor” com sucesso um fotorresiste a uma área específica, uma certa quantidade de energia deve ser transferida para essa área. Quanto menor o comprimento de onda da radiação incidente no fotorresiste, mais energético é cada fóton individual e, consequentemente, menos fótons são necessários para atingir o efeito desejado. Mas quando o número de fótons necessários para expor uma seção do elemento mais fino de um circuito semicondutor chega a uma dúzia ou quinze, a estocástica parasita se revela em toda a sua glória: um único quantum de radiação eletromagnética, significativamente (mas ainda dentro dos limites do erro estatístico) desalinhado, pode distorcer a estrutura geométrica formada no substrato e, assim, reduzir significativamente a qualidade do produto fabricado.Nanodispositivos semicondutores. Para a tecnologia de processo de 5 nm, os efeitos estocásticos do processo EUV resultam em características de desempenho altamente variáveis ​​dos transistores criados na superfície da pastilha de silício. A partir de 3 nm, os fótons que entram por caminhos incorretos geram defeitos comparáveis ​​às dimensões dos próprios transistores — rupturas em trilhas condutoras, fusão de contatos adjacentes, etc. Como resultado, na produção em massa desses mesmos microchips de 3 nm, até metade de todos os defeitos de fabricação são causados ​​por estocasticidade fotônica.

É importante entender que, à medida que as dimensões características dos elementos semicondutores individuais diminuem, o papel dos efeitos aleatórios só aumenta: o indeterminismo é uma propriedade inerente dos sistemas quânticos e é fisicamente impossível “focalizar” um feixe de fótons individuais, quase semelhantes a raios X (com um comprimento de onda de 13,5 nm), de modo que os fótons individuais não se desviem significativamente da direção geral pretendida do feixe. Ao mesmo tempo, as imperfeições da tecnologia DSA — que, aliás, levaram ao seu abandono como principal caminho de desenvolvimento para a fabricação microeletrônica há dez anos — são em grande parte de natureza técnica e, portanto, totalmente superáveis. Além disso, essas deficiências podem ser abordadas não em paralelo com o desenvolvimento da fotolitografia EUV clássica atual, ou seja, sem a necessidade de orçamentos separados para ela, mas em conjunto com ela; utilizando a auto-montagem dirigida para corrigir esses mesmos defeitos estocásticos inevitáveis ​​que se tornam o flagelo dos processos tecnológicos próximos ao limiar de comercialização do “nanômetro”. Com essa abordagem, os defeitos formados duranteA exposição à radiação EUV e a gravação da estrutura tornam-se guias para as cadeias de polímeros com DSA (auto-montagem dirigida) – e já sobre estas (ocultando falhas determinadas estocasticamente no padrão EUV, como o gesso que esconde as falhas de uma alvenaria irregular) nas etapas subsequentes de criação de um circuito semicondutor, a próxima camada é depositada.

Um diagrama simplificado da auto-montagem guiada por grafoepitaxia, que permite a produção de estruturas altamente ordenadas com espaçamentos de 15 nm entre elementos adjacentes em pré-formas formadas por métodos de litografia clássica com um espaçamento típico de 100 nm (fonte: Semiconductor Engineering).

Qual é o problema? O que exatamente pode dar errado na auto-montagem guiada? Em certa medida, a estocasticidade também entra em jogo, mas na etapa de formação das moléculas do copolímero em bloco. Essas moléculas consistem em blocos hidrofílicos e hidrofóbicos alternados: as forças de repulsão mútua entre esses fragmentos permitem a formação de “fios” lisos (não propensos a curvaturas e emaranhamentos espontâneos) e extensos, de espessura mínima. Quanto maior a diferença nas energias superficiais entre os blocos adjacentes, mais curtos esses blocos podem ser sem perder suas propriedades químicas e, consequentemente, menor o tamanho característico das estruturas que podem ser criadas por meio da auto-montagem guiada usando tais moléculas. No entanto, se as energias superficiais forem muito diferentes, as ligações covalentes entre os blocos terão mais dificuldade em contrabalançar a repulsão mútua, levando a quebras de cadeia e perturbações na ordem das mesoestruturas do copolímero em bloco. E embora os métodos de produção química sejam geralmente mais eficientes do que os físicos (se um processo para o crescimento de moléculas específicas em quantidades industriais puder ser identificado, otimizado e colocado em produção, é muito mais barato e fácil do que atingir objetivos semelhantes usando engenharia de precisão), a química de polímeros também apresenta muitos desafios para os pesquisadores.Os desenvolvedores não estavam preparados para lidar com todos esses desafios, enquanto o caminho já trilhado no desenvolvimento da fabricação microeletrônica — a fotolitografia EUV — parecia exigir, em sua maior parte, um aumento significativo de esforço, praticamente garantindo um resultado graças à notória “Lei de Moore”.

⇡#Em Termos Práticos

Como já mencionado, existem dois métodos conhecidos para depositar estruturas DSA de copolímeros em bloco sobre um substrato de silício: grafoepitaxia e quimioepitaxia. A grafoepitaxia envolve a marcação prévia da superfície usando fotolitografia clássica, mas com uma resolução várias vezes (2 a 5 vezes) maior que a desejada, o que deve determinar o tamanho característico das estruturas semicondutoras finais. Os “trincheiras” criadas por essa marcação são preenchidas com um copolímero em bloco que, após recozimento (aquecimento acima de 180 °C), sofre separação de fases. Além disso, o tamanho característico dos blocos de PS-b-PMMA (considerando este copolímero de bloco específico) determina o parâmetro físico “passo” — a distância entre os centros das estruturas elementares adjacentes do microchip resultante. Há algumas sutilezas tecnológicas envolvidas (o fundo das “trincheiras” não deve interagir com nenhum dos componentes do copolímero de bloco; uma das paredes, por outro lado, deve ter um revestimento que forme uma forte ligação com um desses componentes), mas, no geral, tudo é bastante consistente e simples.

Diagrama simplificado da auto-montagem guiada quimioepitaxial (fonte: Semiconductor Engineering)

A abordagem quimioepitaxial possui uma característica única: para formar “pilares” a partir de componentes alternados de copolímeros de bloco, cria-se primeiro uma marcação guia, que também alterna regiões com diferentes energias de superfície — às quais os blocos moleculares correspondentes se ligarão naturalmente. Inicialmente, o substrato é revestido com uma fina camada de poliestireno, após o que, novamente utilizando métodos típicos de fotolitografia, ele é gravado seletivamente (com mascaramento), o copolímero de bloco é adicionado, o polimetilmetacrilato é removido e a estrutura resultante é gravada até o substrato. Nesse caso, a resolução física da tecnologia de processo DUV+DSA é várias vezes maior do que a alcançável apenas com equipamentos DSA e é bastante comparável à obtida por sistemas EUV (pelo menos não os de alta NA, mas sim os de primeira geração projetados para 5 nm e 3 nm). Quem sabe — esta informação é, obviamente, confidencial — mas talvez os sucessos alcançados pela indústria chinesa de semicondutores no último ano, com o domínio da tecnologia de processo de 7 nm (e uma forte investida em 5 nm) em equipamentos DUV, se devam precisamente à auto-montagem dirigida (DSA) na etapa final da cadeia de processo? Pelo menos, pesquisadores chineses têm demonstrado recentemente um interesse particular no tema da DSA.

Dependendo da proporção entre os comprimentos das cadeias moleculares de poliestireno (PS) e polimetilmetacrilato (PMMA) no copolímero de bloco, obtêm-se diversas estruturas geométricas no plano. Aproximadamente iguais emAs longas cadeias permitem a criação de fileiras paralelas de wafers altos e finos, ideais para formar as cristas dos transistores FinFET, por exemplo. Variando a proporção dos comprimentos dos monômeros de PS e PMMA, é possível organizar estruturas cilíndricas ordenadas, que podem então formar a base para os “poços” das células de memória NAND. Esses são, naturalmente, os princípios mais básicos do processo DSA; o uso de diversos polímeros, procedimentos e uma abordagem multicamadas expande ainda mais as capacidades experimentais. Particularmente gratificante para os pesquisadores é o fato de que, mesmo sem a execução ultraprecisa da estrutura guia, os copolímeros em bloco auto-organizados ainda se organizarão — simplesmente em virtude das leis da físico-química — em configurações ordenadas muito próximas do ideal. Dessa perspectiva, a abordagem quimioepitaxial parece ainda mais preferível: embora exija mais tempo e esforço, não possui requisitos tão rigorosos quanto às dimensões físicas das “trincheiras” preexistentes ou à aplicação precisa de produtos químicos específicos em suas paredes.

A densidade (unidades/cm²) de vários tipos de defeitos — cuja aparência é ilustrada pelas imagens acima — para o processo DSA em uma estrutura guia fotolitográfica de 13 nm (fonte: Imei).

Nesse tom otimista, voltemos à pergunta inicial: o que nos impede de usar o DSA o mais amplamente possível — se não como substituto do EUV, pelo menos como suporte para os fotolitógrafos DUV totalmente funcionais que já poderiam ser usados ​​para produzir os tão necessários chips (especialmente DRAM e NAND) usando padrões de fabricação menores? Infelizmente, na indústria de semicondutores, a maturidade de uma tecnologia geralmente é proporcional à sua idade, e o DSA é bastante recente: vale lembrar que foi apenas no início dos anos 2000 que passou a ser seriamente considerado como uma tecnologia viável. A quimioepitaxia, por exemplo, que é notável em todos os aspectos, sofre consideravelmente com a falta de métodos simplificados para a produção dos produtos químicos altamente purificados que requer. com valores de energia superficial estritamente constantes para cada seção das cadeias poliméricas e para os substratos sobre os quais são depositadas. Basta dizer que, na fabricação microeletrônica, o padrão da indústria para um processo tecnológico aceitável implica uma taxa de defeitos estável na peça processada de menos de uma unidade por 1 cm². Somente na DSA, existem dezenas de tipos diferentes de defeitos de fabricação e, para cada um deles, o número de defeitos por centímetro quadrado pode chegar a quase 30. Em literalmente todas as etapas — manter uma temperatura de recozimento específica, garantir uma espessura estritamente especificada de filmes finos depositados no substrato —Toda a área da superfície, a atividade química das substâncias envolvidas no processo de corrosão, etc. — esse processo delicado é vulnerável às mínimas flutuações nos parâmetros de operação, o que se reflete no aparecimento de um número tão significativo de defeitos.

⇡#E ainda assim está se estabilizando

Além da densidade de defeitos ainda alta (e a correção desse problema inicial, ao contrário da estocástica quântica dos fótons EUV de alta energia, é uma questão de prática, como já mencionamos), a DSA enfrenta outro desafio prático. Especificamente, ela é adequada para formar estruturas estritamente ordenadas, sejam elas pentes de “aletas” estreitas ou orifícios cilíndricos perfeitamente alinhados nos nós de uma rede quadrada. Mas os circuitos lógicos exigem um arranjo mútuo de componentes muito mais complexo, onde a distância entre um par de elementos adjacentes deve ser em uma direção, enquanto a distância entre o próximo deve ser significativamente diferente. Nesse caso, a DSA, como um método químico (em oposição à engenharia fotolitográfica) de baixo custo para a produção em massa de estruturas em miniatura, francamente falha. É certamente reconfortante saber que, para chips de memória, um grau tão elevado de ordenação dos componentes semicondutores, alcançado essencialmente de forma automática, sem a utilização de dispositivos e equipamentos complexos, representa uma verdadeira salvação. Isso renova a esperança de que os fabricantes de memória DRAM, que de qualquer forma terão de expandir rapidamente sua capacidade de produção nos próximos anos, não economizarão no investimento no desenvolvimento de um método tão rentável (no futuro, quando finalmente aperfeiçoado) para prolongar a vida útil do que parece ser objetivamentemáquinas DUV antigas.

Diversos defeitos podem ocorrer, e infelizmente ocorrem, na estrutura formada pela DSA, e não são fáceis de detectar (fonte: NIST).

Outro problema, menos óbvio, com a DSA surge durante o exame e a verificação da amostra produzida por esse método. Os copolímeros em bloco, apesar de as propriedades físicas de seus componentes (energia superficial) serem drasticamente diferentes, formam superfícies com contraste extremamente baixo para um observador externo, o que torna sua análise metrológica incrivelmente difícil. As ferramentas padrão de detecção de falhas em semicondutores — microscopia eletrônica de transmissão e difração de raios X — não permitem a detecção eficaz das interfaces entre os componentes de um sanduíche de polímero dibloco em seu interior, o que acarreta o risco de uma avaliação incorreta do desempenho dos microchips resultantes. Afinal, uma estrutura em camadas cresce em três dimensões e, mesmo que se observe uma alternância estritamente ordenada de faixas de igual largura na superfície, desvios da vertical são bastante possíveis dentro da camada (quando a seção transversal resulta em uma cunha em vez de um retângulo), sem mencionar o risco de descontinuidades — ambos os quais, sem dúvida, impactarão as propriedades físicas do semicondutor formado dessa maneira.

De qualquer forma, parece que o período antes que a DSA saia dos laboratórios e entre na linha de produção não será longo. A própria Intel começou a expressar interesse nessa tecnologia em 2024, pouco depois de ficar claro que havia adquirido às pressas as mais recentes e proibitivamente caras fotolitografias EUV de alta NA (US$ 380 milhões por unidade).Por favor, não, não aceitamos transferências pelo Sistema de Resposta Rápida (SBP). O custo de processamento de uma peça em uma única passagem é maior do que o de uma máquina EUV de primeira geração operando em duas passagens. E embora a fabricante americana de chips não tenha tido muito sucesso com a tecnologia de processo 18A, a promissora 14A impressionou bastante os potenciais clientes — principalmente, aparentemente, porque sua versão proprietária de auto-montagem dirigida, SALELE (Self-Aligned Litho-Etch Litho-Etch), tornou-se parte integrante dela. A Intel anunciou isso no início de 2024, na SPIE Advanced Lithography & Patterning: é em combinação com o alinhamento DSA das linhas, presumivelmente não muito nítidas, formadas ao expor a peça a fótons EUV de alta energia que é possível formar elementos de dispositivos semicondutores no substrato a uma distância de 18 a 21 nm uns dos outros.

A tecnologia SALELE, juntamente com SADP e SAQP, está entre os processos de fabricação autoalinhados que estão sendo ativamente desenvolvidos pela indústria de semicondutores atualmente (fonte: Siemens).

Em termos estritos, os engenheiros microeletrônicos vêm desenvolvendo essa abordagem (bastante lógica) para aprimorar a fotolitografia clássica na faixa de 1 a 2 nm há anos. Mesmo as primeiras litografias EUV (hoje, ao se referir a elas, o termo esclarecedor “Baixa NA” é adicionado para distingui-las das mais atuais) implementavam a dupla padronização autoalinhada (SADP), que, por sua vez, era uma evolução da versão mais antiga da litografia de duas passagens — a sequência de processos litografia-gravação-litografia-gravação (LELE). Portanto, a tecnologia SALELE (talvez com exceção da própria sigla, que indica uma reinterpretação criativa do processo LELE original) não era um grande segredo entre os especialistas. O importante, porém, era a confirmação de que seu uso aumenta o rendimento de cristais utilizáveis ​​por wafer em comparação com os métodos tradicionais e melhora a produtividade de todo o processo, reduzindo assim o custo final do chip. Sem revelar todos os detalhes tecnológicos, é claro, representantes da Intel indicaram que um único processo SALELE usando EUV de alta NA substitui três ou até quatro operações no modo de baixa NA. Como resultado, mesmo levando em consideração o custo mais elevado desse processo (que envolve várias etapas, requer produtos químicos especiais, um conjunto completo de fotomáscaras, etc.), o benefício de substituir diversas operações mais baratas de uma só vez é evidente.

Em resumo, a DSA está gradualmente ganhando espaço.A fotolitografia em linha parece ser usada tanto para reduzir os custos de produção da tecnologia mais avançada (EUV de alta NA) quanto para expandir as capacidades do que está formalmente se tornando uma tecnologia em desuso (DUV). Dada a alta demanda atual por chips — tanto de vários tipos de memória quanto de chips lógicos, especialmente aqueles voltados para a solução de problemas de IA — o desenvolvimento da automontagem dirigida provavelmente se acelerará significativamente em um futuro próximo.