集成電路中多重圖形工藝專利技術綜述

曹麗冉

摘 要：集成電路制造工藝的發(fā)展是以特征尺寸的減小作為原驅動力的，特征尺寸的減小極大程度上取決于光刻技術的發(fā)展，多重圖形工藝被認為是目前實現22nm技術，甚至14nm技術的重要的可行性解決方案，本文通過對專利文獻進行檢索，統(tǒng)計和分析了多重圖形工藝的發(fā)展現狀，重點梳理了該領域的專利申請量趨勢、分布地區(qū)、重要申請人等狀況，并對技術發(fā)展的趨勢進行了預測。

關鍵詞：集成電路；多重圖形工藝；專利

從20世紀50年代以來，集成電路的發(fā)展遵循著特征尺寸減小，技術代升級的摩爾定律（Moores Law），特征尺寸的減小極大程度上取決于光刻技術的發(fā)展，多重圖形工藝被認為是成為193nm ArF光刻工藝向極紫外（EUV）光刻工藝過渡的技術橋梁。本文以專利申請的角度，從技術現狀分析、專利申請狀況分析和技術發(fā)展趨勢3個方面對多重圖形工藝進行了分析。

1 技術現狀分析

多重圖形技術的原理是將一套高密度的電路圖形分解成多套分立的、密度低一些的圖形，然后將它們印制到目標圓晶上。實現多重圖形的方法大致分為3類：純間距分離技術、純間距分割技術和間距分離分割混合技術。

多重圖形技術是在雙重圖形技術的基礎上發(fā)展起來的，純間距分離技術實現多重圖形可以分為基于單刻蝕雙重圖形（SEDP）的純間距分離技術和基于二次刻蝕雙重圖形（DEDP）的純間距分離技術。基于單刻蝕雙重圖形（SEDP）的純間距分離技術由于受制于空間成像能量的閾值問題，在一定的線寬下，多種光刻膠在多次曝光中都得到兼顧且不發(fā)生互相影響是幾乎不可能的；而基于二次刻蝕雙重圖形（DEDP）的純間距分離技術避免了中多次光刻膠的相互作用，然而這種方法的明顯弱點就是光刻的線寬成倍減小后，光刻和刻蝕的成本也成倍增加，并由此帶來了設備產能的降低，所耗費機時的增加和由于引入的多次光刻和刻蝕帶來的CD均勻性和重合精度的工藝控制的難度，導致成本的增加。

純間距分割技術是在自對準雙重圖形（SADP）技術的基礎上發(fā)展起來，純間距分割技術實質上是SADP技術的多次重復，多重純間距分割技術有能力實現擁有優(yōu)異線寬和節(jié)距控制效果的高密度平行線條。對于任意給定的可以用光刻方法定義的線條，可以在每個側邊使用間隔層，當去除最初的核心材料后，就能有效實現線條密度的加倍。由于純間距分割圖形技術只需要一次高等級光刻工藝，增加一次形成側墻和刻蝕的工藝，在成本上并沒有增加太多，相對于純間距分離技術具有明顯的成本優(yōu)勢，體現了極大的優(yōu)越性。目前美國Applied Materials和Lam Research兩家公司都提供多重純間距分割技術解決方案。

間距分離分割混合工藝能夠結合產品實際設計需要，提供更多的工藝組合，這樣就可以為版圖的分解提供更高的自由度，具備一定的發(fā)展前景。

2 專利申請狀況分析

針對多重圖形技術，作者在全球專利數據庫對該領域的專利申請進行了檢索、統(tǒng)計和分析，由于光刻工藝是集成電路制造領域的核心技術，在多重圖形技術方面的專利申請人更是集中了全球多家知名半導體企業(yè)，其注重在全球范圍的專利布局，專利年度申請量趨勢能夠在一定程度上反映技術受關注的程度及技術發(fā)展的趨勢，其中，在2004至2006年，專利申請量快速增長，美國Intel、應用材料、韓國三星、荷蘭ASML等重要半導體企業(yè)注重專利布局，實現核心技術向專利成果的轉化；在2006年以后，申請量基本保持恒定，技術趨于成熟，臺灣臺積電、韓國海力士和中國中芯國際等企業(yè)也先后在多重圖形技術方面申請專利保護。

作者也對該領域的首次申請國家/地區(qū)分布進行了分析，其中美國的專利量最多，占到了全球專利申請量的46%，在一定程度上反映了美國在集成電路制造技術領域的引領地位；韓國得益于三星、海力士等知名半導體，申請量位居第二，占到了總申請量的24%，其次是日本、中國大陸和中國臺灣，這5個國家/地區(qū)的申請量占到了總申請量的95%，集中了多重圖形技術領域的主要研發(fā)力量。

多重圖形技術重要申請人主要有美國的Intel公司、韓國的三星、荷蘭的ASML等，Intel公司作為行業(yè)巨頭，申請量遙遙領先，處于絕對領先的地位，在排名前10位申請人中，美國、韓國、日本、中國大陸和中國臺灣均分別有2位申請人，中國企業(yè)特別是中芯國際也開始占據一席之地。

3 技術發(fā)展趨勢預測

多重圖形技術是從193nm ArF光刻工藝向極紫外（EUV）光刻工藝過渡進程中不可或缺的技術。四重以上的純間距分離圖形技術因成本考量和對準精度問題，難以成為工業(yè)界的主流選擇；純間距分割多重圖形技術配合側墻工藝改進技術、切割圖形技術可實現高精準度光刻，將是EUV技術或其他替代技術完全成熟之前實現22nm以下設計尺寸的主要解決方案，其中，三重純間距分割技術可以同步獲得不同尺寸的圖形，具備獨特的優(yōu)勢；間距分離分割混合工藝結合了純間距分離技術和純間距分割技術的優(yōu)點，因其高自由度和特征尺寸的精確度，具有廣闊的發(fā)展前景。

需要指出的是，極紫外線（EUV）光刻技術仍被認為是將來最有競爭力的技術方案，對EUV光刻技術的研究仍在持續(xù)，一旦在光源強度、掩模版制作、缺陷控制等方面實現突破，將釋放巨大的潛力，將集成電路制造技術推進一個新時代。

參考文獻

[1]洪中山，吳漢明.多重圖形技術的研究進展[J].微納電子技術，2013，（10）：656-661.

[2]李長河，丁玉成.先進制造工藝技術[M].北京：科學出版社，2011.

[3]何杰，夏建白.半導體科學與技術[M].北京：科學出版社，2007.

（作者單位：國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作天津中心）