第二节多重曝光工艺技术多重曝光工艺技术目前在先进半导体制造中最为关键的分辨率增强技术之一它通过在同一个晶圆层上进行多次图形化曝光和刻蚀将原本一次曝光无法实现的、过于密集的图形“拆分”成多次进行从而绕过了单次光刻的分辨率极限。一、 核心理念分而治之想象一下要用一支很粗的笔衍射极限下的光刻画两条靠得非常近的线。一次画出来两条线会糊在一起。但可以第一次画两条线的位置1和位置3。第二次再画位置2和位置4。通过两次操作你最终得到了四条清晰的线。多重曝光技术就是这个思想的工业级实现。其核心公式依然是瑞利准则R k₁ * λ / NA。要提升分辨率R变小除了减小λ和增大NA就是减小k₁系数。多重曝光技术正是通过复杂的工艺流程将有效k₁系数降至0.25以下从而实现分辨率翻倍甚至更高的效果。二、 主要技术路线与原理多重曝光技术主要有两大技术路径基于光刻-刻蚀的多重图形技术 和自对准多重图形技术。路线1基于光刻-刻蚀的多重图形技术这是最直观、最容易理解的方法但其核心难点在于套刻精度。1. 双重图形技术 / 光刻-刻蚀-光刻-刻蚀这是最基础的形式流程如下图所示2. 流程描述在晶圆上沉积硬掩模和旋涂光刻胶。使用第一块掩模版Mask 1 进行第一次曝光和显影定义出第一套图形。通过刻蚀将图形转移到硬掩模上然后去除光刻胶。第二次旋涂光刻胶。使用第二块掩模版Mask 2 进行第二次曝光和显影定义出第二套图形。这一步必须与第一次刻蚀完成的图形进行精确对准。再次刻蚀硬掩模然后去除光刻胶。最终在硬掩模上得到了由两次图形化“叠加”而成的高密度图形。3. 优点 概念简单与现有工艺兼容性较好。4. 缺点①套刻误差这是最主要的问题。两次光刻之间的任何微小对准偏差都会导致最终图形的周期性和关键尺寸不均匀。②成本高需要两套掩模版两次完整的光刻和刻蚀循环导致周期长、成本高昂。③工艺波动两次工艺的波动会累积影响良率。路线2自对准多重图形技术为了克服LELE中的套刻误差问题SAMP技术被发明出来。它只使用一次关键的光刻步骤然后通过侧壁沉积和刻蚀来自我对准地产生更密集的图形。这是目前生产中最主流、最重要的技术。1. 自对准双重图形技术SADP是10nm、7nm等先进节点的基石技术尤其用于制作芯片中最密集的FinFET的“鳍”和布线。其精妙的流程如下图所示1工艺过程在晶圆上沉积“芯轴”材料如多晶硅或碳并旋涂光刻胶。使用唯一的一块关键掩模版进行曝光和显影形成“芯轴”的图形。注意此时图形的间距是最终目标间距的两倍。 通过刻蚀形成“芯轴”。使用化学气相沉积等方法在芯轴和晶圆表面保形地、均匀地沉积一层侧壁间隔层薄膜。进行各向异性刻蚀垂直方向刻蚀速率远大于水平方向。此步骤将晶圆表面和芯轴顶部的间隔层薄膜刻掉只留下芯轴侧壁的薄膜。这些留下的薄膜就是间隔物。选择性刻蚀去除“芯轴”材料。此时只剩下间隔物作为新的掩模。这些间隔物之间的距离是原芯轴间距的一半从而实现了分辨率倍增。最后用这些间隔物作为硬掩模刻蚀下方的器件层。2优点无套刻误差由于所有密集图形都来源于一次光刻和自对准的侧壁完美避免了套刻问题图形均匀性极佳。分辨率高能够轻松实现低于光刻设备分辨率极限的规则线条/间距。3缺点设计限制主要用于制作规则、周期性的线条如FinFET的鳍、金属布线难以用于复杂的二维图形。工艺复杂侧壁沉积的厚度均匀性和刻蚀的各向异性控制要求极高。掩模版设计复杂需要根据最终想要的图形反向推导出“芯轴”应该是什么样子。2. 自对准四重图形技术SAQP是SADP的自然延伸用于实现更高的图形密度倍增变为原来的四倍主要用于制造最先进的DRAM和NAND Flash中的超密集结构。核心流程执行一次完整的SADP流程得到第一代间隔物。将这些第一代间隔物作为新的“芯轴”。重复一次侧壁沉积和各向异性刻蚀的步骤形成第二代间隔物。去除第一代间隔物芯轴。最终得到的图形密度是最初光刻图形密度的四倍。三、重点与难点分解算法如何将设计版图智能地、最优地拆分到两个或多个掩模上是LELE类技术的灵魂。这需要考虑光学邻近效应、工艺波动等是一个极其复杂的计算问题。套刻精度控制对于LELE纳米级的对准精度是成败关键需要极其精密的套刻误差测量和补偿系统。侧壁工艺控制对于SADP/SAQP侧壁沉积的均匀性和各向异性刻蚀的精度直接决定了最终线条的关键尺寸均匀性是工艺的核心难点。材料与选择性需要开发一系列具有高刻蚀选择性的材料芯轴、间隔层、硬掩模等确保在刻蚀某一层是不会损坏其他层。成本与周期每增加一重图形都意味着更多的掩模、更长的工艺时间和更低的产出导致成本急剧上升。四、 与EUV光刻的关系与未来趋势互补关系EUV光刻的引入并非要完全取代多重曝光技术。在7nm和5nm节点EUV SADP是常见的组合。EUV用于刻画最复杂、最不规则的局部互联和切割层而SADP则继续用于制造超均匀的鳍片和底层金属线。替代与简化对于某些原本需要LELE或SAQP的图层采用EUV可以单次曝光完成极大地简化了工艺流程降低了成本和周期。例如一颗芯片如果用EUV可能从需要10多次SADP工艺减少到仅需2-3次。持续演进在3nm及更先进的节点即使使用EUV其分辨率对于某些结构如DRAM的阵列可能仍然不够SAQP甚至自对准八重图形技术仍在被研究和应用。同时EUVSAMP的组合也被视为一种强大的技术路径。总结来说多重曝光工艺技术特别是自对准双重/四重图形技术是过去十年间支撑摩尔定律继续前行的“幕后英雄”。它通过精妙的工艺流程设计以成本和复杂度为代价巧妙地绕过了光的物理极限将光刻技术推向了新的高度。即使在EUV时代它依然扮演着不可或缺的角色。未完待续