DUV光刻機，也能生產2nm晶片？

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來源：內容編譯自semiwiki，謝謝。

《國際裝置和系統路線圖》（2022 年版）指出，預計 2025 年（今年）推出的“2nm”節點的最小（金屬）半節距為 10nm。事實上，這低於目前最先進的 EUV 系統的解析度，其數值孔徑 (NA) 為 0.33。即使對於下一代High NA（0.55 NA）EUV 系統，20nm 線節距也只能透過兩個平面波的基本干涉才能成像。

如圖 1 所示，與在最先進的 ArF 浸沒系統上成像的類似 80nm 節距（圖 2）相比，隨機行為預計難以控制。

圖 1. 10 nm 半間距影像的隨機外觀（即散射電子密度）因 3 nm 模糊而變得更糟，這是金屬氧化物光刻膠中預期的。假設吸收劑量為 20 mJ/cm²。偶極子引起的衰減被建模為兩個極點產生的影像的 + 或 – 1 nm 影像偏移。

圖2. 與圖 1 中的 EUV 情況相比，使用 ArF 雙極子照射的 40 nm 半間距影像的隨機外觀（即吸收光子密度）可以忽略不計，即使假設吸收劑量為 2 mJ/cm²。假設使用 6% 衰減相移掩模進行負色調成像。

因此，即使使用 EUV 光刻，雙重圖案化也是不可避免的。然而，對於 2nm 節點，EUV 光刻中的任何雙重圖案化方案仍然需要成像 10nm 線寬，例如，圖 3 所示的具有四個佈線軌道和兩個寬軌道的單元（與沒有背面供電的 TSMC N2 保持一致）。因此，從圖 1 中我們看到的情況來看，對於特徵尺寸 ~ 10nm，我們仍然預計線邊緣和線寬定義會受到挑戰。

圖 3. 可以使用雙重圖案化形成具有 10 nm 半間距特徵的 6 軌道單元（左），但仍需要形成 10 nm 線寬作為核心（右）。注意：每個方塊代表 10 nm。紅色區域是在形成間隔物後填充的間隙。

因此，我們預計雙重圖案化中使用的線寬本身不會由直接曝光定義，而是透過使用另一種雙重圖案化，具體來說，即自對準雙重圖案化 (SADP)。SADP 涉及在芯軸上沉積墊片，蝕刻以僅覆蓋側壁，然後移除芯軸。這會使特徵密度加倍，因為每個芯軸有兩個側壁墊片（圖 4）。

圖 4. 自對準雙重圖案化（SADP）利用間隔物使特徵密度加倍[3]。

2021 年（3nm 生產開始之前），臺積電在美國專利申請 20210232747 的披露中暗示了這種方法：

“一種方法包括形成第一心軸圖案和第二心軸圖案。第一心軸圖案包括至少第一和第二心軸，用於心軸-間隔物雙重圖案化工藝。第二心軸圖案包括至少插入在第一和第二心軸之間的第三心軸。第一心軸圖案和第二心軸圖案包括相同的材料。第一和第二心軸與第三心軸合併在一起以形成單個圖案。”

這本質上就是所謂的 LELE-SADP 方法。LELE 指的是“光刻-蝕刻-光刻-蝕刻”，這將導致形成兩個獨立的芯軸圖案。這些芯軸圖案組合在一起，充當 SADP 的基礎圖案或核心圖案。

圖 5. LELE 用於生成圖 3（右）的黑色核心圖案。兩種不同的顏色表示兩種不同的曝光。

圖5所示的部分核心圖案線寬仍然太小，無法直接列印，因此需要從較大的暴露線寬中進行修剪（圖6）。

圖 6. 較大的線寬（左）被修剪以得到目標 10 nm 線寬（右）。

請注意，不能使用修整來獲得圖 3 中的核心圖案，因為這樣暴露的 10 奈米間隙會太窄（圖 7）。

圖 7. 這裡無法進行修剪，因為這裡（左）的起始 10 奈米間隙太窄了。

因此，我們看到，即使使用 EUV，LELE-SADP 也是生產具有四個佈線軌道和兩個寬軌道的 6 軌道單元的唯一選擇。事實上，關鍵在於，DUV 可以生產完全相同的 10 nm 最小半節距尺寸，起始曝光節距為 480 nm。這可以大幅降低與 EUV 使用相關的成本。

在 2nm 節點及以後，背面供電將把軌道置於與金屬佈線不同的層上。透過將寬軌道和窄軌道分別放在電晶體下方和上方的不同層上，可以改善多重圖案化物流。因此，最小間距線的規則網格足以滿足佈線軌道的要求。

在 16-18 nm 間距下，EUV 將實施自對準四重圖案化 (SAQP)，即連續兩次應用 SADP。DUV 將實施自對準六重圖案化 (SASP)，即 SADP 後緊接著 SATP（自對準三重圖案化。EUV SAQP 和 DUV SASP 都只需要一次掩模曝光，這比 LELE-SADP 的兩個掩模有所改進。

值得注意的是，SASP 將 ArF 浸沒式光刻的解析度從 38 nm 半間距降低到六分之一，即 6.3 nm 半間距。

參考連結

https://semiwiki.com/lithography/353306-rethinking-multipatterning-for-2nm-node/

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