先进节点与器件

多重曝光(multi-patterning)

光刻有一条写进物理里的倔脾气:你印不出比所用波长大致允许的还要细的线条,否则就印不干净。多年来,业界用193nm的光把特征尺寸一路压到远低于那个舒适极限的地方,最后差距大到一次曝光干脆把相邻的线条糊成了一团。多重曝光就是这个难题的变通办法。与其一次性把所有紧挨着的线条都印出来,不如把它们拆到两次、三次甚至四次单独的曝光里,每一次只印一个更粗、间距更宽、光学系统分辨得了的子集。想象一下隔着一块镂空模板去刷一道栅栏,模板上的缝太宽,没法挨着排:你先刷一根隔一根,再把模板移一下,去刷中间那些。两道轻松的工序,就能得到一道密度是任何单块模板都做不出的、密一倍的栅栏。

麻烦就出在“单独”这两个字背后牵出的一切。每一次曝光都要有自己的一张光罩,而自对准的几种变体还要额外加上若干轮沉积和刻蚀,去生长并修整那些用来界定真正线条落点的牺牲性侧墙。于是,本来EUV一步就能印出的一个逻辑层,可能膨胀成两倍、三倍乃至四倍的光罩,再加上夹在中间的那些额外工序。光罩越多,就意味着越多的钱、越长的在厂周转时间,以及越多出错的机会:每多一道工序,就多一个让颗粒、对位偏差或刻蚀波动钻进来的地方,而套刻误差(第二层图形叠在第一层之上叠得有多准)本身就会成为一个独立的良率杀手。

这正是EUV当初要纾解的那个极限。把光从193nm换成EUV的13.5nm波长,能分辨的特征尺寸大幅缩小,于是一个曾经非要四重曝光不可的层,又能塌缩回单次EUV曝光。但EUV并没有终结多重曝光,它只是把这件事往后推了:在5nm及以下的节点,以及那些即便用了EUV也最紧的层上,晶圆厂仍要请出双重曝光,而高数值孔径EUV在它的第一代上也会面临同样的拉锯。多重曝光,是业界在等更短波长的光追上晶体管早已抵达之处的这段时间里,一直给出的那个诚实而昂贵的答案。

Goal: print 4 dense lines (too tight for one 193nm shot)

Single EUV exposure          Litho-etch double patterning (LELE)
--------------------         -----------------------------------
| | | |   <- 1 mask          mask A:  |   |   |   |   (2 lines, spaced)
  (13.5nm light               mask B:    |   |       (fill the gaps)
   resolves it)               result:  | | | |  (1 layer, 2 masks,
                                                  2 etches, overlay risk)

同一个精细层,两种做法:EUV用单次曝光就能分辨这么紧的间距;在EUV之前,你得把它拆成两次更粗的曝光(各有自己的光罩和刻蚀),相互交错以达到同样的密度。

这仍然是一个活生生的取舍,而非历史:芯片厂商不断地在两者之间权衡——用成熟193nm光做多重曝光,单台设备成本更低;而EUV工序更少,但每次曝光更贵——然后一层一层地做出选择。

又称
multiple patterningdouble patterningLELESADPSAQP