在中國知乎上有一個問題,「晶片產業中的光刻機是怎麼雕刻出遠遠小於自己波長線寬?」這個問題很有意思。

半導體製程1年一變,學生在學校看到的教材,實在跟不上。EDN中國版編輯看到網友Ida Lin的回覆,覺得通俗易懂,特地授權轉載過來分享給大家。當然更專業的解釋也可以去查Wiki

想當年整個晶片產業,各家包括英特爾(Intel)、Globalfoundries(GF)、台積電(TSMC)、三星(Samsung)都在22nm、28nm這個節點卡了很久,想必是遇到193nm ArF的極限了。然而193nm能做出50nm以下,1/4波長的尺度,已經非常神奇了不是嗎?

不過這背後也存在命名問題。xx nm節點不意味著真正的結構就那麼小「首先這個數位原來是指結構的half pitch,即一半的週期。而到了後來水份更多,一般是指最小feature-size。比如一排100nm週期的突起或者凹陷,突起的寬度20nm、空隙80nm,那麼不嚴格的說這也是一個20nm的製程。

此外, 32nm、22nm、14nm只是一個技術節點的標誌, 可能對應的最小結構是 60nm、40nm、25nm…等,總之要比標稱大不少。這個節點各家公司還不一樣,比如大家常說Intel的14nm比Samsung和台積電的10nm密度都大…等(不置可否)。

但如何做出遠小於一半週期的minimum-feature呢?

單從光場分佈來說,一個峰或谷的寬度很可能還是突破不了繞射(diffraction)極限。但是可以利用光刻膠的性質!

光刻膠曝光後的溶解性依賴於曝光量,這大家都知道,但是這個依賴很不線性。透過控制這種不線性,使得在某個閾值曝光量附近,小一點的完全不會溶解,大一點的極易被溶解,那利用準確把握曝光量,就可以輕鬆控制最小結構的線寬。

試想一個均勻分佈類似正弦波的光場,把曝光將控制到只有波峰附近那些位置能完全溶解,之外的部分溶解性不變,那麼最後做出來的結構就是一個週期和正弦波一樣,但是最小寬度小的多的結構。

見下圖。黃色曲線代表的結構的凹陷要小於光場分佈一個峰的寬度。

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當然這種方法也不是能做出無限小的Feature。畢竟光刻膠的溶解特性哪能想要什麼就有什麼,每一種配方的研製都非常複雜,還要和現有的流程製程匹配。且光刻膠塗層畢竟有厚度,表面的曝光分佈和整體也不盡相同,同時它的機械性質也無法維持很窄的細節的完整性。

還有另外一些方法能將光刻膠層被啟動的區域集中在比曝光光場小很多的尺度內,包括各種玄虛且難以捉模的化學處理、熱處理等。

既然有了上述方法,能讓Minimum Feature Size至少小於半週期,那麼接下來實現密度的增長就有了可能——透過多次曝光。

同樣的結構,平移一下再做一遍就多了一倍的密度,但是實施起來並沒有那麼簡單。關鍵就是在後續曝光中要做到一個對先前結構保護凍結的步驟。最樸素的多重曝光技術就是,做一次、再做一次,可以稱作LELE(Litho-Etch-Litho_Etch),如下圖。

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最上層是已經過一次Patterning的保護層(藕荷色,如SiN),再加上一層光刻膠(紫色)。光刻膠在新的Mask下被刻出另一組凹槽(中間),最後光刻膠層被去掉,留下可以進一步蝕刻的結構(下圖)。另外一個變種是Litho-Freeze-Litho-Etch (LFLE)。

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第二層光刻膠直接加在第一層沒被去除但被化學凍結的光刻膠上,再來一次光刻,形成兩倍的結構。比LELE可以節省些步驟。這一類多重曝光的特點就是流程簡單粗暴,很早就有人嘗試應用,但一個最大的問題就是,後一次光刻和前一次的對準問題,這幾乎是一個可以讓這類方法徹底無效的巨大難關。

想要做出20nm左右的結構,那對準誤差要控制在4~5nm以下,然而可以用於實施觀察的SEM解析度最好也就10nm!

總之這個問題確實阻礙了這種方法的應用——除了早期45nm、32nm節點的DRAM製程(結構簡單、重複性高),而且超光雙重曝光的情況幾乎沒有,CPU晶片應該採用的並不多。接下來是另一類聰明一點的多重曝光,可以統稱為SADP(Self-Aligning Double Patterning)。

例如Side Wall Transfer就是核心的實現方式。主要是利用第一層結構的Sidewall來形成兩倍的Feature,從流程上來說省了不少事兒,而且不用考慮對準的問題。但是這個方法對技術要求也很高,再放一張圖。

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注意看第二步的棕色材料的沉積——這一步是一個Conformal Deposition——所有表面不論取向都有類似的沉積率。而接下來第三步的蝕刻應該是一個Non-conformal Etching——蝕刻幾乎只在垂直方向上進行,才能呈現出想要的效果。這兩個步驟對材料和製程都有一定限制。

側牆轉移(Sidewall Transfer)有一個難點就是,最開始的結構的Sidewall必須夠直、夠平整,不然之後補充材料的支援會有問題,形狀也可能出現很大偏離,導致對其下的材料層的蝕刻出現偏差。而且自由度明顯前一類方法高,生成的結構的寬窄,對稱性等都受到了限制。

不過這並其實並不是什麼大問題,都是可以前期設計時考慮好的。主要是沒有了對準這大難題,應用範圍就廣了不少。基於這種方法,重複一次就可以實現SAQP,做20nm左右的feature不是什麼問題。

還有一種比較奇葩的方法,Direct Self-Assembly——即利用保護層材料本身的Phase Seperation 實現一層材料就可以用來做兩次互不影響的蝕刻。

具體地說是利用某種Copolymer,比如PMMA-PS,在滿足一定分子比和物理條件的情況下,PMMA跑到一邊,PS跑到另一邊,形成很有序的交錯結構,再進行針對不同組分的蝕刻就可以Double Pattern了。

不過這個方法想來限制也很多,比如交錯結構的分佈、工作週期,也不是想讓怎麼分佈就能怎麼分佈。而且平整度肯定比不上那些Hard Mask Material。這個方法當前應該還是主要用於學術界玩兒各種小規模簡單結構的試驗,似乎沒有應用到產業領域。

以上所述的各種方法,結合實際來看,由於真實的積體電路(IC)結構超級複雜,各種不同材料,不同區域,不同的互聯和切斷的要求,而且實際的佈局是需要二維(2D)甚至三維(3D)考量,所有這些複雜因素就構成了更多更多的難題,和捷徑,由此衍生了基於不同材料(電介質層、金屬)和不同功能區域的奇技淫巧。但是這塊太複雜了,我也不甚瞭解。

說了這麼多怎麼透過光刻之後的手段來增加密度減少線寬,但還需要一個最核心的技術——如何把老老實實的單次曝光的Feature/週期做的最小最漂亮呢?

基於CD = k×lamda/NA,k通常為一個0.25~1之間的常數,那麼首先想能提高的就是NA=nsin(像方半孔徑角)。正弦最高做到1,而在物鏡和晶圓之間加一層高折射率液體,比如水,NA就到了1.33。(應該也可以用更高折射率的油到1.4多?)。

Immersion Lithography,不多說了,EUV之前妥妥的必備技術(然而到了EUV肯定用不了)。然後就是Off-Axis Illumination,讓光學系統的主光軸和照明方向不一樣,光源斜著打。

這個原理也比較直觀,就是盡可能的捨棄一些Mask的空間低頻成分,讓含有更精細結構的高頻成分進入物鏡從而成像。從原理上來講,Mask上凡是小於光照波長的高頻成分,都成為了高頻資訊,所對應的光是只在橫向傳遞,而軸向極具衰減的隱失波,很大可能沒有辦法被物鏡收集。斜照明的情況下,高頻空間成分正負至少有一支有更小的衍射角從而進入物鏡,甚至從隱失波變成可以被收集的成分(當然 另外一支就被推的更遠了,不過無所謂)。最後的效果就是晶圓上的像含有更多的高頻成分,自然也就更接近Mask的形態。

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Mask上也可以做文章。首先就是採用Phase-Shift Mask。相鄰的很近的通廣孔,導入不同的相移,那麼相關成像的情況下,雖然兩者各自的電場強度分佈有很大重疊,但是電場疊加以後由於有(最好是pi)的相差,變成了一加一減,中心強度為零,正好分開成了兩個獨立的峰。

最後的關鍵技術是Optical Proximity Correction

以上所說的種種技巧,都無法保證最終的結構具有完美、橫平豎直、想圓就圓、想方就方的形狀,對於2D結構更是如此。雖然說一個MOS電晶體不需要有完美的形狀來保證工作,但是一大片密集的工作單元,互相的分離連接,是一定要保證的。可以肯定的說,如果你把Mask天真的做成和最後想要的結構長一個樣子的話,那100%在65nm一下尺度最後得到的就是一疊垃圾。

OPC的神奇如圖:

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這個過程如何實現?

我也不知道,但想必需要非常複雜的波動光學類比方法,以及無數次的實驗回饋及後續最佳化。從某些角度講,OPC這一領域好像是當前Fab前端最吃香的工作(純屬道聽塗說,準確性不保證)。

最後說一下,我並不是從業者,純屬為了做課程Presentation,並且對這方面感興趣就收集了一系列材料。我一直以來的困惑就是發現這些材料都非常零散非常瑣碎,很少能看見大型的綜述文章或者雜誌專題,不知道是由於商業機密還是什麼,但能感覺到根本不入學術界的法眼。畢竟所有人都在玩Graphene、 CNT、TMD、Single-Molecule Transistor是不是?矽?這玩意應該過時30年了。

我個人也有很多問題這些年來都沒能解決。例如Multi Patterning到底從哪個節點開始被廣泛採用?65?45?EUV談了這麼多年,現在成型了嗎,14nm、10nm這兩代到底主流是什麼技術?畢竟這麼巨大的投資和技術轉換,不太可能D/E混用吧?其實想來也挺神奇的,這5年來由於技術瓶頸,半導體製程界不知道發生了幾輪巨大的技術革新和變動,可是外界根本看不出什麼大動靜,基本上每年晶片尺寸都能簡單的小一號,這種產出的穩定性真是有點仔細想想後,會覺得恐怖到了極點。

關於Sidewall部分,中國知乎網友Albert Hu的解答:

193nm波長的光為什麼能用在130nm、90nm、65nm,甚至45nm的制程上?因為130nm以下閘極的多晶矽條一般使用Sidewall Transfer,並不是直接使用光刻。簡單來說,Sidewall Transfer是先用光刻等方式形成圖案,這個圖案的並不需要很精細,但是經過一些處理,邊緣做成階梯狀且比較陡直。然後沉積一層所需材料,這樣圖案邊緣也會有一層可控制厚度的材料形成同樣的階梯。蝕刻掉上下平面的多餘材料,階梯處保留下來就出現非常細的一條,這一條材料的寬度要看材料的選用和沉積的方式和持續時間,所以光刻波長並不起作用。它的精準度要看材料,以及刻蝕材料的「物質波長」了。

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真正用光刻的是在互連層,而65nm製程下最低一級互連層的最小間距目前也在120nm以上,還沒有達到193nm光刻的瑞利(Rayleigh)極限。使用這樣的方案,193nm的波長就可以用到90nm、65nm,甚至45nm的製程上。比較特別的是,線寬因為與光刻波長失去了聯繫,半代、甚至更奇特的線寬都可以在同樣的設備上完成——80nm的生產設備可能和90nm的一樣,55nm和65nm一樣,半代之間甚至兩代之間的差距變得很小。線寬幾乎變成了製程中最不重要的參數了。