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    • 一、光刻機(jī)的極限分辨率
    • 二、晶體管的實(shí)際特征尺寸和工藝命名
    • 三、多重曝光工藝
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大型科普:多曝工藝究竟是如何超過(guò)光刻機(jī)的極限分辨率?

2023/08/31
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閱讀需 19 分鐘
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這幾天隔壁有群友問(wèn)了我一個(gè)非常專(zhuān)業(yè)的問(wèn)題:多曝工藝是什么?它是如何跨過(guò)光刻機(jī)的極限分辨率實(shí)現(xiàn)更小制程的工藝?

好問(wèn)題,畢竟半導(dǎo)體工藝的問(wèn)題專(zhuān)業(yè)是真的專(zhuān)業(yè),真不是普通人能理解的,網(wǎng)上很多理解都是錯(cuò)的。

想要了解多曝工藝的問(wèn)題,首先得了解這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的前置知識(shí),因此今天內(nèi)容分三段,第一、光刻設(shè)備分辨率是怎么來(lái)的?第二、晶體管的特征尺寸以及等效工藝的命名方式?第三、多曝工藝是什么,一共有哪幾種多曝工藝???

本人水平有限,如有錯(cuò)誤請(qǐng)各位大佬指正,本文盡可能通俗易懂,但是部分內(nèi)容還是涉及非常專(zhuān)業(yè)的半導(dǎo)體知識(shí),看不懂的評(píng)論區(qū)討論,說(shuō)不定有大佬親自上陣解釋。

一、光刻機(jī)的極限分辨率

光刻機(jī)到今天我相信大家都知道它是干嘛的。

說(shuō)人話,光刻機(jī)的作用就是把掩膜板的圖形,按比例精確投影到硅片上,完成集成電路工藝圖形化轉(zhuǎn)移的第一步。

請(qǐng)注意,它只是投影,它沒(méi)有刻的過(guò)程,刻的過(guò)程是另外一種設(shè)備完成的,那就是刻蝕機(jī)。

因此光刻機(jī)本質(zhì)上和單反相機(jī)是一樣的,只是精細(xì)度非常之變態(tài)。之所以會(huì)走投影技術(shù)路線道理也很簡(jiǎn)單,因?yàn)樗m合大規(guī)模量產(chǎn)。一片晶圓經(jīng)過(guò)光刻工藝之后,就完成了千上萬(wàn)個(gè)芯片的曝光工作,效率非常高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他技術(shù)路線,高效率意味著更低的成本,所以到現(xiàn)在為止別看其他技術(shù)路線叫的響,比如納米壓印,但是實(shí)際產(chǎn)線上根本就沒(méi)啥大規(guī)模應(yīng)用,主流依然是投影這個(gè)路線,甚至往后的很多年以內(nèi),投影技術(shù)路線的地位不可撼動(dòng)。

以ASML NXT 1980Di的官方數(shù)據(jù),它的產(chǎn)能是每小時(shí)275片,前置條件是單片晶圓曝光96個(gè)區(qū)域,同時(shí)每平方厘米能給30焦耳的能量。

目前沒(méi)有一個(gè)其他的技術(shù)路線,包括電子束,納米壓印之類(lèi)的能做到這樣的量產(chǎn)規(guī)模,更別提其他技術(shù)路線,那些都只是實(shí)驗(yàn)室玩玩的,離FAB廠量產(chǎn)差十萬(wàn)八千里。

懂一點(diǎn)的光學(xué)知識(shí)的人都知道,由于光的衍射效應(yīng),在極度微縮的情況下,光的投影不再是一個(gè)理想的幾何圖形,而是有一定大小的光斑,這個(gè)光斑專(zhuān)業(yè)詞叫“愛(ài)里光斑”。

當(dāng)兩個(gè)物點(diǎn)過(guò)于靠近,其像斑重疊在一起,就可能分辨不出是兩個(gè)物點(diǎn)的像,即光學(xué)系統(tǒng)中存在著極限分辨率,對(duì)于集成電路工藝而言,那就是光刻機(jī)的極限分辨率。

懸掛在ASML的辦公室上有個(gè)神奇的公式,叫瑞利判據(jù)公式(Rayleigh criterion)

瑞利判據(jù)是波長(zhǎng)和數(shù)值孔徑的表達(dá)式,因此光刻機(jī)的工程師們會(huì)用瑞利判據(jù)去定義一個(gè)成像系統(tǒng)的分辨能力。

它長(zhǎng)這樣。

公式中的CD,如果在集成電路工藝中就指晶體管的特征尺寸,代表著極限分辨率下的最小線寬。λ則代表光刻機(jī)使用光源的波長(zhǎng);NA(Numerical Aperture)則是光學(xué)器件的數(shù)值孔徑,描述了它們能夠收集光的角度范圍;K1包含了光學(xué)臨近效應(yīng),包括光刻膠成分或者光刻機(jī)溫度的控制等,是眾多其他影響因子的匯總,這和使用方芯片制造公司的“手藝”有密切關(guān)系,不同的公司,這門(mén)“手藝”水平差距巨大。

數(shù)學(xué)好的同學(xué)一眼就看出來(lái),想要得到更小尺寸的晶體管,就必須要有更小的光刻機(jī)CD,想要得到更小的CD,無(wú)非從這幾個(gè)參數(shù)入手。

1、縮小λ即光刻機(jī)的波長(zhǎng);2、增大NA數(shù)值孔徑;3、縮小K1的影響力(提高使用者“手藝”水平)。

因此早期的光刻機(jī)為了更小的CD,把資源都集中在如何縮小λ光刻機(jī)的波長(zhǎng)方面。

于是光刻機(jī)的波長(zhǎng)一路降低,從早期的高壓汞燈G線的436nm,I線的365nm,再到準(zhǔn)分子激光器DUV KrF的248nm再到ArF的193nm,F(xiàn)2的157nm,再到193nm浸沒(méi)式等效出143nm,到現(xiàn)在出現(xiàn)了極紫外EUV 的13.5nm。而NA數(shù)值孔徑和光刻機(jī)投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有密切關(guān)系,如今也變得越來(lái)越復(fù)雜。

對(duì)于ASML這樣的光刻機(jī)設(shè)備公司而言,K1是客戶端的事沒(méi)有辦法把控,能做的就在公式中的λ光刻機(jī)波長(zhǎng)和投影系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA這兩個(gè)參數(shù)上做文章,從而不斷挑戰(zhàn)技術(shù)高峰,把光刻機(jī)的分辨率推向極致。

目前最先進(jìn)的EUV是ASML的 NXE 3x00系列,再過(guò)幾年會(huì)有高NA版本的EUV出現(xiàn)叫EXE 5x00系列,其中NXE的NA=0.33,而EXE系列則是NA=0.55,甚至規(guī)劃中還有更大NA=0.75

之所以ASML不惜代價(jià),投入巨額資金搞出高NA的EXE光刻機(jī)系列,主要是為了5nm以下工藝中,避免使用多曝工藝而增加額外的成本。

因此光刻機(jī)的極限分辨率就和晶體管的最小尺寸息息相關(guān)。比如一臺(tái)12英寸的干式193nm光刻機(jī),最小只能做到55nm工藝,再往下就不行了,因此這臺(tái)光刻機(jī)適用范圍是90-55nm工藝;而一臺(tái)KrF的248nm,更適合做0.13um的工藝,因此它更適合在8英寸線上用。

但是請(qǐng)注意,這并不絕對(duì)!敲黑板,講一個(gè)99%人都不知道的知識(shí)點(diǎn)。

一個(gè)芯片制程過(guò)程,其實(shí)類(lèi)似蓋高樓大廈,其中M0和M1,這最底下的兩層,因?yàn)樾枰姆直媛首钚。虼诵枰钕冗M(jìn)的光刻機(jī)來(lái)完成曝光工藝,而之上的金屬層并需要,甚至用線寬很大的光刻機(jī)也能完成這項(xiàng)工作,因此就有類(lèi)似i線光源的的12英寸光刻機(jī),看起來(lái)非常魔幻,12英寸工藝上居然用i線的12英寸光刻機(jī)哦!?。?/p>

上圖框出來(lái)的位置大致就是M0和M1

所以在一個(gè)12英寸光刻工藝中,實(shí)際上是高,中,低不同類(lèi)型的光刻機(jī)配合完成整個(gè)芯片的曝光工作,最先進(jìn)的光刻機(jī)只負(fù)責(zé)最細(xì)線寬處的曝光工作。

這里再插一個(gè)小故事,尼康曾經(jīng)推出過(guò)S635i這樣的193nm的浸沒(méi)式光刻機(jī),但是號(hào)稱(chēng)是“5nm光刻機(jī)”,很多人不明白,怎么193nm的浸沒(méi)式還能干到5nm?那ASML的EUV光刻機(jī)豈不是要吃灰了?河哥豈不是要連夜改簡(jiǎn)歷,投簡(jiǎn)歷了?

其實(shí)就是玩了文字游戲。本質(zhì)是這臺(tái)S635i設(shè)備是整個(gè)5nm光刻工藝中的一部分,而非S635i能實(shí)現(xiàn)最小分辨率5nm的光刻工藝,635i可能只是負(fù)責(zé)上層的金屬部分曝光工作罷了。

好鋼用在刀刃上,因此一臺(tái)光刻機(jī)根據(jù)它自身實(shí)際性能參數(shù),盡可能物盡其用,用它做最適合的工藝。

理解上面這些內(nèi)容之后,我們繼續(xù)講更深層的東西。

二、晶體管的實(shí)際特征尺寸和工藝命名

我們常說(shuō)的180nm,90nm,45nm,甚至16nm,7nm,3nm稍微懂行的人可能知道,是指這個(gè)FAB工廠能實(shí)現(xiàn)的最小工藝線寬,如果在芯片說(shuō)明書(shū)上標(biāo)明,那就指這顆芯片是由何種工藝實(shí)現(xiàn)的,是7nm?還是3nm?

所謂的90nm,45nm,實(shí)際是指晶體管的柵極長(zhǎng)度,專(zhuān)業(yè)詞叫Gate Length。

偶爾也有工程師會(huì)討論Channel Length也就是溝道長(zhǎng)度,它們的關(guān)系是

Channel Length=Gate Length-2x(Diffusion Length)。

在早期,工藝和晶體管的實(shí)際尺寸是一一對(duì)應(yīng)的,比如一顆芯片是用0.35um工藝制造的,那它晶體管的實(shí)際大小就是0.35um。

再次敲黑板!但是這一切在45nm-28nm工藝附近開(kāi)始出現(xiàn)巨大的變化。

原因很簡(jiǎn)單,Gate Length太短,會(huì)出現(xiàn)“短溝道效應(yīng)”,簡(jiǎn)單理解成水龍總是頭關(guān)不緊,或者日總那樣的老男人時(shí)不時(shí)會(huì)出現(xiàn)尿不盡,漏尿的情況。

這是非常麻煩的事情,這意味這集成電路工藝無(wú)法再往下推進(jìn),或者說(shuō)摩爾定律逼近接近極限了。

為此一方面工程師們想盡一切辦法去微縮最小尺寸,另外一個(gè)角度想盡一切辦法,找到更好的柵極材料,來(lái)控制晶體管不斷微縮后出現(xiàn)的各種麻煩問(wèn)題。

再舉一個(gè)非常經(jīng)典的案例。

以28nm工藝節(jié)點(diǎn)為例,這一代工藝有多個(gè)版本,有HKMG版本(高K金屬柵極),也有Poly版本(多晶硅氮氧柵極),都是28nm,顯然它們的工藝性能還是有顯著差別的。

敲黑板,再講一個(gè)95%人都不知道的知識(shí)點(diǎn)。P.P.A ?。。?/strong>

懂行的小伙伴都知道,P.P.A是衡量一道工藝,一顆芯片的關(guān)鍵指標(biāo)。它意思是性能(Performance),功耗(Power),以及面積尺寸(Area),是這三個(gè)英文字母的縮寫(xiě)。

說(shuō)白了,任何工藝/芯片都被希望有著更好的性能,更低的功耗,以及更小的面積尺寸,但是通常這就像“男人不可能三角”一樣,有錢(qián),長(zhǎng)的帥,用情專(zhuān)一,這樣的男人是不可能存在的。

但是工程師們還是努力在P.P.A.之間突破,并且尋找新的平衡點(diǎn),為兼顧性能和成本,這才是工程師們的真正KPI,以及掉頭發(fā)的原因。

這里再做一個(gè)假設(shè)。

假如有個(gè)新一代工藝,相比28nm工藝,它讓晶體管體積小了30%,功耗降低了25%,晶體管密度提高了50%,性能提升了40%,但是實(shí)際Gate Length,并沒(méi)有改變多少。

注意:這不是真實(shí)數(shù)據(jù),只是打個(gè)比方。

請(qǐng)問(wèn)它算幾nm工藝?還是28nm嗎?顯然不是。

要不我們就叫它等效14nm工藝吧,于是14nm就這么來(lái)的。

可以所到現(xiàn)在28nm以下的工藝,幾乎都是等效出來(lái),而FinFET工藝開(kāi)始,全是等效,并且工程師們不再用Gate Length,而用half -pitch(半間距)來(lái)分辨它們。

我再舉個(gè)通俗例子,奧迪車(chē)尾上你看不到多少排量,它總是用35 TFSI 或者45 TFSI 之類(lèi)的標(biāo)稱(chēng)。

請(qǐng)問(wèn),一輛 奧迪A6L 45 TFSI 的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際相當(dāng)于自然吸氣多少升排量?

哦,大概相當(dāng)于自然吸氣的2.5L排量的發(fā)動(dòng)機(jī)。

大概,大概,大概,重要的說(shuō)三遍。

我相信舉這個(gè)例子,各位就明白什么叫等效的概念。

再舉一個(gè)例子,比如早期AMD因?yàn)轭l率上打不過(guò)intel,因此就想了個(gè)PR標(biāo)稱(chēng)法,比如速龍3000+CPU你覺(jué)得它對(duì)標(biāo)intel哪款CPU?看名字像奔騰3.0對(duì)吧,但是實(shí)際3000+主頻只有2.2G,但是它看起來(lái)像3.0G的!

這一切看起來(lái)似乎像玩文字游戲,這種等效叫法確實(shí)也造成一定的宣傳口徑不統(tǒng)一。例如明明臺(tái)積電的N7工藝和英特爾10nm工藝各方面都差不多,但是一個(gè)就是叫7nm,一個(gè)就是叫10nm,相比之下用臺(tái)積電N7工藝制造的AMD Zen系列CPU看起來(lái)就比英特爾10nm工藝制造的CPU更強(qiáng)些,英特爾在宣傳方面吃了個(gè)虧,一個(gè)10nm,一個(gè)7nm,你選誰(shuí)?明顯AMD的7nmCPU宣傳上占了很大便宜。

所以到現(xiàn)在intel也發(fā)現(xiàn)在宣傳上有點(diǎn)弄不過(guò)這群老6,干脆在之后的命名規(guī)則上,直接叫“intel 4”,經(jīng)典的打不過(guò)就加入。

同樣臺(tái)積也沒(méi)有14nm工藝,它一直叫16nm。

記憶中三星甚至有一版叫18nm的工藝的特別存在(這點(diǎn)不確定,年代久遠(yuǎn)有點(diǎn)記不住了),其實(shí)都是等效intel的14nm,自己給自己取個(gè)等效的名字罷了。

今天各位看官能記住并理解工藝P.P.A.以及等效工藝概念,只能說(shuō)你學(xué)到了,總之不虧,最終贏麻!

三、多重曝光工藝

最核心的問(wèn)題來(lái)了。

什么叫多重曝光工藝?為什么會(huì)有這樣的工藝出現(xiàn)?

早些年ASML的193nm 浸沒(méi)式光刻機(jī),極限情況下能實(shí)現(xiàn)大約22nm左右工藝的單次曝光。(反復(fù)提醒,實(shí)際gate length 并不是22nm)

那么在EUV沒(méi)有出現(xiàn)之前,是怎么實(shí)現(xiàn)22nm以下節(jié)點(diǎn)的比如14nm,7nm,之類(lèi)的呢?

于是當(dāng)年intel投入重金搞出了多重曝光工藝這樣的神技。

多曝技術(shù)有好幾種,主要是LELE,LFLE,以及SADP/SAQP三種。

LELE,其實(shí)是Lith-Etch-Lith-Etch的縮寫(xiě),意思是光刻-刻蝕-光刻-刻蝕。

它是把原來(lái)一層光刻圖形被拆分到兩個(gè)或多個(gè)掩膜上,實(shí)現(xiàn)了圖像密度的疊加。

這樣就實(shí)現(xiàn)了比光刻機(jī)極限分辨率更小的圖形。

但是請(qǐng)注意,這個(gè)提升的更小特征尺寸非常有限,不可能出現(xiàn)什么45nm一步跨到22,甚至14nm的情況。

同理LFLF,它是Ltiho-Freeze-Ltiho-Etch,?光刻-固化-光刻-刻蝕。

它是LELE的工藝的一個(gè)變種版本,本質(zhì)差不多,但是可以省一道刻蝕的工序,降低一些制造成本和風(fēng)險(xiǎn)。

SADP叫SELF ALIGNED DOUBLE PATTERNING 自對(duì)準(zhǔn)雙重圖形化,英特爾曾經(jīng)還搞出過(guò)SAQP四重曝光技術(shù),原理差不多。

SADP是一種取代傳統(tǒng)LELE的雙重圖形化工藝,通過(guò)側(cè)墻自對(duì)準(zhǔn)工藝的雙重圖形化方案,即通過(guò)一次光刻和刻蝕工藝形成軸心圖形,然后在側(cè)壁通過(guò)原子層淀積和刻蝕工藝形成側(cè)墻圖形,去除軸心層(即犧牲層),形成了pitch減半的側(cè)墻硬掩模圖形。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/387004183知乎上有更全面的解釋。

英特爾曾經(jīng)在10nm之后的7nm,搞出了SAQP,四重曝光,并且沉迷這個(gè)技術(shù)。

它通過(guò)DUV深紫外線技術(shù)加上SAQP四重曝光技術(shù)對(duì)M0/M1連續(xù)進(jìn)行多次的曝光處理,最終讓金屬的中心距從雙重曝光(SADP)的40nm提升到20nm。

但是實(shí)際上效果不大,工藝太復(fù)雜,良率不高,導(dǎo)致產(chǎn)能上不去,成本下不來(lái),不如臺(tái)積,三星他們?cè)?nm直接導(dǎo)入EUV來(lái)的這么痛快。

不同曝光技術(shù)的區(qū)別,分別是LELE,LFLE,SADP,SAQP

講到這里給大家再總結(jié)一下,不管那種曝光技術(shù),都是為了在有限的光刻機(jī)分辨率下實(shí)現(xiàn)更小的特征尺寸,其中SAQP效果最好,SADP其次,LELE和LFLE差不多。

但是無(wú)論如何都不可能實(shí)現(xiàn),用28nm光刻機(jī)做出7nm的工藝。

這就像一個(gè)高考模擬考只有三本水平的學(xué)生,可以通過(guò)靠前突擊,努力學(xué)習(xí),實(shí)現(xiàn)三本到二本,甚至一本的跨越,但是你說(shuō)他一定能考上清華北大?實(shí)在是太難了,無(wú)他,物理極限擺著。

以上就是今天科普內(nèi)容,歡迎大家繼續(xù)提問(wèn)??傊魑豢赐瓴惶?,最終贏麻!

最后放一個(gè)群友今天編的神仙段子。

有個(gè)小工程師拿著一片wafer在SH湖邊走,走著走著,不小心wafer掉湖里了,于是SH湖神出現(xiàn)了,還拿著三片wafer他問(wèn),小工程師啊,這里有三片wafer,一片是7nm,一片是5nm,還有一片是3nm制程的,請(qǐng)問(wèn)哪片是你的呀,小工程師誠(chéng)實(shí)地說(shuō):7nm那片是我的,請(qǐng)還給我。

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