用DUV光刻机制造3纳米芯片!

华为海思麒麟9000S的面试，预示着中国已经可以使用 DUV 光刻技术实现了 7 纳米级节点的芯片制造，这提出了一个问题：通过多重曝光方法，DUV 光刻技术能走多远？

据国外科技媒体semiwiki报道，CSTIC 2023的最新发表指出，中国研究小组目前正在考虑将基于 DUV 的多重图案化扩展到 5 纳米，甚至考虑在一层使用 6 个掩模。比较基于DUV和EUV的方法在前进到3纳米时，可以得出一个有趣的结论。

LELE光刻

最基本的多重图案化形式是所谓的 "光刻-蚀刻-光刻-蚀刻"（LELE）方法，其本质是在进行基本光刻后再进行两次蚀刻。

当第二个特征插入到两个印刷的第一个特征之间时，这使得节距减半。推而广之，LE3（3xLE）和 LE4（4xLE）可能会随之出现。不过，随着自对准间隔光刻技术的出现，使用这些方法将间距减小到原始间距的一半以下已不再受到青睐。

自对准间隔光刻技术（SADP）

与 LELE 相比，自对准间隔层图案化的优势在于不需要额外的光刻步骤，从而节省了额外的成本。间距沉积和随后的蚀刻，以及间隙填充和随后的蚀刻，取代了涂层、烘烤、曝光、烘烤、显影的光刻顺序。虽然成本大大降低，但仍需要精确的工艺控制，如间隔层厚度和蚀刻速率选择性。一次性间隔层的应用可在给定间距内实现特征加倍。因此，这通常被称为自对准双图案化（SADP）。再次应用则会产生自对准四倍图案化 (SAQP)，这也是意料之中的。

减法光刻（Subtractive Patterning）

虽然 LELE 和 SADP 都会自然地在图案中添加特征，但有时也有必要去除这些特征的一部分，以便进行最终布局。切割掩模表示需要去除线段的区域。在阻挡线形成蚀刻时，这些区域也称为阻挡位置。反向掩模称为保留掩模。如果相邻的线也可以蚀刻，则将断线限制在单线宽度会产生放置问题。如果可以安排用不同的蚀刻材料制作交替线，就能以更好的公差制作断线（图 1）。

图 1. 自对齐块/切割仅删除交替线的部分

对于给定的互连线，中断之间的距离预计至少为两个金属节距。因此，当金属间距为分辨率极限的 1/4 到 1/2 时，每行需要两个掩模。

图 2. 两组蚀刻需要两组块/切割掩模

交替线排列

通过 LELE、SADP、SAQP 或 LELE 和 SADP 的混合体 SALELE（自对齐 LELE），可以自然地排列交替线。SALELE 已被认为是最窄金属间距 EUV 的默认使用方法。

DUV 与 EUV 成本评估

与EUV相比，DUV多模化的成本一直在不断上升。现在是时候进行更新的重新评估了。首先,我们使用最新的成本估算(2021)规范化模式 (图3)。

图3 图案化的标准化成本

接下来，我们为各个节点使用DUV和EUV的代表性模式样式(图4)。

图4 DUV与EUV模式成本与节点

有几处需要说明：

• 对于 7 纳米的 DUV，40 纳米的间距是唯一能分辨出线条特征的点，因此这些线条必须在单独的曝光中切割。

• 对于 7nm EUV，使用单独的线切割，因为在 40 nm 间距下，所需的分辨率（~20 nm）小于 EUV 系统的点扩散函数（~25 nm）。由于焦深和光瞳填充的限制，高数值孔径 EUV 系统对于这种间距也没有优势。

• 对于 3/5nm DUV，LELE SADP 在 40nm 以下间距时比 SAQP 更灵活。

• 对于 3/5nm EUV，使用 LELE 的驱动力在于 <17 nm 半间距和 <20 nm 隔离线宽时的随机行为。当我们接近 10 纳米尺寸时，电子散射剂量依赖性模糊也将变得令人望而却步。系统的光学分辨率（即 NA）不再重要。

• 图案塑形不被认为是消除切割的一种方法，因为这将使预形状光刻变得更加困难（图5）。此外，倾斜的离子束刻蚀通常用于平坦预先存在的地方，减小刻蚀掩模的高度。

图 5. 对于图案成形，成形前的图案非常不适合光刻。

大多数情况下，我们可以直接判断DUV LELE比EUV单次曝光（SE）便宜得多。此外，DUV LE4 比 EUV 双图案化更便宜。虽然LELE比SE需要额外的步骤，但还需要考虑EUV系统维护与DUV系统维护以及能耗。DUV LELE 使用的能量是 EUV SE 的一半，DUV SADP 约为 2/3，甚至 DUV LE4 使用的能量也只有 EUV SE 的 85%。

所有这些都凸显出，无论选择 DUV 还是 EUV，转向先进节点都需要面临不断增长的成本。