DUV光刻机，也能生产2nm芯片？

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《国际设备和系统路线图》（2022 年版）指出，预计 2025 年（今年）推出的“2nm”节点的最小（金属）半节距为 10nm。事实上，这低于目前最先进的 EUV 系统的分辨率，其数值孔径 (NA) 为 0.33。即使对于下一代High NA（0.55 NA）EUV 系统，20nm 线节距也只能通过两个平面波的基本干涉才能成像。

如图 1 所示，与在最先进的 ArF 浸没系统上成像的类似 80nm 节距（图 2）相比，随机行为预计难以控制。

图 1. 10 nm 半间距图像的随机外观（即散射电子密度）因 3 nm 模糊而变得更糟，这是金属氧化物光刻胶中预期的。假设吸收剂量为 20 mJ/cm²。偶极子引起的衰减被建模为两个极点产生的图像的 + 或 - 1 nm 图像偏移。

图2. 与图 1 中的 EUV 情况相比，使用 ArF 双极子照射的 40 nm 半间距图像的随机外观（即吸收光子密度）可以忽略不计，即使假设吸收剂量为 2 mJ/cm²。假设使用 6% 衰减相移掩模进行负色调成像。

因此，即使使用 EUV 光刻，双重图案化也是不可避免的。然而，对于 2nm 节点，EUV 光刻中的任何双重图案化方案仍然需要成像 10nm 线宽，例如，图 3 所示的具有四个布线轨道和两个宽轨道的单元（与没有背面供电的 TSMC N2 保持一致）。因此，从图 1 中我们看到的情况来看，对于特征尺寸 ~ 10nm，我们仍然预计线边缘和线宽定义会受到挑战。

图 3. 可以使用双重图案化形成具有 10 nm 半间距特征的 6 轨道单元（左），但仍需要形成 10 nm 线宽作为核心（右）。注意：每个方块代表 10 nm。红色区域是在形成间隔物后填充的间隙。

因此，我们预计双重图案化中使用的线宽本身不会由直接曝光定义，而是通过使用另一种双重图案化，具体来说，即自对准双重图案化 (SADP)。SADP 涉及在芯轴上沉积垫片，蚀刻以仅覆盖侧壁，然后移除芯轴。这会使特征密度加倍，因为每个芯轴有两个侧壁垫片（图 4）。

图 4. 自对准双重图案化（SADP）利用间隔物使特征密度加倍[3]。

2021 年（3nm 生产开始之前），台积电在美国专利申请 20210232747 的披露中暗示了这种方法：

“一种方法包括形成第一心轴图案和第二心轴图案。第一心轴图案包括至少第一和第二心轴，用于心轴-间隔物双重图案化工艺。第二心轴图案包括至少插入在第一和第二心轴之间的第三心轴。第一心轴图案和第二心轴图案包括相同的材料。第一和第二心轴与第三心轴合并在一起以形成单个图案。”

这本质上就是所谓的 LELE-SADP 方法。LELE 指的是“光刻-蚀刻-光刻-蚀刻”，这将导致形成两个独立的芯轴图案。这些芯轴图案组合在一起，充当 SADP 的基础图案或核心图案。

图 5. LELE 用于生成图 3（右）的黑色核心图案。两种不同的颜色表示两种不同的曝光。

图5所示的部分核心图案线宽仍然太小，无法直接打印，因此需要从较大的暴露线宽中进行修剪（图6）。

图 6. 较大的线宽（左）被修剪以得到目标 10 nm 线宽（右）。

请注意，不能使用修整来获得图 3 中的核心图案，因为这样暴露的 10 纳米间隙会太窄（图 7）。

图 7. 这里无法进行修剪，因为这里（左）的起始 10 纳米间隙太窄了。

因此，我们看到，即使使用 EUV，LELE-SADP 也是生产具有四个布线轨道和两个宽轨道的 6 轨道单元的唯一选择。事实上，关键在于，DUV 可以生产完全相同的 10 nm 最小半节距尺寸，起始曝光节距为 480 nm。这可以大幅降低与 EUV 使用相关的成本。

在 2nm 节点及以后，背面供电将把轨道置于与金属布线不同的层上。通过将宽轨道和窄轨道分别放在晶体管下方和上方的不同层上，可以改善多重图案化物流。因此，最小间距线的规则网格足以满足布线轨道的要求。

在 16-18 nm 间距下，EUV 将实施自对准四重图案化 (SAQP)，即连续两次应用 SADP。DUV 将实施自对准六重图案化 (SASP)，即 SADP 后紧接着 SATP（自对准三重图案化。EUV SAQP 和 DUV SASP 都只需要一次掩模曝光，这比 LELE-SADP 的两个掩模有所改进。

值得注意的是，SASP 将 ArF 浸没式光刻的分辨率从 38 nm 半间距降低到六分之一，即 6.3 nm 半间距。

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

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