光刻機(jī)怎么生產(chǎn)出來(lái)芯片的？一起來(lái)看看吧

想當(dāng)年整個(gè)芯片工業(yè)，各家包括intel ,GF, 臺(tái)積電，三星都在三星都在22nm,28nm這個(gè)節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)的尺度，已經(jīng)非常神奇了不是嗎?

不過這背后也存在命名問題。xx nm節(jié)點(diǎn)不意味著真正的結(jié)構(gòu)就那么小。首先這個(gè)數(shù)字原來(lái)是指結(jié)構(gòu)的half pitch，即一半的周期。而到了后來(lái)水份更多，一般是指最小feature-size。比如一排100nm周期的突起或者凹陷，突起的寬度20nm, 空隙80nm，那么不嚴(yán)格的說(shuō)這也是一個(gè)20nm的工藝。

此外， 32nm 22nm 14nm只是一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志， 可能對(duì)應(yīng)的最小結(jié)構(gòu)是 60nm, 40nm, 25nm等等，總之要比標(biāo)稱大不少。這個(gè)節(jié)點(diǎn)各家公司還不一樣，比如大家常說(shuō)Intel的14nm比Samsung和臺(tái)積電的10nm密度都大等等(不置可否)。

但是如何做出遠(yuǎn)小于一半周期的minimum-feature呢?

單從光場(chǎng)分布來(lái)說(shuō)，一個(gè)峰或谷的寬度很可能還是突破不了衍射極限。但是可以利用光刻膠的性質(zhì)!

光刻膠曝光后的溶解性依賴于曝光量，這大家都知道，但是這個(gè)依賴很不線性。通過控制這種不線性，使得在某個(gè)閾值曝光量附近，小一點(diǎn)的完全不會(huì)溶解，大一點(diǎn)的極易被溶解，那通過準(zhǔn)確把握曝光量，就可以輕松控制最小結(jié)構(gòu)的線寬。

試想一個(gè)均勻分布類似正弦波的光場(chǎng)，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，那么最后做出來(lái)的結(jié)構(gòu)就是一個(gè)周期和正弦波一樣，但是最小寬度小的多的結(jié)構(gòu)。

見下圖。黃色曲線代表的結(jié)構(gòu)的凹陷要小于光場(chǎng)分布一個(gè)峰的寬度。

當(dāng)然這種方法也不是能做出無(wú)限小的Feature。畢竟光刻膠的溶解特性哪兒有想要什么就有什么的，每一種配方的研制都非常復(fù)雜，還要和現(xiàn)有的流程工藝匹配。而且光刻膠涂層畢竟是有厚度的，表面的曝光分布和整體也不盡相同。同時(shí)它的機(jī)械性質(zhì)也無(wú)法維持很窄的細(xì)節(jié)的完整性。

還有另外一些方法能將光刻膠層被激活的區(qū)域集中在比曝光光場(chǎng)小很多的尺度內(nèi)，包括各種玄乎的化學(xué)處理，熱處理等。

既然有了上述方法，能讓Minimum Feature Size至少小于半周期，那么接下來(lái)實(shí)現(xiàn)密度的增長(zhǎng)就有了可能——通過多次曝光。

同樣的結(jié)構(gòu)，平移一下再做一遍就多了一倍的密度。

但是實(shí)施起來(lái)并沒有那么簡(jiǎn)單。

關(guān)鍵就是在后續(xù)曝光中要做到一個(gè)對(duì)先前結(jié)構(gòu)保護(hù)凍結(jié)的步驟。最樸素的多重曝光技術(shù)就是，做一次，再做一次，可以稱作LELE(Litho-Etch-Litho_Etch)。如下圖

最上面是已經(jīng)經(jīng)過一次Patterning的保護(hù)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)。最后光刻膠層被去掉，留下可以進(jìn)一步蝕刻的結(jié)構(gòu)(下圖)。

另外一個(gè)變種是Litho-Freeze-Litho-Etch (LFLE).

第二層光刻膠直接加在第一層沒被去除但被化學(xué)凍結(jié)的光刻膠上，再來(lái)一次光刻，形成兩倍的結(jié)構(gòu)。比LELE可以節(jié)省些步驟。

這一類多重曝光的特點(diǎn)就是流程簡(jiǎn)單粗暴，很早就有人嘗試應(yīng)用。但一個(gè)最大的問題就是，后一次光刻和前一次的對(duì)準(zhǔn)問題。

這幾乎是一個(gè)可以讓這類方法徹底無(wú)效的巨大難關(guān)。

想要做出20nm左右的結(jié)構(gòu)，那對(duì)準(zhǔn)誤差要控制在4-5nm以下，然而可以用于實(shí)施觀察的SEM分辨率最好也就10nm!

總之這個(gè)問題確實(shí)阻礙了這種方法的應(yīng)用——除了早期45nm、32nm節(jié)點(diǎn)的DRAM工藝(結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重復(fù)性高)，而且超光雙重曝光的情況幾乎沒有，CPU GPU芯片應(yīng)該采用的并不多。接下來(lái)是另一類聰明一點(diǎn)的多重曝光，可以統(tǒng)稱為SADP (Self-Aligning Double Patterning).

比如Side Wall Transfer就是核心的實(shí)現(xiàn)方式。主要是利用第一層結(jié)構(gòu)的Sidewall來(lái)形成兩倍的Feature, 從流程上來(lái)說(shuō)省了不少事兒，而且不用考慮對(duì)準(zhǔn)的問題。

但是這個(gè)方法對(duì)技術(shù)要求也很高，我再放一張圖：

注意看第二步的棕色材料的沉積——這一步是一個(gè)Conformal Deposition-所有表面不論取向都有類似的沉積率。而接下來(lái)第三步的蝕刻應(yīng)該是一個(gè)Non-conformal Etching ——蝕刻幾乎只在垂直方向上進(jìn)行，才能呈現(xiàn)出想要的效果。這兩個(gè)步驟對(duì)材料和工藝都有一定限制。

Sidewall Transfer有一個(gè)難點(diǎn)就是，最開始的結(jié)構(gòu)的Sidewall必須夠直夠平整，不然之后補(bǔ)充材料的支持會(huì)有問題，形狀也可能出現(xiàn)很大偏離，導(dǎo)致對(duì)其下的材料層的蝕刻出現(xiàn)偏差。而且自由度明顯前一類方法高。生成的結(jié)構(gòu)的寬窄，對(duì)稱性等都受到了限制。

不過這并其實(shí)并不是什么大問題，都是可以前期設(shè)計(jì)時(shí)考慮好的。主要是沒有了對(duì)準(zhǔn)這大難題，應(yīng)用范圍就廣了不少。

基于這種方法，重復(fù)一次就可以實(shí)現(xiàn)SAQP, 做20nm左右的feature不是什么問題。

還有一種比較奇葩的方法，Direct Self-Assembly——即利用保護(hù)層材料本身的Phase Seperation 實(shí)現(xiàn)一層材料就可以用來(lái)做兩次互不影響的蝕刻。

具體地說(shuō)是利用某種Copolymer，比如PMMA-PS，在滿足一定分子比和物理?xiàng)l件的形況下，PMMA跑到一邊，PS跑到另一邊，形成很有序的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行針對(duì)不同組分的蝕刻就可以Double Pattern了。

不過這個(gè)方法想來(lái)限制也很多，比如交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的分布，占空比，也不是你想讓人家怎么分布就能怎么分布。而且平整度肯定比不上那些Hard Mask Material。這個(gè)方法當(dāng)前應(yīng)該還是主要用于學(xué)術(shù)界玩兒各種小規(guī)模簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)，似乎沒有應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域。

以上所述的各種方法，結(jié)合實(shí)際來(lái)看，由于真實(shí)的集成電路結(jié)構(gòu)超級(jí)復(fù)雜，各種不同材料，不同區(qū)域，不同的互聯(lián)和切斷的要求，而且實(shí)際的布局是需要二維甚至三維考量的，所有這些復(fù)雜因素就構(gòu)成了更多更多的難題，和捷徑，由此衍生了基于不同材料(電介質(zhì)層，金屬)和不同功能區(qū)域的奇技淫巧。但是這塊太復(fù)雜了，我也不甚了解。

說(shuō)了這么多怎么通過光刻之后的手段來(lái)增加密度減少線寬的，但還需要一個(gè)最核心的技術(shù)——如何把老老實(shí)實(shí)的單次曝光的Feature/周期做的最小最漂亮呢?

基于CD=k*lamda/NA, k通常為一個(gè)0.25-1之間的常數(shù)，那么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(yīng)該也可以用更高折射率的油到1.4多?)。

Immersion Lithography，不多說(shuō)了，EUV之前妥妥的必備技術(shù)(然而到了EUV肯定用不了了)。然后就是Off-Axis Illumination。讓光學(xué)系統(tǒng)的主光軸和照明方向不一樣，光源斜著打。

這個(gè)原理也比較直觀，就是盡可能的舍棄一些MASK的空間低頻成分，讓含有更精細(xì)結(jié)構(gòu)的高頻成分進(jìn)入物鏡從而成像。從原理上來(lái)講，MASK上凡是小于光照波長(zhǎng)的高頻成分，都成為了高頻信息，所對(duì)應(yīng)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(fù)至少有一支有更小的衍射角從而進(jìn)入物鏡，甚至從隱失波變成可以被收集的成分(當(dāng)然 另外一支就被推的更遠(yuǎn)了，不過無(wú)所謂)。最后的效果就是Wafer上的像含有更多的高頻成分，自然也就更接近Mask的形態(tài)。

Mask上面也可以做文章。首先就是采用Phase-Shift Mask。相鄰的很近的通廣孔，引入不同的相移，那么相干成像的情況下，雖然兩者各自的電場(chǎng)強(qiáng)度分布有很大重疊，但是電場(chǎng)疊加以后由于有(最好是pi)的相差，變成了一加一減，中心強(qiáng)度為零，正好分開成了兩個(gè)獨(dú)立的峰。

最后的關(guān)鍵技術(shù)是Optical Proximity Correction。

以上所說(shuō)的種種技巧，都無(wú)法保證最終的結(jié)構(gòu)具有完美的、橫平豎直、想圓就圓想方就方的形狀，對(duì)于2D結(jié)構(gòu)更是如此。雖然說(shuō)一個(gè)MOS管不需要有完美的形狀來(lái)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?？梢钥隙ǖ恼f(shuō)，如果你把MASK天真的做成和最后想要的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)一個(gè)樣子的話，那100%在65nm一下尺度你最后得到的就是一疊垃圾。

OPC的神奇如圖：

這個(gè)過程是怎么實(shí)現(xiàn)的?

我也不知道，但想必需要非常復(fù)雜的波動(dòng)光學(xué)模擬方法以及無(wú)數(shù)次的實(shí)驗(yàn)反饋及后續(xù)優(yōu)化。從某些角度講，OPC這一領(lǐng)域好像是當(dāng)前FAB前沿最吃香的工作(純屬道聽途說(shuō)，準(zhǔn)確性不保證)。

最后說(shuō)一下，我并不是從業(yè)者，純屬為了做課程Presentation，并且對(duì)這方面感興趣就收集了一系列材料。我一直以來(lái)的困惑就是發(fā)現(xiàn)這些材料都非常零散非?，嵥?，很少能看見大型的綜述文章或者雜志專題，不知道是由于商業(yè)機(jī)密還是什么，但能感覺到根本不入學(xué)術(shù)界的法眼。畢竟所有人都在玩兒Graphene, CNT, TMD，Single-Molecule Transistor是不是?硅?這玩意兒應(yīng)該過時(shí)30年了。

我個(gè)人也有很多問題這些年來(lái)都沒能解決。比如Multi Patterning到底從哪個(gè)節(jié)點(diǎn)開始被廣泛采用?65?45?EUV談了這么多年，現(xiàn)在成型了嗎，14nm 10nm這兩代到底主流是什么技術(shù)?畢竟這么巨大的投資和技術(shù)轉(zhuǎn)換，沒什么可能D/E混用吧?其實(shí)想來(lái)也挺神奇的，這5年來(lái)由于技術(shù)瓶頸，半導(dǎo)體工藝界不知道發(fā)生了幾輪巨大的技術(shù)革新和變動(dòng)，可是外界根本看不出什么大動(dòng)靜，基本上每年都能簡(jiǎn)單的小一號(hào)兒。這種產(chǎn)出的穩(wěn)定性真是有點(diǎn)細(xì)思極恐。

關(guān)于Sidewall部分，知乎網(wǎng)友Albert Hu做出來(lái)自己的解答：

193nm波長(zhǎng)的光為什么能用在130nm,90nm,65nm甚至45nm的制程上?因?yàn)?30nm以下柵極的多晶硅條一般使用側(cè)墻轉(zhuǎn)移(Sidewall Transfer),并不是直接使用光刻.簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，側(cè)墻轉(zhuǎn)移是先用光刻等方式形成圖案。這個(gè)圖案的并不需要很精細(xì)，但是經(jīng)過一些處理，邊緣做成階梯狀且比較陡直。然后沉積一層所需材料，這樣圖案邊緣也會(huì)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余材料，階梯處保留下來(lái)就出現(xiàn)非常細(xì)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(xù)時(shí)間，所以光刻波長(zhǎng)并不起作用。它的精度要看材料(以及刻蝕材料)的“物質(zhì)波長(zhǎng)”了。

真正用光刻的是在互連層,而65nm工藝下最低一級(jí)互連層的最小間距目前也在120nm以上,還沒有達(dá)到193nm光刻的瑞利極限.使用這樣的方案，193nm的波長(zhǎng)就可以用到90nm，65nm甚至45nm的制程上。比較特別的是，線寬因?yàn)榕c光刻波長(zhǎng)失去了聯(lián)系，半代，甚至更奇特的線寬都可以在同樣的設(shè)備上完成-----80nm的生產(chǎn)設(shè)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。線寬幾乎變成了工藝中最不重要的參數(shù)了。

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