光刻中的多重曝光与多重图形技术介绍

本文介绍了光刻中的多重曝光与多重图形技术。

技术背景与定义

多重曝光技术是将集成电路设计版图上的图形分配到多个掩模版上，依次进行光刻制造，从而实现特征尺寸更小的图案。其核心思路在于：在不改变现有光刻基础设施的前提下，通过特殊的图形曝光技术来提高光刻的分辨率。具体而言，该技术将设计版图拆分为多个子版图，使每一个子版图的最小尺寸周期均符合单次光刻的极限分辨率要求。这些子版图分别制作成掩模版后进行多次曝光，每次曝光使用不同的掩模版，通过控制每次曝光的光强和位置得到所需图形，再经显影和刻蚀将图形转移到晶片上。

多重图形技术与多重曝光技术在实际应用中相辅相成。多重图形技术负责将复杂图形拆分为多个简单图形，通过多次光刻-刻蚀循环突破单次光刻的分辨率限制；而多重曝光技术则提供了实现这些图形转移的具体手段。两者互补协同，共同突破光刻分辨率瓶颈。

主流技术方案

目前主流的多重曝光和多重图形技术主要包括LELE、LFLE、SADP、SAQP四种，其中前两种常用于逻辑芯片，后两种常用于存储芯片。

LELE技术（Litho-Etch-Litho-Etch，光照-刻蚀-光照-刻蚀）是在同一衬底上顺序进行光刻-刻蚀-光刻-刻蚀，从而将图形密度提高一倍。该技术需要先将图形按一定算法拆分成两层并分别制作掩模版，使得每一层图形都能在光刻能力限制范围内。LELE可分为双沟槽LELE和双线条LELE两种类型：双沟槽LELE通过两次硬掩模分步刻蚀，首层扩宽图形提升工艺稳定性，次层精细调控沟槽宽度与边缘质量，最终形成高深宽比凹槽结构；双线条LELE则通过双掩模协同优化，首层刻蚀收缩线条宽度，次层二次光刻锐化边缘，实现纳米级均匀线宽与光滑侧壁形貌。在三重光刻技术（LELELE）中，则在LELE基础上再增加一步光刻刻蚀工艺，用于进一步降低最小分辨率、对图形进行裁剪修正，以及补充LELE工艺无法处理的图形。

LFLE技术（Litho-Freeze-Litho-Etch，光刻-冻结-光刻-刻蚀）是LELE工艺的一种变体。该工艺包含两道光刻步骤但仅有一个蚀刻步骤：第一步先进行光刻将图案曝光，随后使用化学处理将图案“冻结”或涂覆，之后经过二次光刻步骤将密度加倍，最后进行蚀刻工艺。相比LELE，LFLE可节省一道刻蚀步骤。

SADP技术（Self-Aligned Double Patterning，自对准双重图形化）是通过侧墙自对准工艺实现的双重图形化技术方案。其工艺流程为：先通过一次光刻和刻蚀形成轴心图形，然后在侧壁通过原子层淀积和刻蚀形成侧墙图形，去除轴心层（牺牲层）后，形成半节距减半的侧墙硬掩模图形。SADP可分为正性工艺和负性工艺：正性SADP基于设计版图生成主版图并进行光刻刻蚀使尺寸缩小至目标尺寸，沉积侧墙材料并垂直刻蚀掉多余材料后去除Mandrel材料，最终转移刻蚀至硬掩模层；负性SADP则在侧墙沉积后增加材料回填工艺，通过刻蚀侧墙材料形成目标图形。

在SADP基础上，还发展出自对准三重图形成像（SATP）、自对准四重图形成像（SAQP）、自对准八重图形成像（SAOP）等技术。SATP在第一次侧墙工艺后直接进行第二次侧墙工艺，通过裁剪工艺去除第一次侧墙材料实现目标图形。SAQP是两次侧墙沉积-刻蚀工艺的叠加，可实现半周期为20至40nm的致密线条图形成像，如7nm技术节点的鳍型层和规则金属互连线图层的工艺实现。SAOP则在SAQP基础上再增加侧墙沉积和刻蚀工艺，可实现仅5.5nm半周期的规则线条结构。

面临的挑战与发展方向

多重曝光技术在带来工艺突破的同时，也面临诸多挑战。在工艺复杂性方面，多次曝光与刻蚀步骤使工艺流程显著增加。图形分解需要高精度的计算和优化，增加了工艺设计难度。多次曝光对光刻机的套刻精度提出极高要求，对准误差会导致图案错位，影响器件性能。此外，曝光过程中的热效应和机械振动、掩模版与晶圆之间的匹配误差等均会影响对准精度。材料方面，多次曝光和刻蚀需要光刻胶和硬掩模具有良好的兼容性和稳定性。在成本方面，更多的光刻和刻蚀步骤增加了设备使用时间和材料消耗，同时工艺复杂性和对准误差可能导致良率下降，进一步推高成本。多次曝光和刻蚀还增加了工艺缺陷的可能性，如光刻胶残留、刻蚀不均匀等。

针对上述挑战，未来的发展方向主要包括几个方面。在计算光刻方面，利用算法和计算模型优化光刻工艺，提高工艺精度和效率。在新材料开发方面，研发新型光刻胶、硬掩模和抗反射涂层，以提高分辨率和工艺稳定性。在设备改进方面，提高光刻机的对准精度和稳定性，减少热效应和机械振动的影响。在工艺集成方面，将多重曝光技术与其他先进工艺（如ArF浸没式光刻）进行集成，实现更高的分辨率和良率。