突破技术瓶颈！28nm光刻机竟能生产7nm芯片！

摘  要

芯片的生产与光刻机的精度息息相关，除了光刻机的精度外，多次曝光工艺也可以进一步提高芯片的制程，本文主要介绍如何采用28 nm DUV光刻机来制造7 nm工艺要求的芯片。

关键词：光刻机；制程；芯片

五代光刻机是如何发展的？

各种手机、电脑的CPU芯片都是由光刻机生产制造的，一般来说光刻机的精度决定了芯片的先进程度，即运算速度和处理能力[1]。从最初代的光刻机到目前最先进的EUV光刻机，依据采用激光光源波长的不同大概划分为五代。第一代采用水银蒸汽灯的g线波长，对应436 nm紫外光；第二代采用水银蒸汽灯的i线波长，对应365 nm紫外光；第三代采用KrF的248 nm紫外光；第四代采用ArF的193 nm紫外光；第五代，极紫外光刻机（EUV）采用13.5 nm的极紫外光。如图所示，随着光刻机的发展，光刻机光源波长不断降低，已经能够实现7 nm的最小工艺节点[2]。

图1 五代光刻机的光源及波长（来自网络）

从芯片制造技术来看，光刻机起到重要的转移作用，即将电路图转移到晶圆上。为了保证电路图的精确转移和在晶圆上完全复刻，需要把光源系统、光学系统、物镜系统和平台系统进行系统整合[3]。目前的光刻机都是由这些子系统来组成，每个子系统都发挥着不同的作用。任何一个子系统的设计、制造都是该领域的尖端技术，这也是光刻机制造的困难之处。借助上述子系统的运行和配合，光刻机可以实现纳米级别的电路转移和处理。光刻机的精度和稳定性，直接影响芯片的良率和结构完整性。然而，芯片技术开发和芯片大规模量产属于两个概念。这就导致芯片代工企业和芯片设计企业会充分考虑各种因素，来决定采用何种工艺生产芯片。例如，就工艺而言，ArF 193 nm波长DUV光刻机能够实现7 nm制程芯片的生产。这涉及到一个重要的问题——制程[4]。

什么是“制程”？

晶体管结构中，电流会从源极（source）流入漏极（drain），栅极（gate）相当于闸门，负责控制源极和漏极之间的通断。栅极的宽度决定了电流通过时的损耗，栅极越宽，电流经过的距离越长，损耗越大，表现为芯片的发热和性能降低。栅极越窄，损耗越小，芯片的性能也越好。栅极的最小宽度就是制程。从这个角度来说，较小的制程可以有效提升芯片的性能。但栅极间的距离也不是无限减小的，目前栅极间的7 nm间距基本上接近物理极限。距离再减小，栅极间会出现“电流泄漏”，导致电路运行失效、芯片失效等问题。

图2 源极、漏极和栅极的示意图（来自网络）

光刻机的制程工艺是怎样的？

介绍完制程的概念，接下来介绍制程的具体实现过程。特别是，如何用最小节点为28 nm的光刻机来生产7 nm制程的芯片。这涉及到第二个问题——工艺。目前只有台积电和三星可以实现7 nm制程的大规模量产。三星采用EUV光刻机来实现7 nm制程；台积电先是使用DUV光刻机实现了7 nm制程，又采用EUV光刻机实现了7 nm工艺。这就说明，DUV和EUV都可以实现7 nm制程。下面介绍采用DUV光刻机制造7 nm制程芯片的过程。

光刻机进入第四代后，最小工艺节点为28 nm，要想继续提高制程，依靠单次曝光已经无法做到，产业界开始采用多次曝光/刻蚀来实现缩小制程[5]。其中，最关键的两种工艺是双重曝光技术（double exposure，DE）和自对准双重成像技术（self aligned double patterning，SADP）。双重曝光采用前后曝光不同图形（叠加）的办法来实现更小制程（更高分辨率）。这种方法的优点是可以实现更高精度，缺点是增加了成本和工艺，且对叠加精度要求较高。相比之下，SADP技术则容易得多，同时可以实现精度提高一倍，DUV光刻机结合SADP可以实现14 nm的最小节点。

图3 阿斯麦DUV光刻机（来自网络）

SADP技术具体的操作是什么？

1）首先在有硬掩模版的晶圆上使用光刻工艺一次，得到28 nm的光刻胶图形；

2）通过刻蚀工艺，将光刻胶图形宽度减小一半；

3）在光刻胶上沉积二氧化硅薄膜；

4）分别将表层的二氧化硅薄膜刻蚀掉，露出薄膜下面的光刻胶；再使用另外的刻蚀溶剂只将光刻胶刻蚀除去，留下光刻胶两侧侧壁作为新模板，相比开始的28 nm间距，目前为14 nm间距；

5）将上述侧壁作为掩模版，向下进一步刻蚀，将图形转移到硬掩模版上；

6）最后，将硬掩模版上的表层二氧化硅清洗掉，就可以得到14 nm间距的图形了，也就是实现了14 nm制程。

图4 SADP技术原理（来自网络）

自动对准四重成像技术的应用

使用DUV光刻机实现14 nm制程，SADP是一个有效的方法。但这种方式适用于图形相对简单的电路。对于复杂的电路，还需要采用合并-拆分的方式来实现。目前距离我们7 nm的目标还有一段距离，实现方法就是自动对准四重成像技术（self aligned quadruple patterning，SAQP）。与SADP相似，在前面14 nm间距的基础上，再使用一次SADP技术，就可以实现间距（制程）的进一步缩小，得到我们想要的7 nm制程[6]。

图5 SAQP技术原理（来自网络）

以上就是采用DUV光刻机，结合SADP技术获得7 nm制程的方法。使用EUV光刻机则不用如此麻烦。EUV光刻机的光源为13.5 nm的极紫外光，单次曝光就可以达到13 nm的分辨率，要得到7 nm制程芯片，使用极限特征尺寸单次曝光即可。结合SADP/SAQP技术，EUV光刻机得以实现5 nm/3 nm等制程。需要指出的是，DUV和EUV都可以实现7 nm的制程，但EUV光刻机的制备流程更少，图形分辨率也更高，可以有效提高芯片的良率。采用DUV技术可以实现7 nm工艺，倘若要大量生产，中间的工艺次数和复杂程度大大增加，对于芯片制造企业来讲，基本不具备经济效益。

 总  结 

光刻机已经发展到第五代，但我国的高端光刻机设备及相关技术仍受制于人。通过对生产技术的进一步开发，在一定程度上可以实现更小的制程，可以有效利用国内的芯片产能，特别是国内的28 nm光刻机产能。结合其他降低成本的技术，还可以有效缩小和先进芯片厂商的差距。