【关注】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，屡次曝光工艺也可以进一步进步芯片的制程，本文首要先容若何采用28 nm DUV光刻机来制造7 nm工艺要求的芯片。

五代光刻机是若何成长的？

各类手机、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议了芯片的先辈水平，即运算速度和处置才能[1]。从最初代的光刻机到今朝最早辈的EUV光刻机，根据采用激光光源波长的分歧大要分别为五代。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，随着光刻机的成长，光刻机光源波长不竭下降，已经可以实现7 nm的最小工艺节点[2]。

图1 五代光刻机的光源及波长（来自收集）

从芯片制造技术来看，光刻机起到重要的转移感化，行将电路图转移到晶圆上。为了保证电路图的切确转移和在晶圆上完全复刻，需要把光源系统、光学系统、物镜系统战争台系统停止系统整合[3]。今朝的光刻机都是由这些子系统来组成，每个子系统都发挥着分歧的感化。任何一个子系统的设想、制造都是该范畴的尖端技术，这也是光刻机制造的困难之处。借助上述子系统的运转和配合，光刻机可以实现纳米级此外电路转移和处置。光刻机的精度和稳定性，间接影响芯片的良率和结构完整性。但是，芯片技术开辟和芯片大范围量产属于两个概念。这就致使芯片代工企业和芯片设想企业会充实斟酌各类身分，来决议采用何种工艺生产芯片。例如，就工艺而言，ArF 193 nm波长DUV光刻性可以实现7 nm制程芯片的生产。这触及到一个重要的题目——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。栅极的宽度决议了电畅经过期的消耗，栅极越宽，电流经过的间隔越长，消耗越大，表示为芯片的发热和性能下降。栅极越窄，消耗越小，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，较小的制程可以有用提升芯片的性能。但栅极间的间隔也不是无穷减小的，今朝栅极间的7 nm间距根基上接近物理极限。间隔再减小，栅极间会出现“电流泄露”，致使电路运转生效、芯片生效等题目。

图2 源极、漏极和栅极的表示图（来自收集）

光刻机的制程工艺是怎样的？

先容完制程的概念，接下来先容制程的具体实现进程。出格是，若何用最小节点为28 nm的光刻机来生产7 nm制程的芯片。这触及到第二个题目——工艺。今朝只要台积电和三星可以实现7 nm制程的大范围量产。三星采用EUV光刻机来实现7 nm制程；台积电先是利用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。下面先容采用DUV光刻机制造7 nm制程芯片的进程。

光刻机进入第四代后，最小工艺节点为28 nm，要想继续进步制程，依靠单次曝光已经没法做到，产业界起头采用屡次曝光/刻蚀来实现缩小制程[5]。其中，最关键的两种工艺是两重曝光技术（double exposure，DE）和自瞄准两重成像技术（self aligned double patterning，SADP）。两重曝光彩用前后曝光分歧图形（叠加）的法子来实现更小制程（更高分辨率）。这类方式的优点是可以实现更高精度，弱点是增加了本钱和工艺，且对叠加精度要求较高。相比之下，SADP技术则轻易很多，同时可以实现精度进步一倍，DUV光刻机连系SADP可以实现14 nm的最小节点。

图3 阿斯麦DUV光刻机（来自收集）

SADP技术具体的操纵是什么？

1）首先在有硬掩模版的晶圆上利用光刻工艺一次，获得28 nm的光刻胶图形；

2）经过刻蚀工艺，将光刻胶图形宽度减小一半；

3）在光刻胶上堆积二氧化硅薄膜；

4）别离将表层的二氧化硅薄膜刻蚀掉，暴露薄膜下面的光刻胶；再利用别的的刻蚀溶剂只将光刻胶刻蚀撤除，留下光刻胶两侧侧壁作为新模板，相比起头的28 nm间距，今朝为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）最初，将硬掩模版上的表层二氧化硅清洗掉，便可以获得14 nm间距的图形了，也就是实现了14 nm制程。

图4 SADP技术道理（来自收集）

自动瞄准四重成像技术的利用

利用DUV光刻机实现14 nm制程，SADP是一个有用的方式。但这类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。今朝间隔我们7 nm的方针还有一段间隔，实现方式就是自动瞄准四重成像技术（self aligned quadruple patterning，SAQP）。与SADP类似，在前面14 nm间距的根本上，再利用一次SADP技术，便可以实现间距（制程）的进一步缩小，获得我们想要的7 nm制程[6]。

图5 SAQP技术道理（来自收集）

以上就是采用DUV光刻机，连系SADP技术获得7 nm制程的方式。利用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，单次曝光便可以到达13 nm的分辨率，要获得7 nm制程芯片，利用极限特征尺寸单次曝光即可。连系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，可以有用进步芯片的良率。采用DUV技术可以实现7 nm工艺，倘使要大量生产，中心的工艺次数和复杂水平大大增加，对于芯片制造企业来说，根基不具有经济效益。

总 结

光刻机已经成长到第五代，但我国的高端光刻机装备及相关技术仍受制于人。经过对生产技术的进一步开辟，在一定水平上可以实现更小的制程，可以有用操纵国内的芯片产能，出格是国内的28 nm光刻机产能。连系其他下降本钱的技术，还可以有用缩小和先辈芯片厂商的差异。

来历：化学通讯

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