SADP、SAQP 與 LELE 的差異:多重圖案化的間距分割、疊對精度、光罩與製程數比較

多重圖案化是把單次曝光無法解析的細間距圖案,分成多次曝光或加工來形成的技術。LELE 將佈局拆成兩片光罩,重複兩次曝光與蝕刻,讓線條交錯排列。SADP 在芯材(mandrel)側壁形成間隔壁(spacer),再去除芯材,由一條芯材得到兩條線,使間距減半。SAQP 重複兩次間隔壁製程,使間距縮為 1/4。LELE 佈局自由度高,但對兩次曝光之間的疊對精度要求嚴格;SADP 與 SAQP 的線條位置由自對準決定,但只能形成規則排列的線,並需要切除不要部分的切割光罩(cut mask)。

項目SADPSAQPLELE
間距的分割1/2(一條芯材形成兩條線)1/4(重複兩次間隔壁製程)1/2(使用三片光罩的 LELELE 為 1/3)
可達間距的參考(ArF 浸潤式)單次曝光極限(間距約 80 nm)的一半,約 40 nm約 20 多 nm原理上約 40 nm,實際上受疊對精度限制
決定線條位置的因素芯材的位置與間隔壁膜厚(自對準)芯材的位置與兩次間隔壁的膜厚(自對準)兩次曝光各自的位置。第二次需疊對到第一次
對疊對精度的敏感度線與線之間的位置不受疊對影響。切割光罩仍須對準線條與 SADP 相同,線與線之間不受影響。切割或阻擋光罩的對準更嚴格非常敏感。第二次曝光的偏移會直接變成相鄰線條間隔的變化
線寬與間隔的變異線寬由膜厚決定,相當一致。芯材寬度偏離時,交錯的間隔會不相等(pitch walking)影響因素(芯材寬度與兩次膜厚)增加,pitch walking 更難管理兩次曝光的線寬各自變異,間隔隨疊對偏移而改變
光罩數(形成線條者)芯材用 1 片,加上切割或阻擋用光罩芯材用 1 片,加上切割或阻擋用光罩(一般比 SADP 多)2 片(LELELE 為 3 片)
主要製程曝光 → 芯材蝕刻 → 間隔壁沉積(ALD 等) → 回蝕 → 去除芯材 → 轉印到下層 → 切割在 SADP 的製程上,再加上第二次間隔壁沉積、回蝕與去除芯材曝光 → 蝕刻 → 曝光 → 蝕刻(依序轉印到硬遮罩等)
佈局的自由度低。基本上是同一方向的規則線條,不要的部分以切割去除比 SADP 更低。幾乎只限於均勻的柵狀圖案高。可處理二維形狀,但無法分成兩色的配置(例如彼此接近的三個圖案)不能使用
主要用途鰭片、閘極、金屬導線、記憶體的微細線條最細的鰭片、最密的金屬導線、記憶體的線條接觸窗、介層窗、形狀複雜的金屬導線層

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

SADP
想以一半的間距、一致的線寬形成單一方向的規則線條時。不必擔心線條之間的疊對偏移,就能形成密集的線條。
SAQP
SADP 仍不夠、需要最細間距的線條時。製程與成本最多,但即使用 ArF 浸潤式也能達到 20 多 nm 的間距。
LELE
想把接觸窗或介層窗等非規則線條的二維圖案拆開曝光時。必須非常嚴格地管理疊對精度。
與 EUV 的關係
EUV 微影讓許多層回到單次曝光,減少了多重圖案化的製程。不過在最細的間距,有時仍會將 EUV 與間隔壁技術組合使用。

常見問題

為什麼 SADP 不易受疊對偏移影響?

因為成對的兩條線,是由同一條芯材兩側側壁上的間隔壁形成的。兩條線的位置由芯材位置與間隔壁膜厚決定,不需要以第二次曝光對準。LELE 則是第二次曝光的偏移會直接變成與相鄰線條間隔的變化。

什麼是 pitch walking?

是使用間隔壁的圖案化中,交錯排列的間隔變得不相等的現象。去除芯材後留下的間隔由芯材寬度決定,相鄰芯材之間的間隔則由芯材間距、芯材寬度與間隔壁膜厚決定,因此芯材寬度偏離目標時,兩種間隔就會不相等。SAQP 的影響因素更多,管理更困難。

為什麼需要切割光罩?

因為在 SADP 與 SAQP 中,間隔壁會繞過芯材的末端形成環狀,只留下規則排列的線條。要做成電路需要的形狀,必須以另一片光罩切斷或阻擋線端與不要的部分。這片光罩要對準線條定位,因此需要疊對精度。

LELE 中無法分成兩色的配置是什麼?

是像三個彼此都過於接近、單次曝光無法解析的圖案那樣,形成奇數環的配置。無論怎麼分配到兩片光罩,總會有過近的圖案落在同一片光罩上。設計工具會將這類配置標示為錯誤並要求修正。

理解度檢測

關於雙重圖案化(多重圖案化)的說明,下列何者正確?

  1. A同時對2片晶圓進行曝光
  2. B將一次曝光無法解析的細間距圖案,分成多次曝光或加工來形成
  3. C只要塗佈兩層光阻就能讓解析度加倍
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正確答案:B. 將一次曝光無法解析的細間距圖案,分成多次曝光或加工來形成

雙重圖案化是將一次無法解析的細間距圖案,拆成間隔抽掉的兩組圖案,分別曝光、加工(LELE),或是利用在側壁成膜的間隔層(spacer)使線條數量加倍(SADP、SAQP)來形成圖案的技術。它突破了ArF浸潤式的極限(間距約80 nm),使微縮得以推進到20 nm級的間距,但製程步驟數、光罩數與成本都大幅增加,因此持續推動EUV曝光的導入。

在LELE(微影-蝕刻-微影-蝕刻)方式的雙重圖案化中,特別被嚴格要求的是下列何者?

  1. A光阻的顏色
  2. B曝光機的台數
  3. C第1次與第2次圖案的疊對精度
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正確答案:C. 第1次與第2次圖案的疊對精度

在LELE中,是把細微圖案分成兩組,分別曝光、蝕刻,因此若第2次圖案相對於第1次產生偏移,相鄰線條的間隔就會改變該偏移量,直接關係到配線電容與短路。例如間隔20 nm時偏移2 nm,就是10%的變化。因此需要非常高的疊對精度。使用間隔層的SADP,其線條位置是自我對準決定的,所以這個問題較小。

用於製作 FinFET 細鰭片,利用側壁間隔物形成比微影極限更細之圖案的技術是哪一個?

  1. ASADP/SAQP(自對準雙重/四重圖案化)
  2. BOPC
  3. CCMP
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正確答案:A. SADP/SAQP(自對準雙重/四重圖案化)

在 SADP 中,於作為核心的圖案側壁以 ALD 等方式附著均勻的膜以形成間隔物,再移除核心,就能製作出密度為原本兩倍的線條。SAQP 則將此步驟重複兩次,使密度成為四倍。線寬由膜厚而非曝光決定,因此變異小,可形成比 ArF 浸潤式曝光極限(節距約 80 nm)更細的鰭片與配線。即使在 EUV 曝光中,最細的節距也會搭配使用。

  1. 在以雙重圖案化為前提的佈局中,設計工具進行的圖案分配,下列何者正確?
  2. 根據解析度公式 R = k1 × λ / NA,下列何者是提升解析度(縮小R)的正確方法?

前往微影的練習題

相關名詞的解說

多重圖案化
將單次曝光無法解析之細微間距的圖案,分成多次曝光或加工來形成的技術。分成兩次者稱為雙重圖案化。
SADP(自對準雙重圖案化)
在作為核心的圖案側壁上形成膜(間隔物),去除核心後以間隔物作為遮罩,製作出微影極限一半間距的技術。重複兩次的稱為SAQP。
疊對精度
新圖案相對於前一步驟所製作圖案,能以多準確的位置疊合。一旦偏移就會造成接觸窗脫落等不良,因此以奈米為單位管控。
ALD(原子層沉積)
原子層沉積。重複前驅物氣體的自限性表面反應,以原子層為單位控制膜厚的成膜方法。
硬遮罩
在深孔加工等僅靠光阻無法支撐作為遮罩時所使用,由氮化膜、碳膜、金屬等構成的堅硬遮罩。
浸潤式微影
在透鏡與晶圓之間注滿水進行曝光的方法。可使數值孔徑達到1以上,利用ArF準分子雷射即可形成更細微的圖案。
EUV微影
使用波長13.5 nm極紫外光的曝光技術。採用反射式光學系統與真空環境。

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