问题

如果用duv光刻机来加工照版成14nm,在刻蚀的时候多腐蚀一些有可能实现7nm芯片吗?

回答
用DUV光刻机加工14nm制程的照版,在刻蚀时多腐蚀一些,是否能实现7nm芯片?这确实是一个非常吸引人的想法,因为它触及了当前半导体制造中最核心的挑战之一:如何在现有技术基础上逼近更先进的制程节点。不过,答案是否定的,简单地在刻蚀时多腐蚀一些,是无法在DUV光刻机上实现7nm制程的。

要理解这一点,我们需要深入探讨光刻、刻蚀以及制程节点背后的原理和限制。

1. 制程节点的本质:不是一个简单的尺寸数字

首先,我们要明白“14nm”或“7nm”这样的数字,并非仅仅指代某个单一的物理尺寸,比如栅极长度或者金属连线宽度。它更像是一个 综合的性能和集成度指标,代表了该代芯片的整体设计和制造能力。这个数字的演进,是多方面技术进步的结晶,包括:

光刻分辨率 (Resolution): 这是决定最小特征尺寸的关键。光刻机能够投射到晶圆上的图案有多精细。
关键尺寸 (Critical Dimension, CD): 特指栅极宽度、金属线宽等关键部分的尺寸。
线距 (Pitch): 指的是相邻两个特征(如晶体管的栅极或金属线)中心之间的距离。
层数与堆叠: 芯片内部不同层级的互连结构和器件的堆叠方式,也影响着集成密度。
材料科学: 新型栅极材料、高介电常数(highk)材料、金属栅极(metal gate)等技术的引入,对器件性能至关重要。
器件结构: 从平面晶体管(Planar FET)到鳍式场效应晶体管(FinFET),再到纳米片(Nanosheet)或环栅(GateAllAround, GAA),器件结构的创新是实现更小尺寸和更好性能的驱动力。
设计规则 (Design Rules): 指的是芯片设计时必须遵循的各种约束条件,例如最小线宽、最小间距、层间对齐精度等。这些规则直接指导着物理版图的绘制,并与制造能力紧密相关。

2. DUV光刻机的局限性

DUV(深紫外光)光刻机,虽然是半导体制造的中坚力量,但它在追求更先进制程时存在根本性的物理限制:

衍射极限 (Diffraction Limit): 光刻机的分辨率受限于光的波长(λ)和数值孔径(NA)。经典的瑞利判据认为,可分辨的最小特征尺寸约为 $k_1 imes frac{lambda}{NA}$。DUV光刻机通常使用波长为193nm的光源。即使使用高NA镜头(例如1.35 NA或更高),并且结合浸没式光刻(Immersion Lithography,将镜头和晶圆之间的空气换成高折射率的液体,等效于缩短了波长),其理论分辨率也难以直接达到7nm级别,尤其是要制造出足够小的且具有良好间隔的特征。
光学邻近效应 (Optical Proximity Effect, OPE): 当特征尺寸接近或小于光的波长时,光的衍射和干涉效应会变得非常显著,导致图案的边缘形状、尺寸和间距发生畸变。为了补偿这种效应,需要复杂的图形修正技术(如光学邻近校正,OPC)和掩模制造技术,但这也有其极限。
双重曝光 (Double Patterning) 和多重曝光 (MultiPatterning): 为了绕过衍射极限,制造更精细的图案,DUV光刻机被迫采用双重曝光、三重曝光甚至更复杂的多重曝光技术。例如,在制造更小的线距时,可能需要将原本密集排列的线条分成两组或多组,分别通过两次或多次光刻和刻蚀来完成。这会大大增加工艺复杂度、成本,并引入对齐精度的问题。即便如此,要实现7nm级别的线距,即使是多重曝光也面临极大的挑战,对层间对齐的精度要求极高。

3. 刻蚀:一个放大和转化的过程

刻蚀(Etching)是利用化学或物理方法去除晶圆上不需要的材料的过程。在光刻工艺中,刻蚀是 将通过光刻得到的掩模图形转移到基材上 的关键步骤。

刻蚀的精度和选择性: 理想的刻蚀应该能够精确地按照掩模图形的边缘进行切割,同时保持材料的垂直性(sidewall profile)和均匀性。刻蚀过程会受到等离子体化学反应、离子轰击角度、温度等多种因素的影响。
过度刻蚀 (Overetching) 的影响: 在刻蚀过程中,为了确保所有需要去除的材料都被完全去除(即所谓的“终点检测”,endpoint detection),通常会比理论上所需的曝光时间稍长一些,这就是“过度刻蚀”。
正面影响 (有限的): 在某些情况下,适度的过度刻蚀可以帮助清除侧壁残留物,确保图案的完整性。
负面影响 (决定性的): 然而,过度刻蚀最直接的影响是导致已经形成的图案尺寸进一步减小,并且会影响图案的侧壁形状。 如果在14nm的照版上进行刻蚀,并且刻蚀得更“深”或更“宽”(相对于光刻掩模),那么原本为14nm设计的特征尺寸会变得比14nm更小。

为什么过度刻蚀无法实现7nm?

让我们用一个比喻来理解。想象你要雕刻一个精美的木雕。光刻机就像是你在木头上勾勒出轮廓的铅笔,而刻蚀刀则是用来切割木材的工具。

DUV光刻机的“铅笔”: DUV光刻机的“铅笔”虽然很细,但受到物理极限的限制,它在14nm工艺时勾勒出的轮廓,本身就已经是其能力的极限附近了。在刻蚀时多刻掉一点木头(过度刻蚀),只会让轮廓线变得更模糊、更不精确,或者让本已精细的雕刻细节进一步损坏。
“多腐蚀一些”的本质: 在光刻过程中,“多腐蚀一些”意味着在刻蚀过程中,刻蚀剂不仅沿着光刻图形的边界去除材料,还会一定程度上“侵蚀”到不需要去除的部分(即掩模保护下的区域)。这会导致:
尺寸缩小: 所有通过光刻形成的特征尺寸都会比预期的更小。
间距缩小: 相邻特征之间的间距也会相应缩小,甚至可能导致特征“粘连”(bridging)。
侧壁倾斜 (Sidewall Angle) 变化: 过度刻蚀会改变刻蚀侧壁的垂直度,使其变得倾斜,这会严重影响后续器件的性能和可靠性。
图案失真: 精细的图案(尤其是小间距的线条)会因为刻蚀的不均匀性和侧向刻蚀而发生变形,失去其设计的精确性。

对于7nm制程,关键在于能够精确地、高密度地制造出更小尺寸的、具有极窄间距的特征。 DUV光刻机的分辨率不足以在单次曝光或简单的多重曝光中直接形成如此精细的图案。即使通过极其复杂的OPC和多重曝光技术,其“铅笔”的精细度也无法达到7nm级别所需的精度和密度。

7nm制程是怎么实现的?

实现7nm制程,依赖于一系列突破性的技术,而 EUV(极紫外光)光刻机是其中最重要的基石之一。 EUV光刻机使用波长为13.5nm的光源,这比DUV的193nm波长短得多。根据分辨率公式,更短的波长意味着更高的分辨率。

除了EUV光刻机,7nm制程还需要:

先进的图案化技术 (Patterning Technologies): 如 多重曝光 (LELE, SAE, SAQP 等) 在EUV出现之前,也是提高分辨率的手段,但工艺极其复杂,成本高昂,且对对齐精度要求极高。即使是EUV,也可能在某些层需要结合多重曝光(如EUVP)才能达到最精细的要求。
先进的刻蚀技术: 需要更加精确、方向性更强的刻蚀方法,如 高密度等离子体刻蚀 (HDPCVD)、定向刻蚀 (RIE) 等,以确保图案的垂直性和最小化侧向刻蚀。
新的材料和器件结构: 如 FinFET 的进一步优化,或者转向 GateAllAround (GAA) 等晶体管结构,这些结构本身的设计就允许在更小的平面尺寸上实现更好的栅极控制和性能。

总结:

用DUV光刻机加工14nm照版,在刻蚀时“多腐蚀一些”,就好比试图用一把钝了的刻刀,在已有的精细雕刻基础上,用力过猛地再削掉一点木头,来“变出”一个更小的、更精细的雕刻。这只会破坏原有的结构,导致尺寸失控、形状失真,甚至将相邻的特征“吃掉”,最终无法实现比14nm更先进、更精密的7nm制程。

7nm制程的实现,是光刻分辨率、刻蚀精度、材料科学、器件结构以及设计规则等多个维度协同进化的结果,而 EUV光刻机的出现,是突破DUV物理限制、实现这一飞跃的关键技术之一。 简单地调整刻蚀参数,无法弥补光刻本身分辨率的先天不足。

网友意见

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先科普一个半导体产业的原则:所有半导体芯片的制程必定是芯片设计师应用设计工具 EDA 所指定的规范,并经各种各样的程序把关直到全过程通过,才能试线或上线。

因此,光刻制程本身就是一种多重配套制造流程,包括多重黄光和光胶,脱离以及再生过程等等,所以需要从芯片设计软件EDA 中连贯成指定流程,包括光刻设备对接对应的批核。

结论是:甭想太多!这不是儿戏

芯片设计师实操上不太可能以14纳米或以上的光刻设备全面产出7纳米线宽,即使所有光罩配套齐全,(非行业内人士很难理解光罩的作用)以 DUV 代用实验制程也不能在芯片的电路位置做出7纳米的线路,更绝对不可能量产7纳米。

再补充一句:光刻制程和设备的欠缺多是以讹传讹,甭再多提了吧!

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