什么是SAQP技術？

最近，彭博社的一篇“小作文”又給國內公司帶來了很大困擾。在文章中，他們談到，這家國內公司將發力SAQP 技術，以繞過某些限制。按照彭博說的說法，SAQP技術能夠讓企業在沒有EUV光刻機的情況下，生產更先進的芯片。

那么，什么是SAQP？這是self-aligned quadruple patterning的簡稱，也就是自對准四重圖案化。在介紹SAQP之前，我們先要了解一下什么是多圖案技術。

多圖案化技術

多重圖案化是一種克服芯片制造過程中光刻限制的技術。如今的單次曝光、193nm 波長光刻在 40nm 半節距處達到了物理極限。多重圖案化使芯片制造商能夠對 20 納米及以下的 IC 設計進行成像。

基本上，多重圖案有兩個主要類別：間距分割（pitch splitting）和間隔物（spacer）。建個份額是一個總括術語，包括雙重圖案化（double patterning）和三重圖案化（triple patterning）技術。同時，間隔物包括自對准雙重圖案化(SADP：self-aligned quadruple patterning )和自對准四重圖案化(SAQP)。間隔分割和間隔技術都可以擴展到八聯體圖案（octuplet patterning）。

第一種類型，間距分割，主要用於邏輯中。最常見的間距分割形式是雙重圖案化。在設計方面，雙重圖案化幾乎總是指光刻-蝕刻-光刻-蝕刻 (LELE：litho-etch-litho-etch-litho-etch) 間距分割工藝。在晶圓廠中，LELE 需要兩個獨立的光刻和蝕刻步驟來定義單個層。據 Sematech 稱，LELE 可將pitch降低 30%。但 LELE 可能很昂貴，因爲它使光刻流程中的工藝步驟加倍。

最初，該技術將無法通過單次曝光印刷的布局分开，形成兩個較低密度的掩模。然後，它使用兩個單獨的曝光過程。這又形成了兩個較粗糙的圖案。它們被組合和疊加，從而能夠在晶圓上形成更精細的圖像。

LELE（即雙重圖案化：double patterning）對設計人員提出了新的布局、物理驗證和調試要求。例如，在設計方面，根據間距要求爲掩模層分配顏色。遮罩層從原始繪制的布局分割或分解爲兩個新層。

一個關鍵的方法決策與是否希望設計師看到一個統稱爲““colorless”設計流程。另一種選擇是雙色（two-color）流程，其中設計者貼出兩個掩模，選擇幾個分解選項之一。當然，任何設計流程都需要權衡。

在 20 納米，代工廠正在使用幾種不同的雙圖案設計流程。更常見的流程之一實際上並不要求設計團隊將其圖層分解爲兩種顏色。然而，在某些情況下，設計者可能想知道顏色分配是什么。盡管這聽起來很合理，但看到雙重圖案顏色很可能會降低調試效率。

與此同時，在 10nm 節點，芯片制造商可能需要轉向另一種節距分割技術——三重圖案化。三重圖案化的一種形式是光刻-蝕刻-光刻-蝕刻-光刻-蝕刻(LELELE)。LELELE與LELE類似。在晶圓廠中，LELELE 需要三個獨立的光刻和蝕刻步驟來定義單個層。

在設計方面，三重圖案化需要將原始層分解爲三個掩模。三個掩模的形狀在制造過程中結合起來形成最終的形狀。三重圖案從外面看起來可能無害，但潛在的混亂就在裏面。構建 EDA 軟件算法來使用三重圖案自動分解、着色和檢查層是一項挑战。三重圖案違規可能非常復雜，並且調試可能很困難。

同時，間隔物是多重圖案化的第二個主要類別。它也稱爲 SADP 和 SAQP。SADP/SAQP 曾用於將 NAND 閃存擴展到 1xnm 節點，現在正在進入邏輯領域。

SADP 是雙重圖案化的一種形式。它有時被稱爲節距分割（pitch division）或側壁輔助雙圖案化（sidewall-assisted double patterning）。SADP 工藝使用一個光刻步驟以及額外的沉積和蝕刻步驟來定義類似間隔物的特徵。在SADP工藝中，第一步是在基板上形成心軸。（mandrels）然後，用沉積層覆蓋該圖案。然後蝕刻沉積層，從而形成間隔物。最後，頂部部分經歷化學機械拋光（CMP）步驟。

SAQP 基本上是側壁間隔物雙圖案化技術的兩個周期。簡單的圖案，包括閃存中的圖案或 finFET 中的鰭片，都是在 SADP 或 SAQP 中完成的。在這種技術中，先形成單獨的平行线，然後進行切割。同時，DRAM和邏輯芯片中的金屬層更加復雜，無法通過SADP/SAQP來完成。這些金屬層需要LELE。SADP/SAQP 的設計靈活性也低於 LELE，而 LELE 型技術需要孔型圖案。

SAQP又是什么？

相關資料顯示，自對准四重圖案化 (SAQP) 是用於對小於 38 nm 的特徵節距進行圖案化的最廣泛使用的技術，預計能夠達到 19 nm 節距。它實際上是多個工藝步驟的集成，已用於 FinFET和 1X DRAM的鰭片圖案化。這些步驟如圖 1 所示，允許最初繪制的相距 80 nm 的线生成最終相距 20 nm 的线（實際上是 10 nm 分辨率）。這很重要，因爲它遠遠超出了任何大批量光刻工具的分辨率，包括 EUV（13 nm 分辨率）。

圖1：SAQP流程

該過程自然地將特徵（features）分爲三組：核心（core）、外殼（shell）、邊界（boundary）（圖 2）[4]。外殼自然形成需要切割的環。同樣，邊界構成一個網格，也需要將其分成多個段。因此，SAQP 過程必須以光刻步驟結束，該步驟切割或修剪先前定義的殼和邊界特徵。相比之下，較舊的 SADP 流程只有兩個組：核心組和邊界組。

圖 2. 將 SAQP 生成的特徵分爲核心 (C)、外殼 (S) 和邊界 (B) 類別。綠色表示第二個墊片（spacer）。核心和邊界特徵預計由相同的材料制成，而殼特徵由不同的材料制成。

在另一種 SAQP 工藝流程下（圖 3），殼特徵實際上是剩余的第一間隔材料（first spacer material），而核心和邊界是不同的材料，要么是基板，要么是間隙填充材料。因此，它們在圖 2 中用不同的顏色表示。它們是不同材料的事實表明它們可以被選擇性蝕刻。這爲一些難以完成的圖案化提供了機會。

圖 3. 替代 SAQP 工藝流程，其中不同的材料填充不同的區域，而不是間隙。

一個特別方便的應用是最小節距和 2x 最小節距功能的組合。在k1<0.5的單次曝光中通常禁止這種組合。一種特別令人望而卻步的組合是最小節距的线，以及 2 倍最小節距的中斷（圖 4，左）。斷线的衍射圖樣比线本身的衍射圖樣信號弱得多，因爲它們佔據的面積要小得多。散焦時它的性能也會下降得更快。這種組合也不能用輔助特徵來固定，因爲沒有空間插入它們以獲得最小節线。另一方面，通過選擇性蝕刻，掩模特徵可以穿過中間的介入线（圖 4，右）。這極大地簡化了切割，並避免了在兩個位置進行單獨切割時可能出現的邊緣放置錯誤。

圖 4. 左：行距和斷行距（=2X 行距）不兼容。右圖：不兼容的間距可以在選擇性蝕刻的幫助下結合起來。在這種情況下，只有藍色區域的材料被蝕刻；紅色區域不受此遮罩的影響。

對於選擇性蝕刻，必須使用三個掩模 - 一個需要定義分離的 A/B 區域，第二個掩模用於 A 選擇性蝕刻，第三個掩模用於 B 選擇性蝕刻。然而，選擇性蝕刻（與 SAQP 結合）還允許更大的重疊容差和最小數量的掩模，從而允許最小线間距和間隔爲最小线間距兩倍的线中斷的組合，從而使多重圖案化變得更容易處理。

總結而言，所有自對准多重圖案化工藝均包含以下步驟：

打印心軸軌跡（mandrel tracks）。
在打印的心軸圖案的側面生長側壁（sidewalls）。
移除心軸圖案。
在側壁之間开發最終制造的圖案。
添加介電塊（dielectric blocks）以在最終目標中創建所需的尖端到尖端（tip-to-tip）間距。

寫在最後

隨着我們邁向更先進的技術節點，具有更激進的節距（例如 32 納米）的關鍵後端（BEOL）金屬層的圖案化變得非常具有挑战性。通常，在這些 BEOL 層中創建溝槽，然後在最終金屬化步驟中用金屬填充溝槽。爲了在連續溝槽中產生斷开，添加了垂直於溝槽的阻擋層，從而形成小的金屬尖端到尖端。

在行業中，人們考慮了各種選擇來對最具侵略性的 BEOL 層和塊進行圖案化。一種選擇是結合使用浸沒式光刻和所謂的金屬线自對准四重圖案化（SAQP），以及塊層的三重圖案化。然而，該選項需要三重塊掩模和三重光刻工藝流程，這增加了所提出的解決方案的成本和復雜性；另一種選擇是直接使用 EUV 光刻 (EUVL) 在一次曝光中對 BEOL 金屬層進行圖案化。盡管這種直接 EUVL 集成流程非常簡單且具有成本效益，但圖案保真度（例如圖案的形狀）和圖案可變性以及掩模制作預計將極具挑战性，特別是對於非常小的尖端到尖端（tip to tip）。