理解光刻-刻蚀-光刻-刻蚀（LELE）：物理原理、工艺集成与先进制程演进

简介

在持续追求缩小硅集成电路 (IC) 特征尺寸的过程中，半导体制造业最终遇到了光学分辨率的基本物理边界。根据瑞利分辨率准则，最小可分辨特征尺寸与曝光波长成正比，与投影光学系统的数值孔径 (NA) 成反比。当使用浸没式工具的光刻技术达到其理论缩放极限时，由于光的衍射极限，通过单次曝光打印密集的亚分辨率图案在物理上已变得不可能。

为了绕过这一障碍，工业界转向了双重图案化技术，这是一种提高图案线条空间密度的巧妙缩放方法。在早期的多重图案化方法中，光刻-刻蚀-光刻-刻蚀 (LELE) 作为一种首要的节距分裂策略脱颖而出。通过将密集的版图划分为两个更稀疏、交错的子集，LELE 使得现有的曝光系统能够打印出在单次曝光条件下会被模糊成单一连续光斑的图案。本文探讨了 LELE 工艺的核心物理机制、集成挑战以及技术演进。

物理与机制

LELE 的核心在于通过版图分解和顺序图案转移实现空间频率倍增。物理版图在数学上被拆分为两个不同的掩模（通常称为目标图案和互补图案），其中每个掩模的节距均为最终目标节距的两倍。这种频率划分降低了光学投影的要求，从而能够在光刻胶上形成高对比度的航空影像。

LELE 工艺的基本机械和物理顺序如下：

1. 第一步光刻：在衬底上涂覆底部抗反射涂层 (BARC) 和光刻胶。曝光工具投影第一个掩模图案，将潜化学影像转移到光刻胶中，随后通过显影确立第一组线条。
2. 第一步刻蚀：显影后的光刻胶图案通过高各向异性的 干法刻蚀 转移到下方的第一层硬掩模中。这一步通过化学方式将第一层图案固化为耐用的固态材料。
3. 光刻胶剥离：化学剥离剩余的第一层光刻胶，留下带有宽沟槽图案的第一层硬掩模，定义由松弛间距隔开的第一组特征。
4. 第二步光刻：在晶圆上涂覆有机平坦化层、BARC 和第二层光刻胶。第二次曝光相对于第一个硬掩模特征进行对准，将第二个图案放置在第一个图案定义的空隙中间。
5. 第二步图形转移刻蚀：将显影后的第二个图案与预先存在的第一层硬掩模图案共同使用——要么将图案 2 转移到第二层硬掩模中，要么将两组特征作为复合掩膜——将最终合并的双倍密度版图刻蚀到下方的目标层中。

刻蚀步骤的物理化学由反应离子刻蚀 (RIE) 原理支配。在 RIE 中，低压放电等离子体产生高活性的自由基和高能离子。化学自由基在暴露表面吸附并反应生成挥发性产物，而垂直加速的离子则提供定向的物理溅射，断裂表面键合，从而驱动高度各向异性的垂直刻蚀轮廓。这种化学选择性和物理方向性的结合，使得在引入第二个图案时，第一个图案能够保持结构完整。

工艺原则

为了成功执行 LELE 集成方案，必须对工艺参数进行方向性平衡，以防止图案畸变。最终的关键尺寸 (CD) 和节距均匀性对多个相互作用的工艺因素高度敏感：

• 套刻对准精度：在 LELE 中，第二步光刻与第一步解耦，这意味着第二个图案的相对位置完全取决于曝光工具的机械对准能力。对于采用双重图形化技术的先进工艺，套刻控制尤为关键，因为特征位置取决于曝光对准精度 [P2]。任何定向套刻误差都会使第二个图案向第一个图案的一侧偏移，从而产生交替的宽窄空间轮廓。精确控制对准偏差对于防止器件性能下降或电气短路至关重要。
• 刻蚀选择比：在第二次各向异性刻蚀期间，必须优化化学工艺，以便在不损伤第一个硬掩模图案的情况下选择性地去除目标材料。如果目标薄膜与硬掩模之间的刻蚀选择比不足，就会发生掩模侵蚀。这会增加线边缘粗糙度 (LER) 和线宽粗糙度 (LWR)，最终导致 CD 损失和结构退化。
• 表面平坦化：由于第二步光刻必须在已刻蚀特征的现有形貌上进行图案化，因此全局和局部平坦化至关重要。通过旋涂碳层或有机平坦化层来填充沟槽，提供平坦表面，从而最大限度地减少第二步光刻曝光过程中的焦深变化。
• 光刻曝光剂量与焦距：第一步和第二步曝光传递的能量必须精确平衡。两次曝光之间在剂量或焦距上的任何方向性失配，都会直接转化为两组打印特征之间系统性的 CD 差异。

挑战与失效模式

尽管 LELE 能够实现图案密度翻倍，但由于其解耦的多步骤性质，它极易受到特定物理失效模式的影响。

套刻引起的 CD 不对称

与自对准双重图案化 (SADP)（其间隔层沉积厚度决定了具有高物理均匀性的空间间距）不同，LELE 在根本上受限于曝光工具的放置精度。套刻误差会导致第二条线物理上向第一条线漂移，导致 CD 不对称和间距不等。如果套刻误差超过工艺窗口，相邻线条将发生物理合并，导致灾难性的桥接失效。

线端缩短与拼接冲突

在将复杂的二维 (2D) 版图几何结构拆分为两个独立掩模时，设计人员必须分割连续的多边形，从而产生“拼接”点。在这些拼接边界处，光刻曝光过程中的光衍射会导致光刻胶线条收缩，即所谓的线端缩短现象。在随后的刻蚀步骤中，这种缩短可能会阻止分割后的线条正确重叠，导致拼接处出现电气开路失效。

硬掩模侵蚀与结构坍塌

多次 RIE 步骤使硬掩模材料暴露在重复的物理溅射和化学侵蚀中。硬掩模层需经受多次等离子体刻蚀循环，传统硬掩模材料在长时间等离子体暴露下可能会遭遇刻蚀选择性下降和侧壁变形。随着特征纵横比的增加，高能离子轰击会导致掩模侧壁的物理侵蚀或弯曲。在极端情况下，机械应力和横截面积减小的组合会导致高纵横比的硬掩模线条发生机械坍塌，从而破坏图案转移的完整性。

技术节点演进

随着缩放技术的进步，LELE 的实施经历了多次行业里程碑，包括从平面晶体管架构向垂直晶体管架构的过渡。

20nm 节点

虽然 28nm 平面节点在历史上是最后一个完全依赖单次曝光光学光刻进行后段工艺（BEOL）图形化的主要技术代，但缩放至 20nm 节点使得金属节距超越了单次曝光的衍射极限。因此，在 20nm 节点，使用光学浸没式光刻的多重图形化策略成为分裂关键 BEOL 层节距的必要手段 [P4]。LELE 在细节距低层金属（如 M1 和 M2）中被广泛应用，以便在不更换光学曝光设备的情况下延续密度缩放。

14nm 节点

随着 鳍式场效应晶体管 (FinFET) 在 14nm FinFET 节点的引入，空间密度要求变得更加严格。虽然 Fin 阵列等高度周期性结构由于其卓越的套刻容差而转向基于间隔层的 SADP 工艺，但 LELE 对于图案化更随机、非周期性的特征（如接触孔、局部路由和切割掩模）仍然至关重要，在这些领域，2D 设计的灵活性至关重要。

7nm 节点及以后

在 7nm FinFET 节点，多重图案化的复杂性呈指数级增长。为了在没有 EUV 的情况下定义更小的节距，工业界必须串联多个 LELE 步骤，导致了光刻-刻蚀-光刻-刻蚀-光刻-刻蚀 (LE3) 甚至四重光刻-刻蚀 (LE4) 工艺。极紫外 光刻技术的引入使得单次掩模曝光能够取代复杂的双重或四重曝光序列，暂时简化了图案化流程。

相关工艺

LELE 集成并非孤立存在，它与制造线上的多个相邻工艺步骤紧密交织：

• 干法刻蚀：高选择性和各向异性的干法刻蚀是 LELE 图案转移的基础，确保第一个图案在第二次刻蚀过程中起到稳固的阻挡层作用。
• 沉积技术：薄膜沉积方法（如 原子层沉积 (ALD) 和等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)）用于沉积具有精确控制物理特性的保形、高度均匀的硬掩模材料。
• 化学机械平坦化 (CMP)：在第二步光刻之前，通常采用 化学机械平坦化 来平坦化形貌，确保获得完全平坦的表面，从而最大限度地提高后续光刻胶曝光的焦深窗口。
• BEOL 金属化：在 铜双大马士革 金属化方案中，LELE 与超低 k 介电层高度集成，需要仔细选择刻蚀化学品，以防止在重复的光刻胶剥离和刻蚀步骤中损坏脆弱的 低 k 介质 材料。

未来展望

随着工业界进入 2nm 以下领域（包括环绕栅极 (GAA) 纳米片和互补场效应晶体管 (CFET) 架构），图案化复杂性持续升级。即使使用高 NA EUV 光刻技术，单次曝光的局限性也再次显现，迫使双重图案化范式重新引入 EUV 领域。

下一代 EUV-LELE 和混合自对准方案正在开发中，用于图案化超密集金属线条。为了克服传统 LELE 固有的套刻误差，研究重点集中在区域选择性 ALD 和原子层刻蚀 (ALE) 上。通过利用仅在特定目标表面沉积或去除材料的表面敏感化学反应，这些新兴技术旨在提供自对准集成路径，减少对纯机械放置精度的依赖，并延长多重图案化技术的使用寿命。