引言
随着现代集成电路（IC）制造工艺向 20nm 以下节点迈进，光学光刻技术遇到了受瑞利衍射极限支配的基本物理限制 。扫描仪的空间分辨率受其波长和数值孔径的限制，无法直接成像现代逻辑和存储器件所需的超高密度特征 , 。为了延长现有光刻系统的寿命并维持尺寸微缩，半导体行业采用了多重图形化（Multi-patterning）技术 , 。其中，心轴间隔层图形化（Mandrel spacer patterning）已成为实现节距拆分（Pitch division）和特征密度倍增的关键技术 , 。
心轴间隔层图形化的物理本质在于将最终特征的关键尺寸（CD）与曝光工具的光刻极限解耦 , 。在该方法中，首先通过传统光刻和刻蚀定义一个主要牺牲模板，即心轴（Mandrel）或心轴芯 , 。接着，在心轴芯上沉积一层高度共形的间隔层材料 , 。随后执行各向异性回刻工艺，去除水平表面上的间隔层材料，仅在心轴侧壁留下垂直的侧壁间隔层（Spacer）, 。在选择性去除牺牲心轴芯后，留下的自对准间隔层环作为高分辨率硬掩模，用于对底层目标层进行图形化，从而有效地将空间图案密度加倍或翻四倍 , 。
该技术通常以自对准双重图形化（SADP）或自对准四重图形化（SAQP）的形式部署 , 。心轴间隔层图形化已从一种实验性节距拆分技术转变为主流制造标准，实现了在 14nm FinFET 和 7nm FinFET 等先进技术平台中密集硅鳍片和金属化导线的制造 , 。
物理原理与机制
心轴间隔层图形化工艺的成功取决于三个物理和化学过程：各向同性共形薄膜沉积、定向各向异性等离子体刻蚀，以及对心轴芯的高选择性化学去除 , , 。
共形间隔层沉积物理
沉积间隔层的物理厚度直接决定了最终刻蚀特征的 CD 。为了最大限度地减小 300mm 晶圆上的关键尺寸均匀性（CDU）偏差，沉积工艺必须实现近乎完美的共形性 。原子层沉积（ALD）是用于形成间隔层的主要技术，其依赖于自限制的顺序气体-表面反应 。
与沉积速率取决于前驱体通量和扩散梯度的传输限制型化学气相沉积（CVD）不同，热 ALD 运行在表面反应限制状态 。在一个典型的 ALD 循环中，气态前驱体按顺序脉冲注入反应腔，并由惰性气体吹扫隔开 。前驱体化学吸附在心轴芯的活性表面位点上，直至表面饱和 。由于一旦所有表面位点被消耗，反应即终止，因此薄膜在复杂的三维拓扑结构上的生长是线性的且极其均匀 , 。常见的间隔层材料（如 $SiO_2$ 或 $TiO_2$）在原子尺度控制下沉积，直接转化为极低的空间 CDU , 。
各向异性间隔层回刻动力学
一旦共形间隔层薄膜沉积完成，必须在保留垂直侧壁的同时选择性地清除水平层 , 。这通过反应离子刻蚀（RIE）或电感耦合等离子体（ICP）RIE 来实现 , 。各向异性刻蚀的物理机制由定向电鞘场下物理溅射和化学反应的协同作用所支配 。
共形沉积 各向异性回刻 心轴抽离 (SADP)
[间隔层薄膜] [离子通量 ||] [间隔层掩模]
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| || || | v v v v | | | |
| || || | =============> _ _ _ _ =============> | | | |
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[心轴芯] [心轴芯] [衬底]
在等离子体反应器中，高频电磁场产生低压放电，生成反应性中性自由基和带正电的离子 。向静电卡盘施加负偏压，产生垂直于晶圆表面的等离子体鞘场*（工程实践）*。正离子穿过该鞘层加速，以近乎垂直的入射角轰击水平表面 。这种物理轰击将动能传递给表面原子，打破化学键并加速化学自由基与间隔层材料的反应，形成挥发性副产物 。
相反，由于离子轨迹平行于垂直表面，心轴芯的垂直侧壁几乎不受到直接的离子轰击 , 。因此，垂直侧壁的刻蚀纯粹由自发的化学刻蚀控制，其反应速率显著较慢 。这种垂直和横向刻蚀速率的巨大差异，使得水平间隔层薄膜能够被清除，而在心轴芯的侧壁上留下了孤立的垂直间隔层轮廓 , 。
选择性心轴芯去除
SADP 的最后机械步骤是在不损坏剩余间隔层或底层硬掩模模板的情况下去除牺牲心轴芯 , 。此步骤的核心物理要求是高化学刻蚀选择比 。如果心轴芯由有机聚合物（如无定形碳膜或旋涂碳）组成，则使用基于氧（$O_2$）的等离子体灰化工艺 , 。氧自由基与有机心轴反应生成挥发性的一氧化碳（$CO$）和二氧化碳（$CO_2$）气体，并被吹出真空腔，从而保持无机氧化物或氮化物间隔层的完整 。如果使用硅基心轴（如无定形硅或多晶硅），则选择基于卤素的干法化学工艺（使用氯气或氟气混合物），以实现相对于氧化物间隔层快速、高选择性的化学刻蚀 , 。
工艺原则
设计稳健的心轴间隔层图形化方案需要仔细调整相互依存的工艺参数 。主要目标是最大化工艺窗口，并最大限度地减少线边缘粗糙度（LER）、间隔层节距游移（Pitch walking）以及轮廓畸变 , , 。
刻蚀偏置与心轴轮廓控制
初始心轴芯的轮廓决定了后续间隔层的结构完整性 , 。心轴芯的侧壁角（SWA）必须尽可能接近垂直（$90^\circ$）。如果心轴 SWA 呈锥形，则沉积的间隔层将继承这种坡度*（工程实践）*。在随后的各向异性回刻过程中，锥形间隔层轮廓会经历快速的横向侵蚀，因为定向离子以一定角度撞击斜面，导致 CD 损失和轮廓不对称 。
此外，心轴芯的初始宽度必须考虑心轴图形化步骤的刻蚀偏置 。印刷出的光刻胶的物理尺寸通常大于目标心轴尺寸 。在间隔层沉积之前，应用受控的横向修整刻蚀（Trim etch）将心轴宽度缩减至目标尺寸 , 。如果心轴修整不足，两个间隔层之间的最终间隙将过窄，导致潜在的桥接或高深宽比轮廓畸变 , 。
沉积动力学与间隔层厚度控制
ALD 间隔层薄膜的厚度是最终沟槽或导线 CD 的主要控制旋钮 , 。
- 前驱体脉冲和吹扫时间：吹扫时间不足会导致顺序前驱体之间发生气相反应，引起类似 CVD 的寄生生长，从而降低共形性和空间厚度均匀性*（工程实践）*。
- 沉积温度：温度必须保持在前驱体化学的 ALD 窗口内*（工程实践）。在此窗口以下运行可能导致前驱体分解和冷凝不完全，而在此窗口以上运行则会导致前驱体解吸或热分解，这两者都会严重降低薄膜密度和均匀性（工程实践）*。
空间关键尺寸均匀性（CDU）与节距游移
在执行两个连续的心轴-间隔层-刻蚀循环的 SAQP 工艺中，最终目标图形由四种不同的空间和线条群体组成 , 。第一层或第二层间隔层厚度的任何系统性变化都会导致一种称为“节距游移”的故障模式 。
正常对称节距 节距游移（非对称间隔层）
| S1 | S2 | S1 | | S1' | S2' | S1' |
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控制双心轴 SAQP 流程中最终空间群体的数学关系对第一层间隔层厚度（$d_1$）、第二层间隔层厚度（$d_2$）和心轴芯宽度（$L_m$）非常敏感 ：
- 由第一层间隔层定义的空间（$S_1$）直接由第一层间隔层环的物理宽度决定 。
- 由心轴芯定义的空间（$S_2$）是修整后心轴芯尺寸的函数 。
- 间隙空间（$S_4$）由相邻间隔层环之间的剩余距离决定 。
为了最大限度地减小这些不同空间群体的 3-sigma 偏差，ALD 工艺必须保持在整个晶圆上达到纳米级分数倍的厚度控制能力 。如果第一层间隔层沉积厚度超过标称目标，它会系统性地缩小由第二心轴定义的空间，导致布局中出现交替的宽窄空间 。
挑战与故障模式
在先进技术节点实施心轴间隔层图形化引入了复杂的物理、化学和机械故障模式 , , 。
间隔层节距游移与不对称性
节距游移是多重图形化中最普遍的系统性故障模式 。它由间隔层沉积或各向异性回刻步骤中的任何不对称性引起 , 。如果间隔层沉积存在定向偏差，或者由于等离子体鞘层倾斜或晶圆边缘效应导致 RIE 离子以非正常角度撞击晶圆，心轴左侧的间隔层厚度将与右侧不同 。在图案转移过程中，这种不对称性表现为交替的线-空间尺寸，从而降低了晶体管和互连的电气平衡 。
线边缘粗糙度（LER）转移
由于间隔层共形沉积在心轴芯上，心轴上的任何高频粗糙度或线边缘扰动都会被复制到间隔层的内边界和外边界上 , 。如果未经平滑处理，牺牲心轴芯的 LER 和线宽粗糙度（LWR）可以直接转移到最终的目标特征中 , 。高 LER 会增加金属互连中的局部电场和散射机制，加速电迁移失效并增加导线电阻 , 。减轻该影响需要先进的光刻后平滑技术，如化学修整回流或优化各向同性等离子体刻蚀 。
结构图案坍塌
随着特征节距的缩小，独立支撑的间隔层的深宽比急剧增加 。当心轴芯被去除后，剩余的间隔层表现为高、细、孤立的平行线 , 。在随后的湿法处理步骤中（例如使用稀氢氟酸去除原生氧化物时），干燥液体产生的毛细力会将相邻的间隔层向内拉扯 。如果间隔层材料的机械强度不足以承受这些表面张力，间隔层将会弯曲、偏转或完全坍塌，从而导致严重的桥接缺陷和开路故障 , 。这一物理局限对任何高深宽比工艺中的最大允许深宽比施加了严格约束 。
正常间隔层 毛细力引起的坍塌
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| | | | | | | <-- 间隔层弯曲接触
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修整切口处的叠对引发的 CD 偏差
要在 2D 随机逻辑布局中使用 SADP 或 SAQP，必须在特定间隔处切割连续的间隔层环，以定义不同的电路网络 。这通过称为修整掩模（Trim mask）或切割掩模的二次曝光来实现 。如果主心轴层与修整掩模之间存在叠对误差（对准偏差），切割开口将会发生位移 。这种位移可能导致相邻有源导线的局部切割，导致局部线宽变窄、电阻增加或完全的导线末端缩短 。
技术节点演进
随着半导体行业经历物理微缩里程碑，心轴间隔层图形化的实施发生了巨大演变 , , 。
节点: 28nm 14nm/16nm 7nm 及更先进
技术: 单次曝光 (LELE / SADP) SADP (鳍片/M1 微缩) SAQP / EUV-SADP
节距: 较大节距 (~80nm) 中等节距 (~40-48nm) 超高密度节距 (<30nm)
28nm 节点：双重图形化的引入
在 28nm 平面工艺节点，传统的 193nm 浸没式单次曝光光刻技术达到了密集金属层的极限 。尽管一些制造商依赖光刻-刻蚀-光刻-刻蚀（LELE）方案，但 SADP 还是被引入用于关键的类似 1D 的特征 。在 28nm 节点，SADP 优于 LELE 的主要优势在于其自对准特性，它消除了两次独立光刻步骤之间累积的叠对误差 。
14nm/16nm 节点：作为集成标准的 SADP
随着 FinFET 架构在 14nm FinFET 节点的引入，硅鳍片之间的间距缩小到超出了浸没式扫描仪的单次曝光能力 。SADP 成为业界定义密集平行硅鳍片的标准方法 。此外，第一金属互连层（M1）采用了“间隔层即介质”（SID）SADP 流程 。在 SID 方法中，间隔层材料作为金属间介质，允许形成具有高度均匀和可定制宽度的金属导线，同时最大限度地减少层内短路的风险 。
7nm 节点及更先进工艺：SAQP 与 EUV 的过渡
在 7nm FinFET 节点，鳍片和关键金属层的目标节距缩小到 30nm 以下 。由于单个 SADP 循环无法从 193nm 浸没式起始节距实现此密度，因此采用了 SAQP , 。在 SAQP 中，先进行第一次心轴图形化、形成间隔层并去除第一次心轴 。然后将剩余的间隔层用作第二次心轴芯，重复间隔层沉积和回刻循环，从而实现初始光刻图案的四倍频增长 , 。
当极紫外（EUV）光刻引入大批量生产时，它最初通过用单次 EUV 曝光代替多重曝光浸没式方案简化了图形化工艺*（工程实践）。然而，随着尺寸微缩至 3nm 和 2nm 节点，单次 EUV 曝光分辨率的极限也被突破（工程实践）*。因此，现代 3nm 以下节点将 EUV 光刻与 SADP 或 SAQP 方案（EUV-SADP/SAQP）相结合，以定义金属堆栈和有源晶体管沟道中最紧密的节距，利用了 ALD 间隔层沉积所提供的卓越 CDU 控制能力 。
相关工艺
心轴间隔层图形化并非孤立存在；它与前段工艺（FEOL）和后段工艺（BEOL）中的多个前后工序高度集成 。
底部抗反射涂层（BARC）与硬掩模堆栈
在定义心轴芯光刻之前，必须在晶圆上沉积复杂的材料堆栈 , 。这通常包括光刻胶下方的底部抗反射涂层层，以抑制浸没式曝光过程中的光反射和驻波，确保印刷出的心轴胶图具有笔直的侧壁和均匀的尺寸 。此外，在 BARC 下方放置坚固的硬掩模层（如旋涂碳或无定形硅），用于接收修整后的光刻胶图案，并在间隔层沉积过程中充当物理心轴芯 , 。
伪栅集成与晶体管形成
在 FEOL 工艺中，心轴间隔层图形化不仅用于定义硅鳍片，还用于定义先进多栅晶体管的栅极结构 。在高 k 金属栅集成过程中，使用间隔层光刻技术定义牺牲性伪栅（通常由多晶硅制成），以确保精确的沟道长度控制 。伪栅侧壁上的间隔层具有双重作用：作为物理屏障对准源/漏离子注入，并随后将栅电极与相邻的源/漏接触点隔离开来 。
间隙填充与金属化
一旦间隔层图案被转移到目标介质或氧化硅层中，所得的窄、高深宽比沟槽必须用导电金属填充以形成互连 , 。随着沟槽宽度缩小到 15nm 以下，标准的铜物理气相沉积（PVD）阻挡层/种子层工艺因夹断（Pinch-off）和空洞而失效 。为了在这些极端结构中实现无空洞填充，采用先进的金属化技术，如钼或钴的循环气相沉积，或选择性自下而上的直接金属生长，以在不产生限制可靠性的关键孔或空洞的情况下填充间隔层定义的间隙 , 。
未来展望
随着半导体行业向 2nm 以下节点推进，并从 FinFET 转向纳米片（Nanosheet）和分叉片（Forksheet）架构，心轴间隔层图形化工艺继续演进以应对新的物理挑战 , 。
双色（非对称）间隔层
传统的 SADP 在心轴芯两侧产生材料相同的对称间隔层 , 。一项新兴创新是“双色”或非对称间隔层设计 。通过倾斜角离子注入、非对称沉积或定向等离子体刻蚀，工程师可以在心轴的一个侧壁上形成第一种材料（如氧化硅）的间隔层，并在相对的侧壁上形成第二种材料（如氧化钛）的间隔层 。由于这两种材料具有完全不同的化学刻蚀选择比，它们可以在随后的处理步骤中被独立寻址和去除 。这种非对称能力显著降低了边缘放置误差（EPE），并为布局设计者在布线密集 2D 逻辑库时提供了前所未有的灵活性 , 。
区域选择性沉积（ASD）
为了消除复杂且易损伤的间隔层回刻步骤，研究重点正转向区域选择性沉积（ASD） 。ASD 利用化学抑制剂或自组装单层膜来选择性地防止 ALD 在水平表面上的生长，同时允许其在心轴芯的垂直侧壁上沉积*（工程实践）*。这种自下而上的方法可以完全绕过与 RIE 回刻相关的物理轰击损伤和轮廓圆角化，提供零间隔层边缘损伤的近乎完美的矩形间隔层轮廓 。
直接刻蚀金属导线
为了简化 BEOL 金属化的集成，专利提出利用气相金属沉积直接填充间隔层定义的间隙 。在此方案中，钼或钌等金属被沉积到高深宽比的间隙中，随后剥离间隔层，从而留下直接刻蚀、高可靠性的金属导线，而无需传统的 CMP 密集型大马士革工艺 , 。这种从减法氧化物图形化到直接金属图形化的转变，代表了 2nm 以下互连工程的重大范式转移 , 。