在 IEDM 2019 上，台积电发布了两种版本的 5nm 标准单元布局：5.5 轨道 DUV 图案化版本和 6 轨道 EUV 图案化版本 [1]。虽然没有明确说明金属间距，但后来对 5nm 产品（即 Apple 的 A15 Bionic 芯片）的分析显示，单元高度为 210nm [2]。对于 6 轨道单元，这表示金属轨道间距为 35nm，而对于 5.5 轨道单元，间距为 38nm（图 1）。仅仅 3nm 的间距差异对于图案化方法就很重要。如下所示，选择 5.5 轨道单元进行 DUV 图案化非常有意义。

图 1. 210 nm 单元高度意味着 5.5 条轨道的轨道间距为 38 nm（左），或 6 条轨道的轨道间距为 35 nm（左）。

将 7nm DUV方法扩展到5nm

5.5 轨道金属间距为 38 纳米，这是 DUV 双重曝光的极限。因此，它可以重复使用 7 纳米中使用的相同方法，其中 6 轨道单元金属间距为 40 纳米 [3]。这可以简单到自对准双重曝光，然后是两个自对准切割块，每个要蚀刻的材料（核心或间隙）一个（图 2）。切割块（每种材料）的最小间距为 76 纳米，允许单次曝光。

图 2. SADP 后跟两个自对准切割块（一个用于芯材料，一个用于间隙材料）。从左到右的工艺顺序为：(i) SADP（芯光刻后跟间隔层沉积和回蚀以及间隙填充；(ii) 切割块光刻以暴露要蚀刻的间隙材料；(iii) 重新填充切割块以填充间隙材料；(iv) 切割块光刻以暴露要蚀刻的芯材料；(v) 重新填充切割块以填充芯材料。在块形成后，可以部分蚀刻自对准通孔（未显示）[4]。

可以使用 SALELE [5] 代替 SADP。这将为间隙材料添加额外的掩模，因此总共需要四次掩模曝光。

低于38纳米间距：突破多重图案化障碍

对于 3nm 节点，预计金属轨道间距将低于 30nm [6]。任何低于 38nm 的间距都将需要使用更多 DUV 多重图案 [7]。然而，即使对于 EUV，也可以预期相当数量的多重图案，因为对于典型的 EUV 光刻胶，光电子扩散的最小间距实际上可以达到 40-50nm [8,9]。25nm 半间距 60mJ/cm2 曝光的边缘清晰度受到光子散粒噪声和光电子扩散的严重影响（图 3）。

图 3. 25 nm 半节距电子分布图像，入射 EUV 剂量为 60 mJ/cm2（吸收 13 mJ/cm2），7.5 nm 高斯模糊表示参考文献 [9] 中给出的电子扩散函数。使用 1 nm 像素，每个光电子有 4 个二次电子。

5nm适合所有人吗？

5.5 轨道单元利用 DUV 双重图案化技术，提供了一条从 7nm 到 5nm 的简单迁移路径。这可能是中国公司在 5nm 上赶上的较容易的方法之一，尽管这显然是他们能做到的极限。

参考

[1] G. Yeap 等人，IEDM 2019，图 5。

[2] https://www.angstronomics.com/p/the-truth-of-tsmc-5nm

[3] https://fuse.wikichip.org/news/2408/tsmc-7nm-hd-and-hp-cells-2nd-gen-7nm-and-the-snapdragon-855-dtco/#google_vignette

[4] F. Chen，自对准块重新分配和扩展以提高多重图案生产率，https://www.linkedin.com/pulse/self-aligned-block-redistribution-expansion-improving-frederick-chen-rgnwc/

[5] Y. Drissi 等人，Proc. SPIE 10962, 109620V (2019)。

[6] https://fuse.wikichip.org/news/7375/tsmc-n3-and-challenges-ahead/

[7] F. Chen，DUV 多重图案化向 3nm 的扩展，https://semiwiki.com/lithography/336182-extension-of-duv-multipatterning-toward-3nm/，https : //www.linkedin.com/pulse/extension-duv-multipatterning-toward-3nm-frederick-chen/

[8] F. Chen，为什么 NA 与 EUV 光刻中的分辨率无关，https://www.linkedin.com/pulse/why-na-relevant-resolution-euv-lithography-frederick-chen-ytnoc，https://semiwiki.com/lithography/344672-why-na-is-not-relevant-to-resolution-in-euv-lithography/

[9] T. Kozawa 等人，JVST B 25, 2481 (2007)。