在半导体制造领域中,SADP技术（Self-Aligned Double Patterning，自对准双重 patterning 技术）是一种关键的工艺技术，主要用于实现更小的特征尺寸，满足摩尔定律延伸的需求，随着芯片制造工艺节点推进到7nm、5nm甚至3nm，传统的光刻技术受限于光的衍射极限，难以直接印刷出极其微小的电路结构，SADP技术通过侧壁图像转移工艺，巧妙地利用沉积和刻蚀步骤，将一个间距较大的图形转化为两个间距减半的图形，从而在不更换光刻机光源（如仍使用193nm浸没式光刻机）的情况下，实现分辨率的倍增，这种技术不仅大幅降低了对极高数值孔径光刻设备的依赖，还通过“自对准”机制提高了图形的重叠精度，成为先进逻辑芯片和存储芯片制造中不可或缺的核心技术之一。
深入探究SADP的工艺原理,其核心在于利用化学气相沉积（CVD）或原子层沉积（ALD）技术在初始图形（Mandrel，芯轴）的两侧生长侧壁间隔层，具体流程通常包括以下几个关键步骤：使用光刻胶在晶圆上定义出初始的芯轴图形，此时图形的间距是目标间距的两倍；在芯轴表面均匀地沉积一层特殊材料（如氮化硅或氧化硅），这层材料的厚度精确控制了最终电路结构的临界尺寸（CD）；随后，通过各向异性刻蚀工艺去除水平表面的材料，仅保留芯轴侧壁的垂直部分，形成“侧壁间隔层”；去除原始的芯轴材料，留下的侧壁间隔层便成为了新的掩膜图形，通过这一系列步骤，原本的一个图形变成了两个，且由于侧壁是自然形成于芯轴两侧，它们与芯轴的相对位置是固定的，从而实现了“自对准”，极大地消除了多重曝光中可能出现的套刻误差。
SADP技术在半导体工业中的应用具有极高的战略价值,在10nm及以下的逻辑工艺节点中，SADP常用于制造FinFET（鳍式场效应晶体管）的鳍和栅极，这些结构对间距的一致性要求极高，而在存储器领域，尤其是DRAM（动态随机存取存储器）制造中，SADP更是实现高密度存储单元阵列的标准工艺，与早期的LELE（Litho-Etch-Litho-Etch，双重曝光）技术相比，SADP的主要优势在于其卓越的间距控制能力，LELE技术需要两次独立的光刻步骤，这不可避免地会引入两次对准之间的随机误差，导致最终的图形间距不均匀，从而影响芯片的良率和性能，而SADP的间距主要由沉积薄膜的厚度决定，这是一个可以通过时间控制得非常精确的化学过程，因此能够产出极其均匀的密集图形。
SADP技术也带来了显著的工艺复杂性和成本挑战,随着工艺节点的进一步微缩，SADP逐渐演变为SAQP（Self-Aligned Quadruple Patterning，自对准四重图形技术），即重复两次侧壁形成过程，将一个图形分裂为四个，这虽然进一步缩小了尺寸，但也意味着工艺步骤的成倍增加，导致生产周期延长和缺陷率风险上升，SADP/SAQP技术对图形的布局提出了严格限制，并非所有形状都能轻易通过侧壁转移来实现，这迫使芯片设计工程师必须在设计阶段就严格遵守特定的设计规则。
为了更直观地理解SADP与传统光刻技术的区别及其演进,下表对比了不同Patterning技术的关键特性：
| 特性维度 | 193i 单次曝光 (193i SE) | LELE 双重曝光 | SADP 自对准双重曝光 | EUV 单次曝光 |
|---|---|---|---|---|
| 分辨率极限 | 较低 (~80nm Pitch) | 中等 (~50-60nm Pitch) | 较高 (~30-40nm Pitch) | 极高 (<30nm Pitch) |
| 套刻精度控制 | 依赖光刻机性能 | 较难控制 (两次对准误差叠加) | 极佳 (自对准机制，间距由薄膜厚度决定) | 依赖光刻机性能 |
| 工艺复杂度 | 低 | 中 | 高 (需沉积、刻蚀多步工艺) | 中 (需特定EUV设备) |
| 成本因素 | 设备成熟，成本较低 | 掩膜版数量加倍，成本增加 | 工艺步骤多，材料成本增加，但无需昂贵EUV | 设备极其昂贵，掩膜制作成本高 |
| 主要应用场景 | 成熟节点 (>28nm) | 14nm/10nm 非关键层 | 7nm/5nm 关键层, DRAM | 7nm及以下复杂层, 顶层金属 |
尽管极紫外（EUV）光刻技术的引入简化了部分工艺流程，但在许多高产量、成本敏感的产品线（如主流DRAM）中，SADP结合193nm浸没式光刻机仍然是极具性价比的解决方案，甚至在采用EUV的先进逻辑芯片制造中，对于某些极其密集的层，为了规避EUV光刻的随机效应并进一步提高分辨率，工业界也在探索EUV与SADP/SAQP结合的混合工艺，这表明，SADP不仅仅是一项过渡性的“备胎”技术，而是半导体微缩工程中与新材料、新设备并驾齐驱的基础支柱，它体现了半导体制造从纯粹的物理光学成像向化学与物理混合精密工程的范式转变，通过原子级别的沉积控制，为摩尔定律的延续提供了坚实的物理基础，随着三维堆叠技术和新材料的发展，SADP及其衍生技术将继续在提升晶体管密度和优化互连结构方面发挥关键作用。
相关问答 FAQs
SADP技术与SAQP技术的主要区别是什么？为什么需要发展SAQP？
回答： SADP（自对准双重图形技术）和SAQP（自对准四重图形技术）在基本原理上是相同的，都是利用侧壁图像转移来缩小特征尺寸，两者的主要区别在于工艺循环的次数和最终的分辨率倍数，SADP通过一次侧壁形成过程，将一个芯轴图形转化为两个更密集的图形，使分辨率提高一倍；而SAQP则是在SADP的基础上再进行一次侧壁沉积和刻蚀，将两个图形进一步分裂为四个，使分辨率提高至原来的四倍。
发展SAQP的主要原因是随着半导体工艺节点进入5nm及以下,电路的金属间距要求极小，仅靠SADP结合193nm浸没式光刻已经无法满足物理极限要求，虽然极紫外（EUV）光刻机可以解决分辨率问题，但在某些极其密集的层级上，为了降低EUV设备的昂贵成本或规避EUV光刻的随机缺陷问题，制造商选择使用SAQP技术来进一步压榨现有光刻系统的潜力，实现更微细的线路布局。
在SADP工艺中，“自对准”是什么意思？它带来了什么具体优势？
回答： “自对准”是指在SADP工艺中，最终形成的电路图形位置不是由第二次光刻对准来决定的，而是由第一次形成的芯轴位置以及沉积在芯轴侧壁的薄膜厚度自然决定的。
这一特性带来了巨大的优势,主要体现在间距控制的均匀性上，在传统的双重曝光（LELE）技术中，两次独立的光刻步骤之间不可避免地存在对准误差，这会导致相邻线路之间的间距忽大忽小，严重影响芯片的电气性能和良率，而在SADP中，由于侧壁是紧贴着芯轴生长的，只要沉积的薄膜厚度均匀，生成的线路间距就是绝对一致的，这种化学物理过程控制的精度远高于机械光刻的对准精度，使得SADP非常适合制造对间距一致性要求极高的密集阵列结构，如存储器的电容阵列或晶体管的栅极。
