基于晶圓鍵合工藝的光刻掩膜版排版方法

尹卓 蘇悅陽 羅代艷 馬瑩 王剛 朱娜 劉力鋒 吳漢明 張興,?

1. 北京大學(xué)軟件與微電子學(xué)院, 北京 102600; 2. 中芯國際集成電路制造(北京)有限公司, 北京 100176;3. 中芯國際集成電路制造(上海)有限公司, 上海 201203; 4. 浙江大學(xué)微納電子學(xué)院, 杭州 310058;

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體集成電路制造工藝由材料沉積、光刻、材料去除(包括刻蝕和研磨)、清洗和注入等基本單項(xiàng)工藝組成。材料沉積–光刻–材料去除–清洗或光刻–注入–材料(光阻)去除–清洗為一次加工循環(huán), 每一個(gè)加工循環(huán)都在晶圓表面形成一層特定性能材料的圖形(layer), 這些圖形直接或間接地含有電路信息。將這些含有電路信息的圖形按照一定的要求有序地組合疊加起來, 就可以形成有效的芯片電路。

為保證各單項(xiàng)工藝的加工精度, 芯片劃片槽上一般還需要制造很多用于光刻對準(zhǔn)、工藝檢測、基本器件功能測試等的輔助圖形和輔助電路[1–2]。圖1(a)標(biāo)記為光刻掩膜版上不同的圖形區(qū)域, 圖 1(b)為用于光刻對準(zhǔn)的標(biāo)識圖形[3]。這些圖形可保證光刻套刻精度, 使單層光刻工藝間的對準(zhǔn)被控制在極高的精度范圍內(nèi)。圖 1(c)為檢查單項(xiàng)工藝加工效果的輔助圖形[4], 在指定工藝后, 通過對圖形進(jìn)行量測, 可以有效地掌握加工的精度和效果, 及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝異常并及早改善, 避免晶圓報(bào)廢。圖 1(d)為一種電學(xué)晶圓允收測試(wafer acceptable test, WAT)結(jié)構(gòu), 產(chǎn)品加工完畢后, 通過對這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行電學(xué)測試, 可以監(jiān)控晶圓加工整合過程的各步驟的工藝是否正常和穩(wěn)定。

圖1 掩膜版劃片槽圖形Fig. 1 Mask scribe lane area patterning

近年來, 為增加工藝集成度, 在傳統(tǒng)平面工藝的基礎(chǔ)上, 三維制造工藝在芯片制造中得到廣泛應(yīng)用[5–6]。對于晶圓–晶圓鍵合(wafer-to-wafer bonding)工藝結(jié)構(gòu)的堆疊式產(chǎn)品, 其垂直方向上不同晶圓的電路多由硅通孔工藝(through silicon via, TSV)相連,并從頂部晶圓背面引出進(jìn)行測試, 因此頂部晶圓的背面圖形與正面圖形對準(zhǔn)成為該類產(chǎn)品的核心工藝需求之一。為了保證這一工藝的對準(zhǔn)精度, 在底部晶圓和頂部晶圓正面的傳統(tǒng)平面工藝排版基礎(chǔ)上,還需放置用于鍵合及頂部晶圓背面工藝的加工輔助圖形, 滿足堆疊產(chǎn)品的加工要求。鍵合產(chǎn)品的各個(gè)版面應(yīng)同時(shí)滿足以下幾點(diǎn)要求。

1) 鍵合后, 由于背面工藝直接面對頂部晶圓正面, 所以對準(zhǔn)和檢測圖形有很大一部分制作于頂部晶圓的正面。

2) 頂部晶圓正面放入的用于背面工藝的輔助圖形(如對準(zhǔn)的光刻標(biāo)識圖形和工藝檢測圖形), 在背面加工過程中, 其形貌必須符合機(jī)器識別標(biāo)準(zhǔn)。

3) 在機(jī)器識別背面工藝的輔助圖形過程中, 底部晶圓及頂部晶圓正面對應(yīng)區(qū)域內(nèi)不能有其他圖形干擾。

4) 底部晶圓的測試電路和頂部晶圓正面的測試電路都要從頂部晶圓背面引出, 進(jìn)行電學(xué)測試。

因此, 頂部晶圓背面加工和測試的輔助圖形與其他版面的圖形都有一定的相關(guān)性。這些版面的排版通常需要進(jìn)行特殊處理, 較為直接的方法是: 將其中一個(gè)版面確定后, 對其他版面, 通過輸入坐標(biāo)的方式逐一地將圖形擺放在光刻掩膜版上, 滿足其對應(yīng)的位置需求, 再根據(jù)圖形單元的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行圖形單元替換, 則可同時(shí)滿足形貌和位置的要求。使用此方法, 除第一個(gè)版面外, 其他兩個(gè)版面都需要排版超過 400 個(gè)圖形單元, 不但增加操作人員工作量, 也容易發(fā)生排版錯(cuò)誤, 導(dǎo)致光罩作廢或流片失敗。

本文提出一種基于晶圓–晶圓鍵合工藝的排版方法, 對原有方法進(jìn)行優(yōu)化, 并舉例說明一種兩片晶圓面對面鍵合工藝下的整體替換式排版的方法和流程。

1 實(shí)驗(yàn)

以兩片晶圓面對面(face-to-face)直接鍵合(fusion bond)工藝(圖 2)為例, 其工藝過程由鍵合前工藝、鍵合工藝和鍵合后工藝 3 部分組成。在鍵合前工藝中, 兩片晶圓分別按照圖 2 所示加工, 加工過程完全獨(dú)立, 無互相影響。兩片晶圓單獨(dú)加工完成后,各自表面均沉積介電材料, 并進(jìn)行面對面晶圓鍵合。鍵合后工藝是首先進(jìn)行晶圓減薄。由于鍵合后頂部晶圓厚度為 500～1000 μm, 若直接在頂部晶圓背面進(jìn)行圖形加工, 則電路無法與頂部晶圓正面及底部晶圓的電路相連接, 所以頂部晶圓一定要先減薄到指定厚度。然后進(jìn)行背面圖形化工藝, 即通過光刻和刻蝕工藝, 在頂部晶圓背面加工出指定的圖形和結(jié)構(gòu)。該過程中, 分別實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能的兩片晶圓之間會進(jìn)行電路連接, 同時(shí)引出頂部晶圓背面測試墊[7]。背面圖形化完成后的晶圓, 在物理形態(tài)和電路連接上可被設(shè)備識別為一片傳統(tǒng)晶圓, 兼容后續(xù)測試和打線 (bumping), 稱為鍵合晶圓。

綜合圖 2 所示, 晶圓鍵合工藝可以總結(jié)為底部晶圓正面向上、頂部晶圓正面向下(背面向上)的復(fù)合過程。該過程會導(dǎo)致以下兩種情況: 1) 頂部晶圓正面圖形形貌被左右翻轉(zhuǎn),X方向的非對稱圖形不能作為標(biāo)準(zhǔn)圖形被機(jī)器識別; 2) 頂部晶圓正面圖形的坐標(biāo)也發(fā)生左右翻轉(zhuǎn)。所以, 如果圖形排布不合理, 背面光刻工藝或檢測過程被底部晶圓或頂部晶圓正面的圖形干擾的風(fēng)險(xiǎn)很高, 發(fā)生識別錯(cuò)誤或量測問題。

圖2 鍵合產(chǎn)品工藝示意圖Fig. 2 Bonding product process flow

1.1 鍵合產(chǎn)品排版要求

為了保證背面光刻工藝順利進(jìn)行, 排版時(shí), 除背面需要放置特定圖形單元外, 在底部晶圓和頂部晶圓的正面工藝中需要為背面工藝定制一些經(jīng)過特殊處理的圖形。首先, 由于背面工藝中使用的對準(zhǔn)圖形必須符合對應(yīng)設(shè)備的識別標(biāo)準(zhǔn), 即圖形、尺寸和轉(zhuǎn)向必須與標(biāo)準(zhǔn)圖形一致, 所以對于制作于頂部晶圓正面但用于晶圓背面工藝的圖形, 需要在其正面進(jìn)行圖形形貌的反向繪制。其次, 由于晶圓背面使用的對準(zhǔn)圖形和量測圖形區(qū)域內(nèi)不能有任何其他圖形, 所以在鍵合后使用的頂部晶圓背面的圖形下方, 需留下一組無圖形的特殊區(qū)域。

如圖 3 所示, 以光刻對準(zhǔn)圖形排版為例, 鍵合工藝中非軸對稱圖形 3 個(gè)版面的排版和鍵合過程分別為底部晶圓排版、頂部晶圓正面排版和頂部晶圓背面排版。在底部晶圓和頂部晶圓正面, 以有源區(qū)(AA)和第一金屬層(M1)兩個(gè)光刻對準(zhǔn)圖形為例;在頂部晶圓正面和背面, 以有源區(qū)(AA)和背面刻蝕工藝(BSE)這兩個(gè)光刻對準(zhǔn)圖形為例。定義“左邊為藍(lán)色的長線段, 右邊為黃色的短線段”結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)可識別圖形, 用“F”表示, 對X方向非對稱圖形排版。

圖 3(a)為底部晶圓版面。左邊兩個(gè)圖形用于該晶圓獨(dú)立加工過程中的工藝對準(zhǔn), 分別為 AA 和M1, 坐標(biāo)分別為(x1,y1)和(x2,y2), 圖形形貌為“F”,可用于機(jī)器直接識別。右邊兩個(gè)為空的圖形, 為該晶圓獨(dú)立加工過程中特意制作的沒有圖形的區(qū)域,坐標(biāo)分別為(x3,y3)和(x4,y4), 目的是把頂部晶圓背面工藝的對準(zhǔn)圖形放置于此, 保證對準(zhǔn)過程不受其他圖形干擾。

圖 3(b)為頂部晶圓正面版面。左邊兩個(gè)圖形用于該晶圓正面獨(dú)立加工過程中的工藝對準(zhǔn), 分別為AA 和 M1, 坐標(biāo)分別為(–x1,y1)和(–x2,y2), 圖形形貌為“F”, 可用于機(jī)器直接識別。左邊第一個(gè) AA 為該晶圓背面加工的對準(zhǔn)圖形, 坐標(biāo)對應(yīng)為(–x4,y4),圖形形貌為“”, 用于背面工藝對準(zhǔn)頂部晶圓正面。左邊第二個(gè), 同樣為空圖形, 坐標(biāo)為 (–x3,y3),用于保證頂部晶圓背面工藝的對準(zhǔn)過程不受其他圖形干擾。

圖3 光刻對準(zhǔn)圖形排版示意圖Fig. 3 Alignment mark arrangement diagram

圖 3(c)為頂部晶圓背面版面。由于圖 3(a)和(b)版面中 4 個(gè)坐標(biāo)分別是兩兩鏡像, 所以鍵合后這 4 個(gè)圖形各自兩兩疊對在一起。左邊兩組對準(zhǔn)圖形中, 頂部晶圓正面工藝的 AA 和 M1 分別與底部晶圓 AA 和 M1 疊對在一起, 這兩組圖形均為兩片晶圓正面單獨(dú)加工時(shí)使用的對準(zhǔn)圖形, 鍵合后不會再使用, 位置坐標(biāo)保持為底部晶圓排版坐標(biāo) (x1,y1)和(x2,y2)。背面排版時(shí), 在此處分別排入空圖形“占位”, 禁止背面排版時(shí)排入圖形。右邊兩組圖形為鍵合后工藝所使用的對準(zhǔn)圖形。右面第一組圖形制作于頂部晶圓正面的“”AA, 翻轉(zhuǎn)后, 與底部晶圓加工空白圖形疊對在一起, 成為可用于背面對準(zhǔn)正面的對準(zhǔn)圖形, 即可供光刻對準(zhǔn)使用的“F”圖形。同理, 圖 3(c)右側(cè)第 2 組圖形, 底部晶圓和頂部晶圓正面工藝分別加工的空白圖形在此處疊對在一起, 共同為頂部晶圓背面即將制作的對準(zhǔn)圖形預(yù)留位置, 即 BSE 可以在此位置(x3,y3)制作對準(zhǔn)圖形,使得后續(xù)工藝可以通過這組對準(zhǔn)圖形做對準(zhǔn), 不會受到干擾。

工藝檢測圖形和電學(xué)測試結(jié)構(gòu)也需要用相同的方法進(jìn)行排版, 頂部晶圓背面使用的圖形在X方向上進(jìn)行“”繪制、然后按對稱坐標(biāo)擺放, 實(shí)現(xiàn)鍵合后工藝識別順利進(jìn)行。

1.2 鍵合產(chǎn)品傳統(tǒng)(輸入式)排版方法

如果 3 個(gè)版面按照上述的先后順序進(jìn)行操作,即先把底部晶圓的圖形擺好, 然后根據(jù)坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系, 分別將另外兩個(gè)排版的圖形單元按照要求逐一擺放, 則這種逐一擺放的過程即為傳統(tǒng)的輸入式排版方法。如圖 4 和 5 所示, 以圖 1(b)中阿斯麥光刻對準(zhǔn)圖形為例, 其中的圖形即為標(biāo)準(zhǔn)“F”圖形, 在X方向?yàn)榉禽S對稱性圖形,Y方向?yàn)檩S對稱圖形。根據(jù)阿斯麥工藝和排版要求,X和Y方向的圖形單元都需要進(jìn)行擺放,Y方向?yàn)閳D 1(b)的圖形逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°擺入(擺放后X方向?yàn)檩S對稱圖形)。圖 4 為排版前繪制的光刻對準(zhǔn)圖形, 其形貌和方向完全遵循圖形要求: 除增加頂部晶圓背面加工用的 AA_M (即AA“”)和 SE (“F”)以及對應(yīng)的空圖形外, 其他圖形單元都保持與傳統(tǒng)非鍵合產(chǎn)品相同。如圖 5 所示,在排版位置上也完全按照鍵合產(chǎn)品排版流程: 先排好底部晶圓的版面, 然后按照對應(yīng)關(guān)系將頂部晶圓正面和頂部晶圓背面的圖形單元, 逐一進(jìn)行輸入替換, 將另外兩個(gè)版面排好。

圖4 輸入式排版方法的圖形單元擺放方式Fig. 4 Frame cell patterning evaluation list by traditional theory

圖5 輸入式排版方法的圖形單元擺放示意圖Fig. 5 Frame cell locating diagram by traditional theory

鍵合產(chǎn)品傳統(tǒng)排版方法直觀、簡單, 但操作過程復(fù)雜, 工程上潛在風(fēng)險(xiǎn)很高, 主要表現(xiàn)為如下3 個(gè)方面。

1) 圖形單元逐一擺放, 需要坐標(biāo)輸入和替換的文件共 800～1200 個(gè), 工作量非常大, 耗時(shí)長, 極易出現(xiàn)圖形文件替換或坐標(biāo)錯(cuò)誤。

2) 電學(xué)測試結(jié)構(gòu)圖形單元等圖形, 還需要單獨(dú)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或左右鏡像翻轉(zhuǎn)動作。實(shí)際操作過程中,易發(fā)生遺漏。

3) 頂部晶圓正面排版時(shí), 會排入用于正面和背面的對準(zhǔn)圖形, 該實(shí)例中Y方向出現(xiàn)兩個(gè) AA。由于它們的文件名、圖形形貌和繪制方向完全相同,建立對準(zhǔn)程序時(shí)無法直接對其進(jìn)行區(qū)分, 會增加操作失誤的可能性, 影響工藝和產(chǎn)品質(zhì)量。

如果能夠?qū)ε虐姘婷孢M(jìn)行整體翻轉(zhuǎn), 不需要對每個(gè)圖形單元進(jìn)行坐標(biāo)和名稱輸入, 會大大減少工作量。

1.3 鍵合產(chǎn)品排版方法的優(yōu)化

由于傳統(tǒng)排版方式的局限性, 分別進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn), 以期優(yōu)化傳統(tǒng)輸入式排版方法, 結(jié)果如圖 6 和 7所示。

以X方向非對稱圖形為例, 圖 6 分別為底部晶圓、頂部晶圓正面和頂部晶圓背面排版的圖形和坐標(biāo), 圖 7 為不同排版方法制作于實(shí)際晶圓上的圖形和坐標(biāo)。排版方法改進(jìn)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果如下。

圖6 傳統(tǒng)方法排版排版實(shí)驗(yàn)及結(jié)果Fig. 6 Frame cell arrangement experiment and result by traditional theory

圖7 翻轉(zhuǎn)方法排版實(shí)驗(yàn)及結(jié)果Fig. 7 Frame cell arrangement experiment and result by flipped theory

實(shí)驗(yàn) 1: 圖形繪制形貌與傳統(tǒng)方法相同, 將有對稱關(guān)系的圖形單元統(tǒng)一命名; 排版時(shí), 不同版面的圖形單元直接用相同名稱的圖形替換, 坐標(biāo)無需輸入; 替換完成后, 頂部晶圓正面圖形與坐標(biāo)同時(shí)左右翻轉(zhuǎn)。晶圓加工結(jié)果顯示, 采用此種排版方法,頂部晶圓正面加工的圖形與目標(biāo)圖形均相反(用紅色表示)。正面和背面加工過程中 AA 對準(zhǔn)均不能進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn) 2: 圖形繪制形貌完全與傳統(tǒng)方法相反,即除頂部晶圓背面使用的 AA 為“F”外, 其他都是標(biāo)準(zhǔn)“”繪制。圖形單元的統(tǒng)一命名與實(shí)驗(yàn) 1 相同。排版時(shí), 與實(shí)驗(yàn) 1 相同, 不同版面的圖形單元直接用相同名稱的圖形進(jìn)行替換, 然后頂部晶圓正面圖形與坐標(biāo)同時(shí)左右翻轉(zhuǎn)。晶圓加工結(jié)果顯示, 3 個(gè)晶圓上的圖形與目標(biāo)圖形相同。

從實(shí)驗(yàn) 2 的過程和結(jié)果可以看出, 僅使用底部晶圓作為母版, 頂部晶圓背面進(jìn)行“替換”, 頂部晶圓正面進(jìn)行“替換–翻轉(zhuǎn)”, 即可完成 3 個(gè)版面。實(shí)際操作過程中, 排版版面從 3 個(gè)簡化為 1 個(gè), 同時(shí)也省去手動輸入圖形單元及其坐標(biāo)的過程。這種排版方式是一種由系統(tǒng)面出發(fā), 自上而下, 為鍵合產(chǎn)品圖形單元排版定制的整體設(shè)計(jì)方法, 稱為整體翻轉(zhuǎn)式排版。

2 結(jié)果與討論

整體翻轉(zhuǎn)式排版方法有效地解決了眾多圖形單元名稱和坐標(biāo)輸入的問題。將其系統(tǒng)化, 建立標(biāo)準(zhǔn)操作流程(standard operation procedure, SOP), 并推廣至工程實(shí)踐, 可以顯著地減少鍵合產(chǎn)品排版的工作量和工時(shí)消耗。過程如下。

1) 定義其中一個(gè)版面為母版 A, 其余的版面,與母版 A 排版方向相同的版面定義為 An, 與母版版面 A 方向鏡像的版面為–An。

2) 根據(jù)版面的對稱關(guān)系, 對圖形單元進(jìn)行繪制。將版面 A 和 An都參照標(biāo)準(zhǔn)圖形進(jìn)行“F”繪制,把版面–An的圖形單元按照X方向左右翻轉(zhuǎn), 進(jìn)行“”繪制,Y方向保持“F”繪制。

3) 對繪制的圖形單元進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)命名, 把工藝過程中疊對起來的圖形單元命名為相同的文件名, 以便實(shí)現(xiàn)后續(xù)過程圖形文件的直接調(diào)用和替換。

4) 按照傳統(tǒng)排版方法, 對標(biāo)準(zhǔn)版面 A 進(jìn)行排版。同時(shí), 直接復(fù)制版面 A 到所有 An, 替換版面 An上的所有對應(yīng)圖像單元。復(fù)制版面 A 到所有–An,替換版面–An上所有對應(yīng)圖像單元, 再把版面–An的整個(gè)排版沿X方向左右鏡像翻轉(zhuǎn), 即可在掩膜版上同時(shí)得到標(biāo)準(zhǔn)圖形單元和對稱鏡像坐標(biāo)。

圖 8 和 9 表示整體翻轉(zhuǎn)式排版的方法和過程。以底部晶圓排版為標(biāo)準(zhǔn)排版 A 為例, 頂部晶圓背面排版為 A1, 頂部晶圓正面排版為–A1。底部晶圓和頂部晶圓背面的圖形單元做標(biāo)準(zhǔn)“F”繪制, 頂部晶圓正面除用于背面對準(zhǔn)的 AA_X_BS 外, 其余都做“”繪制。頂部晶圓背面與底部晶圓的排版位置和文件名完全相同, 只是不同版面的內(nèi)部圖形有差異。排版時(shí), 對應(yīng)圖形文件替換后, 版面直接鏡像翻轉(zhuǎn),翻轉(zhuǎn)后的版面圖形和坐標(biāo)將同時(shí)滿足工藝要求。

圖8 整體翻轉(zhuǎn)式排版方法的圖形單元擺放方式Fig. 8 Frame cell patterning evaluation list by flipped theory

整體翻轉(zhuǎn)式排版方法不但可以保證鍵合產(chǎn)品光刻對準(zhǔn)工藝順利進(jìn)行, 還可以確保測試圖形識別及電學(xué)測試單元電路引出的正確性。這種方法的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為“一個(gè)版面多次使用”, 即不同版面圖像單元的文件名及其對應(yīng)位置都不需要手動輸入, 省時(shí)省力, 尤其適用于大規(guī)模量產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化晶圓加工。該方法已經(jīng)在中芯國際晶圓–晶圓鍵合工藝產(chǎn)品中進(jìn)行過多次工程驗(yàn)證, 掩膜版制作一次成功率達(dá)到 100%, 并且, 與原有的排版方法相比, 鍵合產(chǎn)品排版的操作時(shí)間由 5 天/人大幅縮減至 2 天/人, 節(jié)省了新產(chǎn)品導(dǎo)入的時(shí)間周期, 已推廣為該類型產(chǎn)品排版的標(biāo)準(zhǔn)操作流程。

3 結(jié)論

本文針對晶圓–晶圓鍵合工藝的光刻掩膜版排版的技術(shù)挑戰(zhàn), 提出一種新型的整體翻轉(zhuǎn)式排版方法, 并通過實(shí)例說明排版流程。目前, 該方法已得到中芯國際的工程驗(yàn)證。與傳統(tǒng)方法相比, 整體翻轉(zhuǎn)式排版方法大大降低排版過程的工作繁瑣程度和錯(cuò)誤率, 有效地縮短了產(chǎn)品導(dǎo)入的時(shí)間周期。

圖9 整體翻轉(zhuǎn)式排版方法的圖形單元擺放示意圖Fig. 9 Frame cell locating diagram by traditional theory

致謝 感謝中芯國際集成電路制造(上海)有限公司光罩服務(wù)團(tuán)隊(duì)、中芯國際集成電路制造(北京)有限公司光刻團(tuán)隊(duì)、工藝整合團(tuán)隊(duì)的大力支持！