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(duì)準(zhǔn)、工藝檢測(cè)、基本器件功能測(cè)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(duì)準(zhǔn)的標(biāo)識(shí)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(duì)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(duì)圖形進(jìn)行量測(cè), 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(cè)試(wafer acceptable test, WAT)結(jié)構(gòu), 產(chǎn)品加工完畢后, 通過對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行電學(xué)測(cè)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(duì)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(cè)試, 因此頂部晶圓的背面圖形與正面圖形對(duì)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(duì)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(duì)頂部晶圓正面, 所以對(duì)準(zhǔn)和檢測(cè)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(duì)準(zhǔn)的光刻標(biāo)識(shí)圖形和工藝檢測(cè)圖形), 在背面加工過程中, 其形貌必須符合機(jī)器識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)。
3) 在機(jī)器識(shí)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(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)不能有其他圖形干擾。
4) 底部晶圓的測(cè)試電路和頂部晶圓正面的測(cè)試電路都要從頂部晶圓背面引出, 進(jìn)行電學(xué)測(cè)試。
因此, 頂部晶圓背面加工和測(cè)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(duì)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(duì)應(yīng)的位置需求, 再根據(jù)圖形單元的對(duì)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(duì)原有方法進(jìn)行優(yōu)化, 并舉例說明一種兩片晶圓面對(duì)面鍵合工藝下的整體替換式排版的方法和流程。
以兩片晶圓面對(duì)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?qǐng)D 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(duì)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(huì)進(jìn)行電路連接, 同時(shí)引出頂部晶圓背面測(cè)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(shí)別為一片傳統(tǒng)晶圓, 兼容后續(xù)測(cè)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(huì)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(duì)稱圖形不能作為標(biāo)準(zhǔn)圖形被機(jī)器識(shí)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(cè)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(shí)別錯(cuò)誤或量測(cè)問題。
圖2 鍵合產(chǎn)品工藝示意圖Fig. 2 Bonding product process flow
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(duì)準(zhǔn)圖形必須符合對(duì)應(yīng)設(shè)備的識(shí)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(duì)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(duì)準(zhǔn)圖形和量測(cè)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(duì)準(zhǔn)圖形排版為例, 鍵合工藝中非軸對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)別圖形, 用“F”表示, 對(duì)X方向非對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)準(zhǔn)圖形放置于此, 保證對(duì)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(duì)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(shí)別。左邊第一個(gè) AA 為該晶圓背面加工的對(duì)準(zhǔn)圖形, 坐標(biāo)對(duì)應(yīng)為(–x4,y4),圖形形貌為“”, 用于背面工藝對(duì)準(zhǔn)頂部晶圓正面。左邊第二個(gè), 同樣為空?qǐng)D形, 坐標(biāo)為 (–x3,y3),用于保證頂部晶圓背面工藝的對(duì)準(zhǔn)過程不受其他圖形干擾。
圖3 光刻對(duì)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(duì)在一起。左邊兩組對(duì)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(duì)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(duì)準(zhǔn)圖形, 鍵合后不會(huì)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?qǐng)D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(duì)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(duì)在一起, 成為可用于背面對(duì)準(zhǔn)正面的對(duì)準(zhǔn)圖形, 即可供光刻對(duì)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(duì)在一起, 共同為頂部晶圓背面即將制作的對(duì)準(zhǔn)圖形預(yù)留位置, 即 BSE 可以在此位置(x3,y3)制作對(duì)準(zhǔn)圖形,使得后續(xù)工藝可以通過這組對(duì)準(zhǔn)圖形做對(duì)準(zhǔn), 不會(huì)受到干擾。
工藝檢測(cè)圖形和電學(xué)測(cè)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(duì)稱坐標(biāo)擺放, 實(shí)現(xiàn)鍵合后工藝識(shí)別順利進(jìn)行。
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(duì)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(duì)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(duì)稱性圖形,Y方向?yàn)檩S對(duì)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(duì)稱圖形)。圖 4 為排版前繪制的光刻對(duì)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(duì)應(yīng)的空?qǐng)D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(duì)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(cè)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(dòng)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(huì)排入用于正面和背面的對(duì)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(duì)準(zhǔn)程序時(shí)無法直接對(duì)其進(jìn)行區(qū)分, 會(huì)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(duì)每個(gè)圖形單元進(jìn)行坐標(biāo)和名稱輸入, 會(huì)大大減少工作量。
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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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。
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(duì)稱關(guān)系, 對(duì)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(duì)繪制的圖形單元進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)命名, 把工藝過程中疊對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)準(zhǔn)工藝順利進(jìn)行, 還可以確保測(cè)試圖形識(shí)別及電學(xué)測(cè)試單元電路引出的正確性。這種方法的優(yōu)勢(shì)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(duì)應(yīng)位置都不需要手動(dòng)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。
本文針對(duì)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!