尹卓 蘇悅陽 羅代艷 馬瑩 王剛 朱娜 劉力鋒 吳漢明 張興,?

1. 北京大學軟件與微電子學院, 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. 浙江大學微納電子學院, 杭州 310058;

傳統(tǒng)的半導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、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)為用于光刻對準的標識圖形[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被控制在極高的精度范圍內。圖 1(c)為檢查單項工藝加工效果的輔助圖形[4], 在指定工藝后, 通過對圖形進行量測, 可以有效地掌握加工的精度和效果, 及時發(fā)現(xiàn)工藝異常并及早改善, 避免晶圓報廢。圖 1(d)為一種電學晶圓允收測試(wafer acceptable test, WAT)結構, 產品加工完畢后, 通過對這些結構進行電學測試, 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)平面工藝的基礎上, 三維制造工藝在芯片制造中得到廣泛應用[5–6]。對于晶圓–晶圓鍵合(wafer-to-wafer bonding)工藝結構的堆疊式產品, 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行測試, 因此頂部晶圓的背面圖形與正面圖形對準成為該類產品的核心工藝需求之一。為了保證這一工藝的對準精度, 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, 滿足堆疊產品的加工要求。鍵合產品的各個版面應同時滿足以下幾點要求。

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(如對準的光刻標識圖形和工藝檢測圖形), 在背面加工過程中, 其形貌必須符合機器識別標準。

3) 在機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區(qū)域內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, 進行電學測試。

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性。這些版面的排版通常需要進行特殊處理, 較為直接的方法是: 將其中一個版面確定后, 對其他版面, 通過輸入坐標的方式逐一地將圖形擺放在光刻掩膜版上, 滿足其對應的位置需求, 再根據(jù)圖形單元的對應關系進行圖形單元替換, 則可同時滿足形貌和位置的要求。使用此方法, 除第一個版面外, 其他兩個版面都需要排版超過 400 個圖形單元, 不但增加操作人員工作量, 也容易發(fā)生排版錯誤, 導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 實驗

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, 加工過程完全獨立, 無互相影響。兩片晶圓單獨加工完成后,各自表面均沉積介電材料, 并進行面對面晶圓鍵合。鍵合后工藝是首先進行晶圓減薄。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構。該過程中, 分別實現(xiàn)設計功能的兩片晶圓之間會進行電路連接, 同時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為底部晶圓正面向上、頂部晶圓正面向下(背面向上)的復合過程。該過程會導致以下兩種情況: 1) 頂部晶圓正面圖形形貌被左右翻轉,X方向的非對稱圖形不能作為標準圖形被機器識別; 2) 頂部晶圓正面圖形的坐標也發(fā)生左右翻轉。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險很高, 發(fā)生識別錯誤或量測問題。

圖2 鍵合產品工藝示意圖Fig. 2 Bonding product process flow

1.1 鍵合產品排版要求

為了保證背面光刻工藝順利進行, 排版時, 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過特殊處理的圖形。首先, 由于背面工藝中使用的對準圖形必須符合對應設備的識別標準, 即圖形、尺寸和轉向必須與標準圖形一致, 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, 需要在其正面進行圖形形貌的反向繪制。其次, 由于晶圓背面使用的對準圖形和量測圖形區(qū)域內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, 以光刻對準圖形排版為例, 鍵合工藝中非軸對稱圖形 3 個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)兩個光刻對準圖形為例;在頂部晶圓正面和背面, 以有源區(qū)(AA)和背面刻蝕工藝(BSE)這兩個光刻對準圖形為例。定義“左邊為藍色的長線段, 右邊為黃色的短線段”結構為標準可識別圖形, 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。左邊兩個圖形用于該晶圓獨立加工過程中的工藝對準, 分別為 AA 和M1, 坐標分別為(x1,y1)和(x2,y2), 圖形形貌為“F”,可用于機器直接識別。右邊兩個為空的圖形, 為該晶圓獨立加工過程中特意制作的沒有圖形的區(qū)域,坐標分別為(x3,y3)和(x4,y4), 目的是把頂部晶圓背面工藝的對準圖形放置于此, 保證對準過程不受其他圖形干擾。

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

圖3 光刻對準圖形排版示意圖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 個坐標分別是兩兩鏡像, 所以鍵合后這 4 個圖形各自兩兩疊對在一起。左邊兩組對準圖形中, 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加工時使用的對準圖形, 鍵合后不會再使用, 位置坐標保持為底部晶圓排版坐標 (x1,y1)和(x2,y2)。背面排版時, 在此處分別排入空圖形“占位”, 禁止背面排版時排入圖形。右邊兩組圖形為鍵合后工藝所使用的對準圖形。右面第一組圖形制作于頂部晶圓正面的“”AA, 翻轉后, 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正面的對準圖形, 即可供光刻對準使用的“F”圖形。同理, 圖 3(c)右側第 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圖形預留位置, 即 BSE 可以在此位置(x3,y3)制作對準圖形,使得后續(xù)工藝可以通過這組對準圖形做對準, 不會受到干擾。

工藝檢測圖形和電學測試結構也需要用相同的方法進行排版, 頂部晶圓背面使用的圖形在X方向上進行“”繪制、然后按對稱坐標擺放, 實現(xiàn)鍵合后工藝識別順利進行。

1.2 鍵合產品傳統(tǒng)(輸入式)排版方法

如果 3 個版面按照上述的先后順序進行操作,即先把底部晶圓的圖形擺好, 然后根據(jù)坐標對應關系, 分別將另外兩個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)中阿斯麥光刻對準圖形為例, 其中的圖形即為標準“F”圖形, 在X方向為非軸對稱性圖形,Y方向為軸對稱圖形。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行擺放,Y方向為圖 1(b)的圖形逆時針旋轉90°擺入(擺放后X方向為軸對稱圖形)。圖 4 為排版前繪制的光刻對準圖形, 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”)以及對應的空圖形外, 其他圖形單元都保持與傳統(tǒng)非鍵合產品相同。如圖 5 所示,在排版位置上也完全按照鍵合產品排版流程: 先排好底部晶圓的版面, 然后按照對應關系將頂部晶圓正面和頂部晶圓背面的圖形單元, 逐一進行輸入替換, 將另外兩個版面排好。

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

鍵合產品傳統(tǒng)排版方法直觀、簡單, 但操作過程復雜, 工程上潛在風險很高, 主要表現(xiàn)為如下3 個方面。

1) 圖形單元逐一擺放, 需要坐標輸入和替換的文件共 800～1200 個, 工作量非常大, 耗時長, 極易出現(xiàn)圖形文件替換或坐標錯誤。

2) 電學測試結構圖形單元等圖形, 還需要單獨進行旋轉或左右鏡像翻轉動作。實際操作過程中,易發(fā)生遺漏。

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

如果能夠對排版版面進行整體翻轉, 不需要對每個圖形單元進行坐標和名稱輸入, 會大大減少工作量。

1.3 鍵合產品排版方法的優(yōu)化

由于傳統(tǒng)排版方式的局限性, 分別進行兩次實驗, 以期優(yōu)化傳統(tǒng)輸入式排版方法, 結果如圖 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, 圖 7 為不同排版方法制作于實際晶圓上的圖形和坐標。排版方法改進實驗及結果如下。

圖6 傳統(tǒng)方法排版排版實驗及結果Fig. 6 Frame cell arrangement experiment and result by traditional theory

圖7 翻轉方法排版實驗及結果Fig. 7 Frame cell arrangement experiment and result by flipped theory

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

實驗 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, 其他都是標準“”繪制。圖形單元的統(tǒng)一命名與實驗 1 相同。排版時, 與實驗 1 相同, 不同版面的圖形單元直接用相同名稱的圖形進行替換, 然后頂部晶圓正面圖形與坐標同時左右翻轉。晶圓加工結果顯示, 3 個晶圓上的圖形與目標圖形相同。

從實驗 2 的過程和結果可以看出, 僅使用底部晶圓作為母版, 頂部晶圓背面進行“替換”, 頂部晶圓正面進行“替換–翻轉”, 即可完成 3 個版面。實際操作過程中, 排版版面從 3 個簡化為 1 個, 同時也省去手動輸入圖形單元及其坐標的過程。這種排版方式是一種由系統(tǒng)面出發(fā), 自上而下, 為鍵合產品圖形單元排版定制的整體設計方法, 稱為整體翻轉式排版。

2 結果與討論

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

1) 定義其中一個版面為母版 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)版面的對稱關系, 對圖形單元進行繪制。將版面 A 和 An都參照標準圖形進行“F”繪制,把版面–An的圖形單元按照X方向左右翻轉, 進行“”繪制,Y方向保持“F”繪制。

3) 對繪制的圖形單元進行標準命名, 把工藝過程中疊對起來的圖形單元命名為相同的文件名, 以便實現(xiàn)后續(xù)過程圖形文件的直接調用和替換。

4) 按照傳統(tǒng)排版方法, 對標準版面 A 進行排版。同時, 直接復制版面 A 到所有 An, 替換版面 An上的所有對應圖像單元。復制版面 A 到所有–An,替換版面–An上所有對應圖像單元, 再把版面–An的整個排版沿X方向左右鏡像翻轉, 即可在掩膜版上同時得到標準圖形單元和對稱鏡像坐標。

圖 8 和 9 表示整體翻轉式排版的方法和過程。以底部晶圓排版為標準排版 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準“F”繪制, 頂部晶圓正面除用于背面對準的 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, 只是不同版面的內部圖形有差異。排版時, 對應圖形文件替換后, 版面直接鏡像翻轉,翻轉后的版面圖形和坐標將同時滿足工藝要求。

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

整體翻轉式排版方法不但可以保證鍵合產品光刻對準工藝順利進行, 還可以確保測試圖形識別及電學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“一個版面多次使用”, 即不同版面圖像單元的文件名及其對應位置都不需要手動輸入, 省時省力, 尤其適用于大規(guī)模量產的標準化晶圓加工。該方法已經在中芯國際晶圓–晶圓鍵合工藝產品中進行過多次工程驗證, 掩膜版制作一次成功率達到 100%, 并且, 與原有的排版方法相比, 鍵合產品排版的操作時間由 5 天/人大幅縮減至 2 天/人, 節(jié)省了新產品導入的時間周期, 已推廣為該類型產品排版的標準操作流程。

3 結論

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

圖9 整體翻轉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)有限公司光罩服務團隊、中芯國際集成電路制造(北京)有限公司光刻團隊、工藝整合團隊的大力支持！