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淺談現(xiàn)代集成電路28nm芯片制造工藝B(后端BEOL)

 zhuan3002 2019-04-04

接續(xù)以上《淺談現(xiàn)代集成電路28nm芯片制造工藝A(前端FEOL)


圖14

圖15

流程2.3b圖17

9. ILD是器件與第一層金屬之間的介質(zhì),完成ILD-1之后進(jìn)行高k金屬柵替換臨時(shí)虛擬柵。接觸孔是器件與第一層金屬之間的連接通道,鎢栓填充接觸孔。   

9.1淀積二氧化硅ILD-1,

9.1.1,PECVD氦作用下硅烷與一氧化二氮反應(yīng)(400)淀積氮氧化硅,(防止硼磷硅玻璃中B/P析出影響襯底器件)。

9.1.2.SACVD淀積TEOS-O3二氧化硅(400)淀積硼磷硅玻璃2000?[TEOS-O3+B(OC2H2+PO(OC2H5)加熱]之后660氮?dú)庵谢亓?,清洗去除析出的硼和磷?/span>

9.1.3 SACVD淀積氧化層5000?。與下面的氧化硅,氮氧化硅包裹密封磷硅玻璃。

9.1.4拋光CMP,停止在多晶硅層,干法刻蝕去除多晶硅和濕法腐蝕臨時(shí)柵氧化層。見(jiàn)14.

9.1.5 預(yù)清洗,淀積界面氧化層(IL)和高K介質(zhì)HfO2

9.1.6淀積覆蓋層TiN/TaN氮化鈦/氮化鉭.見(jiàn)15

9.1.7淀積p型功函數(shù)氮化鉭層約40?,見(jiàn)16

9.1.8光刻打開(kāi)nmos濕法刻蝕上次淀積的p型功函數(shù)氮化鉭。

9.1.9淀積n型功函數(shù)鋁鈦(TiAlN)約30?.16

9.1.10光刻/淀積氮化鈦//鋁電極層,之后CMP平坦化拋光。

9.2 淀積第二層介質(zhì)ILD-2。見(jiàn)17

9.2.1 SACVD二氧化硅5000?,隔離磷硅玻璃與上層金屬,避免析出硼、磷影響金屬布線質(zhì)量。

9.2.2 PECVD淀積氮氧化硅200?,(抗反射層),

9.2.3制作接觸孔(連接器件與第一層金屬)。首先光刻/高密度等離子刻蝕接觸孔,然后PVD淀積鈦150?/氮化鈦50?,阻止硅與鎢化學(xué)反應(yīng)。(鎢的阻擋層與粘結(jié)層)。

9.2.4速退火RTA 700,鈦/氮化鈦與硅合金化,降低接觸電阻。

9.2.5.鎢淀積:反應(yīng)腔中通入氣體WF6+SiH4+H2.鎢淀積進(jìn)入接觸孔和硅片表面。

9.2.6. CMP拋光鎢,拋光掉Ti/TiN層(氧化硅為停止層)。再多研磨一段時(shí)間防止接觸孔之間短路。17

10.第一層金屬布線,M1(將不同區(qū)域的接觸孔連接并連接上層通孔)。第一層金屬之間的隔離是超低k介質(zhì)絕緣層IMD-1材料是SiCOH。 見(jiàn)圖18

10.1淀積第一層金屬刻蝕停止層PECVDSiCN300?,—PECVD淀積SiCOH(3000?),—淀積二氧化硅250?TEOS400)用于包裹密封覆蓋多孔超低K介質(zhì)(SiCOH),同時(shí)防止光刻工藝中氧自由基破壞超低k介質(zhì)。

10.2  SiCOH淀積方法:DEMSDi-甲基乙氧基硅烷)和CHO(氧化環(huán)乙烯或C6H10O)淀積具有CxHyOSG有機(jī)復(fù)合膜,利用超紫外線(UV)和可見(jiàn)光處理排出有機(jī)體,最終形成多孔的SiCOH介質(zhì)膜。

10.3淀積TiN硬掩膜300?(防反射層)

10.4. TiN上涂膠—光刻/刻蝕M-1第一層金屬的TiN硬掩膜—去膠—以硬掩膜為掩蔽刻蝕氧化層/SiCOHSiCN為停止層-濕法腐蝕SiCN-—淀積Ta/TaN粘附/阻擋層和銅種子層—電鍍銅—CMP平坦化(以TiN下面的氧化層為停止層),形成金屬1M-1)互聯(lián)布線. 見(jiàn)圖1819

10.5刻蝕方法:等離子刻蝕腔體通入CF4+CHF3+CO混合氣體,SiCN為停止層

11.制作IMD-2,通孔-1和金屬-2

11.1淀積二氧化硅IMD-2A,淀積第一層金屬刻蝕停止層PECVDSiCN-2600?,—PECVD淀積SiCOH(3500?),—淀積SiCN -1 ,600?作為第一次刻蝕停止層, 用于包裹密封覆蓋多孔超低K介質(zhì)(SiCOH),同時(shí)防止銅擴(kuò)散。

11.2 再淀積SiCOH 3000?,

11.3 TEOS分解淀積二氧化硅500?。

11.4 淀積氮化鈦硬掩膜。

12.通孔1(連接第一層金屬與第二層金屬)和金屬層M2制作。

12.1光刻/刻蝕金屬層M2(銅布線槽)氮化鈦硬掩膜(暴露金屬布線區(qū))—去膠。見(jiàn)圖20

12.2,涂膠光刻通孔(僅暴露通孔),等離子刻蝕通孔。SiCN-1為停止層,濕法去除SiCN。去膠。見(jiàn)圖21

12.3 以硬掩膜為掩蔽,繼續(xù)刻蝕金屬層M2和通孔。以SiCN-2為停止層。濕法去除SiCN-2見(jiàn)圖22

12.4 淀積Ta/TaN作為粘附層和銅的阻擋層。

12.5. 淀積銅種子層,電鍍銅。

12.5拋光CMP銅。防止短路。清洗。見(jiàn)圖23

重復(fù)上述可制作多層布線。......

13.  頂層金屬之下介質(zhì)隔離,隔離頂層鋁與下層布線

13.1淀積SiCN刻蝕停止層600?

13.2400淀積二氧化硅3000?。(低溫淀積硅氧化物)

13.3淀積氮化硅(400300?。

14.  頂層金屬鋁互連線:因?yàn)殂~易氧化且不能生成鈍化層,也不能制作壓焊盤(pán),故鋁作為頂層金屬。

14.1光刻/刻蝕氮化硅,二氧化硅,停止在SiCN層。

14.2 去膠,去除SiCN。淀積Ti/TiN.阻擋層/粘附層,(阻擋鋁擴(kuò)散,鈦與鋁形成TiAl3改善電遷徙,)

14.3 淀積鋁銅層(鋁合金中含銅0.5%,含硅1%,鋁98.5%

PVD氬離子轟擊靶淀積AlCu8500?。(頂層有大電流電源線,需要寬厚金屬層,)

14.4淀積鈦/氮化鈦350?作為焊盤(pán)鈍化層刻蝕停止層,隔離鋁與二氧化硅,且具有防反射作用。見(jiàn)圖24.

14.5. 光刻焊盤(pán),鋁布線,通入氯氣Cl2等離子刻蝕焊盤(pán)。去膠,濕法去除參與氯離子。見(jiàn)圖25

14.6 淀積1000?二氧化硅。(400),

15.淀積氧化硅,氮化硅形成鈍化層,阻擋水蒸氣和可動(dòng)離子擴(kuò)散,保護(hù)芯片免于受潮,污染及劃傷。

15.1HDPCVD磷硅玻璃8000?(低溫),

15.2 400淀積氮化硅12000?

15.3  光刻壓焊盤(pán)(PAD)作為測(cè)試連接點(diǎn)和和封裝連線窗口??涛g停止在氮化鈦層。

15.4 去膠,退火,合金。(400通入氮?dú)夂蜌錃猓?/span>30分鐘。合金再結(jié)晶,改善金屬與氧化層界面,使之更緊密(增密)減小接觸電阻,釋放金屬應(yīng)力。見(jiàn)圖26

15.5測(cè)試晶圓,測(cè)試晶圓上下左右中間5點(diǎn)工藝控制檢測(cè)參數(shù)。及顯微鏡檢查。

圖18圖19

圖19圖20

圖21

圖22

圖23

多層1圖25

圖26


*7.漏源用應(yīng)變硅技術(shù)代替離子注入重?fù)诫s工藝

應(yīng)7.1應(yīng)7.2

*7.1LPCVD淀積SiO2(作為外延材料的阻擋層)

*7.2光刻/刻蝕掉nmos有源區(qū)域氧化層,選擇性刻蝕襯底硅,形成凹槽。見(jiàn)圖*7.1

*7.3經(jīng)過(guò)多次淀積和多次濕法刻蝕,在n型有源區(qū)凹槽內(nèi)外延生長(zhǎng)單晶態(tài)SiC,同時(shí)進(jìn)行磷摻雜。(漏源區(qū)形成凸起)見(jiàn)圖7.2

*7.4LPCVD淀積SiO2(作為外延SiGe應(yīng)變材料的阻擋層)

應(yīng)7.3應(yīng)7.4

*7.5光刻/刻蝕掉pmos有源區(qū)域氧化層,選擇性刻蝕襯底硅,形成凹槽.*7.3

*7.6經(jīng)過(guò)多次淀積和多次濕法刻蝕,在p型有源區(qū)凹槽內(nèi)外延生長(zhǎng)單晶態(tài)SiGe應(yīng)變材料,同時(shí)進(jìn)行硼摻雜。(漏源區(qū)形成凸起)*7.4



后記,芯片國(guó)產(chǎn)化幾點(diǎn)建議:

1)盡快普及集成電路芯片制造知識(shí)。在引進(jìn)人才的同時(shí),要培養(yǎng)一批熟練精通集成電路制造工藝的人才。除了加強(qiáng)EDA/TCAD教學(xué)外,建議高校微電子專業(yè)要加強(qiáng)實(shí)踐與知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的培訓(xùn),要有一定規(guī)模的半導(dǎo)體車間供學(xué)生較長(zhǎng)時(shí)間實(shí)踐實(shí)習(xí)(七十年代清華大學(xué)電子系一樓有集成電路車間)強(qiáng)化動(dòng)手能力和項(xiàng)目管理能力。芯片制造行業(yè)許多專利都來(lái)自實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與大量數(shù)據(jù)的結(jié)晶,芯片制造技術(shù)的提高來(lái)源于工藝實(shí)踐,特別是芯片制造工藝中的Know-how,是經(jīng)過(guò)大量反復(fù)試驗(yàn)、測(cè)試總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和方法。功課學(xué)生也要學(xué)MBA知識(shí)。

2)制造半導(dǎo)體器件依賴于設(shè)備,設(shè)備使用極致方可以提高工藝水平。如何制造出與TCAD模擬設(shè)計(jì)的器件性能一樣的器件且具有重復(fù)性、再現(xiàn)性、均勻性及高良品率;如何測(cè)量檢驗(yàn)出你做的IC器件性能參數(shù)及可靠性與TCAD模擬的一樣。要靠動(dòng)手實(shí)踐下真功夫。

工藝改進(jìn),工藝創(chuàng)新,與設(shè)備儀器創(chuàng)新改造要緊密結(jié)合。半導(dǎo)體設(shè)備(含儀器)廠必須緊密與半導(dǎo)體制造廠fab結(jié)合,按照f(shuō)ab要求改進(jìn)設(shè)備性能,以提高芯片質(zhì)量。先進(jìn)設(shè)備必須有技術(shù)精通的工匠操作才能將設(shè)備性能發(fā)揮極致。半導(dǎo)體行業(yè)也要有大量魯班類型的工匠,才能在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上盡快實(shí)現(xiàn)現(xiàn)進(jìn)芯片國(guó)產(chǎn)化。

3)芯片制造不僅要性能好、質(zhì)量高、價(jià)格合理,還要有忠實(shí)的客戶群。只有生產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),才能確保按計(jì)劃攤銷昂貴的設(shè)備投資。開(kāi)工不足,芯片成本就會(huì)增加。市場(chǎng)銷售也是重頭戲。代工廠foundry必須有許多根據(jù)市場(chǎng)需求而設(shè)計(jì)適銷對(duì)路的芯片的設(shè)計(jì)公司Fabless作為客戶。類似PCB廠,要有許多通信/電子廠不斷設(shè)計(jì)出不同的PCB版圖,由PCB廠加工一樣。有了眾多的大大小小的設(shè)計(jì)公司Fabless,則大大小小的代工廠foundry可以維持一定的經(jīng)濟(jì)規(guī)模生產(chǎn)。foundry眾多則互相競(jìng)爭(zhēng),提高質(zhì)量,降低成本。使設(shè)計(jì)公司利潤(rùn)空間加大。還要有類似興森快捷快速加工PCB樣板那樣的芯片代工廠,為Fabless快速加工芯片樣品,以便設(shè)計(jì)公司盡快占領(lǐng)市場(chǎng)。此外,芯片市場(chǎng)擴(kuò)大,使得半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)、原材料、化學(xué)品等企業(yè)也能降低成本提高質(zhì)量,從而促進(jìn)芯片廠foundry設(shè)備、材料國(guó)產(chǎn)化,且整機(jī)設(shè)備性能質(zhì)量提高。整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈成本低而質(zhì)量高,才能在提高國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。芯片國(guó)產(chǎn)化才能良性循環(huán),螺旋上升。重視并支持中小Fablessfoundry在芯片國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中必不可少。

4)組織半導(dǎo)體工藝技術(shù)交流和技術(shù)市場(chǎng),有償分享積累的經(jīng)驗(yàn)和Know-how。群策群力進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。不要閉關(guān)自守,不要同行是冤家互相保密。國(guó)外阻止技術(shù)輸入我國(guó),我們就要互相激勵(lì)和幫助,將芯片制造技術(shù)搞上去。(上世紀(jì)七十年代半導(dǎo)體技術(shù)交流與分享曾極快促進(jìn)IC技術(shù)普及)

5)加強(qiáng)企業(yè)管理,擴(kuò)大市場(chǎng),降低成本,重視資金現(xiàn)金流的同時(shí)提高芯片質(zhì)量。foundry內(nèi)部要實(shí)施精益生產(chǎn)、統(tǒng)計(jì)制程管理spc、質(zhì)量體系和6σ管理等。建立合理的激勵(lì)機(jī)制,全員持股。君子喻于義,小人喻于利。有制度就要實(shí)施,實(shí)時(shí)檢查監(jiān)督PDCA(硬件軟件結(jié)合,電腦程序自動(dòng)檢查),獎(jiǎng)懲分明,強(qiáng)調(diào)執(zhí)行力。創(chuàng)出一條芯片國(guó)產(chǎn)化的新路。

不妥之處請(qǐng)指教。

張紅專 保定無(wú)線電實(shí)驗(yàn)廠(原保定無(wú)線電二廠)高級(jí)工程師。

郵箱;nam3002@163.com

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