22nm平面工藝流程介紹

今天分享另一篇網(wǎng)上流傳很廣的22nm 平面 process flow. 有興趣的可以與上一篇22nm gate last FinFET process flow 進(jìn)行對比學(xué)習(xí)。 言歸正傳，接下來介紹平面工藝最后一個節(jié)點(diǎn)22nm process flow。

Pad Oxide Growth

首先是P型襯底上面有一層外延生長的Si，然后再生長一層Pad Oxide。此氧化層充當(dāng)后面SiN和底層硅表面之間的應(yīng)力緩沖層，并防止SiN對硅表面造成損傷。

2.Nitride Barrier Deposition

接下來，通過化學(xué)氣相沉積(CVD)方法沉積一層厚度約1,200?左右的SiN。然后，將晶片在SC1溶液中清洗。

3.Hard Mask Deposition & Lithography

使用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法，在晶片表面沉積一層厚度為2,000?的Amorphous Carbon（A-C）。然后在其上沉積一層厚度為500?的底部防反射涂層(Bottom Anti-Reflective Coating, BARC)。A-C將充當(dāng)一種硬掩膜(hard mask)。接下來，將約3,000?的光刻膠涂敷在晶片上，并進(jìn)行烘烤(soft baked)。

Bottom Anti-Reflflective Coatings (BARC )

4.Hard Mask Defifinition

然后對其進(jìn)行曝光和顯影。將Mask上的pattern轉(zhuǎn)移到Hard mask上。

5.Photoresist Strip & Trench Etch

用SPM去除PR，并繼續(xù)往下刻蝕，形成STI的結(jié)構(gòu)。

6.Trench Liner Growth

晶片再次經(jīng)過清洗（HF/SC1/SC2），然后在溝槽中生長出100?厚度的二氧化硅層。這個氧化層被稱為“溝槽襯墊”，有助于緩解溝槽上下角附近硅材料的應(yīng)力。

7.Trench Fill

然后沉積了4,000 ? 的TEOS（四乙基正硅酸酯）氧化物。TEOS是通過化學(xué)氣相沉積（CVD）沉積的氧化物，與生長（熱）氧化物相對。它的主要優(yōu)勢是可以快速沉積厚度較大的氧化物。它的主要缺點(diǎn)是沉積的TEOS氧化物不如生長的氧化物致密。接下來，晶片在1,000?C加熱20分鐘，使TEOS變得更加致密，更具抗?jié)穹ㄎg刻的能力。

8.Oxide Polish

晶片經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）后。非常堅(jiān)硬的氮化硅層起到了CMP停止作用。在氧化物被拋光后，表面上起CMP停止作用的薄層氮化物必須被去除。

9.Nitride Strip

在CMP后，表面的薄層氮化物必須被去除（通過將晶片浸入熱酸140oC的磷酸中20分鐘來去除殘留的氮化硅。磷酸對氮化硅具有較高的選擇性，而不會侵蝕氧化物）。

10.Pad Oxide Strip & Sacrifificial Gate Growth

接下來，將晶片浸泡在氫氟酸中，去除Pad Oxide。Pad Oxide去除過程中會優(yōu)先去除溝槽角落處的氧化物，因?yàn)檫@些區(qū)域受到應(yīng)力并且蝕刻速度更快。這會導(dǎo)致溝槽的側(cè)面出現(xiàn)“凹槽”(Divot)，可能在后續(xù)過程中引起問題。

然后晶片在SC1/SC2中進(jìn)行清洗，并生長出50 ?的犧牲柵氧化物（Sac Ox）。犧牲柵氧化物也起到了屏蔽氧化物（Screen Oxide）的作用。

注：Pad Oxide的去除在溝槽的角落處優(yōu)先去除了氧化物，主要是因?yàn)镾TI（shallow trench isolation）氧化物是一種沉積氧化物，比Pad Oxide（生長熱氧化物）要軟得多。此外，STI 氧化物的角落區(qū)域受到機(jī)械應(yīng)力影響，而受應(yīng)力影響的微結(jié)構(gòu)腐蝕速度更快。最后，在Pad Oxide蝕刻過程中，STI 氧化物的銳利角落受到兩側(cè)的攻擊，加速了這些角落的退讓。這種優(yōu)先腐蝕導(dǎo)致沿著溝槽側(cè)壁產(chǎn)生“凹槽”，可能在后續(xù)過程中引起問題。

11.P-Well Implant

接下來，晶片被注入硼元素以建立反向摻入的P-Well。

12.Photoresist Strip and N-Well Implant

去完光阻，同理進(jìn)行N-Well區(qū)的定義，主要進(jìn)行磷和砷的注入。

13.High Vt N-Well Vt Adjust

高壓N-Well接受As元素注入，使其具有比低壓N-Well更高的閾值電壓（Vt）。完成后并去膠。

14.High Vt P-Well Vt Adjust & Well Anneal

同理，高壓P-Well接受B元素注入，使其具有比低壓P-Well更高的閾值電壓（Vt）

在完成井注入之后，晶片經(jīng)過快速熱退火（RTA），在1,000oC下加熱10秒鐘，以激活注入井中的雜質(zhì)元素。退火過程使摻雜原子電活性，并修復(fù)注入過程中對硅材料造成的損傷。

15.Oxide ESL Growth & AmSi Deposition

在晶片的表面上生長一個厚度為30?的SiON熱層氧化物，形成一個薄的刻蝕停止層（Etch Stop Layer，ESL）。當(dāng)非晶硅柵極支撐柱（尚未沉積）被刻蝕掉時，這層氧化物將作為刻蝕停止層來保護(hù)晶體管通道。

請注意，在流程中的這個階段沒有進(jìn)行Hi-k介電沉積。

采用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)沉積了厚度為800?的非晶硅（AmSi）。這里的非晶硅是未摻雜的。在進(jìn)行圖案化和刻蝕后，非晶硅形成了犧牲性柵極支撐柱。
請注意，在非晶硅柵極電極下方?jīng)]有金屬柵極。

16.Amorphous Silicon Dope & Hard Mask Dep

非晶硅通過注入磷（Phosphorus）進(jìn)行摻雜，以使其具有導(dǎo)電性。柵電極是犧牲性的，將在后續(xù)工藝中去除。摻雜柵電極有助于其去除，但并非必要。

接下來沉積了厚度為1,500?的非晶碳硬膜和厚度為300?的BARC層。

17.Photoresist Deposition & 1st Patterning

接下來，晶片會先在HMDS中進(jìn)行預(yù)處理，然后涂覆BARC（底部抗反射涂層），光刻膠和光刻圖案。這是整個流程中最關(guān)鍵的光刻操作。它生成一系列平行線，接下來會通過隨后的光刻操作中的切割掩模來進(jìn)一步定義這些線。

然后，使用一個光柵掩模對晶片進(jìn)行曝光。該掩模只在一個方向上打印直線。光刻膠尚未進(jìn)行顯影。

18.Cut Mask 2nd Patterning

接下來，通過一個“切割掩模”對光刻膠進(jìn)行曝光，該掩模將未顯影的光刻膠暴露在與第一個掩模方向垂直的方向上。這樣可以沿著這個軸線暴露光刻膠，并允許將貫穿整個芯片的連續(xù)光柵線進(jìn)行切割。

19.Photoresist Trim Process

在控制的氧等離子體下進(jìn)行曝光，該氧等離子體會對圖案化的光刻膠進(jìn)行各向異性刻蝕。這會導(dǎo)致光刻膠尺寸縮小到目標(biāo)尺寸。這個過程被稱為“光刻膠修整，修整后的光刻膠線條現(xiàn)在更窄了，可以用來定義更窄的柵極電極。
光刻膠修整是一種技術(shù)，可以制造非常窄的光刻膠線條（因此也是窄的柵極電極線條），其尺寸比光學(xué)打印的光刻膠線條更小。

20.Hard Mask Etch & Photoresist Strip

通過高度各向異性的刻蝕過程，對非晶碳硬掩模進(jìn)行刻蝕，刻蝕過程會停在非晶硅處，刻蝕完成后去掉PR。

21.Amorphous Silicon Etch & Hard Mask Strip

然后使用高度各向異性的刻蝕recipe，將圖案從硬掩模轉(zhuǎn)移到非晶硅中。

22.Poly Oxidation & Poly Stringers

首先生長出15 ? thermal poly oxide。隨后會沉積15 ?的CVD oxide）。這兩層氧化硅構(gòu)成了所謂的“偏移間隔層”（Offset Spacer）（有時也稱為“Spacer0或Spacer1）。

最初的Pad氧化物去除（在填充溝槽和去除氮化物之后進(jìn)行了幾個操作）優(yōu)先從溝槽角落處去除氧化物，從而在溝槽的兩側(cè)形成了沿著全程都存在的“凹槽”，有利于多晶硅線的形成。

多晶硅線在多晶硅刻蝕操作的最后階段形成。這個刻蝕過程的最后階段是高度選擇性的過刻，旨在去除源/漏區(qū)域和凹槽中剩余的少量多晶硅。如果這個刻蝕階段沒有經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，厚的多晶硅線將留在溝槽凹槽中，并形成意外的導(dǎo)電通路，導(dǎo)致相鄰晶體管短路。

因此，盡量減小凹槽的尺寸以便于輕松去除多晶硅線非常重要。

23.NMOS Halo Implant

對高閾值P-Well施加硼離子注入Halo注入的深度約為150-200 ?。

24.NMOS Extension Implant

將砷（Arsenic）延伸注入到P-Well區(qū)域。這個注入確定了NMOS晶體管的延伸注入。

延伸注入的深度與Halo注入大致相同（對于20納米器件大約為150-200 ?）。

25.NMOS Anneal & PMOS Halo

接下來，晶圓經(jīng)歷快速熱處理（約950攝氏度的瞬時峰值加熱1秒，然后以約1,350攝氏度的閃光退火1-3毫秒），以激活NMOS的延伸和Halo注入。在某些工藝流程中，閃光退火會被一個相同溫度（約1,350攝氏度）的部分熔融激光退火所取代。延伸注入的位置決定了NMOS晶體管的最終等效長度（Leff）。

退火過程使摻雜原子電活化，并退火修復(fù)了硅中在注入過程中產(chǎn)生的損傷。

26.PMOS Halo & Extension

同理，進(jìn)行PMOS Halo處延伸注入，

對N-Well區(qū)域進(jìn)行了鍺（Germanium）的預(yù)非晶華離子注入，然后施加低能量的Boron的延伸注入然后進(jìn)行碳（Carbon）注入，以獲得更好的延伸注入剖面。

預(yù)非晶華離子注入限制了硼原子的通道化現(xiàn)象，而硼注入則確定了PMOS晶體管的延伸注入部分。

27.PMOS Anneal

先前工序中的光阻已經(jīng)被脫除。然后晶圓進(jìn)入快速熱處理（約950攝氏度的瞬時溫度升高，持續(xù)約1秒，隨后進(jìn)行約1,350攝氏度的快速退火處理，持續(xù)1-3毫秒），以激活PMOS擴(kuò)散和外圍注入。在某些工藝流程中，閃光退火被以同樣溫度（約1,350攝氏度）的次熔激光退火所替代。擴(kuò)散注入的位置決定了PMOS晶體管的最終有效通道長度（Leff）。退火過程使摻雜原子電性活化，并消除硅材料在注入過程中的損傷，對Idsat（飽和漏電流）有巨大影響。

28.Nitride Spacer Deposition and Etch

在晶圓的表面上沉積了一個厚度為150 ?的均勻?qū)庸璧?。由于硅氮化物具有良好的?fù)合性，它在柵極的側(cè)壁處最厚。

經(jīng)過高度各向異性的腐蝕，所有水平表面上的硅氮化物被去除，但在柵極側(cè)面保留了硅氮化物側(cè)壁間隔物，因?yàn)檫@里的硅氮化物最厚。硅氮化物側(cè)壁間隔物在后續(xù)的接觸注入過程中起到微型注入掩膜的作用。

29.Nitride Spacer Etch

由于腐蝕過程高度各向異性（只朝一個方向進(jìn)行腐蝕，即向下），所以除了柵極側(cè)壁上的硅氮化物之外，硅氮化物在其他地方都被清除掉了，因?yàn)闁艠O側(cè)壁上的硅氮化物是最厚的部分。

高度各向異性的腐蝕過程從所有水平表面去除了硅氮化物，但在柵極側(cè)面保留了硅氮化物側(cè)壁間隔物。這些硅氮化物側(cè)壁間隔物在后續(xù)的接觸注入過程中充當(dāng)微小的注入屏蔽層。

30.PMOS Hard Mask Deposition & Patterning

接下來，在晶圓的表面上沉積300?的SiCN。

31.PMOS Hard Mask Etch & Photoresist Strip

32.PMOS Source/Drain Etch & SiGe Fill

使用NH4OH溶液對PMOS晶體管的暴露源/漏區(qū)進(jìn)行濕腐蝕，該溶液能夠沿著晶體學(xué)平面進(jìn)行腐蝕。P-襯底和柵極由SiCN保護(hù)。腐蝕過程不會影響STI溝槽中的暴露氧化物。

然后，晶圓會經(jīng)過選擇性外延沉積SiGe。SiGe只能在暴露的硅表面上成核，這意味著它只會形成在PMOS的源/漏區(qū)域（晶圓的其他部分由氮化物或氧化物構(gòu)成，或者覆蓋有SiCN）。SiGe的Ge含量約為40%，它會對PMOS通道施加高度壓縮應(yīng)變，極大地提高通道內(nèi)電洞的遷移率，從而增加Idsat。
隨著外延SiGe的沉積，它會摻雜大量的硼，使其成為P型硅。

33.Hard Mask Strip

剩余的SiCN硬膜會在各向同性腐蝕中被去除。下圖顯示了PMOS器件的SiGe替代源/漏區(qū)的近距離視圖。請注意，盡管源/漏區(qū)已被替換，但擴(kuò)展和晶團(tuán)注入仍然存在。

34.NMOS Hard Mask Deposition & Patterning

接下來，將在晶圓表面上沉積300?的SiCN薄膜。

35.NMOS Hard Mask Etch + Source/Drain Etch

使用HF濕腐蝕劑去除源/漏區(qū)上的氧化物。然后，使用NH4OH溶液進(jìn)行濕腐蝕，該溶液會沿著晶體學(xué)面去除PMOS晶體管的暴露的源/漏區(qū)。

36.NMOS Source/Drain Selective SiC Dep

然后，晶圓會經(jīng)過選擇性外延沉積SiC的過程。SiC只會在暴露的硅表面上形成晶核，這意味著它只會在PMOS源/漏區(qū)域形成（晶圓的其他部分由氮化物或氧化物組成，或者覆蓋有SiCN）。SiC對NMOS溝道施加非常強(qiáng)的拉應(yīng)力，并增加電子的遷移率。這增加了NMOS器件的Idsat。隨著SiC的沉積，它會被磷摻雜以使其成為N型材料。

適當(dāng)施加應(yīng)變到晶體管通道，可以顯著增加晶體管的驅(qū)動電流，從而提高晶體管的速度。為了實(shí)現(xiàn)這一效果，PMOS晶體管通道必須處于壓應(yīng)變狀態(tài)，而NMOS晶體管的通道則處于拉應(yīng)變狀態(tài)。有多種方法可以在晶體管通道中引入壓應(yīng)變或拉應(yīng)變，但最有效的方法是用摻有具有較大或較小晶格常數(shù)的原子的硅外延替換晶體管的源/漏區(qū)。這分別引入了壓應(yīng)變或拉應(yīng)變。如先前提到的，在每個新節(jié)點(diǎn)中，PMOS SiGe源/漏區(qū)的Ge含量增加，以保持對晶體管通道的壓應(yīng)力（目前在20nm節(jié)點(diǎn)上為55%的Ge含量）。另一種技術(shù)是將SiGe晶體的尖銳邊緣靠近通道，以引發(fā)更多應(yīng)力。這在32nm節(jié)點(diǎn)上已經(jīng)實(shí)施。
替代柵極還提供了另一種增加PMOS應(yīng)變的方法。當(dāng)多晶硅柵極電極被去除時，腔隙層和相關(guān)結(jié)構(gòu)向內(nèi)移動，壓縮晶體管通道并引發(fā)壓應(yīng)力。

使用替代源/漏區(qū)方法給NMOS晶體管施加應(yīng)變是相當(dāng)棘手的，因?yàn)楹茈y找到一個比硅具有更小晶格常數(shù)同時又具有高度穩(wěn)定性的材料。因此，通常會采用其他技術(shù)來實(shí)現(xiàn)NMOS的拉應(yīng)變，而不是替代源/漏區(qū)。然而，最近已經(jīng)完善了一種技術(shù)，將磷或碳和磷摻入到硅外延中。由于碳比硅小38％，用這種外延替換源/漏區(qū)會在通道兩側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)變，并在通道上形成拉應(yīng)力。這正是增強(qiáng)晶體管性能所需的（驅(qū)動電流增加高達(dá)20％）。為了達(dá)到這個目的，可以使用磷或碳/磷外延。

NMOS器件上應(yīng)力記憶技術(shù)（SMT）的一個更具體的名稱是“邊緣位錯應(yīng)力”。這是一種通過SMT技術(shù)在NMOS通道中產(chǎn)生邊緣位錯并引發(fā)劇烈拉應(yīng)力的技術(shù)。在P或P&C替代源/漏外延技術(shù)出現(xiàn)之前，這項(xiàng)技術(shù)首先應(yīng)用于45/32納米節(jié)點(diǎn)的NMOS晶體管。該過程涉及進(jìn)行深度非晶化注入，然后沉積一層氮化物應(yīng)力覆蓋層。在進(jìn)行快速熱退火以誘導(dǎo)SMT后，應(yīng)力覆蓋層被去除，形成了邊緣位錯。SMT的初始預(yù)非晶化注入（PAI）在源/漏區(qū)域下形成多個邊緣位錯，增強(qiáng)了短通道遷移率。整體上，可實(shí)現(xiàn)10%的Idsat增加。需要注意的是，通常會同時使用不同的應(yīng)變技術(shù)，因?yàn)樗鼈儗π阅茉鰪?qiáng)的貢獻(xiàn)是累加的。

37.Source /Drain Anneal

然后，晶圓將經(jīng)歷快速熱處理（約950攝氏度處理約持續(xù)1秒，隨后進(jìn)行約1,350攝氏度的閃光退火處理持續(xù)1-3毫秒），以激活PMOS和NMOS的摻雜原子。

38.Nickel Salicidation Oxide Strip

退火后，晶圓上的柵極頂部仍然有一層氧化物。在SiGe和SiC源/漏區(qū)域上可能還存在著天然氧化物。這兩種氧化物必須被去除，以便為硅化處理暴露出裸露的硅表面。

然后，晶圓被浸泡在HF中，去除柵極頂部以及源/漏區(qū)域表面的所有二氧化硅。這個步驟準(zhǔn)備晶圓進(jìn)行接下來的硅化處理。

39.Salicidation Implants

晶圓接受了硅預(yù)非晶化注入（PAI）。這使得硅表面非晶化，并有助于形成更加均勻、電阻較低的硅化物（在接下來的操作中形成）

晶圓使用光刻膠進(jìn)行圖案定義，僅暴露出P井。然后，使用鋁進(jìn)行注入（。鋁的位置安排使其位于SiGe與尚未沉積的Ni/Pt之間的界面上。這種注入能夠降低PMOS器件的接觸電阻，因?yàn)殇X會分離到SiGe的頂部，并且由于是P型摻雜，它會將電子空穴的肖特基勢壘高度從約0.4電子伏降低到約0.12電子伏，同時提高驅(qū)動電流達(dá)19%。

40.Nickel/Platinum/TiN Deposition

晶圓經(jīng)過P/SC1清洗后，采用物理氣相沉積法在上面均勻涂覆約125 ?的鎳/鉑和約150 ?的鈦氮化物。鎳上覆蓋的鈦氮化物帽層有助于防止在高溫硅化過程中鎳的擴(kuò)散，并促進(jìn)更均勻的NiSi形成。5-10%的鉑有助于降低Ni-Si界面的勢壘并建立更低的接觸電阻。它還延遲了低電阻NiSi向較高電阻NiSi2的轉(zhuǎn)變。

2D圖像展示了在初始沉積之后及在退火之前的鎳/鉑/鈦氮化物層堆疊。

41.Salicidation Anneal

晶圓經(jīng)歷了大約250℃、30秒的快速熱退火（RTA），將鎳鉑轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮璧腃49相。接著，進(jìn)行了第二次約390℃、30秒的RTA，將晶圓表面的鎳轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娮瑁?5 μΩ-cm）的C54 NiSi相。

采用NiSi是因?yàn)樗认嗤穸鹊腃oSi2消耗至少30%的硅。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)?0納米節(jié)點(diǎn)結(jié)深度非常淺。此外，NiSi具有非常光滑的表面，可以最小化結(jié)漏電。

2D圖像展示了器件上反應(yīng)和未反應(yīng)的鎳/鉑。為了形成鎳硅化物，鎳/鉑層必須與裸露的硅表面接觸。唯一有裸露硅的位置是在柵極的頂部或源/漏區(qū)域。位于STI（shallow trench isolation，淺溝槽隔離）和氮化物間隔層上的鎳/鉑將保持未反應(yīng)狀態(tài)。

42.Unreacted Nickel Strip

位于間隔層側(cè)壁和STI上的未反應(yīng)鎳會被SC1溶液刻蝕掉。這種刻蝕具有高選擇性，只保留在柵極頂部和源/漏區(qū)域上的已反應(yīng)硅化物。這種刻蝕還會從晶片的所有表面上去除鈦氮化物覆蓋層。

2D圖像闡明了蝕刻溶劑能夠迅速攻擊并去除氮化物間隔層側(cè)壁和STI頂部上的未反應(yīng)鎳/鉑。然而，蝕刻溶劑不會攻擊源/漏區(qū)域上的已反應(yīng)鎳硅化物，也不會攻擊柵極頂部的已反應(yīng)鎳硅化物。

Transistor Nomenclature

43.Pre-Metal Dielectric (PMD)

晶圓首先在P/SC1（一種清洗溶液）中進(jìn)行清洗，然后沉積薄約75?的二氧化硅層，接著沉積約75?的氮化物層。氧化物作為擴(kuò)散屏障，防止外部雜質(zhì)摻入器件層（即“活性”層）。
硅氮化物將作為蝕刻停止層，用于連接晶體管的源/漏區(qū)和柵極電極到尚未形成的鎢溝槽中的接觸刻蝕。

接下來，使用高密度化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，在晶圓上沉積2,000 ?的磷摻雜玻璃，也稱為PSG（磷硅酸鹽玻璃）。這一層形成了前金屬介電層（Pre-Metal-Dielectric，PMD）。

44.Pre-Metal Dielectric Polish-Back

在拋光之前，觀察 PSG 層的自上而下視圖。請注意 PSG 中的凸起，這是由于柵極電極高度引起的底層地形。

使用CMP（化學(xué)機(jī)械拋光）將晶圓拋光至約1,200?的厚度。

45.Hard Mask Patterning

接下來，晶圓涂覆光刻膠并進(jìn)行圖案化處理。下面插圖是溝槽接觸光刻膠圖案的自上而下視圖。請注意圖像右側(cè)的柵極電極接觸溝槽。
這將是一個雙重圖案化操作過程。

46.Hard Mask Etch & Photoresist Strip

光刻膠被氧化灰化以去除，留下圖案化的非晶碳硬膜。然后，晶圓在蝕刻溶液中進(jìn)行清洗，以去除任何殘留的光刻膠

利用非晶碳硬膜作為模板，進(jìn)行高度各向異性刻蝕，穿過PSG層形成接觸孔?？涛g在源/漏區(qū)域上方的硅氮化物和柵極頂部停止。然后改變刻蝕化學(xué)組分，對硅氮化物和底層氧化物進(jìn)行蝕刻?？涛g在源/漏區(qū)域上方的鎳硅化物和柵極頂部停止。

47.Hard Mask Strip & TiN Deposition

接下來，通過離子金屬等離子體物理氣相沉積（IMP PVD）沉積約60?的鈦（一層膠黏層）。隨后通過IMP PVD沉積約30?的鈦氮化物（一層屏蔽層）。在沉積后，鈦氮化物進(jìn)行重新濺射，以增強(qiáng)接觸孔內(nèi)的側(cè)壁覆蓋。

晶圓隨后在RTA中加熱，使鈦/鈦氮化物發(fā)生反應(yīng)并設(shè)置膠黏層的電阻。

48.Tungsten Deposition & Polish-Back

接下來，沉積一層鎢種子層，襯里接觸孔的內(nèi)壁，并確保對整個鎢沉積層進(jìn)行均勻覆蓋。

最后，通過化學(xué)氣相沉積（CVD）沉積約2,500?的鎢。

晶圓再次通過CMP工藝進(jìn)行拋光。在這個過程中，去除多余的鎢層，并將鎢溝槽拋光至PSG層的頂部。

接下來，進(jìn)行氧化緩沖處理，以使PSG氧化物表面光滑，并確保PSG表面與鎢溝槽頂部共面。

49.Trench Contacts (Alternate Scheme)

圖示展示了如果去除PSG氧化物，鎢溝槽將會呈現(xiàn)的樣子。清晰可見的是鎢溝槽，上覆有Ti/TiN，與源漏區(qū)域和柵極電極進(jìn)行電接觸。

當(dāng)然，這些視圖在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備中是不可見的。

Plug Polish Back/Tungsten Trenches

將鎢填充物拋光至與柵極頂部共面的操作是一項(xiàng)新的技術(shù)，首次在32納米工藝節(jié)點(diǎn)引入。較短的鎢填充物具有較低的接觸電阻。這一特性與NMOS和PMOS晶體管的抬高源漏區(qū)域結(jié)合，確保接觸電阻保持在可接受的范圍內(nèi)。

完全消除鎢填充物并采用銅填充物是困難的，因?yàn)閷~帶入源漏區(qū)域會帶來極高的風(fēng)險。

50.Plug Polish Back

拋光回退的填充物最初的形成方式與標(biāo)準(zhǔn)填充物相同。在沉積Ti/TiN屏障金屬后，再沉積一層鎢種子層，然后進(jìn)行2,500?的鎢的CVD沉積。

隨后，將過剩的鎢層拋光回退，直到填充物變得非常短，與柵極頂部共面。

51.Polished Back Trench Contacts

52.Gate Electrode Removal

柵極電極的去除：
一旦柵極頂部被打開，摻雜的非晶硅柵骨架將被刻蝕去除。因此，柵極電極被稱為"犧牲電極"。它的唯一目的是作為一個占位符，通常被稱為"骨架"。
這次刻蝕還會去除在柵腔壁上生長的氧化物偏移間隔層，以及柵腔底部的氧化物刻蝕停止層。

柵極骨架的去除：
下圖顯示了在CMP拋光打開柵極頂部和刻蝕掉犧牲性非晶硅柵骨架后的CMOS結(jié)構(gòu)的橫截面圖。
這次刻蝕還會去除在柵腔壁上生長的氧化物偏移間隔層，以及柵腔底部的氧化物刻蝕停止層。

53.Hi-K Dielectric & PMOS WF Metal Deposition

高介電常數(shù)材料的沉積：
接下來，使用原子層沉積(ALD)技術(shù)沉積一層約18埃厚的氧化鉿(HfO2)薄膜。

PMOS WF金屬沉積：
接下來，使用物理氣相沉積(PVD)技術(shù)沉積薄的PMOS金屬柵電極。
它由薄的2.0納米鈦氮化物(TiN)層通過PVD沉積而成。這是PMOS工作函數(shù)(WF)金屬。它是一層填充PMOS和NMOS腔隙并包覆在晶圓表面的鈦氮化物。
在沉積后，再次進(jìn)行噴濺，以確保柵腔內(nèi)側(cè)壁獲得良好的覆蓋。

54.TaN & TiN Metal Deposition

TaN刻蝕停止層的沉積：
使用物理氣相沉積(PVD)技術(shù)沉積約1.0納米厚的TaN層。這層將作為刻蝕停止層(ESL)使用。

TiN層的沉積：
使用物理氣相沉積（PVD）技術(shù)沉積約5.0納米厚的TiN層。這是柵極堆棧中的第一層補(bǔ)充金屬，為柵極堆棧底部提供應(yīng)變和電接觸。
對TiN進(jìn)行再濺射以確保柵腔內(nèi)側(cè)壁得到良好的覆蓋。

55.PMOS Metal Patterning & Etch

TiN層的光刻膠圖案形成：
先進(jìn)行光刻膠的涂布和圖案形成。它僅保護(hù)PMOS區(qū)域，并暴露出NMOS區(qū)域上的TiN層。

TiN層的刻蝕：
暴露的TiN層被刻蝕去除。TaN層作為刻蝕停止層，阻止了該刻蝕過程。如上所示，非常薄的（<10?）TaN層的完整性會受到刻蝕過程的損害。
TaN層的完整性被損害是有益的，因?yàn)樵诤罄m(xù)的過程中，在NMOS晶體管的底層TiN層中擴(kuò)散鋁，以形成NMOS TiAlN工作函數(shù)金屬。

56.Photoresist Strip & TiAl Deposition

去除光刻膠并清潔晶圓。

TiAl層的沉積：
使用物理氣相沉積（PVD）技術(shù)沉積4.8納米薄的鈦鋁層。PVD過程被調(diào)整為僅在水平表面沉積（這很容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楸仨殞VD過程進(jìn)行微調(diào)才能在垂直表面沉積）。

57.TiAl Anneal & NMOS WF Metal Formation

退火處理：
隨后進(jìn)行退火處理，使得僅在NMOS區(qū)域中的TiAl中的鋁元素通過TaN屏障進(jìn)行擴(kuò)散。這將在Hi-k介質(zhì)上形成位于頂部的TiAlN NMOS工作函數(shù)金屬。

退火處理：
引發(fā)TiAlN工作函數(shù)金屬形成的退火處理在400oC以下的溫度下進(jìn)行。在這個溫度下，鋁的擴(kuò)散性很強(qiáng)，并且由于在NMOS器件中將其與底層TiN隔離的TaN之前受到損害（它被用作蝕刻停止層），鋁自由地擴(kuò)散到TiN并形成所需的TiAlN，即NMOS工作函數(shù)金屬。

58.TiAl Backfifill Deposition

退火處理：
在形成NMOS工作函數(shù)金屬的退火處理過程中，厚的覆蓋層TiN層（在NMOS晶體管中不存在）和未經(jīng)損害的TaN層阻止鋁元素擴(kuò)散到TiN PMOS工作函數(shù)金屬中。因此，TiN PMOS工作函數(shù)金屬不會變成TiAlN，而是保持為所需的TiN。

AlTi層的沉積：
通過物理氣相沉積（PVD）沉積兩層較厚的鋁鈦層（11.0納米+7.0納米）。PVD過程被調(diào)整為只在水平表面上進(jìn)行沉積。
這種金屬層作為從柵極頂部到底部的電接觸。

59.Metal Polish-Back

CMP拋光：
通過化學(xué)機(jī)械拋光（CMP），對金屬層進(jìn)行拋光，使其與晶體管柵極的頂部平齊。
在CMP過程中，AlTi的最上層被氧化形成AlTiO。

Replacement Gate Anatomy

60.Nitride CESL Deposition

接觸刻蝕停止層（CESL）：
接下來，在晶圓表面沉積幾層硅氮化物。這將密封晶體管的頂部，并作為接下來制造的接觸溝槽的刻蝕停止層。

61.CDO/TEOS/ TiN Deposition

第一層互連電介質(zhì)（ILD）被沉積。它由約1,000?的摻碳氧化物（CDO）層組成，在沉積后進(jìn)行紫外固化以去除多孔劑并降低其介電常數(shù)。
接著沉積一個400?的TEOS CMP停止層，然后是一個300?的鈦氮（TiN）硬面模，接下來進(jìn)行曝光顯影。

62.TiN Hard Mask Patterning & Etch

然后對TiN硬掩模部分進(jìn)行刻蝕?？涛g停止在TEOS層上。

63.Photoresist Strip & Metal-1 Trench Etch

利用TiN作為模板，進(jìn)行高度各向異性刻蝕，穿過TEOS和CDO層，定義金屬1（Metal-1）的溝槽?？涛g停止在硅氮（SiN）蝕刻阻擋層上。

64.Nitride Barrier Opening TaN/Ta Deposition

然后繼續(xù)刻蝕打開溝槽底部的SiN刻蝕阻擋層。接下來，采用IMP PVD工藝沉積80 ?的鉭氮（TaN）層，然后是30 ?的鉭（Ta）層。這兩種金屬作為屏障，將尚未沉積的銅限制在溝槽內(nèi)。在鉭和鉭氮操作之后，進(jìn)行重新濺射步驟，以確保良好的側(cè)壁覆蓋。

65.Copper Seed & Copper Bulk Deposition

在不破壞真空狀態(tài)下，沉積了300?的銅種子層，覆蓋了晶圓的整個表面，包括溝槽的內(nèi)部。

銅種子層的存在是為了確保均勻、無空洞的大面積銅沉積，并且是電鍍過程的必要前提條件。

接下來，采用電化學(xué)沉積方法，在其上沉積了6,000 ?的大量銅。

在沉積完成后，使用形成氣體（forming gas）將銅退火，在300oC的溫度下保持90秒，以定型其晶粒結(jié)構(gòu)并降低其電阻。

66.Copper-Ta/TaN-TEOS CMP

使用CMP（化學(xué)機(jī)械拋光）將銅拋光回去。這個拋光過程也會去除TEOS表面上的鉭。較軟的TEOS作為CMP過程的拋光停止層。

接下來，進(jìn)行氧化物拋光操作，以平滑TEOS氧化物的表面，并確保TEOS表面與銅線頂部在同一平面上。

在每次CMP操作之后，對晶圓進(jìn)行清潔處理。

67.Copper Sealing

在晶圓上沉積了一個薄的30?的富硅氮化物（SRN）層。富硅氮化物（SRN）層與銅金屬反應(yīng)，形成了銅硅化物（CuSix）。

68.Copper Sealing & Barrier Deposition

然后，對CuSix進(jìn)行氮化處理，將其轉(zhuǎn)化為SiN膜，沉積了一個300?的SiCN刻蝕停止層，以密封第一層金屬的頂部?，F(xiàn)在，第一層金屬中的銅被Ta/TaN包圍在五個側(cè)面，并由SiCN封頂。

69.ILD-2 Deposition

接下來，沉積了7,000 ?的低介電常數(shù)SiCOH，并進(jìn)行紫外烘烤以去除孔原和降低介電材料的介電常數(shù)。然后，沉積了400 ?的TEOS（拋光停止層），接著是300?的TiN硬掩膜和300?的BARC層以及一層光刻膠。然后對光刻膠進(jìn)行圖案化處理。

70.TiN Hard Mask Etch & PR Strip

71.Via Photo & Via Partial Etch

通過高度各向異性刻蝕工藝，對通孔進(jìn)行部分刻蝕。但未完全刻蝕至SiCN刻蝕停止層。

72.Photoresist Strip & Trench Etch

73.SiCN Barrier Opening

Dual Damascene結(jié)構(gòu)的正視圖顯示了溝槽和眾多的通孔。請注意，通孔底部的SiCN屏障尚未穿孔。使用刻蝕工藝，打開通孔底部的SiCN屏蔽層，并暴露出底部的銅線。這是一個非常關(guān)鍵的步驟。如果刻蝕過于激烈，銅將噴射到未受保護(hù)的Dual Damascene結(jié)構(gòu)中。如果刻蝕過輕，SiCN屏障將無法完全去除，導(dǎo)致通孔電阻增加。

74.TaN/Ta Barrier

接下來，使用IMP PVD方法沉積大約80 ?的TaN層，然后沉積大約30 ?的Ta層。這兩種金屬作為屏障，將尚未沉積的銅限制在溝槽中。在TaN和Ta操作之后進(jìn)行再濺射處理。

Dual Damascene結(jié)構(gòu)的正視圖顯示了覆蓋著TaN/Ta的溝槽和眾多的通孔。
與接觸孔類似，通孔非常微小且難以填充屏障金屬。然而，對于通孔來說，這個問題尤為重要，因?yàn)樗鼈儽仨毘掷m(xù)襯覆TaN/Ta，以便將稍后填充的銅封裝其中。任何TaN/Ta屏障金屬中的不連續(xù)性都會導(dǎo)致銅原子泄漏出通孔，造成晶體管污染。
專用的TaN/TaN離子化PVD工具結(jié)合濺射操作，確保實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠琳细采w。

75.Cu Seed Deposition & Electroplated Copper

在晶圓上沉積約300?的銅種子層，覆蓋溝槽的內(nèi)部。
銅種子層的作用是確保完全貼合且無空隙的銅塊沉積（后續(xù)操作），同時也是電鍍過程的必要前提條件。接下來，使用電化學(xué)沉積法沉積大約6,000 ?的銅塊。
沉積完成后，將銅在300℃的成形氣體中退火90秒，以確定晶粒尺寸。

76.Copper CMP Polish & Final Seal

使用CMP技術(shù)對銅進(jìn)行拋光，在沉積相同的SRN層后，將其轉(zhuǎn)化為CuSi，然后轉(zhuǎn)化為SiN，接著在第二層金屬的頂部沉積一個300?的SiCN層來封閉。第二層金屬（及其通孔）現(xiàn)在被TaN/Ta圍繞在五個側(cè)面，并在頂部被SiCN封裝。
需要注意的是，在這種Dual Damascene中，光刻膠從未接觸過低介電常數(shù)介質(zhì)。類似地定義了另外七個層的金屬溝槽和通孔。