22nm Gate Last FinFET Process Flow介绍

1. ScreenOxide Growth

首先是P型衬底上面有一层外延生长的Si，厚度大概1um，然后再生长一层Screen Oxide。

2. N-Well and P-Well Definiton

定义N-Well和P-Well，左边区域进行硼离子注入，形成P-Well，右边区域进行磷离子注入，形成N-Well。

3. Photoresist Strip Pad Oxide Growth

然后去除光刻胶和Screen Oxide，接着进行Rapid Thermal Anneal，修复晶格，活化P/N-Well，再生长一层Pad Oxide。

4. SiliconNitrideHardMaskDeposition

接下来的是Fin的形成，宽度大概10nm，普通的光刻工艺无法形成这么小的线框，这里用的是SADP工艺，通过sidewall space作为etch HM形成Fin，当然现在的EUV光刻机可以直接形成。

先是通过CVD工艺形成一层Silicon Ntride，上面再deposit一层Amorphous Carbon作为牺牲层，又称为Mandrel。

5. Mandrel Patterning

接着coating BARC和PR进行曝光，形成Mandrel 的Pattern。

6. Mandrel Etch and PR Strip

etch向下吃到Silicon Nitride层停止，然后去除PR，只留下Amorphous Carbon层。

7. Oxide Space Formation

CVD工艺deposit一层Oxide Layer，然后etch向下吃Oxide到Silicon Nitride层停止，结果在Amorphous Carbon 侧边形成线宽很小的Oxide Spacer。

8. Mandrel Removal Nitride Etch

然后通过etch 吃掉 Amorphous Carbon Mandrel层，只留下Oxide Spacer作为Hard Mask，然后再向下etch吃掉Silicon Nitride。

9. Fin Etch Trench Liner Growth

Oxide Spacer和Nitride作为Hard Mask继续向下etch，一直吃到P/N-Well层，然后通过热氧化在trench形成薄薄一层silicon dioxide，称为Trench Liner。

10. Trench Liner Removal Fin Removal Photo

然后通过etch去除oxide trench liner，接着通过光刻胶，把P/N-Well中间的多余的Fin通过etch移除。

11. Fin Removal

多余的Fin移除前后对比图如下：

12. TEOS deposition

然后通过CVD填充一层厚厚的TEOS，接着通过CMP工艺研磨，直到接触silicon nitride停止。

13. Nitride Removal TEOS Etch-Back

通过热磷酸溶液去除多余的silicon nitride，然后利用etch移除Fin周围的TEOS，剩下的Fin之间的TEOS作为STI(Shallow Trench Isolation)。

14. AlternateWell Implant Methodology

前面第2步已经通过离子注入定义了P/N-Well。如果没有定义，实际上到这一步也可以操作，工艺原理类似，通过光刻胶阻挡，分别进行离子注入。

15. ESL Growth Amorphous Silicon Deposition

然后在Fin上通过热氧化生成一层oxide作为 etch stop layer(ESL)，接着CVD deposit一层厚厚的Amorphous Silicon层。

16. Amorphous Silicon Depositon Patterning

然后CMP磨平 Amorphous Silicon，接着CVD生长一层 Amorphous carbon做为Hard Mask，再deposit一层BARC做为抗反射层。

17. Hard Mask Patterning and Etch

曝光，Amorphous carbon 做为Hard Mask一直向下etch，P/N-Well 区域都留下Amorphous silicon的形状做为gate，实际上这是dummy gata，后面会remove，在填充high k介质和金属gate。

18. 2nd Gate Electrode Patterning

这一步主要是把右边多余的dummyGate去掉。

19. Offset Spacer Deposition

接下来先通过热氧化生成一层poly oxide，再通过CVD生成一层oxide，这两层就是所说的offset spacer。由于本文讨论的是replace gate制程，所以high-k电介质，metal gate，doped amorphous silicon gate electrode还没开始。

20.NMOSExtension Implant

铺上PR和BARC，然后进行litho和etch，使NMOS区域暴漏出来，再进行砷离子注入，使fin的表面形成一层Extension Implant区域。

21. PMOS Extension Implant

同理在PMOS区域进行硼离子注入。

22. Extension Anneal

由于离子注入后晶格有损失，接下来进行快速热退火工艺，活化PMOS/NMOS Extension。

23. Nitride Spacer Deposition Etch

接下来deposit一层silicon Nitride，然后进行etch，生成一层nitride spacers，Fin的两侧形成的spacer不是我们想要的，不过没关系，后面会移除。

24.Nitride Spacer Morphology

Nitride Spacer形成后，我们可以看到dummy Gate Electrodes, Source, Drain区域的分布。

25. Hard MaskDepositionPatterning

然后deposit一层SiCN做为Hard Mask，接着铺上BARC和PR进行曝光，目的是移除Fin。

26. Hard MaskEtch PMOS Fin Removal

SiCN作为Hard Mask，PMOS fin以及spacer全部被etch 完。

27. SiGe Deposition HardMask Removal

接着进行SiGe外延生长，由于SiGe只会在Silicon表面生长，所以只在PMOS的Source/Drain Fin区域形成，然后etch剩下的SiCN hard mask。

28. Hard Mask Deposition Patterning

同理，deposit一层SiCN Hard Mask，coating BARC和PR，接着在NMOS区域进行曝光形成图案。

**NMOS区域有两种选择方案，一种是去除Fin上面的oxide后，外延生长Siliccon；另外一种是整体去除Fin，然后外延生长SiC，其目的都是增加载流子的迁移速率，下面分别介绍。

29. Hard Mask Etch Oxide Strip

NMOS 区域进行Hard Mask etch，然后用HF去除Fin上面的oxide。

30.#1 Epitaxial Si Growth Hard Mask Strip

然后在Fin上外延生长一层Si，也就是只会在NMOS的source/drain上形成，接着把多余的SiCN Hard Mask 移除。

31. #2 NMOSFin Removal SiC Epitaxial Deposition

将NMOS Fin全部移除，然后在Source/Drain区域外延生长SiC。

32. SiCN Hard Mask Strip Silicon Implant

移除SiCN Hard Mask层，然后进行Silicon Pre-Amprphization Imlant(PAI)，目的是形成一层均匀的，低电阻的silicide。

33. Oxide Strip Al Salicide Implant

用HF移除Gate, Source, Drain上面的oxide，然后在PMOS区域进行离子注入Al，目的是降低SiGe表面的接触电阻。

34.ColdTitanium Deposition Anneal

然后通过PVD的方式在表面形成一层Titanium，然后进行快速热退火，Titanium会在表面形成silicide。

35. Unreacted Titanium Strip

没有反应的Titanium位于spacer sidewall and STI上面，接着用湿法刻蚀的溶剂去除。

36. Oxide/Nitride Etch-Stop Laryer Deposition

wafer用P/SC1溶剂清洗，然后在表面形成一层Silicon dioxide和nitride Silicon，将作为contact etch的stop layer。

37. PMD Deposition and Polish-Back

然后deposit一层厚厚的PSG(Phospho-Silicate Glass)，这一层的作用是充当PMD(Pre-Metal-Dielectric)，然后用CPM抛光，dummy gate上面的Nitride spacers将被磨掉，露出里面的amorphous silicon。

38. Polysiliocn Gate Removal

然后通过etch将dummy gate里的amorphous silicon移除，etch会停留在Fin上面的Oxide ESL。

39. Oxide ESL Removal

然后通过etch移除Fin上面的oxide layer。

40. Bottom Interface Oxide Layer Growth

然后通过低温氧化反应在Fin表面形成一层oxide，称为BIL(bottom interface layer)，High-K电介质将会在上面生长。

中篇到此为止，最后一部分会讲High-K metal gate的形成以及contact制程

41.High-k Dielectric Deposition

接下来ALD(Atomic Layer Deposition)工艺deposit一层High-k Hafnium oxide(氧化铪)做为电介质。

42. PMOS Metal(TiN) Deposition

ALD工艺在PMOS区域deposit一层功函数金属gate TiN。

43. TaN Deposition

然后deposit一层TaN做为Etch Stop Layer。

44.PMOS Metal(TiN)Deposition

同理，再deposit一层TiN金属。

45. PMOS Metal Patterning

然后铺上一层PR，NMOS区域曝光露出来。

46. NMOS Metal Etch

NMOS区域的TiN Layer被etch完，下面的TaN做为etch-stop layer。

47.Photoresist Strip

然后拔除PR，这里要注意，NMOS和PMOS区域的金属层是不同的。

48. NMOS Metal Deposition

然后通过SIPVD(Self Inoizing Phsical Vapor Deposition)工艺在NMOS/PMOS区域deposit一层TiAl金属。

49. NMOS Metal Anneal

在一定温度下，进行Anneal Metal，目的是使NMOS区域Al diffuse到High-k电介质的上方，形成TiAlN work function metal，而PMOS区域由于TiN做为阻挡层，Al不会diffuse进去。

50. Tungsten Deposition Back-Fill

然后deposit一层厚厚的金属钨，也是通过SIPVD工艺，金属钨会填充在Metal gate的空腔中。

51. Tungsten Metal Polish

然后CMP工艺磨平金属钨，可以看到gate空腔里面填充了金属钨，接下来就是contact连线工艺。

52. The FinFET Self Aligned Contacts

这里的contact用了SAC(Self-Aligned Contact)工艺，intel率先使用的，包括三步，etch--->deposition--->polish，下面会详细介绍。

53. Gate Metal Etch-Back

金属钨和Metal gate被etch back，露出空腔。

54. SiON Back-Fill

然后CVD deposit一层SiON，Gate空腔中也被填充。

55. SiON Polish-Back

下一步是通过CMP磨平，到PSG层停止，这样Gate空腔中填满了SiON。

56. PMD Completion

然后再deposit一层厚厚的PSG做为PMD(Pre-Metal Dielectri)

57.Tungsten Trench Contacts; Patterning

然后铺上PR，然后曝光定义连contact的区域，包括metal, source, drain区域，最后进行etch，打开金属层。

58.Ti/TiN Barrier Deposition

经过清洗干净后，然后通过IMP PVD工艺开始长Ti glue-layer，然后再长一层TiN，最后进行RTA，使Ti/TiN两层均匀的填充在contact区域。

59. Tungsten Deposition Polish-Back

然后开始通过CVD deposit一层厚厚的金属钨，接着进行CMP磨平，这样gate, source, drain区域都通过金属钨contact连出来了。之前的工艺是用Cu做为contact连线，后面更先进工艺会用金属钴。

到此为止，FinFET工艺核心的前段，中段工艺介绍完毕，FinFET工艺较之前的平面MOS管工艺更复杂，每一步都有可能造成yield loss。

FinFET由美籍华人科学家胡正明(Chenming Hu)教授在1999年提出来，最早使用FinFET工艺的是英特尔，2011年推出的酷睿i3 CPU就开始使用22nm FinFET工艺，随后全球各大半导体厂商积极跟进，陆续转进到FinFET工艺中，国内的中芯国际在2019年底差不多量产14nm FinFET，华虹也在积极研发，SRAM yield已经有所突破，希望国内的Fab再接再厉，让国人免受缺芯之痛。

来自：公众号 芯爵