40nm BSI CMOS Image Sensor预览

工艺截面图

本步要点

密度更高的薄膜在化学辅助机械去除过程中表现出更可预测且更均匀的去除速率，在使用基于氧化铈的研磨液时，能确保对氮化硅停止层的高选择性。

原理展开

CMP前氧化物沉积步骤紧随初始保形浅沟槽隔离（STI）填充及其后续退火工艺之后。尽管先前的保形层能够保护沟槽界面并确保高质量的介质接触，但它会留下非平面的形貌以及沟槽内潜在的中心缝隙。 “CMP前氧化物沉积”应用一层块体介质，通常称为覆盖层（overburden），这对于为随后的化学机械平坦化（CMP）步骤提供足够的材料厚度至关重要。这确保了抛光垫在到达底层的氮化硅停止层之前，能够完全平坦化不同图案密度区域的表面。

与用于图案转移的氧化物硬掩模或用于后段工艺（BEOL）光学隔离的网格密封层不同，这种块体氧化物明确设计为一种牺牲性结构材料，以适应CMP平坦化的公差和载荷分布。沉积工艺通常采用等离子体增强技术，在现有形貌上快速堆积氧化物薄膜。输入的等离子体前驱体在晶圆表面发生反应，形成SiO₂网络，该网络必须表现出足够的机械完整性，以承受即将进行的CMP工艺中强烈的剪切应力。如果沉积的氧化物过于疏松或结构强度不足，CMP工艺中“化学软化+机械剪切”的协同机制将导致不可控的材料去除和局部缺陷。此外，必须仔细控制沉积氧化物的内应力，以避免与底层硅衬底和沟槽侧壁产生应力失配，否则可能会诱发有害的晶体缺陷。沉积方法的选择需要权衡块体填隙能力、沉积速率和整体薄膜密度。诸如前驱体气体流量比和等离子体功率等工艺参数会直接相互作用，从而决定最终的薄膜密度和表面形貌（工程实践）。密度更高的薄膜在化学辅助机械去除过程中表现出更可预测且更均匀的去除速率，在使用基于氧化铈的研磨液时，能确保对氮化硅停止层的高选择性。此外，不同图案密度下沉积厚度的变化，从根本上决定了局部平坦化效率以及后续步骤所需的过抛时间。在40nm节点，STI沟槽的纵横比要求采用多级填充策略以减轻空洞形成。依赖于初次保形填充及随后的专用CMP前块体氧化物沉积，使工程师能够将界面质量的要求与平坦化能力的要求解耦。随着特征尺寸的缩小，任何作用于不均匀沉积氧化物上的磨料团聚体或大颗粒，都可能通过犁削机制产生颤振式连续划痕。因此，实现高度均匀的CMP前氧化物形貌对于在平坦化过程中最大限度地减少局部高应力机械接触事件至关重要。

风险与挑战

[High] CMP 划痕：如果沉积的氧化物结构存在缺陷或呈现出极端的表面形貌，会加剧 CMP 过程中局部的应力集中机械接触事件。抛光液中坚硬或尺寸异常的磨料团聚体与这些形貌峰值相互作用，通过耕犁和切割机制引发颤振式的连续划痕。
[High] 碟形凹陷（Dishing）与平坦化不完全：沉积氧化物在晶圆范围内的严重厚度不均匀性，会在 CMP 过程中与图案密度差异产生不良相互作用。这会导致局部过度抛光（氧化物过薄处），造成沟槽内场氧化物的碟形凹陷；或导致抛光不足（氧化物过厚处），使得氮化物阻挡层上的氧化物无法被完全去除。
[Medium] 应力诱导的缺陷产生：导致本体氧化物产生过高固有压应力或拉应力的沉积参数，可能会与下方的保形填充层和衬底产生机械失配。在随后的热处理过程中或在 CMP 机械负载下，这种热机械应力集中可能会在相邻的有源硅区域诱发界面裂纹或晶体缺陷。
[Medium] 次表面空洞暴露：如果 CMP 前的氧化物沉积未能完全桥接保形填充所留下的形貌，微小空洞可能会被包裹进本体薄膜中。当 CMP 工艺选择性地切除覆盖层时，这些次表面空洞可能会被暴露出来，从而形成抛光液残留的陷阱，并导致严重的漏电通路 （工程实践）。

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