40nm BSI CMOS Image Sensor预览

W Deposition

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W CMP

TiN/Ti CMP
112Metal 0 Gate and S/D Contact Opening - Photo113PMD 3 Etch114PMD 2 Etch115PMD 1 Etch116CESL 2 - Etch117CESL 1 - Etch118Pad Oxide Etch119Poly/Si Back Etch120Ashing & Strip/Clean121Ti/TiN Deposition122W Deposition123W CMP124TiN/Ti CMP

工艺截面图

CONTACT · A12 · W CMP (stop on TiN)FD node (31P+)VT adjust (11B+, periphery channel)SiO2 liner (SACVD)SiO2 (SACVD bulk fill)n+ S/D (31P+)n+ N-well contact (31P+)p+ surface passivation (10B+)Liner SiO2 (RTP thermal)P-well (pixel array, 11B+)P-well (periphery, 11B+)PD N-well (31P+)N-well (periphery, 31P+)SiP-well (implanted region)Ti/TiN linerPMD 3 (SiO2 · CMP overburden)PMD 2 (SiO2 · body segment)W (contact fill)PMD 1 (SiO2 · bottom segment)CESL 2 (SiNO)SiNCESL 1 (SiN)PolySWS pad ox (SiO2, PECVD)gate ox (SiO2, thermal)IO/HV gate ox (SiO2; relative thickness shown schematically; IO device not shown in this cross-section)n- LDD (31P+, self-aligned)P-pinning (11B+)P+ VSS contact (11B+)

本步要点

W CMP去除厚钨覆盖层，通过在接触孔中留下相互隔离且平坦化的钨塞，为后续互连形成提供基础 。

原理展开

W CMP（钨化学机械平坦化）步骤的主要目标是去除前道工序中沉积的厚钨覆盖层，并在接触孔（contact via）中留下相互隔离且平坦化的钨塞 。在40nm BSI CMOS图像传感器中，这些精确的接触对于将电信号从有源像素晶体管传输至Metal 0布线层至关重要 （工程实践）。该步骤通常被设计为选择性地停在下方的Ti/TiN阻挡层上，从而为后续专门的TiN/Ti CMP工艺做好晶圆准备 。在此阶段实现全局平坦化对于防止后续互连层光刻中的焦深（DOF）限制至关重要

。

W CMP的物理操作依赖于高度耦合的“化学钝化-机械去除”机制 。在抛光液中，强氧化剂（如H2O2，通常由Fe(NO3)3等催化剂加速）与暴露的金属钨发生化学反应，形成一层较软的自钝化氧化钨（WOx）表面层 。同时，悬浮在抛光液中的二氧化硅基磨粒被抛光垫压向晶圆，通过机械剪切去除这层软化的氧化膜 。一旦表面氧化物被去除，新鲜的本体钨会再次暴露在抛光液中，重新氧化，从而维持连续的循环材料去除过程 。虽然宏观去除速率遵循Preston方程——即随施加的机械压力和相对滑动速度线性变化 ——但材料去除的基本上限受限于化学氧化动力学和金属表面的电化学电位 。

抛光液配方经过精确设计，旨在平衡这种化学-机械协同作用，同时防止盘状凹陷（dishing）和侵蚀（erosion）等形貌缺陷 。由于接触孔阵列的图形密度各异，凹陷特征可能会遭受不受控的化学溶解或局部抛光垫变形，从而导致金属损失（dishing）或介电层变薄（erosion） 。为了应对这一问题，先进的抛光液加入了一些特定的表面活性抑制剂，例如带正电的双环脒，它们会静电吸附在带负电的WOx表面 。这些分子建立了一层动态钝化膜，可在局部抑制凹陷区域的氧化动力学，从而维持平坦化 。此外，钨的化学氧化过程本质上会产生酸性副产物，这会降低局部pH值，进而加速周围介电氧化层的刻蚀 。为了减轻这种二次侵蚀机制，通常会添加特定的pH稳定缓冲剂，以原位中和酸性副产物 。

在纳米尺度技术节点，表面缺陷的容差极小，使得微划痕（microscratch）成为W接触孔CMP过程中导致良率下降的主要问题 。研究表明，这些微划痕并非源自标称的纳米级磨粒，而是源自极少数异常大的磨粒或二次团聚体 。这些尺寸过大的颗粒会诱发局部的极端接触应力，从而轻易超过钨或相邻介电薄膜的塑性变形阈值 。由于本体钨的去除速率在很大程度上与磨粒尺寸无关，工艺优化必须严格专注于监测磨粒尺寸分布的尾部，并防止抛光液输送系统中由剪切力或温度引起的团聚 。

风险与挑战

  • [高] 磨料团聚引起的微划痕：本体抛光液中异常巨大的磨料颗粒或团聚体可能被截留在抛光垫与晶圆界面处，产生局部极端的接触应力 。这些应力超过了钨及其周围电介质的塑性极限，从而产生深度微划痕，严重降低器件良率 。
  • [高] 钨凹陷（Dishing）与氧化物侵蚀（Erosion）：在具有不同图案密度的阵列中，化学氧化与机械去除之间的失衡可能导致较软的钨相对于电介质被过度抛光（凹陷），或磨损电介质本身（侵蚀） 。这是由抛光垫共形性的局部差异和未经抑制的化学溶解所驱动，因此需要使用表面钝化抑制剂 。
  • [中] 局部 pH 值漂移导致的电介质侵蚀：本体钨的化学氧化会产生酸性副产物，可能导致局部抛光液 pH 值下降 。在图案密集的区域，这种快速酸化会加速周围层间电介质的化学溶解；若抛光液的缓冲能力不足，将导致严重的氧化物侵蚀 。
  • [中] 电偶腐蚀与接触凹陷（Contact Recess）：钨与底层的 Ti/TiN 阻挡层具有不同的电化学腐蚀电位 。当在清除阶段同时暴露于导电且富含氧化剂的抛光液中时，它们可能形成局部电偶电池，驱动活性较高的金属发生加速阳极溶解，从而导致不可预测的接触凹陷 。

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相关步骤

  • Metal 0 Gate and S/D Contact Opening - Photo
  • PMD 3 Etch
  • PMD 2 Etch
  • PMD 1 Etch
  • CESL 2 - Etch
  • CESL 1 - Etch