40nm BSI CMOS Image Sensor预览

Ta-based liner deposition

172/ 417

Cu Seed deposition

Metal 2 Cu deposition
168METAL 2 TRENCH - Photo169ILD 1-2 Oxide Etch170Ashing & Strip/Clean171Ta-based liner deposition172Cu Seed deposition173Metal 2 Cu deposition174Cu CMP175Ta-based liner CMP176Post CMP Cleaning177ILD 2-1 Deposition178ILD 2-2 Deposition179Pre Litho Cleaning180VIA 2 - Photo181ILD 2-2 Oxide Etch182ILD 2-1 SiCN Etch183Ashing & Strip/Clean

工艺截面图

MET2 · Cu Seed DepositionIO/HV gate ox (SiO2; relative thickness shown schematically; IO device not shown in this cross-section)TiSi (low-temp anneal)n- LDD (31P+, self-aligned)P-pinning (11B+)P+ VSS contact (11B+)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)SiO2CESLPMD 5 (SiO2)CuTaPMD 4 (SiO2)MET0 (W)PMD 3 (SiO2 · CMP overburden)W (contact fill)PMD 2 (SiO2 · body segment)TiN (barrier)Ti (adhesion)Ti/TiN linerPMD 1 (SiO2 · bottom segment)CESL 2 (SiNO)SiNCESL 1 (SiN)PolySWS pad ox (SiO2, PECVD)gate ox (SiO2, thermal)

本步要点

通过利用表面能梯度促进“预填充”效应,Cu种子层能够在ECP工艺前保持足够大的顶部开口,从而避免过早夹止(pinch-off),并确保无空洞的间隙填充 。

原理展开

MET2 Cu种子层沉积步骤是高电阻率Ta基衬垫与后续本体电化学镀(ECP)工艺之间的关键导电桥梁 。在40nm BSI CMOS图像传感器的双大马士革(dual-damascene)互连工艺流程中,该层为均匀的电化学Cu沉积提供了必要的连续阴极 。由于前置的Ta基衬垫导电性较差,且缺乏直接进行Cu电镀所需的表面特性,因此必须先沉积一层高纯度金属Cu薄膜 。与可能具有极窄间距的底层互连(如MET1)或厚度大得多

的顶层布线金属不同,MET2在中间高宽比与高速图像传感器信号布线的严格低电阻要求之间取得了平衡 (工程实践)。Cu种子层沉积的物理机制主要依赖离子化物理气相沉积(PVD),以在高深宽比的沟槽和通孔内实现保形涂层 。在此过程中,施加的晶圆偏压在入射的中性Cu沉积与离子化Cu轰击之间建立了平衡 。这种高能轰击会诱导局部再溅射(resputtering),即沉积在沟槽底部的Cu原子被物理性地剥离并重新沉积到垂直侧壁上,从而增强了台阶覆盖率 。Cu薄膜的形态演变由表面能和界面润湿性决定;由于Cu在Ta基衬底上的润湿性相对较差,如果薄膜过薄,种子层倾向于聚集成孤立的岛状结构 。如果种子层在结构上不连续,后续的电沉积将导致局部电流密度集中,产生颗粒状且粗糙的沉积形态,并最终导致填充空洞 。PVD仍然是纳米尺度技术的首选方法,因为它避免了新兴的原子层沉积(ALD)Cu氧化物方法所带来的高电阻率和复杂的化学还原步骤 。为了优化工艺,必须对交流晶圆偏压和沉积时间等参数进行精细的协同优化;适度的偏压既能确保充足的底部和侧壁覆盖率,又能主动抑制场区过多的沉积 。此外,管理种子层到电镀层的排队时间(queue time)是一项关键的操作参数 (工程实践)。延长排队时间会使高活性的纳米级Cu表面发生氧化或积聚外源污染物 。这种氧化会降低后续ECP步骤的有效成核密度,导致生成更粗大、更分散的电沉积Cu颗粒,而非致密、连续的薄膜 。在40nm节点,互连尺寸已足够小,使得传统的厚PVD种子层面临严峻的台阶覆盖约束,但通常尚无需使用如化学气相沉积(CVD)Co等全新的衬垫系统,此类系统通常仅用于纳米尺度以下的尺寸 。相反,通过精确的偏压控制和适时的热激活表面扩散(回流)来优化传统的PVD种子层工艺,可以有效地管控几何深宽比 。通过利用表面能梯度促进“预填充”效应,Cu种子层能够在ECP工艺前保持足够大的顶部开口,从而避免过早夹止(pinch-off),并确保无空洞的间隙填充 。

风险与挑战

  • [高] 种子层不连续(团聚):当沉积在 Ta 基衬层上的 Cu 薄膜极薄时,表面能的热力学最小化会导致铜团聚成孤立的岛状结构,而不是形成连续薄膜 。这种不连续性迫使随后的电沉积 Cu 只能在孤立的位点成核,产生颗粒状形貌,并在填充过程中导致灾难性的空洞 。

  • [高] 等待时间(Queue-Time)引起的种子层氧化:PVD 种子层沉积与电化学电镀步骤之间的延长时间,会使高活性的薄 Cu 薄膜暴露在环境氧气中 。这种表面氧化会严重降低 ECP 过程中的有效成核密度,导致生长出巨大的、孤立的 Cu 颗粒,而不是平滑、连续的电镀薄膜 。

  • [中] 沟槽顶部夹断(Pinch-Off):对 PVD 晶圆偏压的调整不理想会导致 Cu 在双大马士革(dual-damascene)特征的顶角处过度堆积,即所谓的悬垂(overhang)。这种悬垂会在随后的电化学电镀步骤中过早关闭顶部开口,从而截留电镀液并导致互连结构内部形成大的中心空洞 。

  • [低] 侧壁二次溅射(Resputtering)不足:如果 PVD 过程中的入射离子能量不足以驱动足够的物质从通孔底部向侧壁进行二次溅射,最终的侧壁种子层厚度可能会低于连续覆盖所需的临界阈值 。如果没有达到最低的连续 Cu 厚度,ECP Cu 就无法在暴露的阻挡层上均匀成核,不可避免地导致侧壁空洞 。

登录后继续阅读全部 417 步

邮箱注册已有账号登录

相关步骤

  • METAL 2 TRENCH - Photo
  • ILD 1-2 Oxide Etch
  • Ashing & Strip/Clean
  • Ta-based liner deposition
  • Metal 2 Cu deposition
  • Cu CMP