Cu CMP - 40nm BSI CMOS Image Sensor 40nm 工艺步骤

随着互连尺寸的缩小，Cu CMP的性能指标（如去除速率选择性、碟形坑（dishing）和腐蚀（erosion））变得高度依赖于局部图形密度，而非覆盖全晶圆的特性。

在金属2（MET2）模块进行的铜化学机械平坦化（CMP）旨在去除电镀Cu过载层，实现纳米尺度背照式（BSI）CMOS图像传感器的全局平坦化。此步骤被特意安排在M2 Cu沉积之后、基于Ta的衬垫层CMP之前。通过采用专门的两步法，先清除块体Cu，并在基于Ta的衬垫层上精确停止，从而防止对下方脆弱结构造成过度损伤。这一特定的MET2 CMP步骤与其他工艺流程中类似Cu CMP步骤的区别在于其中间布线层的几何

结构；与局部M1或较厚的全局顶层金属相比，M2通常具有不同的线宽/间距比和图形密度，这对局部接触力学和浆料传输有重大影响。

Cu CMP的基本机制是化学表面改性与机械磨损的协同耦合。浆料中的氧化剂将铜表面的最顶层原子层化学转化为较软的钝化氧化物或络合物状态。同时，施加的法向力和抛光垫与晶圆之间的相对滑动速度驱动机械去除，通常遵循Preston方程行为，即去除速率与压力和速度成正比。然而，在纳米尺度下，去除过程主要由机械作用而非纯电化学溶解主导。滑动摩擦降低了Cu表面发生塑性变形所需的赫兹接触压力（Hertzian contact pressure），而化学氧化和重复的磨料划痕引入了晶体缺陷，从而降低了局部屈服阈值。这使得磨料颗粒能够优先在弱化的Cu区域诱导塑性变形和微切削。

浆料配方对于实现必要的平坦化效率和选择性至关重要。通常使用氨基酸等络合剂来形成稳定的可溶性Cu络合物以加速去除，而胆碱盐或特定的pH调节剂则用于调节界面电化学环境，以抑制失控的溶解, 。为满足苛刻的缺陷率要求，可在浆料中加入非离子分散剂以产生空间位阻。这可以防止胶态二氧化硅磨料在高剪切力下聚集成大颗粒，这对于抑制在软Cu表面形成深微划痕至关重要。选择高选择性浆料的决定因素是需要在到达基于Ta的衬垫层后，在整个晶圆上均匀地停止抛光过程，从而最大限度地减少后续阻挡层CMP步骤之前的差异。

在40nm节点进行操作为此工艺带来了严峻的缩微挑战。随着互连尺寸的缩小，Cu CMP的性能指标（如去除速率选择性、碟形坑（dishing）和腐蚀（erosion））变得高度依赖于局部图形密度，而非覆盖全晶圆的特性。不受控的碟形坑会导致M2线条的薄层电阻发生剧烈波动，进而可能削弱半导体器件的信号时序和RC延迟特性。此外，由于紧凑的节距几何结构，局部抛光垫压力的变化要求对浆料化学成分和施加的机械下压力进行精细调节，以确保管芯（die）内的均匀平坦化。

[高] 图案依赖的凹陷（Dishing）与腐蚀（Erosion）：随着线宽缩小至纳米尺度，图案密度的局部变化会显著改变抛光垫下的局部接触面积和应力分布。这种几何敏感性导致抛光液对致密沟槽阵列内部相对较软的 Cu 进行过度抛光，将材料去除至预定平坦表面以下，并腐蚀周围的介质层。
[高] 微划痕缺陷（Micro-Scratch Defects）：在磨料机械去除阶段，抛光液中的胶态二氧化硅颗粒可能会因剪切应力而克服排斥力并聚集成大型硬化颗粒（>微米尺度）。这些团聚体会产生局部的极端 Hertz 接触压力，超过 Cu 表面的塑性屈服阈值，从而造成严重的微划痕，降低器件的可靠性。
[中] Cu 对 Liner 选择比的丧失：从 Cu 本体去除到停止层的过渡需要精确控制抛光液的化学环境，包括其 pH 值和化学抑制剂的吸附行为。如果抛光液组分未能妥善维持 Cu 与基于 Ta 的 Liner 之间的电化学差异，工艺将无法准确停止，导致 Liner 过早腐蚀并损坏下方的结构。
[中] 铜残留（Puddling）：化学氧化不足或络合剂的局部耗尽会降低表面反应速率，导致无法充分软化 Cu 覆盖层。结合抛光垫带来的非均匀机械压力分布，这会在阻挡层上留下未抛光残留的 Cu 斑块，从而可能导致相邻互连线短路。
[低] 因抛光液退化导致的去除速率漂移失控：在采用原位抛光液分离和循环的系统中，过滤不足或传感器反馈故障可能导致磨料浓度和化学活性的偏移。这种漂移会改变化学软化与机械磨削机制之间的平衡，导致去除速率偏离预期的 Preston 方程预测值。

结构；与局部M1或较厚的全局顶层金属相比，M2通常具有不同的线宽/间距比和图形密度，这对局部接触力学和浆料传输有重大影响。

[高] 图案依赖的凹陷（Dishing）与腐蚀（Erosion）：随着线宽缩小至纳米尺度，图案密度的局部变化会显著改变抛光垫下的局部接触面积和应力分布。这种几何敏感性导致抛光液对致密沟槽阵列内部相对较软的 Cu 进行过度抛光，将材料去除至预定平坦表面以下，并腐蚀周围的介质层。
[高] 微划痕缺陷（Micro-Scratch Defects）：在磨料机械去除阶段，抛光液中的胶态二氧化硅颗粒可能会因剪切应力而克服排斥力并聚集成大型硬化颗粒（>微米尺度）。这些团聚体会产生局部的极端 Hertz 接触压力，超过 Cu 表面的塑性屈服阈值，从而造成严重的微划痕，降低器件的可靠性。
[中] Cu 对 Liner 选择比的丧失：从 Cu 本体去除到停止层的过渡需要精确控制抛光液的化学环境，包括其 pH 值和化学抑制剂的吸附行为。如果抛光液组分未能妥善维持 Cu 与基于 Ta 的 Liner 之间的电化学差异，工艺将无法准确停止，导致 Liner 过早腐蚀并损坏下方的结构。
[中] 铜残留（Puddling）：化学氧化不足或络合剂的局部耗尽会降低表面反应速率，导致无法充分软化 Cu 覆盖层。结合抛光垫带来的非均匀机械压力分布，这会在阻挡层上留下未抛光残留的 Cu 斑块，从而可能导致相邻互连线短路。
[低] 因抛光液退化导致的去除速率漂移失控：在采用原位抛光液分离和循环的系统中，过滤不足或传感器反馈故障可能导致磨料浓度和化学活性的偏移。这种漂移会改变化学软化与机械磨削机制之间的平衡，导致去除速率偏离预期的 Preston 方程预测值。

40nm BSI CMOS Image Sensor预览

工艺截面图

本步要点

原理展开

风险与挑战

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