40nm BSI CMOS Image Sensor预览

Cu CMP

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Ta-based liner CMP

Post CMP Cleaning
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 · Ta Liner CMP (stop on dielectric)IO/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)CuTaSiO2CESLPMD 5 (SiO2)PMD 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

如果浆料化学成分在阻挡层去除阶段对铜的刻蚀过于剧烈，柔软的铜导线将凹陷至介质水平面以下，从而降低互连电阻并导致后续光刻工艺的焦深问题 。

原理展开

在Metal 2 (MET2) 模块的双大马士革工艺序列中，首先在主Cu CMP步骤中对大块铜过载层进行平坦化 。随后，执行基于Ta的衬层CMP步骤，以完全去除场介质区域内暴露的Ta/TaN阻挡层 。这一步骤至关重要，因为在场氧化物上残留任何导电衬层都会导致相邻MET2导线之间发生电气短路 （工程实践）。此外，该阻挡层CMP步骤对整个互连堆叠进行平坦化，包括沟槽内的铜、侧壁衬层以及周围的介质，以达到目标Metal 2线高 。

通过实现全局平坦化的表面，该步骤为后续的Post CMP清洗和ILD 2-1层沉积做好准备 。虽然在其他金属层级也会进行类似的Ta衬层CMP步骤，但此特定步骤针对40nm BSI CIS架构的MET2互连所特有的图形密度和布局尺寸进行处理 。基于Ta的衬层去除在物理和化学机制上与大块铜抛光存在显著差异 。钽和氮化钽是化学性质高度稳定的材料，主要起到扩散阻挡的作用 。在标准的酸性铜清除浆料中，Ta附着层和扩散阻挡层的去除纯属机械性质，这可能导致严重的结构过度抛光和介质侵蚀 。为避免这种情况，阻挡层CMP采用专门配制的浆料，引入特定的化学氧化剂来改变Ta层的表面状态 。化学组分氧化Ta/TaN表面，而由磨料颗粒在施加的抛光垫压力驱动下的机械组分，将氧化的反应层剪切掉 。这种化学氧化与机械去除的协同作用遵循Preston定律，即材料去除速率与施加压力和相对速度成正比 。阻挡层CMP在浆料选择和参数调整方面的主要目标是实现Ta衬层、铜特征以及底层介质之间正确的去除速率选择比 。理想的工艺必须在无衬层残留的同时，最大限度地减少诸如铜凹陷（dishing）和介质侵蚀等形貌缺陷 。如果浆料化学成分在阻挡层去除阶段对铜的刻蚀过于剧烈，柔软的铜导线将凹陷至介质水平面以下，从而降低互连电阻并导致后续光刻工艺的焦深问题 。因此，阻挡层CMP浆料通常被设计为对Ta/TaN具有高去除速率，而对Cu的去除速率则受到严格抑制，这通常通过使用钝化铜表面的缓蚀剂来实现 。参数交互方向要求必须仔细权衡氧化剂浓度或调整机械下压力；过大的作用力会增加对软介质的机械磨损，而化学作用不足则会留下难以去除的Ta残留 。在纳米尺度技术节点，互连线宽和间距的缩减为基于Ta的衬层CMP工艺带来了独特的挑战 。随着特征尺寸的缩小，局部接触面积、应力分布以及晶圆表面的浆料输运动力学发生了显著变化 。在无图形空白晶圆上测得的去除速率和选择比不能直接外推至这些高密度图形化结构上 。该工艺对局部图形密度高度敏感，这意味着与孤立特征相比，MET2导线密集区域可能会承受不同的有效抛光压力 。因此，需要严格的工艺监控和先进的终点检测，以确保40nm节点的薄阻挡层在完全清除的同时，不会引起严重的介质侵蚀或损害阻挡层抵御铜扩散的完整性 。

风险与挑战

  • [高] Ta衬层残留导致漏电/短路：标准的酸性 Cu 清洗浆料对 Ta 的化学反应性极低，在这些特定条件下，衬层去除纯粹依赖机械作用 。如果专用的阻挡层 CMP 浆料化学成分和抛光时间不足，未去除的 Ta 层残留物会留在电介质场区，形成导电路径，导致相邻互连线之间发生电气短路 。

  • [高] 铜凹陷 (Dishing) 和电介质侵蚀：阻挡层 CMP 步骤涉及对整个互连堆叠进行抛光，包括 Cu 特征、Ta 衬层和电介质 。如果浆料在刻蚀 Ta 的同时缺乏足够的选择性来抑制 Cu 和电介质的去除，较软的 Cu 特征会向内凹陷，电介质会发生侵蚀，从而破坏局部平坦化并降低电气性能 。

  • [中] 界面分层和划痕：钽起到了附着力促进剂的作用，因为 Cu 无法与 TaN 扩散阻挡层直接良好键合 。在 CMP 过程中，过大的机械下压力或较大的磨料团聚体可能会产生极大的剪切应力，从而克服这些界面键，导致 Cu/Ta/TaN 堆叠局部分层或严重的表面划伤 。

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相关步骤

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