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Ta-based liner deposition

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Cu Seed deposition

Metal 4 Cu deposition
200METAL 4 TRENCH - Photo201ILD 3-2 Oxide Etch202Ashing & Strip/Clean203Ta-based liner deposition204Cu Seed deposition205Metal 4 Cu deposition206Cu CMP207Ta-based liner CMP208Post CMP Cleaning209ILD 4-1 Deposition210ILD 4-2 Deposition211Pre Litho Cleaning212VIA 4 - Photo213ILD 4-2 Oxide Etch214ILD 4-1 SiCN Etch215Ashing & Strip/Clean

工艺截面图

MET4 · 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)SiO2CESLCuTaPMD 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

如果没有完全连续的种子层,电镀Cu会形成孤立的颗粒状形态,而非平整、无空洞的薄膜 。

原理展开

Cu种子层沉积步骤是必不可少的,因为下层的Ta基衬垫电阻率很高,无法为后续的电化学铜沉积(ECD)工艺提供足够的成核表面 。Cu种子层的主要功能是建立一条高导电性的连续通路,以确保电镀过程中晶圆上的电荷分布均匀 。如果没有完全连续的种子层,电镀Cu会形成孤立的颗粒状形态,而非平整、无空洞的薄膜 。该步骤位于Ta基衬垫沉积之后、M4块体Cu ECD之前,对于确保MET4双大马士革结构实现无缝填孔至关重要 。MET4层的这一特定步骤与底层(如M1或M2)金属种子层沉积的主要区

别在于其几何约束;上层金属通常具有不同的深宽比和较大的横截面积,但它们仍然需要连续的台阶覆盖率以防止电迁移和RC延迟退化 。该沉积过程的物理机制通常依赖于物理气相沉积(PVD),其中施加的晶圆偏压在氩离子轰击和中性Cu原子积累之间建立了一种动态平衡 。这种偏压引导Cu通量涂覆沟槽底部和高深宽比侧壁 。为了优化用于电镀的几何轮廓,通常会利用热激活表面扩散,即在表面能和化学势梯度的驱动下,侧壁Cu向特征底部迁移 。这种被称为回流(reflow)或重分布的现象,在ECD之前有效地降低了特征的深宽比,从而预填充了存在问题的区域,并减轻了电镀过程中侧壁和线条顶部空洞的形成 。如果种子层太薄或不连续,电子传输限制将占主导地位,导致电流密度局部集中在孤立的Cu岛上,从而导致有缺陷的颗粒生长 。由于PVD具有高纯度、与Ta基阻挡金属附着力极佳以及产能优越等特点,它是纳米尺度 Cu种子沉积的首选方法 。虽然原子层沉积(ALD)工艺(包括沉积氧化铜,随后在低温下用甲酸进行还原)在纳米尺度以下节点提供了更优的保形性 ,但由于PVD成熟的工艺控制和较低的集成复杂度,它仍然是40nm节点的标准工艺 (工程实践)。参数优化需要仔细调整AC晶圆偏压以控制初始覆盖形貌,并调整晶圆温度以管理Cu扩散,同时避免在场区(field regions)造成过度堆积 。此外,必须严格缩短PVD Cu种子沉积与ECD步骤之间的等待时间(queue time);长时间暴露于环境气氛中会导致表面氧化,这会严重降低有效成核密度,并迫使ECD Cu以粗糙、离散的沉积物形式生长 。在纳米尺度技术节点,器件速度与功耗之间的物理权衡受互连RC延迟的影响很大,因此无空洞金属化对于保持整体电路性能至关重要 。纳米尺度双大马士革结构中所遇到的深宽比挑战了传统直视型(line-of-sight)PVD的极限,需要先进的靶材离子化技术以确保足够的侧壁覆盖 。通过结合高度连续的PVD Cu种子层与优化的热重分布工艺,该流程成功缓解了高电阻阻挡层上通常观察到的成核延迟,确保了MET4互连的可靠与无缝集成 。

风险与挑战

  • [高] 种子层不连续 (Discontinuous Seed Layer):沟槽侧壁上台阶覆盖率不足或 PVD 沉积过薄,破坏了电镀所需的连续导电通路 。在随后的 ECD 工艺步骤中,这种不连续性限制了电子传输,并将电流集中在孤立的 Cu 岛上,导致颗粒状、粗糙的薄膜生长,并在双大马士革结构内形成灾难性的空洞 。
  • [高] 种子层表面氧化 (Seed Surface Oxidation):PVD 种子层沉积与 ECD 步骤之间的排队时间过长,导致环境中的氧气与超薄 Cu 层发生反应 。这种氧化作用会降低表面电化学活性,减少有效成核密度,并导致电沉积的 Cu 形成较大的孤立颗粒,而不是致密、内聚的填充层 。
  • [中] 场区 Cu 堆积(悬垂)(Field Cu Accumulation (Overhang)):过长的 PVD 沉积时间或调节不当的晶圆偏压会导致 Cu 原子优先在沟槽或通孔的顶角处堆积 。这种局部增厚会产生悬垂现象,在随后的电镀步骤中过早封闭特征开口,导致形成大型的、被包裹的线顶空洞 。
  • [中] 界面附着力弱 (Weak Interfacial Adhesion):预溅射清洗不足或过高的本征薄膜应力可能导致 Ta 基衬垫与沉积的 Cu 种子层之间的结合不良 。这种薄弱的界面在随后的高温工艺或化学机械平坦化 (CMP) 过程中可能发生分层,从而成为严重的电迁移失效的起始点 。
  • [低] 过度热团聚 (Excessive Thermal Agglomeration):如果沉积或回流温度设置过高,超薄 Cu 薄膜的表面迁移率会过大,导致连续薄膜破碎并团聚成不相连的液滴,以降低表面能 。这会破坏 ECD 所需的均匀成核基础,重现与物理不连续种子层相同的失效机制 。

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相关步骤

  • METAL 4 TRENCH - Photo
  • ILD 3-2 Oxide Etch
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  • Ta-based liner deposition
  • Metal 4 Cu deposition
  • Cu CMP