40nm BSI CMOS Image Sensor预览

Metal 5 Cu deposition

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Cu CMP

Ta-based liner CMP
236Ta-based liner deposition237Cu Seed deposition238Metal 5 Cu deposition239Cu CMP240Ta-based liner CMP241Post CMP Cleaning242ILD 6-1 Deposition243ILD 6-2 Deposition244Pre Litho Cleaning

工艺截面图

MET6 · Cu CMP (stop on Ta)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

利用三唑类化合物等抑制剂在 Ta 基衬垫上形成钝化保护膜,确保抛光工艺在本体铜被清除后迅速减慢 。

原理展开

MET6 模块中的 Cu CMP 工艺旨在去除电镀铜的溢出层(bulk copper overburden)并实现全局平坦化,且必须严格停止在底层的 Ta 基衬垫上 。作为 40nm BSI CMOS 图像传感器工艺中的上层金属化层,与较精细的 M1-M3 互连线相比,MET6 通常具有更宽的全局布线和光学屏蔽结构 。因此,这一特定的 CMP 工艺必须处理更大局部体积的铜去除量,并大幅缓解宽沟槽上因布局而产生的形貌变化 。该步骤将 Cu 互连线隔离在介质沟槽内,并为

后续专用的 Ta 基衬垫 CMP 工艺做好准备,最终使下方的 ILD 露出 。

Cu CMP 的基本机制是表面电化学氧化与纳米级机械研磨高度耦合的过程 。抛光液中的氧化剂在化学上将金属铜表面转化为更软、可去除的氧化态或可溶性络合物 。在宏观上,材料去除率通常由 Preston 方程建模,其与施加的抛光垫压力和相对滑动速度成正比 。在微观上,材料去除由选择性塑性变形驱动;磨料的滑动摩擦显著降低了在铜基底中诱发塑性所需的 Hertz 接触压力 。此外,重复的磨料划擦和化学腐蚀会引入表面粗糙化和晶体缺陷,从而降低局部屈服阈值,使磨料能够高效地对弱化的铜进行微切削 。

抛光液配方是该工艺步骤中最重要的控制变量,因为它必须提供极高的 Cu 与阻挡层选择比,以防止阻挡层过早被磨穿 。通常选用氨基酸等络合剂,使其在近中性或弱酸性 pH 条件下与氧化铜形成稳定、可溶的络合物,从而提高化学去除率 。同时,利用三唑类化合物等抑制剂在 Ta 基衬垫上形成钝化保护膜,确保抛光工艺在本体铜被清除后迅速减慢 。为了防止产生机械缺陷,可在抛光液中添加非离子分散剂,通过空间位阻作用提高二氧化硅磨料的表面润湿性并抑制大颗粒团聚 。

在 40nm 节点,互连结构表现出明显的图形密度效应,这使得 CMP 工艺对局部接触力学和非均匀质量传递高度敏感 。由于铜在物理上比周围的阻挡层和介质材料更软,且化学活性更高,因此宽结构线特别容易发生金属凹陷(dishing)。这种与布局相关的凹陷效应会直接减少导电横截面积,进而增加线路电阻并降低全局布线网络的电气 RC 性能 。

风险与挑战

  • [High] 金属凹陷 (Metal Dishing):由于铜的硬度低于 Ta 基衬层和介电材料,且化学活性更高,因此在相同的抛光垫压力和抛光液条件下,铜会经历更高的局部去除率 。这种差异化去除会在宽互连线中形成圆柱状凹陷,从而减小横截面积并增加互连电阻 。

  • [High] 微划痕 (Micro-scratching):胶体二氧化硅磨料在布朗运动和剪切条件下聚集成大颗粒,可能会在抛光垫与晶圆界面处引入局部的高接触应力 。这些坚硬且尖锐的团聚物动态地超过了软铜的塑性屈服阈值,产生深层微划痕,从而降低器件良率和可靠性 。

  • [Medium] 衬层选择性损失 (Loss of Liner Selectivity):如果抛光液中化学抑制剂的动态浓度不足以在裸露的 Ta 基衬层上维持致密的钝化膜,化学机械作用将过早地腐蚀阻挡层 。这会降低阻挡层的完整性并改变局部应力分布,可能导致随后的介电层腐蚀 。

  • [Low] 铜残留(抛光不足)(Copper Residue (Underpolishing)):局部图形密度的变化会改变抛光液传输和接触压力分布,从而在局部降低机械磨损和化学反应速率 。这种不均匀的抛光可能导致阻挡层上方的多余铜层去除不完全,从而在相邻互连线之间造成致命的电气短路 。

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相关步骤

  • METAL 6 TRENCH - Photo
  • ILD 5-2 Oxide Etch
  • Ashing
  • Ta-based liner deposition
  • Cu Seed deposition
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