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Ta-based liner deposition

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Cu Seed deposition

Metal 6 Cu deposition
268METAL 8 (DBI Pad) TRENCH - Photo269ILD 6-6 (WBL) Etch270ILD 6-5 Etch271Ashing & Strip/Clean272VIA 7 (DBI Via) - Photo273ILD 6-5 Etch274ILD 6-4 Etch275ILD 6-3 Etch276ILD 6-2 Etch277ILD 6-1 Etch278Ashing & Strip/Clean279Ta-based liner deposition280Cu Seed deposition281Metal 6 Cu deposition282Cu CMP283Ta-based liner CMP284Final Oxide CMP285Post CMP Cleaning

工艺截面图

DBI · D13 · Cu Seed depositiongate ox (SiO2, thermal)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)SiO2CESLAlCuTaPMD 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)

本步要点

当籽晶层不连续时,电流会集中在孤立的Cu岛上,引发Volmer-Weber岛状生长,导致沉积形态粗糙、颗粒化,并进而引发沟槽空洞 。

原理展开

Cu籽晶沉积步骤与基于Ta的衬垫沉积步骤无缝衔接,为后续用于Metal 6层主体Cu的电化学沉积(ECD)提供了关键的导电成核基础 。由于此特定步骤位于直接键合互连(DBI)模块中,所得的金属结构最终将作为晶圆对晶圆混合键合的界面(工程实践)。因此,籽晶层必须确保极其致密且均匀的ECD生长,以防止产生微孔,否则这些微孔会在随后的Cu CMP步骤中转化为严重的焊盘碟形凹陷(dishing)以及灾难性的键合失效 。

该步骤的物理机制核心在于建

立连续的电子传导,并为湿法电镀提供能量上有利的成核位点 。如果尝试直接在底层的Ta基阻挡层上进行主体ECD工艺,天然形成的Ta氧化物层将严重阻碍电子转移,并导致巨大的电化学成核过电位 。通过在阻挡层上覆盖一层薄金属Cu籽晶,系统能有效降低成核势垒并促进薄膜快速二维聚结,从而减轻终端效应(terminal effect)。

该超薄籽晶的物理连续性严格决定了电镀过程中的局部电流密度 。当籽晶层不连续时,电流会集中在孤立的Cu岛上,引发Volmer-Weber岛状生长,导致沉积形态粗糙、颗粒化,并进而引发沟槽空洞 。

该层的材料和方法选择受到共形性要求和互连尺寸缩小的严格限制 。尽管传统物理气相沉积(PVD)被广泛应用,但它面临着本质上的视线(line-of-sight)限制,可能导致陡峭特征侧壁上的台阶覆盖不连续 。为缓解这一问题,有时会采用原子层沉积(ALD)等替代方法,利用自限制表面化学,沉积高度共形的超薄氧化铜或氮化铜,随后将其还原为金属铜 。此外,在高温下进行PVD或利用沉积后的热处理,可以显著提高Cu吸附原子的表面迁移率 。这种由Arrhenius关系式 $D = D_0 e^{-E_a/kT}$ 定义的增强表面扩散,促进了不连续的初始晶核热聚结,形成完全连续且热力学稳定的薄膜 。

针对40nm节点和高度敏感的DBI集成方案,严格的环境控制对于此籽晶层的完整性至关重要 。必须尽量缩短真空籽晶沉积设备与湿法ECD镀槽之间的等待时间(queue time),以防止在环境空气中自发形成天然氧化铜(CuO/Cu₂O)。表面氧化会显著降低有效成核位点的密度,迫使后续电沉积的Cu以巨大的孤立颗粒形式生长,而非形成凝聚的填充层 。此外,研究表明在籽晶下方集成超薄粘附层,可以改善Cu籽晶的有效润湿性和物理连续性,从而保障原始DBI焊盘形成所需的自下而上超填充(superfill)工艺 。

风险与挑战

  • [高] 晶种层不连续与空洞:高深宽比结构限制了视线型(line-of-sight)PVD,导致超薄晶种层在特征侧壁上变得不连续 。这种不连续性会在随后的 ECD 过程中导致局部电流拥挤和 Volmer-Weber 岛状生长,最终引发灾难性的填充空洞 。
  • [高] 等待时间过长导致的晶种氧化:在晶种沉积与 ECD 步骤之间暴露于环境空气中,会使脆弱的晶种表面形成 Cu₂O 和 CuO 。该氧化层充当高电阻电气阻挡层,显著降低了有效成核密度,并导致电镀过程中产生粗糙、孤立的 Cu 颗粒生长 。
  • [中] 界面附着力差与 CMP 分层:如果底层的 Ta 基衬垫处理不当,或在晶种沉积前保留了较厚的自然氧化层,Cu 晶种将无法在热力学上润湿基板 。这种缺乏适当金属键合的情况会导致界面附着力薄弱,从而在随后的 DBI Cu CMP 工艺的剧烈机械剪切应力下极易发生分层 。
  • [低] 热预算过高导致的团聚:在晶种沉积或后续还原步骤中应用过高的温度,会为超薄膜提供过多的热能 。这种过剩的能量会驱动表面扩散,直至连续薄膜发生去润湿并团聚成孤立的金属液滴以降低表面能,从而永久切断必要的连续导电通路 。

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相关步骤

  • METAL 8 (DBI Pad) TRENCH - Photo
  • ILD 6-6 (WBL) Etch
  • ILD 6-5 Etch
  • Ashing & Strip/Clean
  • VIA 7 (DBI Via) - Photo
  • ILD 6-5 Etch