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

以化学为主导的抛光机制确保了对周围隔离介质的高选择性，使得工艺能够在场区钨被清除后有效地停止。

在先进的背照式（BSI）CMOS图像传感器中，通过在相邻光电二极管之间构建深金属光屏蔽栅格，可以减轻像素间的光学串扰 （工程实践）。在完成中间垂直栅格的沉积，即共形钨完全填充高深宽比沟槽结构后，必须彻底去除产生的厚金属覆盖层 （工程实践）。钨化学机械抛光（W CMP）步骤旨在通过将场区钨研磨至下方的介质层，从而实现晶圆表面的全局平坦化并隔离各个栅格线。这种高度受控的平坦化对于建立后续光刻及上层垂直栅格阻挡层沉积所需的平整、无缺陷形貌至关重要。

W CMP 中的基

本材料去除机制依赖于“化学氧化—机械去除”的协同连续循环。在化学方面，抛光液中的氧化剂（主要是H₂O₂，通常由硝酸铁（Fe(NO₃)₃）等催化剂加速）与暴露的本体钨发生反应，形成一层更软的水合钝化氧化层，如WOx 。在机械方面，悬浮在抛光液中的纳米级磨粒通过聚合物抛光垫的微凸峰压向晶圆，在表面进行滑动和滚动，从而物理切削掉这层钝化氧化物。这种化学改性极大地降低了金属表面的“动态硬度”，将机械去除方式从本体金属的犁削转变为对脆弱氧化层的纳米级选择性塑性变形和微切削。一旦机械磨削清除了局部氧化物，下方新鲜的钨会立即暴露在抛光液中，重新开始快速氧化阶段，从而维持去除速率。

W CMP 的优化需要精密平衡物理和化学输入参数，这主要根植于接触力学和反应动力学。虽然基准的机械材料去除速率大致遵循 Preston 方程——即与施加的下压力和相对旋转速度成正比——但它会受到抛光垫表面特性和界面温度的强烈调节。抛光过程中的摩擦热会加速抛光垫-晶圆界面的热化学氧化反应，因此精确的抛光盘冷却液温度控制是防止过度氧化并保持稳定去除速率的关键因素。此外，抛光垫的选择直接影响机械应力的空间分布；使用具有离散、局部化分割的孔隙垫有助于抑制载荷下变形的横向传播，从而极大提高晶圆内（WIW）平坦化均匀性和边缘轮廓控制。同时，抛光液的酸性pH值和氧化剂浓度必须严格受限，因为在缺乏足够机械清除的情况下过度氧化会产生厚且多孔的薄膜，从而降低去除效率并恶化表面形貌。

对于40nm节点的BSI架构，致密的细间距垂直栅格沟槽阵地决定了纯机械抛光会导致不可接受的碟形坑（dishing）和结构损伤。以化学为主导的抛光机制确保了对周围隔离介质的高选择性，使得工艺能够在场区钨被清除后有效地停止。在这种精确平坦化之后，晶圆立即进入CMP后清洗模块，使用富含有机胺的弱碱性溶液进行处理。这些胺类作为路易斯碱（Lewis bases），中和残留的酸性氧化剂，并与刚抛光后的钨表面的高能位点络合，形成一层保护性的富碳缓冲层，最终防止电偶腐蚀并最大限度地减少后续阻挡层沉积的界面缺陷密度。

[高] 严重的钨（Tungsten）凹陷（Dishing）与插塞凹陷（Plug Recess）：如果化学反应速率远超机械去除速率，过量的氧化剂（例如 H₂O₂）会迅速将栅极沟槽中的钨转化为厚而软的 WOx 层。当配合缺乏足够局部刚性或分区设计的抛光垫使用时，长程弹性变形会迫使抛光垫进入沟槽空腔，机械地清除氧化物，从而导致深层的局部凹陷。
[中] 晶圆内（WIW）抛光不均匀性：钨的热化学氧化具有高度的温度依赖性，由磨粒与晶圆界面处产生的摩擦热驱动。若缺乏优化的压盘冷却液流量，抛光垫表面会出现显著的径向温度梯度，导致各处的化学反应速率不一致，进而造成清除不完全（抛光不足）或局部侵蚀（抛光过度）。
[中] CMP 后钨的腐蚀与界面退化：在 CMP 工步结束时暴露的原始钨表面包含高能不饱和键以及残留的酸性氧化剂。若未能立即使用弱碱性 CMP 后清洗液钝化这些活性位点，将导致不受控的自然氧化物再生或局部电偶腐蚀，从而永久性地损害后续金属界面的电学和结构完整性。
[低] 纳米级深划痕与缺陷产生：尽管钨表面通过化学软化降低了其局部屈服阈值，但浆料磨粒的团聚仍可能产生异常大的应力集中点。这些过大的聚集体在滑动摩擦过程中会诱发过度的 Hertzian 接触压力，穿透钝化的 WOx 层，并对本体金属及周围的电介质造成严重的塑性耕犁（ploughing）和微切削。

以化学为主导的抛光机制确保了对周围隔离介质的高选择性，使得工艺能够在场区钨被清除后有效地停止。

W CMP 中的基

[高] 严重的钨（Tungsten）凹陷（Dishing）与插塞凹陷（Plug Recess）：如果化学反应速率远超机械去除速率，过量的氧化剂（例如 H₂O₂）会迅速将栅极沟槽中的钨转化为厚而软的 WOx 层。当配合缺乏足够局部刚性或分区设计的抛光垫使用时，长程弹性变形会迫使抛光垫进入沟槽空腔，机械地清除氧化物，从而导致深层的局部凹陷。
[中] 晶圆内（WIW）抛光不均匀性：钨的热化学氧化具有高度的温度依赖性，由磨粒与晶圆界面处产生的摩擦热驱动。若缺乏优化的压盘冷却液流量，抛光垫表面会出现显著的径向温度梯度，导致各处的化学反应速率不一致，进而造成清除不完全（抛光不足）或局部侵蚀（抛光过度）。
[中] CMP 后钨的腐蚀与界面退化：在 CMP 工步结束时暴露的原始钨表面包含高能不饱和键以及残留的酸性氧化剂。若未能立即使用弱碱性 CMP 后清洗液钝化这些活性位点，将导致不受控的自然氧化物再生或局部电偶腐蚀，从而永久性地损害后续金属界面的电学和结构完整性。
[低] 纳米级深划痕与缺陷产生：尽管钨表面通过化学软化降低了其局部屈服阈值，但浆料磨粒的团聚仍可能产生异常大的应力集中点。这些过大的聚集体在滑动摩擦过程中会诱发过度的 Hertzian 接触压力，穿透钝化的 WOx 层，并对本体金属及周围的电介质造成严重的塑性耕犁（ploughing）和微切削。

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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