SiN Strip - 40nm BSI CMOS Image Sensor 40nm 工艺步骤

剥离工艺必须具有极高的选择性，以避免消耗相邻的平坦化 STI 氧化物和下方的衬垫氧化物（pad oxide）。

氮化硅（SiN）层在浅沟槽隔离（STI）图案化过程中起着刚性硬掩模的作用，并在化学机械平坦化（CMP）过程中充当稳健的停止层。在 STI 最终致密化退火和湿法去釉刻蚀之后，必须彻底去除该 SiN 层以露出有源硅区域。此去除工艺为衬底进行随后的 Blanket B Well 注入和热栅氧化层生长步骤做好了准备。剥离工艺必须具有极高的选择性，以避免消耗相邻的平坦化 STI 氧化物和下方的衬垫氧化物（pad oxide）。如果去除不精确，残留

的氮化物会阻碍后续的掺杂剂注入，并阻碍形成器件运行所需的均匀互补金属氧化物半导体（CMOS）沟道结构。其基本化学机制依赖于使用高温磷酸（H3PO4）水溶液进行的湿法刻蚀。在这种环境中，固态 Si3N4 发生水解反应，生成可溶性的原硅酸（Si(OH)4）。该溶解过程受化学热力学平衡和反应动力学控制，具有可逆的脱水路径，其中 Si(OH)4 可以转化为偏硅酸，并最终以固态 SiO2 的形式析出。根据勒夏特列原理（Le Chatelier's principle），溶液中 Si(OH)4 的积累或人为添加会使平衡发生移动，从而抑制固态 SiO2 的进一步溶解。这种热力学移动在 SiN 对 SiO2 之间建立了本质上极高的刻蚀选择性，使得薄衬垫氧化物能够充当完美的刻蚀停止层。选择湿法化学而非等离子体干法刻蚀的原因在于，尽管干法刻蚀工艺具有各向异性的精确性，但缺乏完美保持 STI 氧化物高度和衬垫氧化物完整性所需的近乎无限的材料选择性。在湿法刻蚀过程中，温度和水浓度是决定热传递、质量传递和反应平衡的主要控制参数。提高槽液温度会呈指数级加速 Si3N4 的反应动力学，但同时会降低副产物 Si(OH)4 的溶解度和稳定性，从而引入固态 SiO2 析出的巨大风险。为了抵消蒸发并维持混合物的沸点，需持续向溶液中加入去离子水，以调节动态刻蚀平衡 （工程实践）。在单片晶圆处理架构中，喷淋引起的热损失会导致局部的快速冷却和酸液粘度增加，因此需要使用上部加热板来维持严格的热力学平衡。对于 40nm BSI CMOS 图像传感器而言，严格保持 STI 台阶高度至关重要，因为隔离沟槽产生的机械应力会直接影响局部载流子迁移率和亚阈值漏电。在 SiN 剥离过程中任何 STI 氧化物的损失都会损害经工程设计的顶部沟槽圆角。如果由于刻蚀选择性差导致这些拐角暴露，就会产生局部电场集中，从而显著放大应力诱导的漏电流和寄生亚阈值导电。因此，必须使用精确控制的热磷酸湿法刻蚀来剥离 SiN，且不得降解精细的隔离结构，从而确保像素性能并最大限度地减少暗电流的产生。

[高] SiO₂ 沉淀与颗粒污染：在磷酸温度升高时，副产物 Si(OH)₄ 的溶解度会降低。如果局部温度波动或硅酸盐浓度超过热力学溶解度极限，可逆的脱水反应会迫使 SiO₂ 从溶液中析出。这些胶体颗粒会沉积在有源晶圆表面，在随后的 Blanket B Well Implant 工艺中充当微掩膜（micromasking）缺陷，从而导致严重的良率损失 （工程实践）。
[中] STI 氧化层凹陷与拐角暴露：SiN 对 SiO₂ 的高刻蚀选择比在很大程度上依赖于保持刻蚀液中溶解硅酸盐的特定浓度。如果酸液未经过充分预处理（缺乏足够的初始硅酸盐）或者注水比例控制不当，溶液将开始刻蚀保护性的 STI 氧化层。这种非预期的氧化层损耗会暴露尖锐的硅槽拐角，导致电场增强，并增加辐射诱导和电压诱导的寄生亚阈值漏电。
[中] SiN 去除不完全（残留物）：磷酸中 Si₃N₄ 的刻蚀速率对刻蚀液温度和局部流体粘度高度敏感。在单片加工工艺中，喷淋引起的热量损失可能导致晶圆表面快速局部冷却并增加酸液粘度，从而严重阻碍反应动力学。残留的 SiN 会充当非预期的掩膜，阻挡后续的阱注入，从而导致局部阈值电压偏移，并降低图像传感器阵列的像素间一致性。
[低] 衬底硅点蚀：SiN 层下方的薄垫氧化层（pad oxide）旨在充当明确的刻蚀停止层，以保护下方的晶体硅。如果由于化学选择性机制失效而发生异常氧化层刻蚀，垫氧化层可能会被完全穿透 （工程实践）。暴露出的裸露硅衬底与热磷酸接触会导致局部晶体学点蚀，引入表面态和缺陷，从而大幅降低未来栅氧化层的可靠性和击穿电压。

剥离工艺必须具有极高的选择性，以避免消耗相邻的平坦化 STI 氧化物和下方的衬垫氧化物（pad oxide）。

[高] SiO₂ 沉淀与颗粒污染：在磷酸温度升高时，副产物 Si(OH)₄ 的溶解度会降低。如果局部温度波动或硅酸盐浓度超过热力学溶解度极限，可逆的脱水反应会迫使 SiO₂ 从溶液中析出。这些胶体颗粒会沉积在有源晶圆表面，在随后的 Blanket B Well Implant 工艺中充当微掩膜（micromasking）缺陷，从而导致严重的良率损失 （工程实践）。
[中] STI 氧化层凹陷与拐角暴露：SiN 对 SiO₂ 的高刻蚀选择比在很大程度上依赖于保持刻蚀液中溶解硅酸盐的特定浓度。如果酸液未经过充分预处理（缺乏足够的初始硅酸盐）或者注水比例控制不当，溶液将开始刻蚀保护性的 STI 氧化层。这种非预期的氧化层损耗会暴露尖锐的硅槽拐角，导致电场增强，并增加辐射诱导和电压诱导的寄生亚阈值漏电。
[中] SiN 去除不完全（残留物）：磷酸中 Si₃N₄ 的刻蚀速率对刻蚀液温度和局部流体粘度高度敏感。在单片加工工艺中，喷淋引起的热量损失可能导致晶圆表面快速局部冷却并增加酸液粘度，从而严重阻碍反应动力学。残留的 SiN 会充当非预期的掩膜，阻挡后续的阱注入，从而导致局部阈值电压偏移，并降低图像传感器阵列的像素间一致性。
[低] 衬底硅点蚀：SiN 层下方的薄垫氧化层（pad oxide）旨在充当明确的刻蚀停止层，以保护下方的晶体硅。如果由于化学选择性机制失效而发生异常氧化层刻蚀，垫氧化层可能会被完全穿透 （工程实践）。暴露出的裸露硅衬底与热磷酸接触会导致局部晶体学点蚀，引入表面态和缺陷，从而大幅降低未来栅氧化层的可靠性和击穿电压。

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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