40nm BSI CMOS Image Sensor预览

SACOX Removal

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Thin Gate Oxide Growth

Nitride Hard Mask Deposition
69Sacrificial Oxidation70SACOX Removal71Thin Gate Oxide Growth72Nitride Hard Mask Deposition73Pre Litho Cleaning74Thick Gate Oxide - Photo75Nitride Hard Mask Etch76Ashing & Strip/Clean77Thick Gate Oxide Growth78Nitride Hard Mask Removal

工艺截面图

DGOX · DGOX3 · Thin Gate Oxide Growthgate ox (SiO2, thermal)VT adjust (11B+, periphery channel)SiO2 liner (SACVD)SiO2 (SACVD bulk fill)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+)SiNN-well (periphery, 31P+)SiP-well (implanted region)

本步要点

薄栅氧化层生长步骤建立了通过扩散形成的硅-二氧化硅界面,从而实现核心低压逻辑晶体管的运行 。

原理展开

在纳米尺度双栅氧化层(DGOX)集成方案中,薄栅氧化层生长步骤是核心低压逻辑晶体管的关键基础 。在彻底去除牺牲氧化层以确保获得原始且无损伤的硅表面后,该步骤会热生长一层超薄介质层 。此过程与随后的厚栅氧化层生长步骤有着根本区别,因为薄氧化层经过严格优化,旨在最大化核心逻辑电路的栅电容和驱动电流,而非为了承受I/O或像素阵列晶体管更高的工作电压 。在此步骤之后,沉积一层氮化物硬掩膜,以便在后续的厚氧化层光刻和剥离工序中选择性地保护这些薄氧化层区域 (工程实践)。其物理生

长机制依赖于氧化物质通过生长中的氧化层扩散,并与下方的硅衬底发生反应 。在这种超薄范围内,氧化动力学显著偏离了经典的Deal-Grove线性-抛物线模型,表现出异常且快速的初始生长速率 。同时,硅向SiO₂的转化涉及显著的体积膨胀,这不可避免地会在SiO₂/Si界面附近引入强烈的物理压应力和结构畸变 。这种局域化的界面应力使得Si–O–Si键角偏离了其最佳稳定构型,从本质上削弱了网络结构并决定了该介质的最终击穿特性 。与化学沉积介质相比,热生长二氧化硅因其优异的界面质量和明确的缺陷特性,被优先用于此步骤 。为了减轻生长诱导应力的不利影响,必须精确调节氧化温度和生长速率等工艺参数 。较高的氧化温度和较慢的生长速率可以通过非晶氧化物网络的宏观粘性流动促进应力松弛,从而减少结构无序,并抑制电学操作下应力增强的Si–O–Si键断裂 。减小该物理厚度对于增加栅电容至关重要,这直接提高了导通状态下的驱动电流,并改善了对阈值电压滚降的静电控制 。对于40nm BSI CMOS图像传感器技术而言,该薄栅氧化层的微缩面临着严格的量子力学和热力学边界 。随着介质厚度接近纳米尺度,载流子位于距界面有限的量子力学距离处,直接量子隧穿效应导致栅极漏电流呈指数级增加 。因此,集成该步骤需要仔细平衡热预算,以确保在不诱导先前注入的有源阱发生过度掺杂扩散的情况下,实现充分的应力松弛 。保持该层的结构完整性至关重要,因为应力诱导的缺陷产生直接导致陷阱积累及灾难性的与时间相关的介质击穿(TDDB) 。

风险与挑战

  • [高] 时间相关介电击穿 (TDDB) 退化:热氧化过程中的体积膨胀会在 Si/SiO₂ 界面处诱导产生高压应力,从而改变并削弱 Si-O-Si 键角 。如果氧化温度不足以通过粘性流动(viscous flow)实现应力松弛,则在 Fowler-Nordheim 或直接隧穿条件下的高能电子极易打断这些受应力的化学键,产生 Si-Si 缺陷,导致氧化层过早击穿 。

  • [高] 指数级栅极隧穿漏电:如果热氧化工艺导致氧化层厚度低于目标超薄阈值,电子穿过势垒的量子力学直接隧穿概率将呈指数级增加 。该机制会严重恶化关断状态下的亚阈值特性,并导致核心逻辑器件的静态功耗呈指数级上升 。

  • [中] 晶圆内厚度不均匀性:在超薄氧化层生长区间(通常 <纳米尺度),氧化动力学将严重偏离线性-抛物线模型,并表现出极快的初始生长阶段 。温度升温速率或反应气体分压的微小波动均可能导致严重的中心至边缘厚度梯度,直接影响器件阈值电压的分布 。

  • [中] 界面陷阱产生(氮化物硬掩模相互作用):在完成该薄氧化层生长后,需立即沉积氮化物硬掩模;若此步骤之间存在任何延迟或污染,可能会在顶部界面引入外来杂质或结构无序 。这些缺陷可作为局部电荷捕获中心,扰动有效表面势并降低沟道中的载流子迁移率 。

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相关步骤

  • Sacrificial Oxidation
  • SACOX Removal
  • Nitride Hard Mask Deposition
  • Pre Litho Cleaning
  • Thick Gate Oxide - Photo
  • Nitride Hard Mask Etch