40nm BSI CMOS Image Sensor预览

Thick Gate Oxide Growth

78/ 417

Nitride Hard Mask Removal

As-doped PolySi 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 · DGOX10 · Nitride Hard Mask Removal (Dual GOX Final)gate ox (SiO2, thermal)IO/HV gate ox (SiO2; relative thickness shown schematically; IO device not shown in this cross-section)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

湿法刻蚀选择性地去除氮化硅硬掩模,露出下层硅,而不会损伤薄栅氧或改变表面粗糙度 。

原理展开

在40nm CMOS图像传感器的双栅氧(DGOX)模块中,氮化硅硬掩模用于在厚栅氧的局部生长过程中保护特定区域 。一旦厚热氧化层生长完成以满足高压操作要求,必须将保护性氮化硅硬掩模完全去除,从而露出下层区域以进行后续的栅极堆叠形成 。此步骤紧接在掺砷PolySi沉积之前,以确保栅电极能够与原始栅介质直接接触,中间无牺牲层干扰 。与基于机械平坦化的CMP氮化物去除或氧化物硬掩模去除不同,该特定湿法刻蚀步骤完全依赖化学选择性来剥离氮化物,且不会降低极薄栅氧的质量或改变硅表面的粗糙度 [

P1]。

氮化硅硬掩模的去除采用高温磷酸(H3PO4)湿法刻蚀工艺,该工艺利用了Si3N4与SiO2在溶解度上的热力学差异 。其基本化学机理涉及氮化硅在热酸中的水解,产生可溶性的原硅酸(Si(OH)4) 。该过程由可逆脱水反应控制,其中Si(OH)4可以转化为固态二氧化硅(SiO2)和水 。根据勒夏特列原理(Le Chatelier's principle),在刻蚀液中维持特定浓度的硅酸会改变反应平衡,从而抑制SiO2的溶解,进而形成一个极高效率的刻蚀停止层 。这种热力学平衡确保了在氮化物被完全挥发或溶解的同时,底层及邻近的栅氧层得以保留 。

热磷酸被明确选择用于此步骤,是因为其本质上对Si3N4相对于SiO2具有极高的刻蚀选择性,这一特性在半导体制造中得到了广泛应用 。虽然利用含氟碳等离子体的干法刻蚀可以通过聚合物钝化动力学实现一定的选择性 ,但此处更倾向于使用湿法刻蚀,以彻底消除等离子体诱导损伤或离子轰击对敏感栅氧结构的风险 。

在先进节点中,该工艺通常会转向单片晶圆处理设备,以加强颗粒控制并减少交叉污染 。然而,旋转速度、浸润时间(puddle time)和化学品温度等工艺参数必须紧密耦合,以管理热量和质量传递 。温度是最关键的控制参数;提高刻蚀液温度会加速氮化物的反应动力学,但会反向降低Si(OH)4的稳定性,从而增加非预期SiO2沉淀的风险并导致选择性丧失 。

对于40nm BSI CMOS图像传感器而言,保持亚阈值特性并最大限度降低漏电流对于器件性能至关重要 。在去除氮化硅硬掩模过程中,任何氧化层的损耗都会直接改变有效氧化层厚度,进而调节阈值电压并改变反型层电荷密度 。因此,有时会在单片晶圆工具中实施设备改造,例如加装晶圆上方加热板,以防止酸液喷淋过程中的局部冷却,确保晶圆表面的反应平衡均匀,并防止栅介质厚度出现微观差异 。

风险与挑战

  • [高] 栅极氧化层变薄:如果磷酸温度波动或原硅酸浓度下降,热力学平衡会发生偏移,导致蚀刻剂侵蚀暴露的 SiO₂ 层 。栅极介电层这种局部变薄会增加氧化层上的平均垂直电场,从而加速表面散射并降低载流子表面迁移率 。
  • [高] 介电质析出缺陷:高温蚀刻会降低副产物 Si(OH)₄ 的溶解度,引发可逆脱水反应,在晶圆表面析出固体 SiO₂ 颗粒 。这些残留物在随后的掺砷 PolySi 沉积过程中充当微掩模缺陷,导致栅电极出现局部结构异常 。
  • [中] 残留氮化物掩模:单片加工过程中的热量损失(特别是喷淋引起的冷却)会降低热磷酸的局部动力学反应速率 。氮化硅去除不完全会留下局部介电屏障,干扰底层 MOS 晶体管所需的精确阈值电压控制 。
  • [低] 硅衬底点蚀:如果氮化物硬掩模被完全清除,且底部的垫氧化层过薄或有缺陷,蚀刻剂可能会穿透氧化层并化学侵蚀硅衬底,这类似于在碱性溶液中观察到的各向异性蚀刻行为 。这种增强的界面粗糙度会降低亚阈值摆幅并增加漏电流,从根本上限制了器件速度与功耗之间的物理平衡 。

登录后继续阅读全部 417 步

邮箱注册已有账号登录

相关步骤

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