40nm BSI CMOS Image Sensor预览

Pre Litho Cleaning

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METAL 1 TRENCH - Photo

PMD 5 Oxide Etch
151METAL 1 TRENCH - Photo152PMD 5 Oxide Etch153PMD 4 Oxide Etch154Ashing & Strip/Clean155Ta-based liner deposition156Cu Seed deposition157Metal 1 Cu deposition158Cu CMP159Ta-based liner CMP160Post CMP Cleaning161ILD 1-1 SiCN Barrier Deposition162ILD 1-2 SiO2 Gap-Fill Deposition163Pre Litho Cleaning164VIA 1 - Photo165ILD 1-2 Oxide Etch166ILD 1-1 SiCN Etch167Ashing & Strip/Clean

工艺截面图

MET1 · Trench Litho (resist on field, windows over trench)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)PRPMD 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)gate ox (SiO2, thermal)IO/HV gate ox (SiO2; relative thickness shown schematically; IO device not shown in this cross-section)

本步要点

光刻胶厚度的选择涉及机械和化学性质的严格权衡；较厚的光刻胶可为随后的氧化层刻蚀提供足够的掩蔽裕量，但会显著增加显影特征的纵横比 。

原理展开

METAL 1 TRENCH - Photo 步骤是一项关键的后段工艺（BEOL）光刻工序，用于定义 40nm CMOS 图像传感器流程中的第一层主要横向布线层 。该步骤位于 Pre Litho Cleaning（光刻前清洗）之后、PMD Oxide Etch（PMD 氧化层刻蚀）之前，旨在对金属间介质堆栈进行图案化，为铜金属化工艺做准备 。与此前定义通往衬底的深窄垂直连接的接触孔开口步骤（如 M0 Gate 和 S/D Contact）不同

，M1 Trench 步骤用于定义水平导电路径 。此外，它与 Frontside Deep Trench 和 STI 光刻也不同，后者是旨在进行衬底硅隔离而非介质层信号布线的前段工艺（FEOL）。由于缺乏挥发性副产物，铜的干法刻蚀极不切实际，因此必须先采用大马士革（damascene）工艺在介质中定义沟槽图案，随后进行金属沉积和平面化 。该光刻步骤的物理机制遵循瑞利（Rayleigh）分辨率公式，其中最小可打印特征尺寸取决于曝光波长、透镜数值孔径以及工艺因子 $k_1$ 。为了解析 40nm 节点的密集特征，通常使用 纳米尺度 浸没式光刻技术来有效缩短波长并增大数值孔径 。在曝光过程中，空间像对比度决定了化学放大光刻胶内光酸生成的空间分布，进而决定了显影阶段的聚合物溶解速率（工程实践）。为了补偿诸如衍射引起的线条末端缩短和拐角圆化等光学畸变，需在光掩模上应用光学邻近校正（OPC）来重塑原始设计图案 。在通孔优先（via-first）的双大马士革集成方案中，底层通孔必须在沟槽光刻前填充牺牲性平坦化材料，例如有机底部抗反射涂层（BARC）。这种平坦化对于保持光刻胶厚度均匀并使整个曝光场保持在受限的光学焦深范围内至关重要 。此外，抗反射涂层能抑制底层衬底光学反射产生的驻波，从而确保光刻胶侧壁轮廓平直（工程实践）。光刻胶厚度的选择涉及机械和化学性质的严格权衡；较厚的光刻胶可为随后的氧化层刻蚀提供足够的掩蔽裕量，但会显著增加显影特征的纵横比 。高纵横比的光刻胶线条在机械上是不稳定的，且在显影后清洗过程中极易因毛细管力作用而发生图案坍塌 。在 40nm 节点，精确控制沟槽的关键尺寸（CD）至关重要，因为尺寸偏差会直接改变最终铜线的横截面积，从而改变互连电阻和寄生层间电容 。由于先进制程中的互连线深受尺寸效应和边界电子散射的影响，最大限度地扩大工艺窗口以保持 CD 一致性对于良率至关重要 。如果光刻工艺控制不严，这些几何形状的偏差会加剧 RC 延迟和信号串扰，而这些正是限制高速器件性能的主要瓶颈 。

风险与挑战

  • [高] 图形坍塌 (Pattern Collapse)：高深宽比的光刻胶线条在显影后的水洗干燥阶段会受到强大的毛细管力作用，导致结构变形或完全坍塌 。这种失效会在物理上阻挡后续的介质刻蚀，造成沟槽图形缺失及电气开路 。

  • [中] 焦深 (DOF) 退化：如果下层的通孔 (via) 未能被牺牲性 BARC 材料完全填充，局部形貌的变化将导致涂覆的光刻胶不再平坦 。这会使晶圆上的局部区域在曝光过程中偏离光学焦平面，从而降低空间像对比度，并导致严重的临界尺寸 (CD) 变化 。

  • [中] 光刻套刻对准偏差 (Lithography Overlay Misalignment)：M1 沟槽曝光过程中的套刻误差会改变沟槽相对于预先存在的通孔或接触孔的空间位置 。这种对准偏差会减小通孔到沟槽的接触面积，导致界面接触电阻急剧增加，并引入不对称的介质间距，从而影响 RC 延迟的可预测性 。

  • [低] 光刻胶中毒 (Photoresist Poisoning)：含氮介质层或底层的间隙填充材料可能会释放出碱性胺类污染物，并扩散进入化学放大光刻胶中 。这些碱性分子会中和曝光过程中产生的光酸，在局部抑制光刻胶的显影速率，并在预期的沟槽开口处留下聚合物残渣，进而阻挡等离子体刻蚀 。

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相关步骤

  • PMD 5 Oxide Etch
  • PMD 4 Oxide Etch
  • Ashing & Strip/Clean
  • Ta-based liner deposition
  • Cu Seed deposition
  • Metal 1 Cu deposition