40nm BSI CMOS Image Sensor预览

ILD 1-2 SiO2 Gap-Fill Deposition

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Pre Litho Cleaning

VIA 1 - Photo
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

ILD1 · Pre Litho CleaningIO/HV gate ox (SiO2; relative thickness shown schematically; IO device not shown in this cross-section)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)SiO2CESLPMD 5 (SiO2)CuTaPMD 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)

本步要点

清洗化学试剂和物理辅助机制的选择，受限于在保护ILD介质特性的同时最大化颗粒去除效率的需求 。

原理展开

在40nm BSI CMOS图像传感器工艺流程中，这一特定的光刻前清洗（Pre Litho Cleaning）步骤充当了双层ILD 1沉积（ILD 1-1和ILD 1-2）与Via 1光刻模块之间的关键桥梁 。与以往处理体硅或栅极材料的光刻前清洗不同，此次迭代必须对新沉积且可能具有纹理的介质表面进行调节 。其目标是获得一个密度和化学成分均匀的原始表面，使整个晶圆达到后续高分辨率光刻系统严格的焦深（DOF）要求 。通过确保无缺陷且化学成分均匀的ILD表面，该步骤保证了Vi

a 1图形的精确转移，这些图形最终将前段工艺（FEOL）组件连接至第一金属层 。

该步骤的物理和化学机制涉及污染物去除与表面钝化 。如果ILD沉积后晶圆表面存在有机或无机污染物，通常会通过基于氧化性或专用清洗溶液的湿法化学处理进行去除 。清洗完成后，晶圆会被加热以驱除可能干扰聚合物附着的残留水分 。脱水后，将诸如六甲基二硅胺烷（HMDS）之类的气态或液态附着力促进剂施加到表面 。HMDS与ILD表面的SiO₂层发生化学反应，形成三甲基化的二氧化硅 。该反应产生了一层高度疏水层，防止水性显影液在随后的光刻周期中渗入光刻胶层与晶圆表面之间 。因此，这种疏水界面防止了小型光刻胶结构脱落，并确保了湿法显影阶段的图形保真度 。

清洗化学试剂和物理辅助机制的选择，受限于在保护ILD介质特性的同时最大化颗粒去除效率的需求 。传统的溶剂型或缓冲型化学试剂必须进行严格调控，因为激进的配方可能会被吸收进介质孔隙中，从而增加介电常数或导致非预期的刻蚀 。为了弥补温和化学试剂的不足，通常利用兆声波在液体中产生空化和微射流，以增强传质并机械性地破坏颗粒附着，同时不损伤衬底 。温度和兆声功率等工艺参数必须严格控制；升高的温度虽然加速了溶解动力学，但同时增加了化学物质渗入介质基体的风险 。

在纳米尺度技术节点，光刻工艺流程对光刻胶厚度均匀性和光学焦深等工艺参数高度敏感 。由于图形化晶圆上的沉积后形貌天然是不均匀的，且取决于底层几何结构，因此清洗步骤绝不能加剧这种形貌差异 。此外，在纳米尺度过孔图形显影过程中存在的毛细管力会导致光刻胶塌陷的高风险 。因此，通过施加HMDS对表面自由能进行精确调节，成为在ILD进行高各向异性干法刻蚀之前保持光刻胶掩膜结构完整性的决定性因素 。

风险与挑战

  • [高] 光刻胶脱落（附着力失效）：脱水不足或 HMDS 覆盖不充分会在 ILD 表面留下未反应的硅醇基团 。这使得显影液能够渗透到光刻胶与电介质之间的界面，导致亚波长通孔图案在显影过程中发生脱落或剥离 。

  • [中] 电介质常数退化：使用过于激进的有机溶剂或清洗剂可能导致化学物质被吸收进入 ILD 结构中 。如果清洗液渗透到电介质基质中，可能会引入极性基团或水分，从而永久性地升高 k 值并导致互连电容性能退化 。

  • [中] 通孔图案散焦：未能清除纳米级颗粒或有机残留物会在 ILD 表面产生局部形貌变化 。这些变化会干扰后续光刻胶的旋涂过程，导致厚度不均匀，使得局部曝光面超出 纳米尺度 光刻系统有限的焦深范围 。

  • [低] 基底粗糙化：过度暴露于碱性或缓冲清洗化学品中可能会诱发对 ILD 1-2 氧化层不希望发生的各向同性湿法刻蚀 。这种粗糙化会改变基底的光学反射率，可能干扰光刻过程中的空间像形成，并降低关键尺寸（CD）的控制能力 。

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相关步骤

  • ILD 1-1 SiCN Barrier Deposition
  • ILD 1-2 SiO2 Gap-Fill Deposition