Ashing - 40nm BSI CMOS Image Sensor 40nm 工艺步骤

灰化工艺必须在有效挥发大块光刻胶的同时，保持新刻蚀 low-k 沟槽的几何形状和化学完整性。

在 ILD 5-2 氧化物刻蚀在 low-k 电介质中形成 MET6 沟槽后，必须在金属化之前彻底清除光刻胶掩膜。这一灰化步骤是主要的有机物清除工艺，使晶圆从电介质图形化过渡到 Ta 基衬层和 Cu 种子层沉积的准备阶段。如果光刻胶未被完全清除，后续的 Ta 衬层沉积将导致附着力差和接触电阻高。因此，灰化工艺必须在有效挥发大块光刻胶的同时，保持新刻蚀 low-k 沟槽的几何形状和化学完整性。等离子体灰化利用等离子体源产生单原子活性物种（如氧或氟），这些物

种与光刻胶结合形成挥发性灰分。这些挥发性副产物随后通过腔室的真空泵排出。该反应依赖于协同耦合，其中中性自由基主导光刻胶的化学分解，而离子提供必要的活化能。然而，由于底层的 ILD 5-2 是一种通常含有碳以降低互连电容的 low-k 电介质，纯氧等离子体会剧烈侵蚀该薄膜。这种氧化作用由于 low-k 材料的机械强度较低而造成损伤，导致介电常数出现不希望的增加。为减轻此影响，化学机制转向还原性化学工艺，例如 N2/H2 基等离子体，该工艺可以在不严重氧化电介质基体的情况下剥离光刻胶。选择中等密度等离子体（如电容耦合等离子体 (CCP) 刻蚀机）有助于最大限度地减少对脆弱 low-k 电介质的物理离子轰击损伤。必须仔细平衡包括气体成分和 RF 功率在内的等离子体参数，以在抑制充电损伤的同时保持足够的灰化速率。相比传统的氧气工艺，专门选用的还原性化学工艺旨在保护多孔结构，并维持先进电路所需的低 RC 延迟。调节偏置电压有助于控制活性物种的定向动能，确保主要反应保持在光刻胶层内。灰化后，仍需进行湿法剥离和清洗步骤，以清除单靠等离子体无法挥发的高度交联的有机金属聚合物和溅射残留物。在 40nm 节点，超低 k 电介质的使用缩小了工艺窗口，使得互连结构极易受到等离子体诱导损伤。在此尺度下，MET6 沟槽呈现高深宽比，要求活性自由基在不提前复合的情况下深入扩散到受限几何结构中 （工程实践）。此外，必须进行严格的缺陷控制，以避免在后续势垒/种子层沉积过程中出现金属微掩膜效应。因此，灰化工艺必须实现大块光刻胶的完全去除，同时留下一层无损伤、无残留的 low-k 表面，以确保大马士革结构中铜填充的可靠性。

[高] Low-k 电介质退化：氧等离子体或高能离子轰击会消耗 Low-k 电介质基质中的碳，使其转变为介电常数更高、机械强度较弱的氧化层。这种退化会导致互连电容增加（RC 延迟）并损害结构完整性。
[高] 光刻胶去除不完全：活性自由基通量不足或工艺时间不足会在沟槽侧壁上留下光刻胶残留物。这些残留物会阻碍后续 Ta 基衬层的正确粘附，导致接触电阻增加并可能引发可靠性故障。
[中] 沟槽轮廓变形 (Wiggling)：应力释放与等离子体对 Low-k 电介质机械强度的损伤相结合，会导致沟槽侧壁出现蜿蜒（Wiggling）或鼓包现象。这种结构屈曲最终会在随后的铜电镀步骤中引发空洞形成。
[低] 等离子体诱导充电损伤：介电表面积聚的带电离子会产生强局部电场。如果未通过工艺调节进行有效耗散，这些电场可能会使下层电介质层退化，或导致精细的 BEOL 结构发生击穿。

灰化工艺必须在有效挥发大块光刻胶的同时，保持新刻蚀 low-k 沟槽的几何形状和化学完整性。

[高] Low-k 电介质退化：氧等离子体或高能离子轰击会消耗 Low-k 电介质基质中的碳，使其转变为介电常数更高、机械强度较弱的氧化层。这种退化会导致互连电容增加（RC 延迟）并损害结构完整性。
[高] 光刻胶去除不完全：活性自由基通量不足或工艺时间不足会在沟槽侧壁上留下光刻胶残留物。这些残留物会阻碍后续 Ta 基衬层的正确粘附，导致接触电阻增加并可能引发可靠性故障。
[中] 沟槽轮廓变形 (Wiggling)：应力释放与等离子体对 Low-k 电介质机械强度的损伤相结合，会导致沟槽侧壁出现蜿蜒（Wiggling）或鼓包现象。这种结构屈曲最终会在随后的铜电镀步骤中引发空洞形成。
[低] 等离子体诱导充电损伤：介电表面积聚的带电离子会产生强局部电场。如果未通过工艺调节进行有效耗散，这些电场可能会使下层电介质层退化，或导致精细的 BEOL 结构发生击穿。

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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