40nm BSI CMOS Image Sensor预览

Ashing

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Strip & Cleaning

Ta-based liner deposition
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工艺截面图

V5 · Strip & 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)SiO2CESLCuTaPMD 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)

本步要点

剥离和清洗步骤从低 k 沟槽表面去除残留的聚合物和污染物,以确保金属的均匀沉积并防止电气短路 。

原理展开

剥离和清洗步骤紧随 MET6 沟槽灰化工艺之后,旨在为后续的 Ta 基衬层和 Cu 种子层沉积做好准备 。灰化主要用于去除大部分有机光刻胶,但往往会留下前序基于碳氟化合物的介质刻蚀过程中产生的高度交联的碳氟聚合物残留物 。如果这些刻蚀后残留物残留在沟槽侧壁上,它们会严重降低后续 Ta 阻挡层的附着力,并增加通孔底部的接触电阻 。因此,该湿法清洗步骤对于实现原始洁净的表面至关重要,从而确保 Cu 互连的结构完整性和电气性能 。清洗机制依赖于化学溶解与结构改性的结

合,以剥离牢固附着的聚合物和有机金属残留物 。等离子体刻蚀过程中形成的碳氟聚合物会产生致密的、富含 C-F 的网络结构,传统的有机溶剂难以渗透 。为了克服这一问题,先进的剥离配方利用特定的溶剂化学成分或氧化性水溶液成分,从化学上分解残留物 。在某些集成方案中,会在清洗前或清洗过程中引入紫外线 (UV) 辐射,以诱导 C-C 键和 C-F 键的光化学断链,降低聚合物主链的交联密度,并引入极性基团以增强溶剂的润湿性 。清洗液中的氧化剂(如铵盐)也可用于溶解金属残留物,而伯烷基胺等缓蚀剂会选择性地吸附在暴露的金属表面,以防止不必要的刻蚀 。清洗化学品的选择必须在实现高残留物去除效率与保证其对超低 k (ULK) 介质及暴露的互连材料的严格兼容性之间取得平衡 。通常选用包含有机溶剂、缓冲剂和金属螯合剂的水性或半水性混合物,以络合溶解的金属离子并防止其在晶圆表面再沉积 。然而,由于低 k 介质依赖纳米孔隙率来降低互连电容,它们极易受到水分和化学物质的渗透影响 。如果清洗溶剂或水的分子尺寸小于介质的互连孔隙,流体将渗透进薄膜中,导致 k 值不必要地升高,并降低扩散阻挡性能 。因此,必须严格控制化学品浓度、槽温和浸泡时间等工艺参数,以在不引起介质退化或金属互连腐蚀的前提下最大化清洗良率 。在 40nm BSI CMOS 图像传感器中,BEOL 互连的剧烈微缩加剧了残留物去除与介质保护之间的权衡 。随着沟槽尺寸的缩小,狭窄沟槽内的毛细管力使得化学物质的输送和副产物的排出变得愈发困难 (工程实践)。此外,该节点所使用的低 k 材料机械强度降低且孔隙率更高,使得它们在湿法清洗过程中极易受到化学侵蚀 。复杂 3D 结构的集成(例如用于正面到背面信号路由的深通孔)进一步要求采用高选择性和高渗透性的清洗工艺,以确保无缺陷的金属化 。

风险与挑战

  • [高] Low-k 电介质退化(水分/溶剂吸收):如果孔径与溶剂分子大小相当,纳米多孔 Low-k 电介质容易吸收水分和清洗溶剂 。这种渗透过程会去除末端有机基团并将高极性分子引入基质中,从而从根本上增加了介电常数并降低了互连结构的电气可靠性 。

  • [高] 氟聚合物残留去除不完全:在前道沟槽刻蚀过程中产生的高度交联 C-F 聚合物天然耐受传统的湿法清洗化学品 。侧壁或通孔底部残留的残留物会形成界面阻挡层,阻止 Ta 基衬垫的保形沉积,从而导致附着力差并大幅增加通孔接触电阻 。

  • [中] 金属互连腐蚀:如果 pH 值和氧化电位未经过仔细缓冲,清洗配方中的强氧化剂可能会从热力学角度攻击下层暴露的金属 。如果没有足够浓度的表面吸附型缓蚀剂(如伯烷基胺),则会发生金属插头或线路的不可控化学溶解 。

  • [低] 图形倒塌或机械损伤:在最终干燥阶段,清洗溶液蒸发时的表面张力所产生的机械应力会对沟槽侧壁施加横向力 (工程实践)。如果这些力超过了高孔隙率 Low-k 电介质的机械屈服强度,就会导致沟槽结构的物理变形甚至彻底倒塌 。

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