40nm BSI CMOS Image Sensor预览

Ta-based liner deposition

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Pre Litho Cleaning

Metal 7 Bond Pad - Photo
245Bond Pad Cavity - Photo246ILD 6-2 Oxide Etch247ILD 6-1 SiCN Etch248ILD 5-2 Oxide Etch249ILD 5-1 SiCN Etch250ILD 4-2 Oxide Etch251ILD 4-1 SiCN Etch252ILD 3-2 Oxide Etch253Ashing & Strip/Clean254Ta-based Bottom Barrier deposition255Metal 7 Al Metal Deposition256Ta-based liner deposition257Pre Litho Cleaning258Metal 7 Bond Pad - Photo259Ta-Barrier etch260Al Metal Etch261Ta-Barrier etch262Ashing & Strip/Clean

工艺截面图

BONDPAD · B13 · Pre Litho Cleaninggate ox (SiO2, thermal)IO/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)SiO2CESLAlCuTaPMD 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)

本步要点

溶剂或温和的水性试剂会渗透有机残留物,使其网络溶胀并破坏分子间相互作用,从而实现其从金属表面的剥离 。

原理展开

该晶圆最近完成了 Metal 7 Al 叠层的沉积,其中包括底部的 Ta 阻挡层、主体 Al 金属以及顶部的 Ta 衬层(工程实践)。在进行 Bond Pad 光刻胶涂布之前,晶圆必须经过光刻前清洗(Pre Litho Cleaning)步骤以处理表面 。该步骤旨在消除可能干扰光刻聚焦和光刻胶附着力的空气分子污染物、有机残留物及颗粒物 。与早期的前段工艺清洗不同,这一特定步骤是在封装模块中高度反射的多层金属叠层上进行的,其主要挑战在于如何在不引起保护性 Ta 衬层局部腐

蚀的情况下,实现亚微米颗粒的去除 。

该湿法清洗步骤的核心机制依赖于化学溶解与物理机械力的结合 。溶剂或温和的水性试剂会渗透有机残留物,使其网络溶胀并破坏分子间相互作用,从而实现其从金属表面的剥离 。化学溶解速率遵循 Arrhenius 型动力学,其中升高温度可通过降低溶剂与残留物相互作用的活化能势垒,使反应速率呈指数级增加 。为解决颗粒污染问题,该设备利用流体动力学和界面物理学,通过施加搅动或高速喷淋来减薄停滞边界层 。这增强了对流传质并产生机械剪切力,从而克服了颗粒与基底之间的范德华附着力(工程实践)。

此步骤的材料选择严格避免使用高氧化性或强酸性混合物,因为这些物质会化学侵蚀 Ta 衬层及其下方的 Al 。如果保护性金属表面受损,铝焊盘会迅速形成由非金属氧化物和氢氧化物组成的多层腐蚀皮 。此类腐蚀层会阻碍原子扩散,并抑制后续封装步骤中金属间化合物的形成,从而导致高接触电阻和可靠性失效 。此外,不当的化学品选择会导致金属离子溶解到清洗液中并随后重新沉积,形成凹坑和突起,从而降低表面形貌质量 。因此,需优化喷淋压力、流体温度和化学品浓度等工艺参数,以在保持金属叠层结构完整性的同时,最大化颗粒去除的碰撞因子 。

对于 40nm BSI CMOS 图像传感器,Bond Pad 图形化需要精确的临界尺寸(CD)控制,以确保与先进封装方案的可靠集成 。即使是轻微的表面形貌变化或残留的亚微米颗粒,也可能导致光刻胶厚度不均匀,从而在光刻过程中引发焦深问题(工程实践)。因此,必须严格控制干燥步骤,以防止由表面能最小化和毛细管力驱动的颗粒形成 。

风险与挑战

  • [高] 光刻胶附着失效与微掩膜 (Micro-masking):由于溶剂温度不足或机械搅拌力度不够,导致有机残留物或颗粒未能彻底清除,在晶圆表面形成了物理屏障 。这些残留物会破坏光刻胶涂层的均匀性,并在随后的 Ta/Al 刻蚀过程中充当微掩膜,导致出现非预期的金属残留物(即金属“毛刺”)(Engineering Practice)。

  • [中] 金属表面点蚀与凸起:如果清洗化学药剂导致金属过度溶解,带电的金属离子会溶解到溶液中,并重新沉积在芯片表面 。这种动态过程会产生微观的点蚀和凸起,从而降低高良率光刻所需的表面均匀性 。

  • [中] 铝腐蚀层的形成:如果清洗工艺侵蚀了顶部的 Ta 衬垫层,下层的 Al 金属就会暴露在清洗液和周围环境中 。这种暴露会导致形成一层包含氧化物和氢氧化物的复杂腐蚀皮层,这会严重限制原子扩散,并在最终封装过程中导致高接触电阻 。

  • [低] 干燥过程中的颗粒再沉积:流体剪切不稳定性或欠佳的漂洗程序可能导致悬浮颗粒重新沉淀到晶圆上 。这种再沉积现象受最终干燥阶段的表面能最小化和毛细管力控制,直接增加了缺陷率 。

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相关步骤

  • Bond Pad Cavity - Photo
  • ILD 6-2 Oxide Etch
  • ILD 6-1 SiCN Etch
  • ILD 5-2 Oxide Etch
  • ILD 5-1 SiCN Etch
  • ILD 4-2 Oxide Etch