40nm BSI CMOS Image Sensor预览

ILD 6-2 Etch

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ILD 6-1 Etch

Ashing & Strip/Clean
268METAL 8 (DBI Pad) TRENCH - Photo269ILD 6-6 (WBL) Etch270ILD 6-5 Etch271Ashing & Strip/Clean272VIA 7 (DBI Via) - Photo273ILD 6-5 Etch274ILD 6-4 Etch275ILD 6-3 Etch276ILD 6-2 Etch277ILD 6-1 Etch278Ashing & Strip/Clean279Ta-based liner deposition280Cu Seed deposition281Metal 6 Cu deposition282Cu CMP283Ta-based liner CMP284Final Oxide CMP285Post CMP Cleaning

工艺截面图

DBI · D10 · ILD 6-1 Etchgate 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)PRSiO2CESLAlCuTaPMD 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

基于氟自由基的干法刻蚀会导致暴露的介质侧壁发生局部氟化,形成氟硅玻璃(FSG)结构,这有效地降低了局部介电常数并改善了阻容(RC)延迟性能 。

原理展开

ILD 6-1刻蚀是直接键合互连(DBI)模块多阶段介质图形化序列中的最后一步干法刻蚀步骤 。在完成从 ILD 6-4 到 6-2 的工艺后,结构的上方沟槽和通孔几何形状已定义完成,而这一最后步骤通常用于完成通孔开口并穿透底部刻蚀停止层,以露出下方的金属焊盘或触点 。在此阶段进行精确的图形转移至关重要,因为后续步骤涉及灰化、清洗以及 Ta 基衬垫和 Cu 种子层的沉积 。通过确保触点开口完全清除且轮廓良好,此步骤可保证后续

阻挡层和种子层具有最佳的几何共形性,从而最大限度地降低接触电阻并确保可靠的 Cu 电镀效果 。

ILD 刻蚀的物理机制依赖于中性自由基驱动的化学反应与高密度氟碳等离子体提供的物理离子轰击之间的协同效应 。等离子体中产生的氟原子和 CFx 自由基与硅基介质表面发生化学反应,形成挥发性副产物(如 SiF4),这些副产物被持续从腔室中抽走 。同时,定向离子轰击加速了键合断裂并促进了这些反应产物的解吸,从而保持了各向异性轮廓 。然而,该工艺必须严格控制绝缘侧壁上的微分充电效应 。当离子进入高深宽比特征时,掩膜和介质表面上的电荷积累可能会建立横向电场 。这些电场会将入射离子偏转至侧壁,从而可能损坏保护性钝化层并导致轮廓弯曲 。为应对这一问题,等离子体中的富碳物质在刻蚀过程中会在侧壁上沉积一层保护性的聚合物钝化层,以平衡各向异性并最大限度地减少侧向侵蚀 。

选择氟碳气体化学成分(例如 CF4、CHF3)是因为它们在 SiO2、低 k 介质和氮化硅刻蚀停止层之间提供了高度可调的刻蚀选择比 。调节进气中的氢碳比可改变刻蚀与聚合物沉积之间的平衡;例如,聚合气体有助于建立侧壁钝化层,以维持特征的关键尺寸(CD) 。此外,基于氟自由基的干法刻蚀会导致暴露的介质侧壁发生局部氟化,形成氟硅玻璃(FSG)结构,这有效地降低了局部介电常数并改善了阻容(RC)延迟性能 。

偏置功率等工艺参数直接控制轰击离子的动能 。较高的偏置功率可增强垂直各向异性,但会加剧掩膜侵蚀,并在沟槽底部引入潜在的等离子体诱导损伤 。在 纳米尺度 技术节点,严格的套刻对准和 CD 余量要求采用先进的互连对准技术,例如使用自对准通孔和多重刻蚀停止层 。由于经典的多层掩膜会引入显著的工艺复杂性和边缘粗糙度,因此需要精确控制刻蚀化学成分,以便在下方的界面处完美终止刻蚀,而不会过度刻蚀到相邻结构中 。此外,为了减轻缩减尺寸器件中的亚阈值漏电和静态功耗问题,必须严格控制后段工艺的热预算和等离子体损伤,以防止下方有源器件性能退化 。

风险与挑战

  • [High] 形貌弯曲(Bowing)与 CD 失真:由高密度等离子体刻蚀过程中绝缘侧壁上的微分电荷效应引起 。积累的电荷产生横向电场,使入射离子发生偏转,导致离子以掠射角撞击侧壁,从而刻蚀钝化层并产生弯曲的形貌 。

  • [Medium] 刻蚀停止层未能完全击穿(断路):如果对底层刻蚀停止层或互补介质填充的刻蚀选择比过高,或者离子能量不足以击穿界面层,则会发生此现象 。这会在通孔底部残留介质材料,导致后续的衬层(liner)和金属无法与下方的焊盘形成直接的电气接触 。

  • [Medium] 氟化导致的介质可靠性下降:虽然受控的氟化可以通过形成 FSG 来改善 RC 性能,但过量的氟掺入会削弱硅-氧网络 。这会导致材料吸湿性增加,在随后的湿法清洗或 CMP 步骤中吸收水分,最终提高介电常数并导致可靠性失效 。

  • [Low] 等离子体损伤引起的接触电阻变化:过刻蚀阶段的高能离子轰击可能会导致表面损伤,或改变暴露出的底层金属焊盘的化学计量比 。尽管后续的湿法清洗可以缓解这一问题,但残留的不挥发聚合物或非晶层可能会严重增加最终互连结构的界面电阻 。

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