40nm BSI CMOS Image Sensor预览

ultrasonic clean

295/ 417

CIS Backside Si, CMP1

CIS Backside Si, CMP2 (target thickness adjust)
292CIS Backside Wafer Surface Grind293CIS Backside Wafer Edge-Grind294ultrasonic clean295CIS Backside Si, CMP1296CIS Backside Si, CMP2 (target thickness adjust)297ultrasonic cleaning

工艺截面图

ISP WaferCIS Wafer · BacksideCMP1 removes grind damage and siliconTHIN · T4 · Backside Si CMP1 (Coarse Polish)SiCESLSiO2CuTaAlSiN

本步要点

在碱性环境下，抛光液中的化学添加剂会迅速氧化并水合暴露出的硅表面，形成一层机械强度显著降低的钝化反应层 。

原理展开

背照式（BSI）CMOS图像传感器需要将硅衬底减薄至极致，以允许光线直接入射到光电二极管区域，而不会受到前段工艺金属布线层的干扰 。在经过整体机械研磨和超声波清洗后，晶圆表面会出现严重的亚表面损伤、加工硬化区以及被称为总厚度偏差（TTV）的形貌变化 。CIS背面硅CMP1步骤是一种高去除率的平坦化工艺，旨在快速剥离这层结构受损的硅层 。通过这种方式，它充当了一个中间过渡环节，为后续高精度的CMP2目标厚度调整准备了一个相对平滑、无损伤且均匀的硅表面

。

硅CMP的核心机制依赖于化学表面软化与机械剪切的动态协同作用 。在碱性环境下，抛光液中的化学添加剂会迅速氧化并水合暴露出的硅表面，形成一层机械强度显著降低的钝化反应层 。悬浮在抛光液中并由抛光垫压向晶圆的纳米级二氧化硅磨料，通过滑动和压痕接触作用于软化层 。材料的去除发生于这些活性磨料对化学改性表面进行塑性犁耕和剪切的过程，而下方的块体晶体则保持不受干扰 。总去除率遵循Preston定律，即材料去除量与施加的下压力以及抛光垫与晶圆之间的相对滑动速度成正比 。

抛光液配方专门加入了去除率增强剂，例如链烷醇胺，以促进硅的快速水合和化学软化 。为防止形成可能堵塞抛光垫的不溶性抛光碎屑，协同引入了碱性氨基酸，通过络合作用来调节和稳定界面反应产物 。选择二氧化硅基磨料是因为其硬度与水合硅层匹配良好，确保了在高效去除的同时不会引起深层的机械划伤 。此外，抛光垫的选择直接影响机械接触应力分布和抛光液流体动力学；结构化抛光垫被用于确保抛光液的均匀输送，并防止导致晶圆不均匀性加剧的局部压力集中 。

在40nm BSI架构中，精确控制背面表面与内置有源像素区域之间的距离对于量子效率和减少光学串扰至关重要 。由于剩余的硅膜极薄，研磨阶段产生的任何残余应力或微裂纹都可能扩展并降低光电二极管的暗电流性能 。因此，CMP1步骤必须仔细平衡高化学去除组分与机械下压力，以最大限度地减少新缺陷的引入 。对抛光液pH值和化学增强剂浓度的精确调节，确保了工艺窗口严格偏向化学软化，从而在最终抛光步骤前抑制任何机械诱导的晶格损伤 。

风险与挑战

  • [High] 严重的晶圆表面划伤：如果化学配方（例如 pH 值或碱性氨基酸络合剂比例）偏离了最佳碱性范围，不溶性的抛光副产物可能会析出并发生团聚 。这些碎片颗粒会堵塞抛光垫的孔隙，充当过大且不受控制的磨料，在晶圆表面拖曳并诱发深层微划痕 。
  • [Medium] 高总厚度变化 (TTV) 和非均匀性：如果施加的抛光压力和相对速度在晶圆表面分布不均，材料去除速率将根据 Preston 方程在空间上发生变化 。此外，抛光垫微观结构的退化会阻碍浆料的均匀输送，导致局部过抛光或欠抛光，从而降低图像传感器阵列的最终结构均匀性 。
  • [Medium] 次表面损伤去除不完全：如果氧化剂和链烷醇胺提供的化学软化速率相对于机械剪切速率不足，CMP 工艺将转向纯物理磨削模式 。在这种条件下，磨料压痕的能量超过了化学改性层的动态硬度，导致机械应力深入晶格内部，从而无法清除上游研磨工艺留下的加工硬化区 。

登录后继续阅读全部 417 步

邮箱注册已有账号登录

相关步骤

  • CIS Backside Wafer Surface Grind
  • CIS Backside Wafer Edge-Grind
  • ultrasonic clean
  • CIS Backside Si, CMP2 (target thickness adjust)
  • ultrasonic cleaning