40nm BSI CMOS Image Sensor预览

298Oxide hard mask deposition 299Pre Litho Cleaning 300Backside Passivation Implant Mask Lithography 301Back Passivation Ion Implantation 302Ashing & Strip/Clean 303Oxide hard mask etch 304Vacuum Bake 305Rapid Thermal Processing 306RF Plasma 307HKD/AR1 AlO deposition 308HKD/AR2 TaO deposition 309BPMD SiO Deposition

工艺截面图

本步要点

该清洗工艺从根本上改变了表面状态，以促进光刻胶的粘附并消除导致缺陷的颗粒。

原理展开

在 40nm BSI CMOS 图像传感器工艺流程中，背面钝化对于降低减薄硅界面处的暗电流和表面复合至关重要。在晶圆完成背面减薄和氧化物硬掩模沉积后，必须为背面钝化离子注入（IIP）光刻步骤做好准备。这一特定的光刻前清洗步骤可确保在涂覆光刻胶之前，氧化物硬掩模表面完全无有机残留物和无机污染物。与在前段工艺中处理原始硅片或标准电介质的前段光刻前清洗不同，这一特定步骤必须在不降低脆弱衬底或精密沉积的硬掩模结构完整性的前提下，对减薄后的晶圆背面进行细致处理。其最终目标是为光刻胶

粘附提供一个洁净的表面，从而确保后续 IIP 步骤实现高保真的图形转移。该清洗工艺从根本上改变了表面状态，以促进光刻胶的粘附并消除导致缺陷的颗粒。纳米级颗粒和有机污染物通过范德华力和初始氢键粘附在氧化物表面，随着老化效应和湿气引起的毛细管作用，这些粘附力会随时间显著增强。为了抵消这种强粘附力，湿法清洗利用受控的化学氧化和溶解机制，类似于湿法化学刻蚀原理，即氧化剂破坏表面键并形成可溶性络合物。标准的清洗混合液通常将有机残留物氧化为可溶性化合物，而极稀的酸性步骤可以对表面进行轻微的底切，以在不造成过多材料损失的情况下释放粘附的颗粒。在去除污染物后，清洗工艺确保表面经过化学调节，以适配如 HMDS 等增粘剂，这些增粘剂随后会将亲水性的 SiO₂ 转化为高度疏水的三甲基化层。选择湿法化学清洗结合机械搅拌，是出于在不引入等离子体引起的物理损伤的前提下，对底层 BSI 像素进行各向同性污染物去除的需要。化学浓度、温度和暴露时间等工艺参数决定了反应动力学和最终的清洁度水平。机械能（通常通过专门的刷洗提供）对于克服颗粒粘附阈值至关重要，特别是对于亚微米颗粒，其粘附诱导的形变会增加实际接触面积。必须仔细优化刷洗压力和转速；在全接触模式下，施加的剪切力和正压力可以成功分离颗粒，而非接触模式则无法克服强大的范德华力和化学粘附力。此外，严格要求控制化学刻蚀预算，以保持氧化物硬掩模的精确厚度，这对于在即将进行的高能注入步骤中保持精确的离子阻止本领是必要的。

风险与挑战

[高] 光刻胶剥离 (Photoresist Lifting)：有机污染物或残留水分清除不彻底，会阻碍附着力促进剂与氧化物表面充分反应以形成坚固的疏水层。这种缺陷会导致显影液在随后的光刻步骤中渗透至光刻胶与晶圆的界面，引起微小光刻胶结构脱落或剥离。
[高] 颗粒诱导的图形缺陷 (Particle-Induced Pattern Defects)：如果机械力（例如刷洗接触）不足，通过初始氢键结合并随后发生化学反应而强力附着在氧化物表面上的亚微米颗粒可能会残留下来。这些残留颗粒在光学曝光过程中充当了非预期的不透明掩膜，从而产生针孔或阻挡预期的离子注入路径。
[中] 氧化物硬掩膜变薄 (Oxide Hard Mask Thinning)：过于剧烈的化学清洗（如过度暴露于酸性化学品中）会无意中刻蚀掉已沉积的氧化物硬掩膜。这种非预期的材料去除降低了氧化物的掩蔽能力，可能导致掺杂剂在 IIP 步骤中不希望地渗透进有源 BSI 像素区域。
[低] 水迹形成 (Watermark Formation)：干燥不完全或冲洗不良会在亲水性氧化物表面留下残留的液滴，这些液滴在蒸发时会将溶解的物质浓缩在一起 （工程实践）。这会产生局部表面粗糙度，从而改变旋涂流体动力学，导致光刻胶厚度不均匀，并引起光刻曝光过程中焦深的波动。

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