40nm BSI CMOS Image Sensor预览

工艺截面图

本步要点

配方通常包含金属螯合剂，通过与残留金属离子络合来降低其与衬底的结合能，从而促进去除。

原理展开

此 CMP 后清洗步骤紧接在 40nm BSI CMOS 图像传感器工艺流程中下层垂直栅极（Lower Vertical Grid）的钨（W）化学机械平坦化（CMP）之后。之前的 CMP 工艺不可避免地会在晶圆表面留下各类污染物，包括残留的研磨颗粒、有机浆料添加剂以及金属杂质。如果不能严格去除，这些缺陷将严重降低器件的光学和电学完整性，从而干扰后续光学焊盘 2（Optical Pad 2）和下层 OCL 平坦化层的沉积。与处理氧化物或高反应性铜表面的 STI 或铜 CMP

后清洗步骤不同，此特定步骤必须解决钨特有的金属残留以及 W 栅极的电化学腐蚀风险。此外，确保金属-电介质界面的洁净对于维持适当的势垒高度并防止局部漏电流至关重要，这与金属-半导体接触的基本物理原理相一致。

颗粒的物理去除依赖于克服 CMP 工艺过程中产生的强大附着力。在平坦化过程中，浆料颗粒通过抛光垫的凸起部分被机械压入晶圆表面，引发部分接触压痕。一旦接触，亚微米颗粒会与表面形成初始氢键；随着时间的推移和在潮湿环境下，这些氢键会经历界面化学反应和附着诱导的塑性变形，导致极其牢固的附着。由于流体剪切力远不足以提升这些颗粒，CMP 后清洗必须利用 PVA 刷进行直接机械接触。刷子以全接触模式工作，施加超过范德华力和化学附着力阈值的局部法向力和切向力，使颗粒从晶圆表面物理滚落。

在化学方面，清洗方法需要精细平衡，以促进颗粒脱附，同时又不腐蚀暴露的钨栅极。配方通常包含金属螯合剂，通过与残留金属离子络合来降低其与衬底的结合能，从而促进去除。此外，还会引入聚电解质来调节表面电荷，根据材料的等电点和溶液 pH 值，在已脱离的颗粒与晶圆之间产生静电排斥。为防止钨的活性溶解或腐蚀，工艺环境受到严格控制，通常采用弱酸性条件，或使用特定的弱碱性有机胺，使其选择性吸附以形成稳定的、富碳的钝化层。先进的清洗系统还可以采用刺激响应型配体聚合物刷，通过施加外部能量（如光或热）可逆地改变刷毛的化学配位，迫使被捕获的颗粒脱附，从而防止晶圆间的交叉污染。

风险与挑战

[高] 钨栅极腐蚀：如果清洗液的 pH 值或氧化剂浓度控制不当，钨表面可能会发生主动阳极溶解，而不是保持稳定的钝化状态，从而破坏栅极结构。
[高] 颗粒交叉污染：如果清洗循环期间的刷子再生或刺激响应解吸机制失效，夹杂在 PVA 刷基体内的磨料颗粒和金属碎屑可能会被重新转移到晶圆表面。
[中] 残留磨料的强附着力：CMP 与清洗之间的等待时间过长，会导致初始的氢键合颗粒发生老化和化学界面反应，从而增加实际接触面积，导致标准的刷子接触力不足以将其去除。
[中] 金属离子再沉积：螯合剂若未能完全络合溶解的金属离子，可能导致金属杂质在介质表面重新沉积，从而产生漏电路径并导致局部平带电压发生偏移。
[低] 刷子引起的机械划伤：为克服强颗粒附着力而施加的过大刷子压力，可能导致夹杂的团聚磨料充当二次压痕体，在平坦化后的介质和金属表面产生微划痕。

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