Ashing - 40nm BSI CMOS Image Sensor 40nm 工艺步骤

氢自由基断裂牺牲有机层的化学键并生成挥发性产物，在不氧化下层无机薄膜的情况下去除残留物。

40nm BSI CMOS图像传感器工艺流程中的灰化（Ashing）步骤紧随牺牲层下部有机平坦化层（Lower OCL）刻蚀之后（工程实践）。在先进的图像传感器制造中，牺牲性有机层被用于平坦化深形貌并促进受控的刻蚀回缩工艺。一旦结构转移完成，彻底去除任何残留的牺牲聚合物、光刻胶以及刻蚀诱导产生的氟碳残留物至关重要。灰化提供了必要的、高选择性的化学去除手段，以剥离这些基于碳氢化合物的材料。在随后的下部OCL涂覆沉积之前，这种原始的表面准备是严格要求的，以确保光学均匀性并

防止介质界面处的附着力失效。

等离子体灰化主要通过自由基主导的化学反应进行，而非物理离子溅射。等离子体源产生单原子活性物种（例如氧自由基或氢自由基），这些物种扩散至晶圆表面。在基于O2的化学体系中，这些氧自由基与牺牲有机层的主链剧烈反应，其作用本质上类似于燃烧过程，产生挥发性的CO2和H2O副产物。为了防止对精密器件表面造成物理损伤，通常采用下游（downstream）或“余辉”（afterglow）等离子体刻蚀机。在这种配置中，等离子体在上游腔室中产生，允许中性活性物种到达晶圆，同时过滤掉具有破坏性的高能离子，从而确保了纯化学的各向同性刻蚀。此外，化学反应速率具有很强的温度依赖性，遵循阿伦尼乌斯（Arrhenius）关系，其中升高的衬底温度提供了聚合物键断裂所需的活化能。

灰化化学体系的选择涉及去除速率与衬底保护之间的仔细权衡。虽然基于O2的等离子体提供了极高的灰化速率，但它们带有氧化暴露的硅或氮化硅表面的巨大风险。为了减轻高度敏感器件中的这种氧化损伤，通常会采用使用H2基等离子体的替代还原化学体系。在H2等离子体中，活性氢自由基断裂C-C键和C-H键，生成挥发性分子，而不会氧化下层的无机薄膜。为了补偿纯H2固有的较低灰化速率，可以在等离子体混合气体中引入氮气（N2）。N2的加入改变了等离子体的反应路径，抑制了自由基复合，并增强了活性物种向表面的通量，从而优化了有机物的去除效率。

对于40nm节点的BSI CIS器件，由于表面粗糙度和材料损失直接影响光学信号的完整性，因此其容差要求极其严格。在此处，下游等离子体处理具有显著优势，因为它最大限度地减少了充电损伤和离子轰击缺陷，否则这些缺陷会降低光电二极管的暗电流性能。此外，彻底去除牺牲性LOCL至关重要，因为任何残留的有机材料都会改变局部折射率，从而降低进入有源像素阵列的光学传输效率。

[高] 有机物去除不完全（残留物）：如果基底温度下降或自由基通量波动，阿伦尼乌斯（Arrhenius）依赖的化学反应速率将呈指数级下降。这会导致未反应的碳氢聚合物残留在表面，进而引起后续 Lower OCL 涂层沉积过程中的严重附着力和光学均匀性问题。
[高] 非预期的基底氧化：使用过于激进的基于 O2 的等离子体化学工艺可能导致暴露的硅层或氮化物层发生快速氧化。这会改变底层结构的关键尺寸（CD）和光学特性，这是一种常见的主要失效模式，通常需要转向使用基于 H2 的化学工艺。
[中] 等离子体诱导的表面损伤：如果下游等离子体配置无法将晶圆与主放电区域充分隔离，高能离子可能会轰击基底。这种直接的离子轰击会引入物理晶体损伤和电荷缺陷，从而降低器件的电学性能。
[低] 无机灰分形成：等离子体去胶（Ashing）能有效挥发有机化合物，但无法去除金属或硅基污染物。如果牺牲层 LOCL 中含有微量的无机元素，这些元素将作为固体灰分残留在晶圆上，需要后续进行湿法化学清洗，以防止在后续工艺步骤中出现微掩蔽（micro-masking）效应。

氢自由基断裂牺牲有机层的化学键并生成挥发性产物，在不氧化下层无机薄膜的情况下去除残留物。

防止介质界面处的附着力失效。

[高] 有机物去除不完全（残留物）：如果基底温度下降或自由基通量波动，阿伦尼乌斯（Arrhenius）依赖的化学反应速率将呈指数级下降。这会导致未反应的碳氢聚合物残留在表面，进而引起后续 Lower OCL 涂层沉积过程中的严重附着力和光学均匀性问题。
[高] 非预期的基底氧化：使用过于激进的基于 O2 的等离子体化学工艺可能导致暴露的硅层或氮化物层发生快速氧化。这会改变底层结构的关键尺寸（CD）和光学特性，这是一种常见的主要失效模式，通常需要转向使用基于 H2 的化学工艺。
[中] 等离子体诱导的表面损伤：如果下游等离子体配置无法将晶圆与主放电区域充分隔离，高能离子可能会轰击基底。这种直接的离子轰击会引入物理晶体损伤和电荷缺陷，从而降低器件的电学性能。
[低] 无机灰分形成：等离子体去胶（Ashing）能有效挥发有机化合物，但无法去除金属或硅基污染物。如果牺牲层 LOCL 中含有微量的无机元素，这些元素将作为固体灰分残留在晶圆上，需要后续进行湿法化学清洗，以防止在后续工艺步骤中出现微掩蔽（micro-masking）效应。

40nm BSI CMOS Image Sensor预览

工艺截面图

本步要点

原理展开

风险与挑战

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