40nm BSI CMOS Image Sensor预览

Optical Pad 3 Deposition

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Optical Pad 3 CMP

Post CMP Cleaning
346Optical Pad 3 Deposition347Optical Pad 3 CMP348Post CMP Cleaning349Pre Litho Cleaning350Mid Vertical Grid Trench - Photo351Optical Pad 3 Etch352Lower OCL Coating Etch353Lower OCL Etch354Optical Pad 2 Etch355Ashing & Strip/Clean356Mid Vertical Grid Deposition357W CMP358Post CMP Cleaning359Upper Vertical Grid Barrier Deposition360Upper Vertical Grid Deposition361Pre Litho Cleaning362Upper Vertical Grid - Photo363W Etch364TiN Etch365Ashing & Strip/Clean366Upper Grid Seal Layer Deposition367Pre Litho Cleaning

工艺截面图

ISP WaferCIS Wafer · BacksideLS_GRID · L23 · Optical Pad 3 CMPTaOAlOP+ implanted regionSiCESLSiO2CuTaAlOptical Pad 3Lower OCLSiNSiONOptical Pad 1Grid SealWTiNBPMD

本步要点

CMP材料去除并非严格的全局均匀,而是受到局部版图特征的强烈影响,其中底层图形密度的变化会改变实际的抛光垫-晶圆接触状态和局部压力分布 。

原理展开

在40nm BSI CMOS图像传感器的制造中,遮光栅格的形成需要极高精度的光刻技术(工程实践)。在此之前的工艺步骤,如Optical Pad 3沉积,会在底层光学元件上方引入包含明显波峰和波谷的表面形貌 。工艺流程中集成了Optical Pad 3 CMP(化学机械平坦化)步骤,旨在消除这种形貌并实现严格的晶圆级全局平坦化 。获得高度平坦的介电层表面是满足后续Mid Vertical Grid Trench光刻胶图形化步骤严苛聚焦深

度(DoF)限制的绝对前提 。若无此平坦化,局部阶梯高度会在光刻过程中导致光场畸变,从而损害40nm节点像素栅格的尺寸完整性(工程实践)。

CMP工艺的核心机制是通过浆料-抛光垫-晶圆界面处化学反应与机械磨损的持续协同作用来实现的 。最初,浆料中的化学添加剂与Optical Pad 3介电层发生反应,形成一层纳米级的化学改性水合层,其机械强度相较于本体薄膜显著降低 。随后,悬浮在浆料中的纳米级磨粒在旋转聚合物抛光垫粗糙凸起的支撑下,与该软化表面产生滑动和压入接触 。这种相互作用诱发了微观尺度上的塑性切削和犁耕,从而有效去除了反应层 。宏观材料去除率主要遵循Preston方程,随着施加的下压力和相对旋转速度的增加呈线性增长 。然而,该速率在微观尺度上从根本上受到磨粒尺寸统计分布和抛光垫周期性表面粗糙度的调节 。

选择CMP作为平坦化方法,是因为纯化学刻蚀无法实现全局平坦度,而纯机械抛光会产生不可接受的表面损伤 。该步骤的成功在很大程度上依赖于精密的浆料设计,以平衡化学表面层形成速率与机械去除速率 。浆料pH值和离子强度等工艺参数经过精确调节,以控制磨粒和晶圆的双电层厚度和表面电荷 。这种静电调节至关重要,因为它决定了颗粒与薄膜之间的吸引或排斥作用,直接决定了残留磨粒是否会作为影响良率的污染物强力附着在晶圆上 。此外,通常使用闭环温度控制系统对抛光垫上的浆料进行预热和稳定,以确保化学反应动力学在整个晶圆表面保持均匀且可预测 。

在纳米尺度技术节点,器件版图的极端敏感性要求对与图形相关的抛光效应进行细致管理 。CMP材料去除并非严格的全局均匀,而是受到局部版图特征的强烈影响,其中底层图形密度的变化会改变实际的抛光垫-晶圆接触状态和局部压力分布 。为了降低高密度区域过抛光和低密度区域欠抛光的风险,该工艺通常采用具有不同机械硬度的介电材料,或依赖电机扭矩终点检测 。这确保了当形成均匀平坦表面时抛光自然停止,并将关键的底层光学元件完整且安全地覆盖 。

风险与挑战

  • [高] 图形依赖型厚度变化(侵蚀/碟形化):与版图相关的局部压力分布导致抛光垫在不同图形密度的区域产生不同的形变,从而导致介质去除速率不均匀,降低了全局平坦度 。
  • [高] 纳米颗粒污染与附着:错误的浆料 pH 值设置可能导致研磨颗粒的 Zeta 电位与被抛光介质表面的等电点呈相反排列,从而驱动残余颗粒发生强烈的静电吸附 。
  • [中] 微划痕与表面缺陷产生:浆料研磨颗粒的团聚或过大的机械下压力会将颗粒压入化学软化层过深,导致介质层产生不可恢复的塑性犁削和划痕 。
  • [中] 有机残留物堆积:浆料添加剂(如表面活性剂和分散剂)分解不完全或发生机械截留,会在晶圆表面留下持久的有机薄膜,从而干扰后续 CMP 后清洗的效率 。
  • [低] 浆料温度不稳定性:环境或输送管线温度的波动会改变抛光垫上的化学反应动力学和浆料粘度,进而导致材料去除速率和均匀性不稳定 。

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相关步骤

  • LS/Aperture Grid Barrier Deposition
  • LS/Aperture Grid Deposition
  • Oxide Grid Seal Layer Deposition
  • Pre Litho Cleaning
  • Light Shield/Aperture Grid - Photo
  • Oxide Grid Seal Layer Etch