Lower OCL Coating Etch - 40nm 工艺步骤

40nm BSI CMOS Image Sensor预览

工艺截面图

本步要点

使用刻蚀停止层或精确的终点检测可防止过度刻蚀到底部的光学焊盘。

原理展开

在 40nm BSI CMOS 图像传感器工艺流程中，遮光（LS）栅格需要精确的图形化以防止相邻像素之间的光学串扰（工程实践）。在“中段垂直栅格沟槽 - 光刻”步骤之后，必须先将光刻图形通过中间层进行转移，然后再对下方的栅格材料进行刻蚀（工程实践）。“下层 OCL 涂层刻蚀”专门针对为了平坦化像素阵列形貌并减少光刻反射而沉积的有机平坦化层（OPL）或抗反射涂层。与直接对透镜或栅格电介质本身进行成形的实际“下层 OCL 刻蚀”不同，该涂层刻蚀仅作为图形转移步骤，将光刻胶图形放大到较厚的涂层中，从而为后续的深槽刻蚀形

成坚固的掩模。有机涂层的刻蚀通常采用基于氧或碳氟化合物的反应离子刻蚀（RIE）等离子体。在氧 RIE 工艺中，氧自由基与富含碳的聚合物涂层发生化学反应，生成挥发性副产物。为了获得高度各向异性的轮廓，该刻蚀依赖于定向离子轰击与化学挥发之间的协同效应。如果堆叠层中存在含硅抗反射涂层或硬掩模，则会引入 CF4 或 CHF3 等碳氟气体，以有效断开 Si-O 或 Si-N 键。等离子体源功率控制离子通量密度，而偏置功率决定了离子轰击能量，这直接影响刻蚀侧壁的垂直度。之所以选择各向异性 RIE 而非各向同性湿法刻蚀，是因为对于高密度纳米尺度光学结构而言，精确的关键尺寸（CD）控制是强制性的。气体混合比、腔室压力和停留时间经过仔细平衡，以优化刻蚀速率以及对上方光刻胶的选择比。添加特定的钝化气体或调节 C/F 比有助于在刻蚀过程中于侧壁形成一层薄的保护性聚合物，从而防止横向钻蚀。此外，严格控制刻蚀化学性质可确保侧壁粗糙度降至最低，这对于避免后续的光学散射损耗至关重要。使用刻蚀停止层或精确的终点检测可防止过度刻蚀到底部的光学焊盘。在纳米尺度技术节点，像素间距被激进地微缩，限制了在不发生坍塌的情况下可被可靠图形化的光刻胶厚度。这种多层掩模堆叠策略之所以必要，是因为亚波长光刻所需的超薄光刻胶无法承受刻蚀深栅格沟槽所需的长时间等离子体暴露。因此，涂层刻蚀起到了关键的几何放大作用，将脆弱且浅薄的抗蚀剂图形转换为高深宽比的聚合物掩模，能够在随后的重型电介质刻蚀过程中保护有源区域。

风险与挑战

[高] 关键尺寸 (CD) 损失（侧蚀）：侧壁钝化不足或高浓度活性自由基导致的过度横向化学刻蚀，使得涂层在光刻胶下方形成侧蚀。这损害了转移至下层 OCL 的图形保真度，导致光栅变窄 （工程实践）。
[高] 刻蚀不完全（残胶）：跨形貌涂层厚度不均匀或离子轰击能量不足，可能导致沟槽底部残留聚合物。在随后的下层 OCL 刻蚀过程中，这些残留物充当微掩模，导致光栅结构出现盲孔或畸形 （工程实践）。
[中] 过度侧壁粗糙度：聚合速率与刻蚀速率失衡（例如氟碳自由基比例波动），会导致侧壁上出现局部微掩模效应。粗糙的侧壁会转移至最终的光学光栅中，引入 Rayleigh 散射并降低光学传输效率。
[中] 底层损伤：刻蚀终点检测失效或过度过刻蚀会破坏下层的刻蚀停止层。穿透该阻挡层会严重损坏之前已刻蚀的光学焊盘 (Optical Pad) 3，从而改变折射率分布并降低传感器灵敏度 （工程实践）。

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