40nm BSI CMOS Image Sensor预览

Upper Grid Seal Layer Etch

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Optical Pad 3 Etch

Lower OCL Coating Etch
382Bond Pad Opening 1 - Photo383Upper OCL Coating Etch384Ashing & Strip/Clean385Bond Pad Opening 2 - Photo386Upper Grid Seal Layer Etch387Optical Pad 3 Etch388Lower OCL Coating Etch389Lower OCL Etch390Optical Pad 2 Etch391Optical Pad 1 Etch392Oxide Grid Seal Layer Etch393BPMD Etch394HKD/AR2 Etch395HKD/AR1 Etch396RIE etch, Si Back etch397Ashing & Strip/Clean398Bond Pad Opening 3 - Photo399Si Etch400Pad Oxide Etch401CESL 1 Etch402CESL 2 Etch403PMD 1 Etch404PMD 2 Etch405PMD 3 Etch406PMD 4 Etch407PMD 5 Etch408RIE etch ILD 1-1 Etch409RIE etch ILD 1-2 Etch410RIE etch ILD 2-1 Etch411RIE etch ILD 2-2 Etch412RIE etch ILD 3-1 Etch413RIE etch ILD 3-2 Etch414Bond Pad Metal 7 Barrier Etch415Ashing & Strip/Clean

工艺截面图

ISP WaferCIS Wafer · BacksideBONDPAD · B24 · Optical Pad 3 EtchGrid SealWTiNBPMDTaOAlOP+ implanted regionSiCESLSiO2CuTaAlLensProtective OxideOrgGBRCyUpper SealOptical Pad 3Lower OCLSiNSiONOptical Pad 1

本步要点

如果离子角分布控制不严,穿透厚光学堆叠到达焊盘可能会导致微沟槽(micro-trenching)或轮廓弯曲(bowing) 。

原理展开

在纳米尺度背照式(BSI)CMOS图像传感器中,传感有效区从背面进行曝光,这就要求必须通过复杂的背面光学层堆叠来连接金属互连线和键合焊盘 。“光学焊盘3刻蚀”(Optical Pad 3 Etch)是顺序刻蚀级联中的一个关键中间步骤,旨在逐步穿透上层网格密封层(grid seal layer)和各种光学限制层,以露出下方的连接焊盘 。它紧随“上层网格密封层刻蚀”之后,为后续的下层光学透明层(OCL)刻蚀方案做好准备 (工程实践)。与可能针对不

同材料层或执行最终金属焊盘清洗的“光学焊盘1”或“2”不同,该特定步骤处理的是中间光学介电层或平坦化薄膜,确保形成连续的垂直通孔轮廓,且不会过早击穿下方的软性OCL材料 (工程实践)。最终,完整的多步焊盘开口对于形成具有极低宏观比接触电阻的外部金属连接是必不可少的,这对于器件的输入/输出操作至关重要 。

该刻蚀工艺主要依赖电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE),以实现对等离子体密度和离子轰击能量的解耦控制 。等离子体中的高能离子在衬底偏压下轰击材料表面,打破化学键,而反应性中性自由基则形成持续被抽走的挥发性副产物 。如果目标光学层包含有机聚合物,则利用活性氧中性粒子和少量含氟气体的协同作用 。氟的引入降低了反应活化能,并在芳香环上产生自由基位点,使原子氧能够有效氧化有机骨架,且不会留下粘附促进剂产生的富硅残留物 。相反,如果该层由无机氧化物或氮化物组成,碳氟化合物气体混合物(例如 CF4 或 C4F8)可提供必要的化学驱动力以及物理溅射作用 (工程实践) 。

该工艺固有地表现出纵横比相关刻蚀(ARDE)特性,即刻蚀速率随焊盘开口的深度和微负载局部变化 。选择干法ICP-RIE工艺而非湿法刻蚀,是由于对陡峭且光滑的侧壁有着严格要求,以适应随后的封装金属化和阻挡层沉积 。纯各向同性刻蚀会剧烈地侧蚀光刻胶掩模,而高各向异性、离子轰击增强的定向反应则能产生所需的陡峭侧壁 。气体成分决定了主要的化学反应路径,而偏压功率则控制离子能量及由此产生的结构各向异性 。如果离子角分布控制不严,穿透厚光学堆叠到达焊盘可能会导致微沟槽(micro-trenching)或轮廓弯曲(bowing) 。此外,保持对光刻胶和下方光学层的高选择比至关重要;选择比不足会导致掩模侵蚀,直接导致额外的侧壁粗糙度和几何畸变 。

在40nm节点,光学堆叠尺寸和焊盘间距被大幅缩小,要求极高的关键尺寸(CD)控制能力 。用于这些焊盘的先进光刻图案化工艺采用了光学邻近校正(OPC)技术,以减轻干涉和系统性的空间偏差 。焊盘刻蚀必须经过精心的定时和轮廓设计,因为任何尺寸偏移或侧壁锥度都会直接影响后续金属布线层的台阶覆盖率,这可能导致局部高电阻或长期的可靠性故障 。此外,先进BSI技术特有的密集多层堆叠结构意味着焊盘必须承受巨大的热机械应力,因此精确的轮廓控制对于防止最终封装过程中的互连开裂至关重要 。

风险与挑战

  • [高] 聚合物残留形成:如果在蚀刻含有机光学层时氟氧比未达到优化,原子氧可能无法清除含硅粘附促进剂,从而留下厚厚的富硅残留层 。这种残留会阻碍后续的蚀刻步骤,并严重恶化最终的欧姆接触电阻 。
  • [高] 严重的深宽比相关蚀刻 (ARDE) / RIE 滞后:随着焊盘通孔加深,沟槽底部的活性自由基耗尽,导致蚀刻速率随图形尺寸减小而降低 。这种机制会导致光学焊盘层蚀刻不完全,从而无法正常进行后续的下层 OCL 蚀刻步骤 。
  • [中] 掩模侵蚀与侧壁粗糙度:如果等离子体偏置功率过高,剧烈的物理溅射会过早侵蚀光刻胶掩模 。这种侵蚀会将边缘粗糙度转移到焊盘侧壁上,可能在后续的金属填充操作中导致结构空洞或台阶覆盖率不佳 。
  • [中] 轮廓弯曲或侧切:如果工艺偏向化学驱动的各向同性蚀刻而非离子驱动的各向异性蚀刻,会导致通孔侧壁出现倾斜或弯曲 。这种几何形状会削弱焊盘结构的机械稳定性,并使可靠的背面互连所需的连续金属化过程变得复杂 。

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相关步骤

  • Bond Pad Cavity - Photo
  • ILD 6-2 Oxide Etch
  • ILD 6-1 SiCN Etch
  • ILD 5-2 Oxide Etch
  • ILD 5-1 SiCN Etch
  • ILD 4-2 Oxide Etch