HKD/AR2 Etch - 40nm 工艺步骤

聚合物沉积量的增加会在底层暴露时选择性地延缓其刻蚀，从而增强垂直刻蚀剖面并防止严重的击穿。

HKD/AR2刻蚀步骤是背照式（BSI）CMOS图像传感器焊盘模块中的关键减法工艺。该步骤位于BPMD（焊盘金属介质）刻蚀之后，通过选择性地去除上层抗反射（AR2）和高k介质（HKD）层，为随后的AR1和硅背面刻蚀操作做好准备。在先进封装和互连方案中，暴露焊盘需要依次清除复杂的各种光学薄膜和钝化膜堆叠，以建立通往底层金属结构的可靠电接触路径。通过在AR2/HKD层中精确定义初始开口，该步骤作为后续深层反应离子刻蚀（RIE）的局部掩模或准备性导引，确保最终焊盘区域被充

分暴露，同时不损坏周围的有源电路。

高k介质和抗反射介质层的刻蚀依赖于化学-物理协同的反应离子刻蚀（RIE）机制。在高密度等离子体系统中，中性自由基驱动主要的化学反应，而定向加速的离子提供打破材料中强原子键所需的物理轰击。碳氟化合物基等离子体常用于此目的；氟自由基与介质反应形成挥发性副产物，同时聚合物形成物种会钝化特征侧壁以保持严格的各向异性。为了防止过度的横向刻蚀或层间侧蚀，必须通过调节射频（RF）偏置功率和源功率，严格控制物理溅射与化学挥发之间的平衡。这种精确控制至关重要，因为高k介质固有的原子密度和键合强度高于标准SiO₂，需要优化的离子动能才能获得实用且稳定的刻蚀速率。

针对HKD/AR2刻蚀选择特定的等离子体化学成分，主要取决于对底层AR1或衬底层的极高选择比要求。将碳氟化合物气体与钝化剂混合，工艺工程师可以调整等离子体中的碳氟比，从而调节暴露表面上保护性聚合物的形成速率。聚合物沉积量的增加会在底层暴露时选择性地延缓其刻蚀，从而增强垂直刻蚀剖面并防止严重的击穿。此外，控制反应气体在腔体内的停留时间是一个核心参数，它决定了自由基的离解效率，直接影响整体刻蚀速率以及晶圆表面的空间均匀性。对这些气体比例的精确调节可最大限度地减少等离子体诱导损伤（例如电荷效应或物理晶格破坏），否则这些损伤可能会降低传感器的光学和电学性能。

在BSI图像传感器的40nm工艺节点，光学堆叠层被缩小至极细的尺寸，以优化量子效率并减轻光学串扰 （工程实践）。这种激进的结构微缩意味着即使是微小的工艺波动，也可能导致刻蚀特征底部出现严重的RIE-lag（反应离子刻蚀滞后）或微沟槽效应。因此，HKD/AR2刻蚀的工艺窗口极其狭窄，需要先进的终点检测和高度均匀的等离子体分布，以确保下方的精密结构得以保存，为后续的选择性背面刻蚀步骤做好准备。

[高] RIE-Lag 和微沟槽 (Micro-Trenching)：由于焊盘开口尺寸受限，中性自由基向沟槽底部的传输受到物理限制，导致长径比相关的刻蚀变化和局部沟槽化。
[高] 选择比差和穿通 (Punch-Through)：如果氟碳等离子体中的碳氟比优化不佳，将导致聚合物钝化不足，从而造成对下方保护层的过早刻蚀。
[中] 等离子体诱导电荷损伤 (Plasma-Induced Charging Damage)：在高密度 ICP 刻蚀过程中离子电荷的积累可能会产生局部电场，从而导致介电层击穿或导致相邻界面态退化。
[中] 副产物挥发不完全：如果物理离子轰击能量不足以驱动解吸，High-k 电介质在等离子体刻蚀过程中通常会形成非挥发性金属化合物。这些局部残留物会作为微掩膜阻挡后续的刻蚀步骤，并损害最终的互连接触电阻。
[低] 各向同性侧壁侧蚀 (Isotropic Sidewall Undercutting)：在缺乏足够的定向离子辅助或侧壁钝化的情况下，过量的高反应性中性自由基会将刻蚀机制转向各向同性化学刻蚀。这种效应会侵蚀保护轮廓并导致图案化结构中的关键尺寸 (CD) 损失。

聚合物沉积量的增加会在底层暴露时选择性地延缓其刻蚀，从而增强垂直刻蚀剖面并防止严重的击穿。

分暴露，同时不损坏周围的有源电路。

[高] RIE-Lag 和微沟槽 (Micro-Trenching)：由于焊盘开口尺寸受限，中性自由基向沟槽底部的传输受到物理限制，导致长径比相关的刻蚀变化和局部沟槽化。
[高] 选择比差和穿通 (Punch-Through)：如果氟碳等离子体中的碳氟比优化不佳，将导致聚合物钝化不足，从而造成对下方保护层的过早刻蚀。
[中] 等离子体诱导电荷损伤 (Plasma-Induced Charging Damage)：在高密度 ICP 刻蚀过程中离子电荷的积累可能会产生局部电场，从而导致介电层击穿或导致相邻界面态退化。
[中] 副产物挥发不完全：如果物理离子轰击能量不足以驱动解吸，High-k 电介质在等离子体刻蚀过程中通常会形成非挥发性金属化合物。这些局部残留物会作为微掩膜阻挡后续的刻蚀步骤，并损害最终的互连接触电阻。
[低] 各向同性侧壁侧蚀 (Isotropic Sidewall Undercutting)：在缺乏足够的定向离子辅助或侧壁钝化的情况下，过量的高反应性中性自由基会将刻蚀机制转向各向同性化学刻蚀。这种效应会侵蚀保护轮廓并导致图案化结构中的关键尺寸 (CD) 损失。

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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