關(guān)于CCD鋁布線光刻工藝質(zhì)量的優(yōu)化研究

高建威，韓沛東，向鵬飛，楊修偉，袁安波

(重慶光電技術(shù)研究所 第1研究室，重慶 400060)

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關(guān)于CCD鋁布線光刻工藝質(zhì)量的優(yōu)化研究

高建威，韓沛東，向鵬飛，楊修偉，袁安波

(重慶光電技術(shù)研究所 第1研究室，重慶 400060)

針對(duì)CCD器件制作過程中鋁布線的光刻工藝質(zhì)量較差問題，闡述了其產(chǎn)生的原因和對(duì)后續(xù)刻蝕工藝造成的影響及對(duì)器件性能造成的不良結(jié)果。文中從改進(jìn)光刻工藝參數(shù)的角度入手進(jìn)行試驗(yàn)查找相應(yīng)的解決辦法，通過為高臺(tái)階層次添加焦距補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣咪X布線的光刻工藝質(zhì)量。通過器件性能測(cè)試驗(yàn)證了其可行性,在之后制定了工藝規(guī)范，使器件整體的工藝能力和成品率得到顯著提升。

CCD；鋁布線；光刻；質(zhì)量

隨著電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)制造工藝技術(shù)的發(fā)展，同等芯片面積的CCD像元數(shù)不斷增加，像元尺寸不斷縮小，CCD將圍繞著高分辨率、高讀出速度、低成本、微型化結(jié)構(gòu)優(yōu)化、多光譜應(yīng)用等發(fā)展[1]，其金屬布線的層數(shù)會(huì)越來越多，而絕緣介質(zhì)的材料變得越來越多樣化[2]。CCD制造工藝的最佳金屬是鋁[3]，因?yàn)殇X具有低阻、抗電子遷移性能強(qiáng)、與絕緣體的良好附著性、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)可以符合器件制作的各種需要。

1 問題及原理闡述

不同CCD器件制作對(duì)鋁布線的要求各有不同，如線陣CCD和面陣CCD[4]從器件結(jié)構(gòu)上就有很大不同，背照CCD[5]的和普通CCD的進(jìn)光面則截然不同,相應(yīng)的對(duì)其制作要求的側(cè)重點(diǎn)有部分差異。CCD的金屬材料生長(zhǎng)最常采用的是淀積和濺射工藝,目前出現(xiàn)工藝問題的器件臺(tái)階深度都比較高。雖然一般情況下金屬工藝前會(huì)淀積800 硼磷硅玻璃[6](Boron Phosphate Silicate Glass,BPSG)對(duì)前層多晶硅臺(tái)階進(jìn)行平坦化處理，但是由于CCD工藝的特殊性，光敏區(qū)復(fù)雜處的臺(tái)階依然很高。

以某多光譜CCD第一層金屬布線為例，其金屬使用的是濺射工藝制作，線寬設(shè)計(jì)值為2.4 ，鋁濺射厚度為750 ,成分為硅鋁合金[7]，金屬的電阻率約為36 ，曝光工藝使用的光刻機(jī)為高性能步進(jìn)光刻機(jī)，刻蝕使用等離子刻蝕機(jī)。光刻工藝問題主要表現(xiàn)在曝光顯影后線條在膠兩側(cè)的梯形角度較差，且線寬較窄，通過微距量測(cè)掃描式電子顯微鏡(CD Scanning Electron Microscope,CDSEM)觀察如圖1所示。

圖1 顯影后CDSEM平面觀測(cè)圖

圖1是平面觀測(cè)圖，黑條為膠的上表面，黑條兩側(cè)的白邊是膠條梯形形貌的斜邊，兩者相加即為有效線條寬度。可以觀察到，對(duì)于正常的線條來說斜邊所占的比例過高，膠條的上表面線寬不足。通過掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)觀察，顯影后剖面觀測(cè)圖如圖2所示。

圖2 顯影后SEM剖面觀測(cè)圖

由圖可見，顯影后的膠條斜邊陡直度較差，光刻工藝要求膠的邊緣形貌陡直且角度>85°[8]，圖中線條明顯不符合要求。

通過分析，出現(xiàn)上述問題的原因是由于以下幾點(diǎn)：(1)鋁材料的反射率高導(dǎo)致曝光時(shí)反射光線過強(qiáng)，即使涂有底部抗反射涂層(BARC)[9]依然無法保證正常工藝制作；(2)由于特殊工藝需求,光刻時(shí)使用的是專用抗腐蝕光阻[10]，這種光阻具有感光敏感的特點(diǎn)；(3)因CCD特殊工藝要求，在本層金屬制作前已經(jīng)進(jìn)行過十幾層各種材料的生長(zhǎng)和刻蝕工藝，光刻機(jī)的零層對(duì)準(zhǔn)存在偏差。由于上述原因,金屬層次在光刻工藝后會(huì)出現(xiàn)線條形貌不佳的情況，甚至在部分臺(tái)階過深的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)底膜。

由于膠條形貌存在工藝問題，會(huì)導(dǎo)致在刻蝕過程中膠條邊緣的曲線光刻膠會(huì)被刻蝕掉，使其不能有效保護(hù)需要保留的區(qū)域且會(huì)留下多余刻蝕殘留。所以在現(xiàn)有的CCD實(shí)際工藝過程中，鋁布線的制作存在各種問題，其中鋁刻蝕殘留[11]問題最為嚴(yán)重，通過SEM觀察如圖3。

圖3 刻蝕后鋁殘留掃描電鏡觀測(cè)圖

因?yàn)楣に噯栴}，導(dǎo)致鋁線條的同層漏電問題及金屬線條均勻性問題始終無法得到解決，這將大幅影響CCD器件的成品率和成像質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 常規(guī)光刻參數(shù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)

針對(duì)上述問題,文中繼續(xù)以某型多光譜CCD的第一層金屬為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其線寬設(shè)計(jì)要求為2.4 ，原始工藝使用的光刻膠為羅門哈斯SPR 6818光刻膠，膠厚為2.2 ，曝光量為200 ，顯影時(shí)間為60 s。本文以改進(jìn)光刻工藝參數(shù)的角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，預(yù)計(jì)先以調(diào)整常見光刻條件的方式找到可行的方案，使光刻后的膠條線寬及形貌質(zhì)量更為符合工藝制作需求，進(jìn)而提升器件的鋁布線的光刻工藝質(zhì)量。因?yàn)楣饪虣C(jī)的復(fù)雜性[12]，在此實(shí)驗(yàn)中需要盡量避免對(duì)光刻機(jī)的曝光參數(shù)產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)的具體條件包括如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)中涉及到的參數(shù)及調(diào)整范圍

通過對(duì)以上項(xiàng)目的大量試驗(yàn)后得出結(jié)論，調(diào)整這些常見參數(shù)并不能使鋁布線光刻工藝質(zhì)量得到有效提升。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)的變化只會(huì)從不同程度上影響線寬的大小，但對(duì)線條形貌的改善作用微小。

在經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)條件的驗(yàn)證后，特別是通過針對(duì)不同掩膜厚度的光刻工藝進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)金屬層次曝光對(duì)焦平面的變化敏感。在考慮到CCD工藝的特殊性，尤其是具有不同于其它半導(dǎo)體器件的多層次[13]和高臺(tái)階性，所以確定是由于曝光時(shí)的焦深偏差導(dǎo)致本次光刻工藝出現(xiàn)問題。

2.2 光刻機(jī)相關(guān)參數(shù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)

在光刻中，對(duì)圖形質(zhì)量起關(guān)鍵性作用的是分辨率和焦深兩個(gè)因素，這兩項(xiàng)參數(shù)都直接受到入射光波長(zhǎng) 和光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑 的影響[14]。其中焦深是焦點(diǎn)周圍的一個(gè)范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)圖像應(yīng)該保持清晰和連續(xù)。文中所使用的光刻機(jī)性能強(qiáng)大，具有自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)和自動(dòng)查找最佳焦點(diǎn)的功能。但是根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以看出，光刻機(jī)自動(dòng)設(shè)置的焦點(diǎn)出現(xiàn)了偏差[15]。所以，接下來本文將針對(duì)光刻機(jī)曝光焦距進(jìn)行試驗(yàn)，以得出最佳焦距使金屬層次光刻工藝質(zhì)量滿足要求。

實(shí)驗(yàn)中，由于鋁層的曝光量閾值(E0值)約為70 mJ/cm2，而曝光量選擇一般為2倍E0值，所以設(shè)計(jì)鋁層次曝光量為150 mJ/cm2。在光阻的選擇上，為達(dá)到抗蝕的目的依舊使用羅門哈斯SPR 6818光刻膠，掩膜厚度為2.2 μm，顯影時(shí)間為60 s?？紤]到此多光譜CCD器件光敏區(qū)制作了3層多晶硅，每一層的平均厚度為400 nm，多晶硅層間氧化厚度平均為100 nm，BPSG厚度約為1 μm，鋁布線的厚度為800 nm。所以，器件的臺(tái)階最高處經(jīng)測(cè)試約為2 μm。為求數(shù)據(jù)全面，試驗(yàn)設(shè)計(jì)焦距補(bǔ)償值為-3～4 μm，測(cè)試使用5點(diǎn)測(cè)試法，所得線寬數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同焦距對(duì)應(yīng)的CDSEM測(cè)量線寬值

實(shí)驗(yàn)中，線寬設(shè)計(jì)值依然是2.4 μm。由表可見，光刻工藝線寬值對(duì)焦距參數(shù)的敏感性強(qiáng)。通過對(duì)線寬數(shù)據(jù)的分析，結(jié)論為當(dāng)焦距補(bǔ)償值設(shè)定為-0.8 μm時(shí)可以得到最寬的線寬和相對(duì)較好的線寬均勻性。

關(guān)于線條的平面形貌，可以由CDSEM觀察得到。不同焦距時(shí)的線條形貌CDSEM觀測(cè)圖如圖4和圖5所示。

圖4 焦距依次為-3 μm，-2 μm，-1.5 μm，-1 μm，-0.8 μm時(shí)的平面形貌

圖5 焦距依次為-0.5 μm，0 ，1 μm，2 μm，3 μm時(shí)的平面形貌

由圖可見，膠條兩側(cè)的白邊寬度經(jīng)歷了一個(gè)由寬變窄又逐漸變寬的過程。因?yàn)楫?dāng)白邊越窄時(shí)膠條的斜邊角度越陡直，所以可知線條的形貌經(jīng)歷了由差變好又變差的過程。

通過CDSEM觀測(cè)的結(jié)論為，焦距為-1 μm時(shí)線條形貌最好，這時(shí)膠條的斜邊角度為最大。而當(dāng)焦距為-0.5～ -1.5 μm時(shí)，線條的形貌都是符合光刻工藝要求的，-0.8 μm為中心值。本文需要觀察剖面圖對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。通過SEM觀察，焦距補(bǔ)償為-0.8 μm時(shí)膠的剖面圖如圖6所示。

圖6 焦距補(bǔ)償為-0.8μm時(shí)SEM觀察剖面圖

由圖可見，與焦距為0時(shí)相比較，在改變焦距補(bǔ)償為-0.8 μm后膠條的形貌有了大幅改善，膠的上表面線寬值由1.47 μm增加到1.95 μm，下表面由2.2 μm增加到2.41 μm。重要的是光刻膠斜邊由彎曲變得陡直，且斜角>85°。所以，此工藝條件符合光刻工藝及后續(xù)刻蝕工藝的要求。

綜合考慮線寬和線條形貌后可以得到結(jié)論，焦距為-0.8 μm時(shí)所得線條為光刻工藝所得的最佳值。經(jīng)過重復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在臺(tái)階較深處的底膜也沒有再出現(xiàn)。將改進(jìn)的工藝條件應(yīng)用于正式CCD器件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試所使用的一半器件將依然使用初始工藝。在刻蝕后可以明顯觀察到，使用了改進(jìn)工藝的器件鋁布線形貌要更加優(yōu)良。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)證明，焦深是改善CCD器件鋁布線光刻工藝的關(guān)鍵參數(shù)。將焦距補(bǔ)償設(shè)置為-0.8 μm時(shí)CCD鋁布線光刻工藝可以獲得最好的線寬值和膠條形貌。通過CDSEM和SEM的觀察，使用改進(jìn)后光刻工藝的膠條斜邊角度和線寬都明顯優(yōu)于改進(jìn)前，使得后續(xù)的刻蝕工藝可以得到更好的鋁布線形貌。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)CCD器件金屬同層漏電的問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，說明了焦深參數(shù)對(duì)CCD金屬光刻工藝的重要性。鋁布線工藝通過補(bǔ)償焦距得到了更好的刻蝕形貌，直接提高了金屬引線的工藝制作質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)后將成果推廣，為不同臺(tái)階高度層次添加相應(yīng)的曝光焦距補(bǔ)償制定了工藝規(guī)范。且在器件完成后的性能測(cè)試結(jié)果中得出，用改進(jìn)工藝的器件使鋁同層漏電的問題得到解決，大幅提高了器件的工藝質(zhì)量和成品率。

[1] 胡琳.CCD圖像傳感器的現(xiàn)狀及未來發(fā)展[J].電子科技,2010,23(6):82-85.

[2] Peter Van Zent.芯片制造—半導(dǎo)體工藝制程實(shí)用教程[M].5版.韓鄭生,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[3] 王陽元,關(guān)旭東,馬俊如.集成電路工藝基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,1993.

[4] 韋韌.星載科學(xué)實(shí)驗(yàn)用CCD相機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院,2010.

[5] 鄧剛,韓恒利,鐘四成.背照式CCD圖像傳感器減薄技術(shù)研究[J].電子科技,2014,27(2):68-70.

[6] 王強(qiáng),姜斌,鄧宏,等.VLSI工藝中BPSG薄膜的研究[J].電子元件與材料,2005,24(1):53-56.

[7] 孫志君.空間應(yīng)用圖像傳感器系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].傳感器世界,2005,11(9):10-18.

[8] 劉方.光刻膠斜坡對(duì)離子注入后圖形特征尺寸的影響[J].半導(dǎo)體光電,2008,29(6):893-895.

[9] 顧志光,孫均,鄭國(guó)祥,等.BARC工藝在亞微米光刻中的應(yīng)用[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,2005,25(4):545-558.

[10] 魏瑋,劉敬成,李虎,等.微電子光致抗蝕劑的發(fā)展和應(yīng)用[J].化學(xué)進(jìn)展,2014,26(11):1867-1888.

[11] 王立.鋁刻蝕的研究與CD的控制[D].天津:天津大學(xué),2009.

[12] 陳安.曝光光學(xué)系統(tǒng)性能對(duì)光刻性能影響的研究[D].北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院,2013.

[13] 雷玉堂.CMOS攝像機(jī)與CCD攝像機(jī)的比較[J].中國(guó)公共安全,2012(16):154-158.

[14] Michael Quirk,Julian Serda.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].韓鄭生,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[15] 冉坐.投影光刻調(diào)焦及DMD無掩膜光刻成像研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2013.

Optimization of Aluminum Wiring in the CCD

GAO Jianwei，HAN Peidong，XIANG Pengfei，YANG Xiuwei，YUAN Anbo

(First Research Room, Chongqing Optoelectronics Research Institute, Chongqing 400060, China)

The reasons for the poor quality of the aluminum wiring in the CCD device fabrication process are elaborated, and the effect of the subsequent etching process and the bad results of the device performance are described. Corresponding solutions are found from the test of lithography process parameters. The quality of the aluminum wiring is improved by adding the focal length for the high level steps. After the validation of the feasibility of the device performance, the process specification is established, and the device process capability and yield are significantly improved.

CCD; aluminum wiring; lithography; quality

2016- 07- 16

高建威(1985- )，男，工程師。研究方向：CCD光刻工藝。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.041

TN622

A

1007-7820(2017)06-146-04