《炬丰科技-半导体工艺》氮化钛掩膜和刻蚀残留物去除

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《炬丰科技-半导体工艺》书籍中探讨了28/20nm集成电路中，如何使用含有过氧化物的微碱性组合物去除PVD TiN硬掩模和蚀刻残留物，以提高IC的可靠性和尺寸控制。

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：氮化钛掩膜和刻蚀残留物去除

编号：JFKJ-21-318

作者：炬丰科技 

氮化钛硬膜和蚀刻残留物去除

  公开了从 28/20nm 图案晶片去除 PVD等的组合物、方法和系统。该组合物使用过氧化物作为氧化剂，在微碱性条件下去除 PVD，TiN 硬掩模。

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[0036]如图11，对该绿色染料层进行图案化形成网格化的绿色滤光器201，图案化可以包括采用牺牲图案、湿法刻蚀等工艺。最后在绿色滤光器之间形成间隔的沟槽。 [0037]如图12，在相邻的绿色染色器之间的沟槽中填充红色染料以形成红色滤光器202。 [0038]如图13，对红色滤光器202表面多余的红色染料，以形成和绿色滤光器阵列等高的红色滤光器阵列，相应的去除部分红色滤光器单元并形成间隔排列的沟槽，再在沟槽中填充蓝色染料，并去除多余的蓝色染料，以形成蓝色滤光器203。此时相邻的滤光器之间具有不规则形貌。这些不规则形貌如果不去除，将会导致混色问题。 [0039]这些不规则形貌所产生的原因是，在所述衬底200上完全涂布绿色染料后，再通过掩膜版去除部分绿色染料时，会在绿色滤光器201的边缘或周围留下冗余的染料，而这些残留的染料会在边缘区域，由于表面张力较大或较小时，材料容易在这些区域堆积，从而聚集形成凸起。同时在涂布红色或蓝色染料的时候，会由于工艺的精确度问题，在滤光器边缘产生厚度不均匀的凸起结构。 [0040]在一些实施例中，在制作滤光器阵列时，不同颜色的染料（或颜料分散液）通常由不同的有机基质、着色剂及溶剂混合而成，其粘度和表面张力存在差异：绿色染料可能具有更高的粘度和适中的表面张力，在涂布（如旋涂）时能均匀铺展在基底上，且干燥过程中不易因液体流动产生收缩凹陷；红色和蓝色染料可能粘度较低、表面张力偏高（或与基底的润湿性较差），涂布后液体易向边缘收缩，溶剂挥发时膜层中心因物质聚集不足而形成凹陷。染料在烘烤固化（去除溶剂、交联固化）时会发生体积收缩，收缩率与材料成分相关：通常绿色染料的基质可能具有更稳定的分子结构（如交联密度更高），固化时整体收缩均匀，表面保持平整；而红、蓝染料的基质可能收缩率更高，且收缩过程中因局部应力不均（如边缘与中心收缩速度不同），导致表面凹陷。 [0041]在一些实施例中，制作滤光器阵列时，不同颜色的染料之间会因为烘烤发生收缩，倒置相邻滤光器之间产生空隙等接触不良的问题，而这些临界部分的不规则形貌如果不去除也会导致光线串扰等问题。 [0042]如图14，在相邻滤光器之间形成网格状沟槽，将各滤光器单元隔离开。形成网格状沟槽的方法为：在滤光器阵列上形成一硬掩膜，然后对相邻的滤光器接触的部分进行刻蚀，以去除图13中的相邻滤光器之间的不规则凸起，在一些实施例中可以采用干法刻蚀、湿法刻蚀等工艺进行去除。最后形成相互间隔开的滤光器单元。 [0043]如图15，在相邻滤光器单元之间的沟槽中填充栅格材料，形成栅格结构205，其中在本实施例中，栅格材料包括硅氧烷。硅氧烷是个以硅-氧-硅键为骨架的一类化合物，在本实施例中，硅氧烷为环状结构。硅氧烷的折射率为1.3-1.55之间，属于折射率低于其相邻的RGB染料的材料，因此可以利用硅氧烷材料本身的低折射率来进行提高栅格结构的隔离效果。 [0044]在形成栅格结构205之后，还包括对衬底的热处理步骤，具体为：在1-100Pa的真空环境下，对衬底进行热烘处理，热烘的温度为150-220℃。其目的是通过抽真空，然后低温热处理，排出栅格结构内的气泡，然后对栅格结构中的填充材料进行热固化，进而可以得到致密无气孔的栅格结构。在一些实施例中，可以根据栅格材料的种类不同而选择合适的真空范围和温度范围。 [0045]如图16所示，在栅格结构205上还包括形成一上盖层206，在一些实施例中上盖层206上还可以具有刻蚀停止层（图中未示出）。 [0046]上盖层206覆盖滤光器阵列和栅格结构的顶部，上盖层206有助于防止后续工艺对滤光器阵列和栅格结构的损坏，具体的可以防止滤光器在后续工艺中吸收湿气或杂质等，或避免后续涂敷液状物等工序中扩散填充到栅格结构205中的空隙里，避免对栅格结构折射率的影响。上盖层206的材料包括TEOS（四乙氧基硅烷）、氧化铝Al2O3、氧化钛TiO2、氮化钛TiN、氮氧化钛TiOxNy、碳化硅SiC、氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4中的一种或多种。 [0047]在一些实施例中，在形成上盖层206之前还包括对栅格结构205顶部进行平坦化以露出滤光器阵列，例如当栅格结构中包括黑色树脂等透光性较差的材料时，此时可以通过CMP或回刻蚀去除滤光器阵列顶部的栅格材料层以露出滤光器阵列。然后再在其上形成上盖层206。 [0048]这里的上盖层206，一方面，可以作为优良的绝缘介质，可进一步阻断栅格间的电学导通，防止栅格因工艺缺陷（如微小短路）产生漏电，避免像素间的电学串扰，保障信号稳定性。其次，栅格结构经刻蚀形成后，侧壁和顶部可能存在刻蚀损伤或粗糙表面。上盖层可均匀覆盖栅格表面，形成致密保护层，防止后续工艺（如滤光器沉积、透镜制作）中的等离子体、化学试剂对栅格的侵蚀，维持栅格的形貌精度。最后栅格结构的间隙可能因刻蚀工艺产生微小空洞或台阶，上盖层206可通过沉积填充这些间隙，使栅格周围表面更平滑，减少光线在间隙处的散射，间接提高光利用率。 [0049]另一方面，上盖层206可以作为后续微透镜阵列层的平坦化层，滤光器（如 RGB 滤光层）需要在平整的基底上制备以保证颜色分离精度。而上盖层206（如TEOS 氧化硅层）具有优异的台阶覆盖性和均匀性，可填充栅格结构与衬底间的高度差，形成平坦表面，避免滤光器因基底凹凸导致的厚度不均，确保滤光波长的准确性。滤光器材料（如有机染料）易受水汽、离子污染或高温影响而降解。上盖层致密且化学稳定性高，可作为隔离屏障，阻挡外界污染物侵入滤光器，同时耐受后续工艺（如透镜固化）的温度环境，延长器件寿命。当上盖层采用TEOS，其折射率（约 1.46）介于空气（1.0）和滤光器材料（通常 1.5-1.6）之间，可作为中间层优化光在滤光器表面的折射路径，减少界面反射损失，提高光线透过率，增强感光效率。 [0050]在一些实施例中，采用TEOS作为上盖层206，其厚度可通过沉积时间精确调控（通常几纳米到几微米），能根据栅格高度、滤光器厚度等需求灵活调整，适配不同像素尺寸的光学传感器设计。 [0051]如图17-19所示，在上盖层206上形成一微透镜阵列207。其中微透镜阵列中的微透镜单元相邻之间直接接触，并且微透镜阵列207中的微透镜单元与其下方的滤光器阵列一一对应。在微透镜阵列207上形成图案化保护层208，以完成微透镜结构的制作。保护层208形成在微透镜阵列207上，可以防止微透镜阵列207在后续的支架的安装和分离期间被损害。保护层208的厚度可以很小，使得保护层208是用于可见光的透明层。在其他一些实施例中，保护层208是可以使用PECVD等形成的氧化物层(诸如氧化硅层)。保护层208还可以是TEOS氧化物(也是氧化硅)、无掺杂的硅玻璃(USG)等。 [0052]如图20所示，在其它一些实施例中，还可以对滤光器顶部进行平坦化以去除多余的栅格材料层。 [0053]如图21所示，在一些实施例中，栅格材料还包括硅球体，硅球2051在栅格结构中呈现为中空球体，硅球2051的分散体在栅格图案形成后形成多孔（porous）结构，以此可以利用栅格结构中的高孔隙率来降低折射率。硅球2051分散在介质层2052中，在本实施例中，介质层2052的材料为有机透明树脂。在其他一些实施例中，介质层的材料也可以是空气或其它低折射率材料。 [0054]栅格结构205的底部提前形成有一介电层2053，在本实施例中介电层2053包括TiN材料。在其他一些实施例中，也可以包括Ti、TiN、TaN、TiON等中的一种或多种。介电层2053在俯视图中呈现网格状，其作用是防止青斑缺陷，进而提高图像质量。 [0055]如图22所示，在一些实施例中，栅格结构305为包含中空球材料，以及中空球3051之间通过树脂材料3054相接，多个中空球3051之间具有空隙，所述空隙3055中为空气，进而可以使入射光在栅格结构的表面或内部反射或全反射，并尽可能行进到对应的像素单元的光电二极管中被吸收。在其它一些实施例中还可以在栅格结构305上方和上侧方形成一保护层（图中未示出），以防止栅格结构305中的空隙发生扩散溢出。 [0056]如图23所示，在一些实施例中，栅格材料为包括一些无定型材料4051，如无定型碳，其中无定型材料4051均匀地填充在介质层4052中，介质层材料有机透明树脂。在其他一些实施例中，介质层的材料也可以是空气或其它低折射率材料。 [0057]在一些实施例中，栅格材料中还可以包括黑色树脂、透明树脂、低折射率材料中的一种或多种，以提高栅格结构的光学隔离和防串扰的效果。 [0058]如图24所示，为以上方法所形成的光学传感器滤光器阵列以及栅格结构205，其中滤光器阵列直接接触栅格结构205，绿色滤光器201、红色滤光器202、蓝色滤光器203和栅格结构205之间并不存在其它层。 [0059]一方面，本发明通过在具有光电元件的基板上依次形成多个滤光器，在所述多个滤光器上形成根据元件配置和滤光器临接不稳定区域图案化的硬掩膜，通过蚀刻背分离去除滤光器之间临界的不稳定区域，实现高精度且理想的图案的再配置后，通过在重新配置的滤光器之间形成的间隙中填充具有防串扰和聚光等效果的光学材料，可以起到改善光学性能的优势；另一方面，本发明在形成低折射率结构后，在平坦化的滤光器和栅格结构的表面可以更容易形成上盖层，进一步上盖层可以防止后续工序带来的杂质的侵入，同时所述上盖层还可以作为后续微透镜阵列的阻挡层，以提高微透镜的形成质量。最后本发明还可以避免现有技术中保护膜覆盖不好所导致的材料扩散、剥离、栅格倒塌等问题。 [0060]上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本发明的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本发明进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本发明中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本发明示范实施例的精神和范围。 [0061]应当理解的是，本发明中所述实施例仅用以说明本发明实施例的原则。其他的变形也可能属于本发明的范围。因此，作为示例而非限制，本发明实施例的替代配置可视为与本发明的教导一致。相应地，本发明的实施例不仅限于本发明明确介绍和描述的实施例。 请帮我分步梳理一下以上专利的具体实施方法，主要分以下几个方面： 1.技术原理： 2.器件结构 3.材料选择 4.工艺参数 5.工艺流程
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