关于CCD铝布线光刻工艺质量的优化研究

高建威，韩沛东，向鹏飞，杨修伟，袁安波

(重庆光电技术研究所 第1研究室，重庆 400060)



关于CCD铝布线光刻工艺质量的优化研究

高建威，韩沛东，向鹏飞，杨修伟，袁安波

(重庆光电技术研究所 第1研究室，重庆 400060)

针对CCD器件制作过程中铝布线的光刻工艺质量较差问题，阐述了其产生的原因和对后续刻蚀工艺造成的影响及对器件性能造成的不良结果。文中从改进光刻工艺参数的角度入手进行试验查找相应的解决办法，通过为高台阶层次添加焦距补偿的方法提高铝布线的光刻工艺质量。通过器件性能测试验证了其可行性,在之后制定了工艺规范，使器件整体的工艺能力和成品率得到显著提升。

CCD；铝布线；光刻；质量

随着电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)制造工艺技术的发展，同等芯片面积的CCD像元数不断增加，像元尺寸不断缩小，CCD将围绕着高分辨率、高读出速度、低成本、微型化结构优化、多光谱应用等发展[1]，其金属布线的层数会越来越多，而绝缘介质的材料变得越来越多样化[2]。CCD制造工艺的最佳金属是铝[3]，因为铝具有低阻、抗电子迁移性能强、与绝缘体的良好附着性、耐腐蚀等优点可以符合器件制作的各种需要。

1 问题及原理阐述

不同CCD器件制作对铝布线的要求各有不同，如线阵CCD和面阵CCD[4]从器件结构上就有很大不同，背照CCD[5]的和普通CCD的进光面则截然不同,相应的对其制作要求的侧重点有部分差异。CCD的金属材料生长最常采用的是淀积和溅射工艺,目前出现工艺问题的器件台阶深度都比较高。虽然一般情况下金属工艺前会淀积800 硼磷硅玻璃[6](Boron Phosphate Silicate Glass,BPSG)对前层多晶硅台阶进行平坦化处理，但是由于CCD工艺的特殊性，光敏区复杂处的台阶依然很高。

以某多光谱CCD第一层金属布线为例，其金属使用的是溅射工艺制作，线宽设计值为2.4 ，铝溅射厚度为750 ,成分为硅铝合金[7]，金属的电阻率约为36 ，曝光工艺使用的光刻机为高性能步进光刻机，刻蚀使用等离子刻蚀机。光刻工艺问题主要表现在曝光显影后线条在胶两侧的梯形角度较差，且线宽较窄，通过微距量测扫描式电子显微镜(CD Scanning Electron Microscope,CDSEM)观察如图1所示。

图1 显影后CDSEM平面观测图

图1是平面观测图，黑条为胶的上表面，黑条两侧的白边是胶条梯形形貌的斜边，两者相加即为有效线条宽度。可以观察到，对于正常的线条来说斜边所占的比例过高，胶条的上表面线宽不足。通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)观察，显影后剖面观测图如图2所示。

图2 显影后SEM剖面观测图

由图可见，显影后的胶条斜边陡直度较差，光刻工艺要求胶的边缘形貌陡直且角度>85°[8]，图中线条明显不符合要求。

通过分析，出现上述问题的原因是由于以下几点：(1)铝材料的反射率高导致曝光时反射光线过强，即使涂有底部抗反射涂层(BARC)[9]依然无法保证正常工艺制作；(2)由于特殊工艺需求,光刻时使用的是专用抗腐蚀光阻[10]，这种光阻具有感光敏感的特点；(3)因CCD特殊工艺要求，在本层金属制作前已经进行过十几层各种材料的生长和刻蚀工艺，光刻机的零层对准存在偏差。由于上述原因,金属层次在光刻工艺后会出现线条形貌不佳的情况，甚至在部分台阶过深的区域会出现底膜。

由于胶条形貌存在工艺问题，会导致在刻蚀过程中胶条边缘的曲线光刻胶会被刻蚀掉，使其不能有效保护需要保留的区域且会留下多余刻蚀残留。所以在现有的CCD实际工艺过程中，铝布线的制作存在各种问题，其中铝刻蚀残留[11]问题最为严重，通过SEM观察如图3。

图3 刻蚀后铝残留扫描电镜观测图

因为工艺问题，导致铝线条的同层漏电问题及金属线条均匀性问题始终无法得到解决，这将大幅影响CCD器件的成品率和成像质量。

2 实验方法

2.1 常规光刻参数调整实验

针对上述问题,文中继续以某型多光谱CCD的第一层金属为例进行实验。其线宽设计要求为2.4 ，原始工艺使用的光刻胶为罗门哈斯SPR 6818光刻胶，胶厚为2.2 ，曝光量为200 ，显影时间为60 s。本文以改进光刻工艺参数的角度进行实验，预计先以调整常见光刻条件的方式找到可行的方案，使光刻后的胶条线宽及形貌质量更为符合工艺制作需求，进而提升器件的铝布线的光刻工艺质量。因为光刻机的复杂性[12]，在此实验中需要尽量避免对光刻机的曝光参数产生影响，实验的具体条件包括如表1所示。

表1 实验中涉及到的参数及调整范围

通过对以上项目的大量试验后得出结论，调整这些常见参数并不能使铝布线光刻工艺质量得到有效提升。对实验结果进行分析，发现这些参数的变化只会从不同程度上影响线宽的大小，但对线条形貌的改善作用微小。

在经过上述实验条件的验证后，特别是通过针对不同掩膜厚度的光刻工艺进行的实验，发现金属层次曝光对焦平面的变化敏感。在考虑到CCD工艺的特殊性，尤其是具有不同于其它半导体器件的多层次[13]和高台阶性，所以确定是由于曝光时的焦深偏差导致本次光刻工艺出现问题。

2.2 光刻机相关参数调整实验

在光刻中，对图形质量起关键性作用的是分辨率和焦深两个因素，这两项参数都直接受到入射光波长 和光学系统的数值孔径 的影响[14]。其中焦深是焦点周围的一个范围，在这个范围内图像应该保持清晰和连续。文中所使用的光刻机性能强大，具有自动对准和自动查找最佳焦点的功能。但是根据之前的实验结论可以看出，光刻机自动设置的焦点出现了偏差[15]。所以，接下来本文将针对光刻机曝光焦距进行试验，以得出最佳焦距使金属层次光刻工艺质量满足要求。

实验中，由于铝层的曝光量阈值(E0值)约为70 mJ/cm2，而曝光量选择一般为2倍E0值，所以设计铝层次曝光量为150 mJ/cm2。在光阻的选择上，为达到抗蚀的目的依旧使用罗门哈斯SPR 6818光刻胶，掩膜厚度为2.2 μm，显影时间为60 s。考虑到此多光谱CCD器件光敏区制作了3层多晶硅，每一层的平均厚度为400 nm，多晶硅层间氧化厚度平均为100 nm，BPSG厚度约为1 μm，铝布线的厚度为800 nm。所以，器件的台阶最高处经测试约为2 μm。为求数据全面，试验设计焦距补偿值为-3～4 μm，测试使用5点测试法，所得线宽数据如表2所示。

表2 不同焦距对应的CDSEM测量线宽值

实验中，线宽设计值依然是2.4 μm。由表可见，光刻工艺线宽值对焦距参数的敏感性强。通过对线宽数据的分析，结论为当焦距补偿值设定为-0.8 μm时可以得到最宽的线宽和相对较好的线宽均匀性。

关于线条的平面形貌，可以由CDSEM观察得到。不同焦距时的线条形貌CDSEM观测图如图4和图5所示。

图4 焦距依次为-3 μm，-2 μm，-1.5 μm，-1 μm，-0.8 μm时的平面形貌

图5 焦距依次为-0.5 μm，0 ，1 μm，2 μm，3 μm时的平面形貌

由图可见，胶条两侧的白边宽度经历了一个由宽变窄又逐渐变宽的过程。因为当白边越窄时胶条的斜边角度越陡直，所以可知线条的形貌经历了由差变好又变差的过程。

通过CDSEM观测的结论为，焦距为-1 μm时线条形貌最好，这时胶条的斜边角度为最大。而当焦距为-0.5～ -1.5 μm时，线条的形貌都是符合光刻工艺要求的，-0.8 μm为中心值。本文需要观察剖面图对上述结果进行验证。通过SEM观察，焦距补偿为-0.8 μm时胶的剖面图如图6所示。

图6 焦距补偿为-0.8μm时SEM观察剖面图

由图可见，与焦距为0时相比较，在改变焦距补偿为-0.8 μm后胶条的形貌有了大幅改善，胶的上表面线宽值由1.47 μm增加到1.95 μm，下表面由2.2 μm增加到2.41 μm。重要的是光刻胶斜边由弯曲变得陡直，且斜角>85°。所以，此工艺条件符合光刻工艺及后续刻蚀工艺的要求。

综合考虑线宽和线条形貌后可以得到结论，焦距为-0.8 μm时所得线条为光刻工艺所得的最佳值。经过重复试验发现，在台阶较深处的底膜也没有再出现。将改进的工艺条件应用于正式CCD器件进行测试，测试所使用的一半器件将依然使用初始工艺。在刻蚀后可以明显观察到，使用了改进工艺的器件铝布线形貌要更加优良。

3 实验结论

通过实验证明，焦深是改善CCD器件铝布线光刻工艺的关键参数。将焦距补偿设置为-0.8 μm时CCD铝布线光刻工艺可以获得最好的线宽值和胶条形貌。通过CDSEM和SEM的观察，使用改进后光刻工艺的胶条斜边角度和线宽都明显优于改进前，使得后续的刻蚀工艺可以得到更好的铝布线形貌。

4 结束语

本文针对CCD器件金属同层漏电的问题进行实验，说明了焦深参数对CCD金属光刻工艺的重要性。铝布线工艺通过补偿焦距得到了更好的刻蚀形貌，直接提高了金属引线的工艺制作质量。在实验后将成果推广，为不同台阶高度层次添加相应的曝光焦距补偿制定了工艺规范。且在器件完成后的性能测试结果中得出，用改进工艺的器件使铝同层漏电的问题得到解决，大幅提高了器件的工艺质量和成品率。

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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，工程师。研究方向：CCD光刻工艺。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.041

TN622

A

1007-7820(2017)06-146-04