背照式CMOS 圖像傳感器中氧化鋁薄膜的研究

何 穎

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引 言

隨著圖像傳感器技術的發展，由像素尺寸限制帶來的量子效率較低等問題，影響到了對正照式CMOS 圖像傳感器在成像領域的進一步應用[1]。伴隨著晶圓鍵合技術的提出，背照式CMOS 圖像傳感器（Back-Side Illumination CMOS Image Sensor,BSI CIS）成為新的研究熱點[2]。BSI CIS 可以將量子效率從正照式的70%提高到90%。這一顯著的提高得益于良好的器件結構以及高質量的表面鈍化薄膜。這一層關鍵的氧化薄膜的形成是通過原子層沉積工藝來實現的，對相關工序工藝條件優化與質量控制至關重要。這就需要對表面鈍化及原子層沉積工藝原理加深理解，結合實驗反復調整，摸索出最佳方案。

2 表面鈍化

BSI CIS 在完成晶圓鍵合后需對感光側晶圓進行減薄，達到指定厚度，保證入射光更充分地到達光電轉換矩陣[3-4]。在完成減薄工藝后，裸露于空氣中的硅由于氧化會迅速在表面生成二氧化硅，雖然厚度只有幾納米，但內部存在大量的正電荷，會與硅界面形成界面態，形成勢阱。當光照在光電二極管中產生光生載流子后，由于勢阱的作用導致光生載流子與空穴復合，降低器件的量子效率。為保證較高的量子效率和器件穩定性，需在減薄工藝后對表面進行鈍化[5]。氧化鋁薄膜因其高的介電常數，及]其在可見光波段消光系數k 為0 的特點，可兼具鈍化層與抗反射層的功能，在BSI CIS 領域獲得良好應用。

3 原子層沉積

原子層沉積ALD（Atomic Layer Deposition）是化學氣相沉積CVD（Chemical Vapor Deposition）的一種，屬于表面飽和式反應，可以控制薄膜以原子級尺度進行生長，得到厚度均勻性更好的薄膜[6]。以這種生長方式形成的薄膜往往是連續的，沒有針孔，這對于鈍化層是很重要的特性之一。

ALD 的生長[7]主要涉及兩種反應物，稱為反應物一與反應物二，相應地生長過程就有兩部分構成，每一部分都包括各自反應物的自限制反應，以及隨后通過吹掃及抽真空方式去除多余反應物與副產物的步驟。ALD 生長方式示意圖如圖1。

圖1 ALD 生長方式示意圖

4 實驗過程

通過對比所生成的薄膜的表面形貌及器件最終的量子效率，反復調整溫度、氣體流量、吹掃時間等工藝參數，即可得到最優的工藝條件。以此思路展開實驗。此處實驗采用TEL-8SE 設備完成ALD工藝。該設備可同時生長125 片晶圓，對溫度的控制精度可達±0.5℃。所選擇的反應物分別為三甲基鋁（TMA）和臭氧（O3）[8]，反應方程式如下：

4.1 溫度對薄膜性質的影響

分別在150℃、250℃、350℃溫度條件下生長薄膜。使用原子力顯微鏡測量薄膜表面粗糙度，測量范圍為5μm×5μm。從原子力顯微鏡得到的三維形貌如圖2 所示。其中圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)分別為150℃、250℃、350℃溫度下得到的表面薄膜形貌，各自對應的方均根粗糙度RMS（Root Mean Square）為0.908 nm、0.398 nm、0.405 nm。可以看到在溫度由150 ℃升高到250 ℃時粗糙度顯著降低；繼續升高反應溫度，粗糙度不再有明顯變化。這主要是由于TMA 分子在低溫下不易擴散，沒有完整覆蓋基底表面，分子之間的空隙較大。此外，低溫下TMA 分解不充分，也易在表面殘留C 原子，造成薄膜缺陷。當溫度升高后，TMA 分子運動加劇，同時使TMA 更加高效地分解，C、H 元素以副產物的形式被吹掃氣帶走，這樣便有利于形成粗糙度較低的薄膜。

圖2 不同溫度條件下薄膜表面形貌

實驗也對不同溫度下薄膜的均勻性進行對比。均勻性的計算公式為：

式中，Tmax代表薄膜厚度最大值，Tmin代表薄膜厚度最小值，Xaverage代表薄膜厚度的均值。實驗采用橢偏儀對薄膜厚度進行了測試，進而計算出均勻性，結果如圖3 所示。

圖3 用橢偏儀測試數據得出均勻性

可見，低溫下獲得的薄膜均勻性較高溫要差，這主要是由于溫度升高后反應中的解吸附效應增強，薄膜生長速度降低且穩定。溫度繼續升高后均勻性幾乎不變。由此可以判斷適宜氧化鋁薄膜生長的溫度為250℃至350℃之間。鑒于在350℃時獲得的粗糙度與均勻性并無明顯變化，選擇250℃做為反應溫度。

4.2 TMA 與吹掃對薄膜性質的影響

在實驗中改變通入TMA 的時間，同時調整吹掃時間，觀察薄膜表面的粗糙度變化情況。實驗參數與結果詳見表1。

表1 通TMA 時間與吹掃時間對粗糙度的影響

在通TMA 時間與吹掃時間皆為15s 時得到了最佳的RMS 值：0.386 nm。在氧化鋁沉積過程中，當通入TMA 時間不充分時，TMA 分子沒有在硅片表面形成飽和分布，不足以形成連續薄膜，表面易產生孔洞，導致表面粗糙度不佳。當TMA 通入時間過長時，則會造成TMA 分子吸附在薄膜表面，雖然加大了吹掃時間但并沒有對表面粗糙度有較大改善。

4.3 設備內不同區域的薄膜質量

根據上述實驗結果，將反應溫度設定為250℃；TMA 通入時間與吹掃時間都定為15s。

TEL-8SE 為立式爐管，將爐管分為頂部區域、中部區域和底部區域。分別對在這三個區域生長的薄膜的厚度及均勻性進行測試，作為對薄膜質量的考核。

首先對循環次數加以考慮，對比位于不同區域生長薄膜的差異，實驗結果如圖4。可見厚度與循環次數成線性關系，并在三個區域間呈現穩定的生長速度，約為每次循環0.08nm。這表明通過控制循環次數可實現對薄膜的精確控制。

然后，設定循環次數為170 次，厚度為15 nm，再次對比不同區域生長出的薄膜厚度的均勻性。實驗結果如圖5 所示。可見頂部區域均勻性最好，底部區域均勻性較差，但兩者相差僅為0.35%，不影響器件的最終性能。

圖4 不同區域薄膜厚度與循環次數的關系

圖5 不同區域的薄膜均勻性變化

最后再次分別將三片CMOS 圖像傳感器晶圓傳入設備的三個區域中，完成沉積工藝并測試其量子效率。實驗結果如圖6 所示。可以看到三條曲線幾乎完全重合，表明三個區域的量子效率并沒有較大的區別。

圖6 不同區域的器件量子效率

5 結 束 語

針對TEL-8SE 沉積氧化鋁薄膜工藝，經調整確定了最佳的反應溫度、TMA 通入時間及吹掃時間。并在該條件下得到了穩定的沉積速度與薄膜均勻性。經對比發現爐管內部不同區域均勻性有一定差異，但差異微小，并不影響器件最終性能。此氧化鋁成膜方法已成功應用于背照式CMOS 圖像傳感器的生產，為器件的量產提供了保障。