CN100364099C - 用于制造半导体器件的工艺和半导体器件 - Google Patents
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Abstract
一种用于制造半导体器件的工艺，包括步骤：在含有光电转换部分的半导体衬底上形成透明膜，该透明膜具有在光电转换部分之上的凹面部分；在透明膜上形成材料膜，该材料膜由具有比该透明膜的折射系数更高的折射系数的光敏材料形成；以及用光线有选择地辐照该材料膜的预定部分，然后显影该材料膜，由此形成具有面对该凹面部分的凸面部分的层内透镜。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造半导体器件的工艺和通过该工艺形成的半导体器件。更具体地，它涉及一种用于制造包括光电转换部分的半导体器件的工艺和由此工艺形成的半导体器件。
背景技术
半导体图像拾取器件例如电荷耦合器件(CCD)图像传感器、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器等已经广泛用于例如数字照相机、摄象机、具有照相机的蜂窝电话、扫描仪、数字复印机、传真机等的各种应用。随着它们被广泛使用，对于减少尺寸、降低器件的成本以及更好的功能和性能、例如像素数量的增加和器件的光灵敏度的改善存在不断增长的需求。
除了减少器件的尺寸和增加像素数量之外，降低器件成本的需要致使减少了将要并入到器件中的像素的尺寸。像素尺寸的减少使得了器件的光灵敏度变坏(光灵敏度是对器件的基本要求之一)，并且在弱照明环境下使器件难于获取清晰的图像。因此，提高每个像素的光灵敏度并利用适合于大批量生产的工艺、以低成本来制造器件就非常重要。
作为用于提高器件的光灵敏度的技术，以下的技术是公知的。例如，在日本未审专利公开No.平4(1992)-12568中公开了一种在滤色器(color filter)上形成由有机聚合物材料制造的微透镜的技术，以及在日本未审专利公开No.平11(1999)-87672中公开了另一种技术，其在光接收部分和滤色器之间的叠置结构内部形成的透镜，即所谓的层内透镜。
如图3所示，包含这种层内透镜的固态图像拾取器件，包括：在半导体衬底21的表面中的CCD传送(transfer)沟道24、读取栅部分23、光电转换部分(光接收部分)22和沟道截断(channels topper)25，以及通过绝缘膜26在CCD传送沟道24上形成的传送电极27和通过层间电介质28在传送电极27上形成的光屏蔽膜29。器件还包括：由硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)等形成的平坦化膜30，层内透镜(intralayer lens)74，R、G或B的滤色器12，保护膜13和微透镜14。依此次序在光屏蔽膜29上叠置这些部分。这里，微透镜14位于光电转换部分22之上。
将在下面描述形成层内透镜的方法。
如图4(a)所示，将所需的杂质注入到半导体衬底21中以形成光电转换部分22、读取栅部分23、CCD传送沟道24和沟道截断25。随后，在半导体衬底21的表面上形成绝缘膜26，然后在绝缘膜26上形成具有预定图形的传送电极27(它的膜厚为例如300nm)。此后，通过层间电介质28在传送电极27上形成光屏蔽膜29(它的膜厚为例如200nm)，由此光屏蔽膜29覆盖传送电极27并具有在光电转换部分22之上的开口。
如图4(b)所示，通过大气压CVD工艺在光屏蔽膜29和半导体衬底21上淀积预先确定有磷和硼的预定浓度的BPSG膜，具有600nm的膜厚，并在900℃或更高温度下进行回流处理，由此形成具有在光电转换部分22之上的凹面部分的平坦化膜30。该凹面部分的表面构成将在该膜30上形成的层内透镜的凸形表面。
如图4(c)所示，通过大气压CVD工艺在平坦化膜30上形成氮化硅系列薄膜71。氮化硅系列薄膜71的厚度大于平坦化膜30的凹面部分的深度。因为凹面部分归因于传送电极27上的光屏蔽膜29的形状，所以该部分的深度为大约500nm。因此，氮化硅系列薄膜71的厚度设定为500nm或更厚，例如，大约1500nm。
随后，将玻璃上旋涂(SOG)膜前体旋涂在氮化硅系列薄膜71上，使得SOG膜具有1500nm厚，并进行退火处理(例如，400℃30小时)，由此形成具有平坦表面的SOG膜72。
如图4(d)所示，回蚀SOG膜72和氮化硅系列薄膜71，使得完全除去SOG膜72，并平坦化氮化硅系列薄膜71的表面。在此工艺中，蚀刻各个膜的上部，以致蚀刻SOG膜的厚度为大约3000nm。设定回蚀条件，使得SOG膜72和氮化硅系列薄膜71的蚀刻选择比为从1.0∶0.9-1.0∶1.1。通过等离子体蚀刻方法例如高频平行板方法、磁控管高频等离子体方法、微波等离子体方法或磁场微波放电方法的任何一种方法来实施上述工艺。
然后，如图4(e)所示，在平坦化膜30上形成由氮化硅系列薄膜71形成的层内透镜74。
层内透镜的上述形成方法存在以下的1-3个问题。
1.必须形成构成层内透镜的氮化硅系列薄膜71，使得膜71的厚度大于在下面的平坦化膜30的凹面部分的深度。当通过通常在氮化硅系列薄膜的形成中使用的大气压CVD设备或等离子体CVD设备来形成具有1000nm或更厚的氮化硅系列薄膜71时，由于膜应力，膜71就会塑性地变形，并在膜中产生龟裂。此外，膜71的膜厚不可能是均匀的，其将导致层内透镜的厚度的不均匀性。结果，使固态图像拾取器件的图像质量变坏。
2.SOG膜72必须形成具有这样的厚度，使得用SOG膜72填充在下面的氮化硅系列薄膜71的凹面部分并使SOG膜72的表面平坦。当通过将前体旋涂到膜71上、随后进行退火来形成具有1000nm厚或更厚的SOG膜72时，由于膜应力，就使膜72产生龟裂并且片状脱落。龟裂和片状脱落就会在层内透镜的形状中产生缺陷。该缺陷给图像拾取器件带来问题。
3.将要蚀刻的SOG膜72和氮化硅系列薄膜71必须具有大约3000nm的总厚度用于上述的回蚀工艺，SOG膜72和氮化硅系列薄膜71的蚀刻选择比需要设定为大约1∶1。蚀刻量对于一个晶片或多个晶片易于改变。因此，形成均匀厚度的层内透镜就非常困难。此外，在此工艺中采用的蚀刻设备非常昂贵，并且包括蚀刻速度的控制、污物控制等的维护将带来许多的工作。
发明内容
鉴于上述问题就获得了本发明。本发明的一个目的是提供一种用于制造半导体器件的简单工艺以及由该工艺形成的半导体器件，该工艺不用新的设备就能够形成具有均匀厚度的高质量的层内透镜，该层内透镜没有在该透镜之上并在该透镜之下形成的层内透镜或各绝缘膜的龟裂和脱落。
根据本发明，提供一种用于制造半导体器件的工艺，包括步骤：
在包括光电转换部分的半导体衬底上形成透明膜，该透明膜具有在该光电转换部分之上的凹面部分；
在该透明膜上形成一材料膜，该材料膜由具有比该透明膜的折射系数更高的折射系数的光敏材料形成；以及
用光线有选择地辐照该材料膜的预定部分，然后显影该材料膜，由此形成具有面对该凹面部分的凸面部分的层内透镜。
利用此工艺，可以在不用新的设备的情况下，通过在半导体制造工艺中通常采用的旋涂机、显影机、曝光机等来简单地形成没有龟裂和脱落的具有均匀厚度的层内透镜。
根据本发明的另一个方面，提供一种半导体器件，包括：含有光电转换部分的半导体衬底；在该半导体衬底上形成的透明膜，该透明膜具有在该光电转换部分之上的凹面部分；以及在该透明膜上形成的层内透镜，该层内透镜具有面对该凹面部分的凸面部分，该层内透镜由具有比该透明膜的折射系数更高的折射系数的光敏材料形成。
从下文给出的详细描述中，本申请的这些和其它目的将更加明显。然而，应当理解，虽然给出了展示本发明的优选实施例的详细描述和具体实例，但仅仅用于说明，因为从以下详细的说明中，在本发明的精神和范围之内的各种变化和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的半导体器件的主要部分的示意性剖面图；
图2(a)-2(c)是说明用于制造图1的半导体器件的工艺步骤的主要部分的示意性剖面图；
图3是包含层内透镜的常规固态图像拾取器件的示意性剖面图；以及
图4(a)-4(e)是说明用于形成图3的层内透镜的工艺步骤的主要部分的示意性剖面图。
具体实施方式
在根据本发明的用于制造半导体器件的工艺中，在半导体衬底中首先形成光电转换部分。只需要通常用于制造半导体器件的衬底即可，并不特别限制半导体衬底。例如，半导体衬底可以由例如硅、锗等的元素半导体或例如SiC、GaAs、AlGaAs等的化合物半导体形成。在这些衬底之中，优选硅衬底。典型地，半导体衬底可以掺杂有n型或p型杂质，并可以具有一个或多个n型阱或p型阱。除了光电转换部分(发光部分或光接收部分)之外，还可以在半导体衬底的表面内和/或在半导体衬底的表面上形成含有高浓度的n型或p型杂质的区域，以形成电荷传送区、隔离区、接触区、沟道截断等，还可以在其中或其上形成其它半导体器件和电路。
光电转换部分可以包括光接收部分或发光部分。光接收部分典型为在半导体衬底的表面中形成的pn结二极管。可以根据将获得的半导体器件的所需的性能适合地设置p型或n型杂质层的尺寸、形状和数量、以及杂质浓度等。发光部分可以包括发光二极管。可以通过公知的工艺来形成在半导体衬底的表面中的光电转换部分。该工艺可以包括步骤：形成掩模，该掩模具有通过光刻和腐蚀处理的在所需部分处的开口，以及通过掩模的离子注入。
在CCD的情况下，可以在相邻的光电转换部分之间通过绝缘膜形成传送电极，在传送电极上通过层间电介质形成光屏蔽膜。传送电极可以由多晶硅、硅化钨等形成。例如，传送电极的厚度可以是大约300-600nm。光屏蔽膜可以由能够阻挡可见光和/或红外光的材料形成，例如硅化钨，包括钛、钨等的金属，或它们的金属合金，膜的厚度可以是大约100-1000nm。绝缘膜或层间电介质可以是通常用于这种膜或电介质的单层膜，例如等离子体的四乙氧基硅烷(TEOS)膜，低温氧化物(LTO)膜，高温氧化物(HTO)膜或由CVD工艺形成的非掺杂的硅酸盐玻璃(NSG)膜，以及通过旋涂工艺形成的SOG膜、通过CVD工艺形成的氮化硅膜等，或它们的叠层膜。因为上述绝缘膜、层间电介质、传送电极和光屏蔽膜会对其上将形成的层内透镜的厚度和形状有影响，根据后面将描述的透明膜的厚度和材料，绝缘膜、层间电介质、传送电极和光屏蔽膜的总厚度优选调整为大约500-2000nm。
在半导体衬底上形成透明膜以至具有在光电转换部分之上的凹面部分。可以归因于传送电极和光屏蔽膜等的形状来形成凹面部分，或可以通过腐蚀透明膜来形成凹面部分。根据采用的材料和它的厚度，透明膜的光透射率可以适合为大约80-100％。透明膜可以是单层膜，其可以是上述列举的绝缘膜或它们的叠层膜，其中优选BPSG膜。透明膜的厚度可以是大约100-2000nm。优选适当调整该厚度，因为凹面部分的深度和形状会对其上将形成的层内透镜的凸面部分的厚度和形状有影响。
可以通过本领域中适当选择的公知工艺来形成上述的绝缘膜、层间电介质、传送电极、光屏蔽膜和透明膜。该工艺可以包括溅射工艺、CVD工艺、旋涂工艺、真空蒸发工艺、EB工艺等中的至少一种工艺。CVD工艺可以是低压CVD工艺、大气压CVD工艺、等离子体CVD工艺等。
在获得的半导体衬底上形成光敏材料膜，其具有比透明膜的折射系数更高的折射系数。然后，用光线有选择地辐照材料膜的预定部分，并显影该材料膜。由此形成层内透镜以至具有面对透明膜的凹面部分的凸面部分。
材料膜可以由树脂形成，该树脂可以通过光线的辐照被固化或变成可溶于碱溶液。树脂可以是本领域中公知的正型光刻胶或负型光刻胶。光线可以是具有能量的光，包括γ射线、X射线、可见光、紫外光等，其中优选紫外光。光线的能量不用特别限制，但紫外光的能量可以适合为例如大约500-800mJ。材料膜可以由有机材料例如丙烯酸系列材料、聚酰亚胺系列材料等形成。用于可见光的材料膜的折射系数优选为大约1.6或更大。为了提高材料膜的折射系数，该材料膜可以含有折射系数高于上述材料的折射系数的材料，并且特别地，它的折射系数为大约2.0或更高。例如，材料膜可以含有例如无机氧化物的无机材料，特别是氧化锌、氧化钛、氧化锆、氧化锡等。上述材料优选具有大约20nm或更小的粒径尺寸，更加优选为大约10nm或更小的粒径尺寸。适当设置有机材料和特殊材料之间的混合比，由此最优化显影之后的例如透射率、折射系数、光敏特性、回流处理的形变、表面相同和残余物的因素。例如，有机材料和特殊材料之间的混合比可以为大约1∶0.1-0.3，优选为大约1∶0.2-1.5。可选的，可以将本领域中公知的任何光敏剂进一步添加到材料膜中。可以利用公知的工艺，例如辊涂敷工艺、喷涂工艺、喷嘴涂敷工艺、浸渍涂敷工艺、旋涂工艺、格栅涂敷(bar coating)工艺、丝网涂敷工艺等在透明膜上提供上述材料，随后通过干燥来形成具有光滑表面的材料膜。根据将采用的材料的透射率，可以适当调整材料膜的厚度。例如，它的厚度可以为大约500-1500nm。
可以通过公知的方法用光选择性地辐照材料膜，例如通过具有适合图形的掩模用光线辐照材料膜的方法，或通过电子束光刻方法用光线仅仅辐照材料膜的所需要的部分的方法。在由光线辐照固化的材料来形成材料膜的地方，仅用光线选择性辐照其上将形成层内透镜的部分。在由通过光线辐照变为可溶于碱溶液的材料形成材料膜的地方，用光线选择性辐照将不会形成层内透镜的、包括焊接区和划片线的部分。
可以通过碱溶液来显影材料膜，更具体地，碱溶液包括氢氧化四甲铵、氨水等。
在形成光电转换部分、传送电极、光屏蔽膜等的像素区内的材料膜被保留，并通过显影除去焊接区和划片线上的材料膜。因此，就可以在像素区的范围之内和在光电转换之上形成具有凸面部分的层内透镜，其凸面部分通过传送电极和光屏蔽膜产生的透明膜的凹面部分引起。可以平坦化层内透镜的上表面，层内透镜在它的上表面上具有凸面部分。通过一种工艺来形成凸面部分，该工艺包括步骤：将仅在光电转换部分之上的该材料膜形成为矩形形状，并利用热处理来使得矩形形状的材料膜变软并熔化。由此，在层内透镜的底表面处能够提供由透明膜的凹面部分引起的一个凸面部分，并且在层内透镜的上表面处能够提供通过热处理的形变来引起的另一个凸面部分。就是说，层内透镜可以具有在两个表面上的凸面部分。在获得的层内透镜中，最厚部分和最薄部分之间的厚度差可以为大约500-1000nm。更具体地，最厚部分可以为大约1000-2000nm厚，最薄部分可以为大约0-500nm厚。
根据本发明，可以在层内透镜上形成具有低折射系数的透明材料膜。与具有高折射系数的上述材料膜相比，透明材料膜可以具有小了0.5或更多的折射系数。用于可见光的透明材料膜的折射系数可以为大约1.6或更小。透明材料膜可以由以下材料形成：氟代烯烃系列共聚物，具有含氟脂肪族环结构的聚合物，全氟代烷基醚系列共聚物或含氟(偏)丙烯酸酯聚合物，或者两种或多种上述材料的混合物。此外，可以将氟化物，特别是氟化镁添加到材料膜中。氟化物优选形成为颗粒，并且每个颗粒尺寸优选为大约20nm或更小，更优选为大约10nm或更小。氟代烯烃类共聚物和特定材料之间的混合比可以为大约1∶0.1-1.5。
利用上述材料，可以通过公知的工艺在层内透镜上形成具有低折射系数的材料膜，例如辊涂敷工艺、喷涂工艺、喷嘴涂敷工艺、浸渍涂敷工艺、旋涂工艺、格栅涂敷工艺、丝网涂敷工艺等。可以根据将使用的材料来适当调整材料膜的厚度。例如，它的厚度可以为大约500-1500nm。材料膜优选具有基本上平坦的表面，即在像素之间的膜厚的变化优选在几十埃之内。
此外，优选在层内透镜之上通过具有低折射系数的透明材料膜形成微透镜。透明材料膜可以利用上述工艺形成为单层膜或叠层膜。可选的，可以在透明材料膜上形成功能膜，例如滤色器、钝化膜、保护膜、平坦化膜、层间膜等，并且可以在透明材料膜上叠置两种或多种功能膜。每种功能膜可以由任意厚度的任何材料形成。微透镜可以利用本领域公知的工艺由公知的材料形成。由于下层的形状，微透镜的底表面可以是平坦的，并且微透镜的上表面适合于处理成具有凸起形状或拱形形状。
根据本发明的半导体器件包括由高折射系数的材料形成的层内透镜，其中层内透镜形成在含有光电转换部分的半导体衬底上，并且至少在光电转换部分之上的底表面上具有层内透镜的凸面部分。半导体器件包括固态图像拾取器件，例如CCD和CMOS图像传感器、CMD、电荷注入器件、双极型图像传感器、光电导膜图像传感器、叠置的CCD或红外图像传感器。此外，半导体器件还包括光接收元件或发光元件，例如在半导体集成电路的制造工艺中制造的发光二极管。半导体器件可以用作例如液晶屏的光透射控制器件的器件的光接收部分或发光部分。
下面将参照附图，利用本发明的实施例详细地描述本发明的半导体器件及其制造工艺。在此使用的设备和材料术语与在半导体器件制造工艺中通常采用的设备和材料术语相同。因此，省略术语的详细说明。
如图1所示，根据本发明的半导体器件的CCD固态图像拾取器件包括在半导体衬底41的表面内形成的CCD传送沟道44、读取栅极部分43、光电转换部分42和沟道截断45，以及通过绝缘膜46在CCD传送沟道44上形成的传送电极47和通过层间电介质48在传送电极47上形成的光屏蔽膜49。提供光屏蔽膜49用于防止光泄漏到传送部分中。器件还包括由BPSG制造的透明膜50，具有高折射系数的层内透镜51，R、G或B的滤色器52，由透明有机膜制造的保护膜53以及微透镜54。它们依此次序叠置在光屏蔽膜49之上。提供层内透镜51以便形成在光电转换部分之上的凸面部分，并且在光电转换部分42之上提供微透镜54。
可以通过以下工艺来形成此CCD固态图像拾取器件。
如图2(a)所示，将所需的杂质注入到半导体衬底41中，由此形成光电转换部分42、读取栅极部分43、CCD传送沟道44和沟道截断45。随后，通过热氧化等在半导体衬底41的表面上形成例如氧化硅膜的绝缘膜46，然后在绝缘膜46上形成由多晶硅构成并且具有预定图形的传送电极47。此后，在传送电极47上通过层间电介质48形成由硅化钨构成的光屏蔽膜49。提供光屏蔽膜以便覆盖传送电极47并具有在光电转换部分42之上的开口。
如图2(b)所示，通过大气压CVD工艺在光屏蔽膜49和半导体器件41上淀积BPSG膜，使得BPSG膜具有900nm的膜厚。此时，设定在BPSG膜中含有的硼和磷的每一种浓度，使得BPSG膜具有在光电转换部分42之上形成的有光滑表面的凹面部分。这里，硼的浓度设置为3.8wt％，磷的浓度设置为4.2wt％。然后，在温度950℃下对BPSG膜实施20分钟的回流处理，由此获得透明膜50。
随后，将800nm厚的高折射系数材料旋涂在获得的透明膜50上，并通过热板在90℃下干燥2小时。在此采用的上述材料是具有光敏剂的丙烯酸类树脂，该树脂含有大约20wt％的颗粒状氧化锆(大约20nm的尺寸)。然后，用紫外光有选择地辐照光接收部分42之上的部分材料，例如，这种光线具有在半导体制造工艺中通常采用的光刻技术中使用的365nm的波长、大约700mJ。辐照的部分被固化，并变成不可溶于后面将说明的碱性显影剂中。通过含有2.3％的TMAH的碱性显影剂来显影该材料，用水清洗并通过热板在200℃下干燥2分钟，由此获得如图2(c)中所示的具有在光电转换部分42之上的凸面部分的层内透镜51。
通过光刻工艺将负型光刻胶处理成所需的图形，该光刻胶中分散具有G、R或B的光谱特性的颜料，由此形成滤色器52。然后，将0.7μm厚的丙烯酸树脂(热固性的丙烯酸树脂的一个例子是从JSR公司可获得的OPTOMER SS-1151)提供到滤色器52之上，形成保护膜53，然后通过公知的技术来形成微透镜54，例如在日本未审专利公开No.平4(1992)-12568中公开的技术。因此，获得如图1中所示的具有层内透镜的CCD固态图像拾取器件。
在上述的实施例中，对CCD固态图像拾取器件的说明可以应用于其它器件的说明，例如，其它固态图像拾取器件，如MOS固态图像拾取器件，液晶显示器等。以如上述实施例的相同方式，通过调整适合的层内透镜、平坦化膜、保护膜和微透镜的每一种膜的厚度以及它们的形成条件，能够获得具有所需形状的层内透镜的半导体器件。
根据本发明，特殊的材料膜形成在透明膜上，透明膜的上表面具有凹面部分，并且用光线选择性辐照材料膜的所需要的部分，随后显影该材料膜。由此，在所需的位置处就形成了层内透镜的凸面部分。此外，材料膜可以形成具有最小的厚度，并且在材料膜之上和之下提供的功能膜例如绝缘膜等可以形成具有最小的厚度，因此就能够防止层内透镜的龟裂和功能膜的脱落。因此，就可以以高质量、低成本地形成具有均匀厚度的层内透镜。
Claims (9)
1.一种用于制造半导体器件的工艺，包括步骤：
在含有光电转换部分的半导体衬底上形成透明膜，该透明膜具有在该光电转换部分之上的凹面部分；
在该透明膜上形成材料膜，该材料膜由具有比该透明膜的折射系数更高的折射系数的光敏材料形成，该光敏材料包含金属氧化物；以及
用光线有选择地辐照该材料膜的预定部分，然后显影该材料膜，由此形成具有面对该凹面部分的凸面部分的层内透镜。
2.根据权利要求1的用于制造半导体器件的工艺，其中光敏材料是紫外光固化树脂。
3.根据权利要求1的用于制造半导体器件的工艺，其中光敏材料是通过紫外光辐照变得可溶于碱液的树脂。
4.根据权利要求1的用于制造半导体器件的工艺，其中金属氧化物包括氧化锆和氧化钛中的至少一种。
5.根据权利要求1的用于制造半导体器件的工艺，其中通过含有氢氧化四甲铵的碱溶液来显影材料膜。
6.一种半导体器件，包括：含有光电转换部分的半导体衬底；在该半导体衬底上形成的透明膜，该透明膜具有在该光电转换部分之上的凹面部分；以及在该透明膜上形成的层内透镜，该层内透镜具有面对该凹面部分的凸面部分，该层内透镜由具有比该透明膜的折射系数更高的折射系数的光敏材料形成，该光敏材料包含金属氧化物。
7.根据权利要求6的半导体器件，其中光敏材料是紫外光固化树脂。
8.根据权利要求6的半导体器件，其中光敏材料是一种树脂，其通过紫外光辐照变为可溶于碱液。
9.根据权利要求6的半导体器件，其中金属氧化物包括氧化锆和氧化钛中的至少一种。
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