CN100447984C - 图像传感器元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种图像传感器元件的制造方法，首先于衬底中形成光电二极管以及晶体管，并于此光电二极管的感光区上形成一层氧化层以及一层自对准金属硅化物阻挡层。然后，进行多次金属内连线工艺，以于衬底上形成数个介电层及介电层中的金属内连线，并进行光刻蚀刻工艺，以移除部分这些介电层，而暴露出感光区上方的自对准金属硅化物阻挡层。因为感光区上方的介电层被移除，使此图像传感器元件对光的灵敏度提高。

Description

图像传感器元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种图像传感器元件的结构与制造方法，尤其涉及一种具有光电二极管的图像传感器的结构与制造方法。

背景技术

目前常见的一种图像传感器元件是光电二极管图像传感器，其至少包括一个重置晶体管(Reset Transistor)以及一个二极管所形成的光感测区。以N型掺杂区、P型基底所形成的二极管作为感光区域为例，光电二极管图像传感器在操作时是在重置晶体管的栅极施加一电压，使重置晶体管开启后，对N/P二极管结电容充电。当充电到一高电位之后，关掉重置晶体管，使N/P二极管产生逆偏而形成空乏区。当光照射在此N/P二极管感光区时，产生的电子空穴对会被空乏区的电场分开，使电子往N型掺杂区移动，而使N型掺杂区的电位降低，至于空穴则会往P型基底流走。若此时以一个晶体管把n型掺杂区的电子传到输出端(Bus Line)，使光照所产生的电荷直接传到输出端进行读取，而没有经由任何的放大元件，此种光传感器则是所谓的无源式光电二极管图像传感器(Passive Pixel Photodiode)。若n型掺杂区接到一个传输晶体管(Transfer Transistor)所构成的源极跟随器(SourceFollower)，则可以利用源极跟随器所提供的大电流，快速地对输出端充放电，使输出端的电压稳定，噪声较小，此种光传感器则为所泛称的有源式光电二极管传感器(Active Pixel Photodiode)。

近年来许多光电二极管互补式金属氧化物半导体图像传感器在图像处理过程中，已成为电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)的代替品。这些光电二极管互补式金属氧化物半导体图像传感器具有高量子效率(Quantum Efficiency)、低读出噪声(Read Noise)、高动态范围(Dynamic Range)及随机存取的特性，且与互补式金属氧化物半导体工艺相容，因此很容易达到在同一芯片上与其他控制电路、模拟数字电路及数字信号处理电路整合在一起。

然而，因为与大量其他电路整合制作，所以光电二极管互补式金属氧化物半导体图像传感器对光的灵敏性会受到这些电路的影响而降低。欲改良此传感器对光的灵敏性而不影响到此传感器预设的性能，是必须要面对的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种图像传感器元件的制造方法，以增加此元件的光灵敏性。

本发明的再一目的是提供一种图像传感器元件，可以避免欲接受的入射光大量反射。

本发明的又一目的是提供上述图像传感器元件的开口的制造方法，以避免感光区因经过干蚀刻工艺而造成损伤。

本发明提供一种图像传感器元件的制造方法，包括于衬底上形成一个光电二极管以及一个晶体管，并于此光电二极管的感光区上形成一层氧化层以及一层自对准金属硅化物阻挡层(Salicide Block，SAB)。然后，进行多次金属内连线工艺，以于衬底上形成数层介电层以及各介电层中的数个金属内连线。之后，进行光刻蚀刻工艺，以移除感光区以上的介电层，而暴露出感光区上的自对准金属硅化物阻挡层。

于一实施例中，上述自对准金属硅化物阻挡层例如是当作抗反射层。

于一实施例中，在形成自对准金属硅化物阻挡层之后以及进行金属内连线工艺之前，还包括进行一自对准金属硅化工艺。

于一实施例中，于上述光电二极管的感光区上形成氧化层及自对准金属硅化物阻挡层的步骤包括于衬底上依序形成一层氧化层与一层介电层，然后移除感光区以外的此氧化层与此介电层。

于一实施例中，上述自对准金属硅化物阻挡层的材料例如是氮化硅。

本发明再提供一种图像传感器元件。此图像传感器元件是由衬底、光电二极管、至少一个晶体管、一层自对准金属硅化物阻挡层、氧化层、多层介电层以及置于各介电层中的金属内连线所构成。此光电二极管位于衬底上，且具有感光区。晶体管位于光电二极管旁的衬底上。自对准金属硅化物阻挡层位于光电二极管的感光区上。氧化层位于自对准金属硅化物阻挡层及光电二极管的感光区之间。介电叠层覆盖于衬底上，其中这些介电层具有一个开口。此开口暴露感光区上的自对准金属硅化物阻挡层。此外，金属内连线位于感光区以外的介电层中。

于一实施例中，上述自对准金属硅化物阻挡层例如是作为抗反射层。

于一实施例中，上述自对准金属硅化物阻挡层的材料例如是氮化硅。

于一实施例中，上述图像传感器元件例如是光电二极管互补式金属氧化物半导体图像传感器(Photodiode CMOS Image Sensor)，或是有源式光电二极管传感器(Active Pixel Photodiode)。

本发明又提出一种形成上述图像传感器元件的开口的方法，包括进行干蚀刻工艺，以移除预定形成开口处的大部分这些介电层，然后，进行湿蚀刻工艺，以移除预定形成开口处的小部分这些介电层，直到暴露出感光区上的自对准金属硅化物阻挡层。

于一实施例中，进行上述干蚀刻工艺之前还可于介电层上先提供一层第一图案化光致抗蚀剂层，以露出预定形成开口处的介电层。此外，进行干蚀刻工艺之后以及进行湿蚀刻工艺之前，还包括去除第一图案化光致抗蚀剂层，并于介电层上形成一层第二图案化光致抗蚀剂层，以露出预定形成开口处的小部分介电层，之后进行去残渣(Descum)步骤。然后，可于湿蚀刻工艺后去除第二图案化光致抗蚀剂层。

于另一实施例中，进行上述干蚀刻工艺之前还可于介电层上先提供一层第一图案化光致抗蚀剂层，以露出预定形成开口处的介电层。然后，在干蚀刻工艺之后以及湿蚀刻工艺之前，还包括以RCA溶液去除干蚀刻工艺后所留下的高分子残余物。接着，在湿蚀刻工艺之后还可包括去除上述第一图案化光致抗蚀剂层。

本发明因为将光电二极管的感光区上方的介电层移除，所以可使光电二极管的感光区对光的灵敏度增加。此外，因为依序以一次干蚀刻工艺与一次湿蚀刻工艺来制作暴露感光区的开口，所以使感光区不会受到干蚀刻工艺的等离子体轰击，而避免损伤。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1A至图1E是依照本发明的第一实施例的一种图像传感器元件的制造流程剖面图；

图2是依照本发明的第二实施例的一种图像传感器元件的结构剖面图；

图3是本发明的第二实施例的图像传感器元件中，在介电层中形成开口的步骤图。

主要元件符号说明

100、200：衬底

102、220：晶体管

104：栅极结构

106：源极或漏极区

108：栅氧化层

110：导体层

112：顶盖层

114：间隙壁

116、210：光电二极管

118、212：感光区

120、260：元件隔离结构

122、230：自对准金属硅化物阻挡层

124：氧化层

126：金属层

128：金属硅化物

130、240：介电层

132、250：金属内连线

134、242：开口

300、302、304、306、308、310、312、314、316：步骤

具体实施方式

图1A至图1H是依照本发明的第一实施例的一种图像传感器元件的制造流程剖面图。

请参照图1A，首先，提供一衬底100，其例如是硅衬底，且于衬底100中已形成有一个晶体管102，其例如是由一个栅极结构104与源极或漏极区106所构成。其中，栅极结构104例如是由栅氧化层108、导体层110、顶盖层112与间隙壁114所组成。另外，衬底100中还有一个光电二极管116，其包括一感光区118。此外，于衬底100中通常已形成有元件隔离结构120。而根据图像传感器元件的种类，上述晶体管102可以是重置晶体管、输出选择晶体管或者传输晶体管等。

然后，请参照图1B，于感光区118上形成一自对准金属硅化物阻挡层(Salicide Block，SAB)122，且此自对准金属硅化物阻挡层122可当作抗反射层，以避免感光区118所接收的入射光大量反射。其中，自对准金属硅化物阻挡层122的材料例如是氮化硅、氮氧化硅或其它适合的材料。此外，在形成自对准金属硅化物阻挡层122前，可先形成一层氧化层124，用来增加自对准金属硅化物阻挡层122与衬底100之间的附着性。

然后，请参照图1C，去除顶盖层112，以裸露出晶体管102的栅极结构104中的导体层110表面。接着，进行自对准金属硅化工艺，其例如是先在衬底100上形成一层金属层126，其例如是钛、钨、钴或铂等材料。

接着，请参照图1D，使金属层126(请见图1C)与导体层110以及未被自对准金属硅化物阻挡层122所覆盖的衬底100(如源极或漏极区106)进行硅化工艺，而形成金属硅化物128。然后，将未参与反应的金属层126去除。在去除未参与反应的金属层126之后，可再进行另一道退火工艺，以降低金属硅化物128的阻值。

之后，请参照图1E，进行数次金属内连线工艺，以于衬底100上形成数层介电层130以及各层介电层130间的金属内连线132。这些金属内连线132包括此图像传感器元件及其他半导体元件的内连线结构。然后，进行一光刻蚀刻工艺，以移除感光区118以上的介电层130而形成开口134。开口134暴露出自对准金属硅化物阻挡层122。

本实施例因为移除感光区上方的介电层，使光电二极管的感光区对光的灵敏度增加。

图2是依照本发明的第二实施例的一种图像传感器元件的结构剖面图。请参照图2，此图像传感器元件是由衬底200、光电二极管210、晶体管220、自对准金属硅化物阻挡层230、数层介电层240以及位于这些介电层240中的金属内连线250所构成。其中，光电二极管210位于衬底200中且具有一感光区212。晶体管220则是位于光电二极管210旁的衬底200上。自对准金属硅化物阻挡层230是位于光电二极管210的感光区212上。而且，自对准金属硅化物阻挡层230可当作抗反射层，其材料例如是氮化硅。再者，介电层240覆盖于衬底200上，各介电层240中配置有金属内连线250，而这些金属内连线250是位于感光区212以外的介电层240中，且介电层240具有一开口242暴露出感光区212上的自对准金属硅化物阻挡层230。

请继续参照图2，上述图像传感器元件例如是光电二极管互补式金属氧化物半导体图像传感器，如有源式光电二极管传感器，且根据图像传感器元件的种类，尚可包括输出选择晶体管以及传输晶体管所构成的源极跟随器等。此外，衬底200中通常有元件隔离结构260，以电性隔绝图像传感器元件与其他半导体元件。另外，衬底200若为n型，则光电二极管210为p型；反之，衬底200若为p型，则光电二极管210为n型。而在自对准金属硅化物阻挡层230与衬底200之间还可配置一层氧化层232。

因为本实施例的图像传感器元件具有暴露出感光区上方的自对准金属硅化物阻挡层的开口，所以使图像传感器元件对光的灵敏度提高。而且，在光电二极管上设有一层可作为抗反射层的自对准金属硅化物阻挡层，所以可避免入射光的反射。

图3绘示形成图2所示的结构中的开口242的步骤流程图，请参照图3，先进行步骤300，进行一干蚀刻工艺，以移除预定形成开口242处的大部分介电层240，譬如是先将预定形成开口242处的介电层240蚀刻掉一半以上的厚度。然后，再进行步骤310，进行一湿蚀刻工艺，以移除预定形成开口242处的小部分介电层240，直到暴露出感光区212上方的自对准金属硅化物阻挡层230。上述步骤300与步骤310可利用一次光致抗蚀剂或二次光致抗蚀剂的工艺来完成。

请继续参照图3，举例来说，采用二次光致抗蚀剂的工艺时，需于步骤300之前进行步骤302，于介电层240上提供一层第一图案化光致抗蚀剂层，以露出预定形成开口242处的介电层240。而于步骤300之后，进行步骤304，去除第一图案化光致抗蚀剂层。接着，进行步骤306，于介电层240上形成第二图案化光致抗蚀剂层，以露出预定形成开口242处的小部分介电层240。然后，于步骤308中，进行去残渣(Descum)步骤，以去除预定形成开口242处残留的光致抗蚀剂层。最后，在步骤310之后，可进行步骤312，去除第二图案化光致抗蚀剂层。

请再度参照图3，利用一次光致抗蚀剂的工艺时，则是在上述步骤300之后，进行步骤314，以RCA溶液去除干蚀刻工艺后所留下的高分子残余物。然后，等到步骤310之后，再进行步骤316，去除第一图案化光致抗蚀剂层。

由于湿蚀刻工艺与干蚀刻工艺相比具有较高的选择比，因此在干蚀刻之后进行湿蚀刻，可以确保自对准金属硅化物阻挡层的完整。

综上所述，本发明的特点在于：

1.本发明因为将光电二极管的感光区上方的介电层移除，所以可使光电二极管的感光区对光的灵敏度增加。

2.而且，因为本发明在光电二极管上设有一层可作为抗反射层的自对准金属硅化物阻挡层，所以可避免入射光的反射。

3.此外，本发明因为依序以一次干蚀刻工艺与一次湿蚀刻工艺来制作暴露自对准金属硅化物阻挡层的开口，所以使自对准金属硅化物阻挡层不会受到干蚀刻工艺的等离子体轰击，而避免其损伤。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

Claims (16)

1.一种图像传感器元件的制造方法，包括：

于一衬底上形成一光电二极管以及一晶体管；

于该光电二极管的一感光区上形成一氧化层以及一自对准金属硅化物阻挡层；

进行多次金属内连线工艺，以于该衬底上形成多层介电层以及各该介电层中的一金属内连线；以及

进行一光刻蚀刻工艺，以移除该感光区以上的该些介电层，而暴露出该感光区上的该自对准金属硅化物阻挡层。

2.如权利要求1所述的图像传感器元件的制造方法，其中该自对准金属硅化物阻挡层包括当作抗反射层。

3.如权利要求1所述的图像传感器元件的制造方法，其中形成该自对准金属硅化物阻挡层之后以及进行该些金属内连线工艺之前，还包括进行一自对准金属硅化工艺。

4.如权利要求1所述的图像传感器元件的制造方法，其中于该光电二极管的该感光区上形成该氧化层及该自对准金属硅化物阻挡层的步骤包括：

于该衬底上依序形成一氧化层与一介电层；以及

移除该感光区以外的该氧化层与该介电层。

5.如权利要求1所述的图像传感器元件的制造方法，其中该自对准金属硅化物阻挡层的材料包括氮化硅。

6.一种图像传感器元件，包括：

一衬底；

一光电二极管，位于该衬底上，该光电二极管具有一感光区；

至少一晶体管，位于该光电二极管旁的该衬底上；

一自对准金属硅化物阻挡层，位于该光电二极管的该感光区上；

一氧化层，位于该自对准金属硅化物阻挡层及该光电二极管的该感光区之间；以及

多层介电层，覆盖于该衬底上，各该介电层中配置有一金属内连线，该些金属内连线位于该感光区以外的该些介电层中，且各该介电层具有一开口，该开口暴露该感光区上的该自对准金属硅化物阻挡层。

7.如权利要求6所述的图像传感器元件，其中该自对准金属硅化物阻挡层包括作为抗反射层。

8.如权利要求6所述的图像传感器元件，其中该自对准金属硅化物阻挡层的材料包括氮化硅。

9.如权利要求6所述的图像传感器元件，其中该图像传感器元件包括光电二极管互补式金属氧化物半导体图像传感器。

10.如权利要求6所述的图像传感器元件，其中该图像传感器元件包括有源式光电二极管传感器。

11.一种形成权利要求6所述的图像传感器元件的开口的方法，包括：

进行一干蚀刻工艺，以移除预定形成该开口处的大部分该些介电层；以及

进行一湿蚀刻工艺，以移除预定形成该开口处的小部分该些介电层，直到暴露出该感光区上的该自对准金属硅化物阻挡层。

12.如权利要求11所述的形成图像传感器元件的开口的方法，其中进行该干蚀刻工艺之前还包括于该些介电层上提供一第一图案化光致抗蚀剂层，以露出预定形成该开口处的该些介电层。

13.如权利要求12所述的形成图像传感器元件的开口的方法，其中进行该干蚀刻工艺之后以及进行该湿蚀刻工艺之前，还包括：

去除该第一图案化光致抗蚀剂层；

于该些介电层上形成一第二图案化光致抗蚀剂层，以露出预定形成该开口处的小部分该些介电层；以及

进行一去残渣步骤。

14.如权利要求13所述的形成图像传感器元件的开口的方法，其中进行该湿蚀刻工艺之后还包括去除该第二图案化光致抗蚀剂层。

15.如权利要求12所述的形成图像传感器元件的开口的方法，其中进行该干蚀刻工艺之后以及进行该湿蚀刻工艺之前，还包括以RCA溶液去除该干蚀刻工艺后所留下的高分子残余物。

16.如权利要求15所述的形成图像传感器元件的开口的方法，其中进行该湿蚀刻工艺之后还包括去除该第一图案化光致抗蚀剂层。

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