CN100463202C - 固态成像装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态成像装置及其制造方法。所述固态成像装置，包括：半导体衬底，其上形成有具有光接收部分的成像区；和通过使用包含金属元素的液体的平面化处理而形成于半导体衬底上的预定层，其中，至少第一扩散保护膜形成于光接收部分和预定层之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种固态成像装置及固态成像装置的制造方法。更具体而言，本发明涉及一种固态成像装置及所述固态成像装置的制造方法，所述固态成像装置抑止了由于执行平面化处理而留下的残留金属元素的扩散并抑止了灵敏度或图像质量的恶化。
背景技术
近年来，对于其中使用了固态成像装置的产品而言，为了满足减小尺寸和重量以及降低功耗的需求，将已经设置于信号处理装置中的处理电路形成于固态成像装置的光接收部分的周边中。因此，单一固态成像装置能够执行所有的处理且不再需要信号处理装置了。
作为这样的一种固态成像装置，具体地已知互补金属氧化物半导体(CMOS)固态成像装置具有减小尺寸、重量和成本以及进一步降低能耗的优点。在其中形成具有CMOS结构的光电转换元件的光接收部分的周边中提供由所需电路制成的周边电路，从而形成CMOS固态成像装置。
随着MOS工艺的微制造技术的进展，其变得可以容易地使被微型化的光电转换元件具有数量更大的像素且使周边电路被高度集成。因此，固态成像装置被越来越多地被改善，以减小尺寸且具有数量更大的像素和更强的功能。
作为一种最近的微制造技术，例如，提出了一种在装置中使用用于布线的铜布线的技术，来取代相关技术的铝布线。更具体而言，因为铜的电阻值比铝的电阻值低，且可以形成小的布线间距和薄的布线厚度，因此提出了使用铜布线作为微型化技术之一。但是，因为尚未建立铜的蚀刻技术，所以现在使用双镶嵌技术，在双镶嵌技术中，形成布线凹槽并用比如金属(例如铜)的导电材料将其填充，且然后通过化学机械抛光(CMP)方法抛光来同时形成布线和连接部分(例如，参考日本专利申请公开No.2003-324189)。
另一方面，仍存在将多功能电路安装于固态成像装置上而不牺牲作为显示装置的图像质量性能的问题。
作为成像装置，需要固态成像装置来抑止再现图像的图像质量的恶化(例如，由于暗电流引起的所谓上移输出值)。在使用铜作为布线的材料的情况中，如果铜从铜布线泄漏且扩散入层间绝缘膜和硅衬底，然后到达光电转换元件的光接收部分，扩散的铜将作为杂质污染物，而导致图像质量的恶化，比如暗电流增加(所谓的白点)。因此，为了抑止导致图像质量的恶化以及周边电路的MOS晶体管的阈值漂移的因素，需要形成扩散保护膜以在通过双镶嵌形成铜布线之后覆盖铜布线的上表面。
将在以下参考附图描述其中由双镶嵌形成铜布线的CMOS固态成像装置的制造方法。
在其中由双镶嵌形成铜布线的CMOS固态成像装置的制造方法中，如图5A所示，首先通过浅沟槽隔离(STI)在N型硅衬底101上形成元件隔离膜102。另外，形成阱区(未显示)，且将磷(P)、砷(As)、硼(B)、二氟化硼(BF2)作为杂质选择性地注入将成为N型MOS晶体管或P型MOS晶体管的区域中，且接下来，通过热氧化形成晶体管的栅极氧化膜103，在这之后，形成晶体管的栅电极104。
接下来，通过离子注入和热处理形成侧壁105和具有轻掺杂漏极(LDD)结构的高浓度扩散层区106，且通过注入杂质形成光接收部分107。
另外，通过低压化学气相沉积(LPCVD)在硅衬底101的表面上形成充当停止层的氮化硅膜108。为了改善白点的缺陷以及改进MOS晶体管的驱动性能，通过通用的光刻和蚀刻在部分的氮化硅膜108上形成开口150。之后，在氮化硅膜108上形成层间绝缘膜109(参考图5A)。
接下来，如图5B所示，在氮化硅膜108和层间绝缘膜109中形成第一连接孔，其用于连接高浓度掺杂层区106和在后面说明的第一布线层。在用包含氮化钽的阻挡金属层110A和钨电极层110B填充第一连接孔之后，通过CMP在第一连接孔上执行抛光来形成第一连接部分110。
另外，形成第一布线间绝缘膜111，并通过通用光刻和蚀刻对其进行处理以在待成为后面将说明的铜布线的区域中形成第一布线凹槽。在第一布线凹槽中填充阻挡金属112A和铜112B，且将多余的阻挡金属由CMP抛光且去除以形成第一布线层112。另外，在第一布线层112上形成第一扩散保护膜(例如，碳化硅膜)113以保护铜布线(参考图5B)。
如图5C所示，在第一扩散保护膜113上形成第二布线间绝缘膜114，且通过通用光刻和蚀刻来处理待成为第二连接部分和第二布线层的区域，且用阻挡金属115A和116A以及铜115B和116B填充该区域，且然后将多余的铜和多余的阻挡金属由CMP抛光和去除，从而形成第二连接部分115和第二布线层116。另外，在第二布线层116上形成第二扩散保护膜(例如，碳化硅膜)117以保护铜布线(参考图5C)。
之后，在其上形成彩色抗蚀剂(color resist)118和芯片上透镜119，于是可以获得CMOS固态成像装置。
注意的是，在图5A到5D所示的CMOS固态成像装置中，因为在光接收部分107上堆叠了具有不同折射率和吸收率的层，其可能由于光减弱或干涉而导致光电转换元件的光接收效率的恶化。为了解决该问题，最近已经提出了一种技术，其在光电转换元件的上部区域上的预定范围中将扩散保护膜开口。
换言之，根据所提出的技术，通过选择性地将光电转换元件的光接收部分的上部区域开口，抑制了由于光的减弱或干涉而导致的光接收效率的恶化，且允许光更好地进入光接收部分，即时使用对于透射的光具有不同折射率和不同吸收率的材料来形成扩散保护膜，所述扩散保护膜被提供来防止用于布线的材料的扩散。
具体而言，在形成扩散保护膜117来保护在第二布线层中的铜布线之后，如图5C所示，通过通用光刻和蚀刻来将光电转换元件的光接收区开口以形成开口区120A。依次用CVD氧化膜121填充开口区120A，通过CMP抛光开口区120A以去除多余的CVD氧化膜121，由此形成光电转换元件的光接收部分的上部区域的开口120(参考图6A)。之后，在其上形成彩色抗蚀剂118和芯片上透镜119，于是可以获得CMOS固态成像装置(参考图6B)。
发明内容
但是在上述的相关技术的CMOS成像器件中，因为在布线层(第一布线层112和第二布线层116)上形成扩散保护膜(第一扩散保护膜113和第二扩散保护膜117)，所以可以抑止作为布线材料的铜的扩散，但是难于避免钾的扩散，钾包含在用于形成布线层的CMP处理的浆料(氢氧化钾基)中。
更具体而言，当将使用充当抛光剂的浆料通过CMP来抛光作为布线材料的铜和阻挡金属时，以高比例包含于浆料中的钾被保留在第一布线间绝缘膜111和第一扩散保护膜113之间以及在第二布线间绝缘膜114和第二扩散保护膜117之间，然后这些钾扩散入氧化膜和硅衬底中。
当扩散的钾到达光电转换元件的光接收部分时，扩散的钾作为杂质污染物导致图像质量的恶化，比如白点等。
虽然可以设想在CMP处理之后去除浆料，但是如果通过使用通常在对于氧化膜的CMP中使用的加入纯水的HF来去除浆料，那么作为布线材料的铜和阻挡材料也被溶解，由此导致物理缺陷且不利地影响布线的各种性能。因此，在对于铜布线的该CMP技术中，在抛光之后没有执行采用加入纯水的HF等的浆料的去除，从而认为在抛光的层的表面上在完成CMP抛光的时刻保留了大量的钾。
鉴于上述的情形，做出了本发明，本发明用来提供一种固态成像装置及制造这样的固态成像装置的方法，该固态成像装置能够抑止由于执行平面化处理而留下的残留金属元素的扩散，且能够抑止灵敏度或图像质量的恶化。
为了实现上述的要求，根据本发明的实施例的固态成像装置包括：半导体衬底，其上形成有具有光接收部分的成像区；和通过使用包含金属元素的液体的平面化处理而形成于半导体衬底上的预定层，其中，至少第一扩散保护膜形成于光接收部分和预定层之间。
包含在平面化处理期间使用的液体中的金属元素可以保留。但是，由于在光接收部分和预定层之间形成至少第一扩散保护膜，所以可以抑止残留的金属元素扩散入半导体衬底侧。
另外，为了实现上述的要求，一种制造固态成像装置的方法包括的步骤为：在半导体衬底上形成具有光接收部分的成像区；在半导体衬底上形成第一扩散保护膜；和通过使用包含金属元素的液体在形成于第一扩散保护膜的预定层上执行平面化处理。
包含在对于形成于第一扩散保护膜上的预定层的平面化处理期间使用的液体中的金属元素可以保留。但是，由于在光接收部分和预定层之间形成至少第一扩散保护膜，所以可以抑止残留的金属元素扩散入半导体衬底侧。
在根据本发明的固态成像装置以及制造该固态成像装置的方法中，可以抑止由于执行平面化处理而留下的残留金属元素扩散入半导体衬底，且能够降低灵敏度或图像质量的恶化。
附图说明
图1是示出CMOS固态成像装置的示意性横截面图；该装置为应用了本发明的实施例的固态成像装置的示例；
图2A到2D是示出制造应用本发明的实施例的固态成像装置的方法的示意性横截面图；
图3A到3B是示出制造应用本发明的实施例的固态成像装置的方法的改进的示例1的示意性横截面图；
图4A到4B是示出制造应用本发明的实施例的固态成像装置的方法的改进的示例2的示意性横截面图；
图5A到5D示出制造相关技术中的固态成像装置的方法的示意性横截面图；
图6A到6B是示出制造相关技术中的固态成像装置的方法的改进的示例的示意性横截面图。
具体实施方式
现将参考附图在以下描述本发明的实施例以理解本发明。
图1是示出CMOS固态成像装置的示意性横截面图；该装置为应用了本发明的实施例的固态成像装置的示例。
在图1所示的CMOS固态成像装置100中，在其上一起形成有元件隔离膜2、具有LDD结构的高浓度扩散层区6和光接收部分7的N型硅衬底1上，形成了晶体管的栅极氧化膜3和晶体管的栅电极4以及侧壁5。
另外，在N型硅衬底1上依次形成具有开口50的氮化硅膜8、层间绝缘膜9、第一扩散保护膜30、第一布线间绝缘膜11、第二扩散保护膜13、第二布线间绝缘膜14、第三扩散保护膜17和彩色抗蚀剂18。另外，芯片上透镜19设置于彩色抗蚀剂18的光接收区上。
另外，第一连接部分10电连接到高浓度扩散区6，且形成于氮化硅膜8和层间绝缘膜9中，第一布线层12电连接到第一连接部分10且形成于第一扩散保护膜30和第一布线间绝缘膜11中，电连接到第一布线层12的第二连接部分15和电连接到第二连接部分15的第二布线层16形成于第二扩散保护膜13和第二布线间绝缘膜14中。
以下将描述以上述方式配置的CMOS固态成像装置的制造方法。更具体而言，将描述应用本发明的实施例的固态成像装置的制造方法的示例。
在应用本发明的实施例的固态成像装置的制造方法中，首先如图2A所示，通过STI在N型硅衬底1上形成元件隔离膜2。形成阱区(未显示)，且将磷(P)、砷(As)、硼(B)、二氟化硼(BF2)作为杂质选择性地注入阱区以成为N型MOS晶体管或P型MOS晶体管，通过热氧化形成晶体管的栅极氧化膜3，然后形成晶体管的栅电极4。
接下来，通过离子注入和热处理形成侧壁5和具有LDD结构的高浓度扩散层区6，且通过注入杂质形成光接收部分7。
另外，通过LPCVD在硅衬底1的表面上形成充当停止层的氮化硅膜8。通过通用的光刻和蚀刻在部分的氮化硅膜8上形成开口50。之后，在氮化硅膜8上形成层间绝缘膜9(参考图2A)。
接下来，如图2B所示，敞开第一连接孔以连接高浓度掺杂层区6和在后面说明的第一布线层12。在用包含氮化钽的阻挡金属层10A和钨电极层10B填充第一连接孔之后，通过CMP抛光第一连接孔，由此形成第一连接部分10。随后通过化学气相沉积(CVD)在层间绝缘膜9上形成氮化硅膜作为第一扩散保护膜30。
在第一扩散保护膜30上形成第一布线间绝缘膜11。通过通用光刻和蚀刻来处理第一布线间绝缘膜11和第一扩散保护膜30以在将成为在后说明的铜布线的区域中打开第一布线凹槽。在第一布线凹槽中填充阻挡金属12A和铜12B，且将多余的阻挡金属由CMP抛光，由此形成第一布线层12。另外，在第一布线层12上形成第二扩散保护膜(例如，碳化硅膜)13以保护铜布线(参考图2B)。
如图2C所示，在第二扩散保护膜13上形成第二布线间绝缘膜14，且通过通用光刻和蚀刻来处理将成为第二连接部分15和第二布线层16的区域，且用阻挡金属15A和16A以及铜15B和16B填充该区域，然后将多余的铜和多余的阻挡金属由CMP抛光来形成第二布线层16。另外，在第二布线层16上形成第三扩散保护膜(例如，碳化硅膜)17以保护铜布线(参考图2C)。
之后，在其上形成彩色抗蚀剂18和芯片上透镜19，于是可以获得上述CMOS固态成像装置(见图2D)。
在本发明中，虽然在层间绝缘膜中形成第一连接部分之后形成第一扩散保护膜，但是可以在层间绝缘膜上形成第一扩散保护膜之后形成第一连接部分。
在本实施例中，虽然使用氮化硅膜作为第一扩散保护膜，但是其并不必须为氮化硅膜，而可以为任何能够抑止钾扩散到硅衬底侧的膜，例如可以为碳化硅等。
对于图1所示的CMOS固态成像装置，如果存在因为在光接收部分7上堆叠了每层具有不同的折射率和吸收率的层，因而可能由于光的减弱和干涉引起光电转换元件的光接收效率的恶化的考虑，则可以使用另一CMOS固态成像装置，其中在光电转换元件的上部区域上的预定的范围内将第二扩散保护膜和第三扩散保护膜开口。
下面描述了制造CMOS固态成像装置的第一具体方法，其中在光电转换元件的上部区域上的预定的范围内将第二扩散保护膜和第三扩散保护膜开口。在形成第三扩散保护膜17来保护第二布线层16的铜布线之后，如图2C所示，通过通用的光刻和蚀刻来将光电转换元件的光接收区开口以形成开口区20A。用CVD氧化膜21填充开口区20A，通过CMP去除多余的CVD氧化膜21来在光电转换元件的光接收区上方形成开口20(参考图3A)。之后，在其上形成彩色抗蚀剂18和芯片上透镜19，由此获得CMOS固态成像装置，其中在光电转换元件的上部区域上的预定的范围内将第二扩散保护膜和第三扩散保护膜开口(参考图3B)。
下面描述了制造CMOS固态成像装置的第二具体方法，其中在光电转换元件的上部区域上的预定的范围内将第二扩散保护膜和第三扩散保护膜开口。在形成第三扩散保护膜17来保护第二布线层16的铜布线之后，如图2C所示，通过通用的光刻和蚀刻来将光电转换元件的光接收区开口以形成开口区20A。此时，第一扩散保护膜30被用作蚀刻停止膜，采用比对于第一扩散保护膜30的更高的选择性的蚀刻条件来蚀刻第二和第三扩散保护膜13和17以及第一和第二层间绝缘膜11和14，从而保留了第一扩散保护膜30的期望的厚度。用CVD氧化膜21填充开口区20A，通过CMP去除多余的CVD氧化膜21来在光电转换元件的光接收区上方形成开口20(参考图4A)。之后，在其上形成彩色抗蚀剂18和芯片上透镜19，由此获得CMOS固态成像装置，其中在光电转换元件的上部区域上的预定的范围内将第二扩散保护膜和第三扩散保护膜开口(参考图4B)。
在应用本发明的实施例的上述的CMOS固态成像装置中，通过第一扩散保护膜抑止了CMP期间用作抛光剂的浆料中包含的钾的影响，由此能够抑止比如白点等的图像质量的恶化。
另外，在上述的CMOS固态成像装置中，通过设置第一扩散保护膜的材料和厚度，可以调整进光量和根据波长的进光量，且可以支持比如灵敏度的成像特性。
注意的是，通过在光电转换元件的上部区域上的预定的范围内将将第二和第三扩散保护膜开口，即时使用了每种对于透射的光具有不同的折射率和吸收率的材料作为扩散保护膜(第二和第三扩散保护膜)来防止布线材料的扩散，光可以优选地进入光接收部分，且可以抑止由于光减弱和干涉引起的光接收效率的恶化。
本领域的一般技术人员可以理解根据设计需求和其他因素可以进行各种修改、组合、子组合以及替换，只要它们在权利要求或其等同物的范围内。
本发明包含了与于2005年1月7日在日本专利局提交的日本专利申请JP2005-002772相关的主体，其全部内容引入于此作为参考。
Claims (6)
1.一种固态成像装置，包括：
半导体衬底，其上形成有具有光接收部分的成像区；和
通过使用包含金属元素的液体的平面化处理而形成于所述半导体衬底上的预定层，其中，
至少第一扩散保护膜形成于所述光接收部分和所述预定层之间。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
具有预定开口的第二扩散保护膜形成于所述预定层上。
3.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
其中形成对应于光接收部分的光接收区的开口的第三扩散保护膜形成于所述预定层上。
4.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述第一扩散保护膜由碳化硅或氮化硅制成。
5.一种制造固态成像装置的方法，包括的步骤为：
在半导体衬底上形成具有光接收部分的成像区；
在所述半导体衬底上形成第一扩散保护膜；和
通过使用包含金属元素的液体在形成于所述第一扩散保护膜上的预定层上执行平面化处理。
6.根据权利要求5所述的制造固态成像装置的方法，其中，
所述平面化处理是化学机械抛光处理。
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