CN101425525A - 半导体器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件及其制造方法。该半导体器件具有：包括光接收元件的半导体衬底、在该半导体衬底上形成的氧化硅膜、在该氧化硅膜上形成的多个布线层间膜、以及在最上层布线层间膜上形成的其中Si－H浓度小于N－H浓度的硅氮化物膜，其中该多个布线层间膜中的每一个都包括作为掩埋铜的结果而形成的布线层。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于2007年10月29日提交的日本专利申请No.2007-280304并且要求该日本专利申请的优先权，其整个内容通过参考而被并入此处。
技术领域
本发明涉及半导体器件及其制造方法。
背景技术
需要小型化包括固态图像拾取器件(例如CCD图像传感器或CMOS图像传感器)的半导体器件。由此，在一个芯片中形成包括微型透镜和光接收元件(光电二极管)的光接收区域，以及包括用于执行光电转换信号电子的读出操作等的多个层的外围电路区域。
在通过相同的膜结构来形成光接收区域与外围电路区域的层间绝缘膜的情况下，存在着这样的问题，即微型透镜与光接收元件之间的距离被延长，并且在光接收元件上存在着不必要的层使得发生光量的衰减，并且因此光接收元件的灵敏度下降。
为了解决这样的问题，提出了一种图像传感器，其中去除了光接收元件上有源像素区域的多个层间绝缘膜，使得透镜与光转换元件之间的距离变得比从在外围电路区域上形成的层间绝缘膜的最上面部分到衬底的距离要短。
然而，这样的图像传感器具有问题，该问题即仅仅在透镜下方提供具有高透水性的平坦化膜，但是不形成钝化膜。为此，存在这样的问题，即对于来自外部的水或应力的抵抗力低使得其可靠性降低。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种半导体器件，其包括：
半导体衬底，包括光接收元件；
氧化硅膜，在该半导体衬底上形成；
多个布线层间膜，在该氧化硅膜上形成，并且每一个布线层间膜都包括作为掩埋铜的结果而形成的布线层；以及
硅氮化物膜，在最上层的布线层间膜上形成，该硅氮化物膜中Si-H浓度小于N-H浓度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造半导体器件的方法，包括如下步骤：
在半导体衬底的表面部分处形成光接收元件；
在该半导体衬底上形成多个布线层间膜，每一个布线层间膜都包括作为掩埋铜的结果而形成的布线层；
在最上层的布线层间膜上形成第一硅氮化物膜，该第一硅氮化物膜中Si-H浓度小于N-H浓度；
在外围电路部分处形成接触塞和布线，其中该接触塞与包括在最上层的布线层间膜中的布线层接触，该布线与该接触塞接触；
以覆盖该布线的方式形成层间绝缘膜；
去除该光接收元件的上部处的该层间绝缘膜；以及
在该光接收元件的上部处形成第二硅氮化物膜，该第二硅氮化物膜中Si-H浓度小于N-H浓度。
根据本发明的又一个方面，提供了一种制造半导体器件的方法，包括如下步骤：
在半导体衬底的表面部分处形成光接收元件；
在该半导体衬底上形成多个布线层间膜，每一个布线层间膜都包括作为掩埋铜的结果而形成的布线层；
在最上层的布线层间膜上形成硅氮化物膜，该硅氮化物膜中Si-H浓度小于N-H浓度；
在该硅氮化物膜上该光接收元件的至少上部区域内形成平坦化膜；
在该平坦化膜上形成滤色器；以及
在该滤色器上形成微型透镜。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的半导体器件的配置概况的视图；
图2是示出硅氮化物膜所透过的光的波长与衰减因子之间关系的图；
图3是示出硅氮化物膜的膜厚与所透过光的透射率之间关系的图；
图4是用来解释制造根据上述实施例的半导体器件的方法的截面图；
图5是示出在图4之后的步骤的截面图；
图6是示出在图5之后的步骤的截面图；
图7是示出在图6之后的步骤的截面图；
图8是示出在图7之后的步骤的截面图；
图9是示出在图8之后的步骤的截面图；
图10是示出在图9之后的步骤的截面图；
图11是示出在图10之后的步骤的截面图；
图12是示出根据比较实例的半导体器件的配置概况的视图；
图13是用来解释制造根据修改实施例的半导体器件的方法的工艺步骤截面图；以及
图14是示出根据修改实施例的半导体器件的配置概况的视图。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的实施例。
图1中示出了根据本发明实施例的半导体器件的配置概况。在硅衬底100的表面部分处，形成用于执行光电转换的光电二极管(光接收元件)101。虽然仅仅示出了单个光电二极管，但是实际上例如以阵列形式二维地形成多个光电二极管。
在硅衬底100上形成多个层间绝缘膜102。层间绝缘膜102是，例如，氧化硅膜。在层间绝缘膜102内形成布线层103，并且每一个阻挡金属104以覆盖布线层103的侧部和底部的方式来形成。而且，在布线层103上形成扩散防止膜105。
布线层103由铜形成，且阻挡金属104和扩散防止膜105用来防止铜被扩散到层间绝缘膜102中。阻挡金属104是例如钽和氮化钽，且扩散防止膜105是硅氮化物膜。
在最上层的层间绝缘膜102a和布线层103a上形成硅氮化物膜106用作扩散防止膜。
在外围电路部分P处，形成布线层108，其通过接触塞107与布线层103a电连接，并且层间绝缘膜109以覆盖接触塞107和布线层108的方式而形成。布线层108例如由铝形成。
硅氮化物膜110以覆盖层间绝缘膜109和光接收区域L的扩散防止膜106的方式而形成，并且在该硅氮化物膜110上形成平坦化膜111。平坦化膜111是透明的树脂状的物质。
在光接收区域L中，滤色器112和微型透镜113在平坦化膜111上形成。
微型透镜113用来形成光的图像，该光已经被从将在光电二极管101的光接收面表面上成像的物体发射。滤色器112用来允许具有特定波长的光从其中透射，其中例如R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)的三种颜色形成一组。
已经透过微型透镜113和滤色器112的光穿过平坦化膜111、硅氮化物膜110、106和多个层间绝缘膜102而由光电二极管101接收。已经由光电二极管101接收的光经历光电转换。因此，获得与其对应的电荷。
图2是示出透过硅氮化物膜的光的波长与衰减因子之间关系的图。图示了关于两种硅氮化物膜的结果，其中包括在硅氮化物膜中的Si-H键的浓度和N-H键的浓度改变。
关于其中Si-H浓度大于N-H浓度的硅氮化物膜的结果由方形标记示出，并且关于其中Si-H浓度小于N-H浓度的硅氮化物膜的结果由三角形标记示出。
从图2中能够明白，其中Si-H浓度小于N-H浓度的硅氮化物膜的衰减因子具有更小的衰减因子。一般来说，在图像传感器中使用的光波长区域是350nm～750nm，且在该波长区域内的其中Si-H浓度小于N-H浓度的硅氮化物膜的衰减因子可以被极大地减小到基本为0。
因此，包括在硅氮化物膜110、106中的Si-H浓度和N-H浓度具有表示为Si-H浓度<N-H浓度的关系，从而使得能够抑制光衰减。因此，能够抑制在光电二极管101上接收到的光量的减少。
而且，因为在光接收区域L内没有形成层间绝缘膜109，所以在微型透镜113与光电二极管101之间的距离(图1中的距离h1)能够被缩短。因此，光电二极管101的灵敏度能够被改善。
此外，硅氮化物膜110和106具有卓越的防水特性，并且因此能够执行作为钝化膜的功能。
如上所述，根据本实施例的半导体器件能够防止光接收元件的灵敏度降低，并且在微型透镜下面包括钝化膜因此具有改善可靠性的能力。
图3中示出了表示硅氮化物膜的膜厚与红色、绿色和蓝色中各个颜色的光线的透射率之间关系的图。蓝色光通过使用菱形标记示出，绿色光通过使用方形标记示出且红色光通过三角形标记示出。从这个图中能够明白，光的透射率根据硅氮化物膜的膜厚而变化。即，调整硅氮化物膜的膜厚，从而使得能够抑制入射光的衰减。
从图3中能够明白，在硅氮化物膜的膜厚为110nm到140nm的范围内，红色、绿色和蓝色中各个颜色的光线的透射率高。
因此，在根据上述实施例的半导体器件中硅氮化物膜110、106的总的膜厚落入110nm到140nm的范围内，从而使得能够进一步抑制入射光的衰减(光接收元件灵敏度的下降)。
将参考图4-11来描述制造这样的半导体器件的方法。
如图4所示，通过CVD工艺在其中形成光电二极管101的硅衬底100上形成膜厚500nm的氧化硅膜102和膜厚400nm的氧化硅膜102b。
此外，通过光刻技术形成布线槽，以通过溅射在布线槽和氧化硅膜102b上形成包含钽和氮化钽的阻挡金属104。此外，通过电镀掩埋铜并用CMP(化学机械抛光)来使铜平坦化以形成布线层103。
如图5所示，通过CVD工艺在布线层103和氧化硅膜102b上形成膜厚20nm的硅氮化物膜105用作铜的扩散防止膜。此外，通过刻蚀去掉光透过部分的硅氮化物膜105，并将每一个布线层103上部的硅氮化物膜105留下。
通过重复氧化硅膜的形成、布线层的形成以及扩散防止膜的形成/去除这样的过程，形成了图6所示的多层具有布线层103的绝缘膜102。在这种情况下，在最上层绝缘膜(氧化硅膜)102a上的硅氮化物膜106没有被刻蚀去除。
对于硅氮化物膜106，使用了利用SiH4、NH3或N2气体的CVD膜。使用仅仅通过HF(高频)功率在气氛中传送功率的技术来增加与SiH4或NH3相比的N2的比例，在该气氛中温度被维持在约400℃以便形成膜以允许该膜为其中Si-H键浓度小于N-H键浓度的硅氮化物膜。例如，Si-H键浓度为0.5～3％，且N-H键浓度为约1～3.5％。
没必要要求形成硅氮化物膜105的方法和形成硅氮化物膜106的方法(处理条件)是相同的。
如图7所示，形成接触塞107和布线层108，这两者都连接到外围电路部分P处的最上层的布线层103a。此外，层间绝缘膜109以覆盖接触塞107和布线层108的方式来形成。
如图8所示，在外围电路部分P处形成抗蚀剂120。
如图9所示，用抗蚀剂120作为掩模通过刻蚀去除光接收区域L的层间绝缘膜109。硅氮化物膜106作为停止层。在去除层间绝缘膜109后，去除抗蚀剂120。
如图10所示，形成硅氮化物膜110。对于硅氮化物膜110，与硅氮化物膜106类似，也使用了利用SiH4、NH3或N2气体的CVD膜。使用仅仅通过HF(高频)功率在气氛中传送功率的技术来增加与SiH4或NH3相比的N2的比例，在该气氛中温度被维持在约400℃以便形成膜以允许该膜为其中Si-H键浓度小于N-H键浓度的硅氮化物膜。
如上所述，硅氮化物膜106和硅氮化物膜110的总的膜厚可以落入110nm到140nm的范围内。
如图11所示，膜厚250nm的平坦化膜111由具有例如95％或更大的透射率的材料在硅氮化物膜110上形成。此外，滤色器112和微型透镜113在光接收区域L的平坦化膜111上形成。
因为微型透镜113与光电二极管101之间的距离(图11中的距离h1)被缩短，所以能够抑制光电二极管101灵敏度的下降。
而且，在滤色器112和微型透镜113下面形成的具有防水特性的硅氮化物膜106、110起钝化膜的作用因此具有改善可靠性的能力。
此外，硅氮化物膜106、110是其中Si-H浓度小于N-H浓度的膜使得光的衰减因子小。因此，能够抑制光电二极管101灵敏度的下降。
如上所述，能够制造高可靠性半导体器件，其中防止了光接收元件101灵敏度的下降，并且在微型透镜113下面提供了钝化膜(硅氮化物膜106、110)。
(比较实例)图12中示出了根据比较实例的半导体器件的配置概况。在硅衬底200上形成多个层间绝缘膜202。布线层203在层间绝缘膜202内形成，并且阻挡金属204以覆盖布线层203的侧部和底部的方式来形成。而且，在布线层203上形成扩散防止膜205。
在最上层的层间绝缘膜202a和布线层203a上形成硅氮化物膜206用作扩散防止膜。
在外围电路部分P处，形成布线层208，其通过接触塞207与布线层203a电连接，并且层间绝缘膜209以覆盖硅氮化物膜206和布线层208的方式而形成。
硅氮化物膜210在层间绝缘膜209上形成，并且在该硅氮化物膜210上形成平坦化膜211。平坦化膜211是透明的树脂状的物质，并且具有透水性。在光接收区域L中，滤色器212和微型透镜213在平坦化膜211上形成。
在硅氮化物膜210和206中，Si-H浓度通常大于N-H浓度。
在根据该比较实例的半导体器件中，层间绝缘膜209在微型透镜213下面形成，并且微型透镜213与光接收元件201之间的距离h2长。为此，光接收元件201的灵敏度下降。
另一方面，因为在根据本实施例的半导体器件中光接收区域L的层间绝缘膜109被去除，其高度能够被减小，并且抑制了光接收元件101灵敏度的下降。而且，这样的Si-H浓度小于N-H浓度并且光衰减因子小的硅氮化物膜110和106在微型透镜113下面形成。因此，这些膜起到钝化膜的作用，并且能够进一步抑制光接收元件101灵敏度的下降。
虽然上述实施例中如图9所示的硅氮化物膜106在层间绝缘膜109的刻蚀中用作阻挡层，但是如图13所示硅氮化物膜106也可以被去除。
其后，执行与图10和11所示的工艺步骤类似的处理。因此，能够获得如图14所示的半导体器件。
而且，虽然在上述实施例中如图5和6所示的每一个层都实现了扩散防止膜105的去除，但是可以使用这样的方法，即不在每一个层都执行这样的去除处理而是稍后共同去除扩散防止膜105，并将绝缘膜(氧化硅膜)掩埋到因为去除而形成的开口部分中。
此外，可以使用这样的方法，其中在图7所示的层间绝缘膜109形成之后，在层间绝缘膜109上形成硅氮化物膜其后在外围电路部分P处形成抗蚀剂以用该抗蚀剂作为掩模通过刻蚀去除光接收区域L的层间绝缘膜109上的硅氮化物膜和层间绝缘膜109。通过调整将要在层间绝缘膜109上形成的硅氮化物膜的膜厚，能够控制在外围电路部分P处形成的钝化膜的膜厚。
另外，在根据本实施例的半导体器件中，滤色器112和微型透镜113不是必然要有的。这样的半导体器件能够被应用到不具有这些光学组件的图像传感器。
Claims (13)
1.一种半导体器件，包括：
半导体衬底，包括光接收元件；
氧化硅膜，在该半导体衬底上形成；
多个布线层间膜，在该氧化硅膜上形成，并且每一个布线层间膜都包括作为掩埋铜的结果而形成的布线层；以及
硅氮化物膜，在最上层的布线层间膜上形成，该硅氮化物膜中Si-H浓度比N-H浓度小。
2.根据权利要求1的半导体器件，
其中该硅氮化物膜在该光接收元件的至少上部区域内形成。
3.根据权利要求1的半导体器件，
其中该硅氮化物膜的膜厚在110nm到140nm的范围内。
4.根据权利要求1的半导体器件，进一步包括：
平坦化膜，在该硅氮化物膜上该光接收元件的至少上部区域内形成；
滤色器，在该平坦化膜上形成；以及
微型透镜，在该滤色器上形成。
5.一种制造半导体器件的方法，包括如下步骤：
在半导体衬底的表面部分处形成光接收元件；
在该半导体衬底上形成多个布线层间膜，每一个布线层间膜都包括作为掩埋铜的结果而形成的布线层；
在最上层的布线层间膜上形成第一硅氮化物膜，该第一硅氮化物膜中Si-H浓度小于N-H浓度；
在外围电路部分处形成接触塞和布线，其中该接触塞与包括在最上层的布线层间膜中的布线层接触，该布线与该接触塞接触；
以覆盖该布线的方式形成层间绝缘膜；
去除该光接收元件的上部处的该层间绝缘膜；以及
在该光接收元件的上部处形成第二硅氮化物膜，该第二硅氮化物膜中Si-H浓度小于N-H浓度。
6.根据权利要求5的制造半导体器件的方法，
其中该第一硅氮化物膜是使用其中N2的比例高于SiH4和NH3的比例的气体通过CVD工艺形成的。
7.根据权利要求5的制造半导体器件的方法，
其中该第二硅氮化物膜是使用其中N2的比例高于SiH4和NH3的比例的气体通过CVD工艺形成的。
8.根据权利要求5的制造半导体器件的方法，
其中形成该第二硅氮化物膜使得第二硅氮化物膜和在该光接收元件的上部处去除该层间绝缘膜之后剩余的第一硅氮化物膜的总的膜厚落入110nm到140nm的范围内。
9.根据权利要求5的制造半导体器件的方法，包括如下步骤：
在去除该光接收元件的上部处的该层间绝缘膜之后在形成该第二硅氮化物膜之前去除该光接收元件的上部处的第一硅氮化物膜；以及
形成该第二硅氮化物膜使得其膜厚落入110nm到140nm的范围内。
10.根据权利要求5的制造半导体器件的方法，包括如下步骤：
以覆盖该布线的方式形成该层间绝缘膜；
接着在去除该光接收元件的上部处的该层间绝缘膜之前在该层间绝缘膜上形成第三硅氮化物膜；以及
去除该光接收元件的上部处的该第三硅氮化物膜。
11.根据权利要求5的制造半导体器件的方法，包括如下步骤：
在该光接收元件的上部处该第二硅氮化物膜上形成平坦化膜；
在该平坦化膜上形成滤色器；以及
在该滤色器上形成微型透镜。
12.一种制造半导体器件的方法，包括如下步骤：
在半导体衬底的表面部分处形成光接收元件；
在该半导体衬底上形成多个布线层间膜，每一个布线层间膜都包括作为掩埋铜的结果而形成的布线层；
在最上层的布线层间膜上形成硅氮化物膜，该硅氮化物膜中Si-H浓度小于N-H浓度；
在该硅氮化物膜上该光接收元件的至少上部区域内形成平坦化膜；
在该平坦化膜上形成滤色器；以及
在该滤色器上形成微型透镜。
13.根据权利要求12的制造半导体器件的方法，
其中该硅氮化物膜是使用其中N2的比例高于SiH4和NH3的比例的气体通过CVD工艺形成的。
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