CN101901821A - 制作半导体器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制作半导体器件的方法，其包括以下步骤：在半导体衬底中形成用于执行光电转换的光接收部分；形成绝缘膜，以覆盖半导体衬底的光接收侧；形成金属光屏蔽膜，以部分地覆盖绝缘膜的对应于光接收部分的部分；以及通过利用微波照射金属光屏蔽膜来对金属光屏蔽膜进行加热，以允许对绝缘膜中的具有金属光屏蔽膜的层压部分进行选择性地退火。
Description
技术领域
本发明涉及用于制作半导体器件的方法，更具体地，涉及适合于在背面照射式固态图像传感器件的制造中使用的制作半导体器件的方法。
背景技术
近年来，固态图像传感器(诸如CCD(电荷耦合器件)图像传感器、CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器等)已经安装并用于各种电子设备。
例如CMOS图像传感器的固态图像传感器件由光电二极管和用于将光汇聚到光电二极管上的板载透镜构成，在光电二极管中独立的像素形成在硅衬底上。当入射光穿过板载透镜到达光电二极管时，发生光电转换以输出电压值，由此使得将光作为电信号而取出。
通过一般构造的CMOS图像传感器，在板载透镜与光电二极管之间以多层的方式形成用于电压的输入和输出的晶体管、布线层等。这可能导致以下担心：入射光撞击到在光路途中的布线层上并且被弹开或者由于在与布线层的夹层膜的界面处发生的折射而转向，使得聚焦到板载透镜上的光不能有效地到达光电二极管。
由于这个原因，已经提议采用所谓背面照射式的像素结构，在该像素结构中，与上述一般构造的像素结构不同，入射光从硅衬底的背面照射，以允许其有效地到达光电二极管(见日本专利公报No.2007-258684)。
图6是示出了背面照射式CMOS图像传感器的像素结构的示例。如图所示，通过背面照射式像素结构，布线层(未示出)形成在硅衬底50的其中形成光电二极管51的那一个表面侧上(即，如图中所示的下侧)。在硅衬底50的另一侧(即，如图中所示的上侧)上，通过高介电常数(高K)绝缘膜52(诸如二氧化铪(HfO2)或二氧化硅(SiO2)等)形成光屏蔽膜53。这个光屏蔽膜53被部分地形成，使得在其他部分处对光进行屏蔽的同时，允许光穿过而到达光电二极管51。板载透镜56通过用于平坦化的保护膜54而形成在比光屏蔽膜53更靠近光入射侧(即，如图中所示的更上侧)的位置处。通过该背面照射式像素结构，光从硅衬底50的背面照射(即，如图所示的上侧)，使得进入单位像素的光的量得到增加，而不受到布线和晶体管的影响，并且可以抑制相对于光入射角变化的灵敏度降低。
发明内容
然而，在将背面照射式像素结构与一般构造的表面照射式像素结构进行比较时，可以根据经验知道在由光屏蔽膜53覆盖并在其下方的部分处，暗电流增加。暗电流的这种增加导致图像传感所得到的图像质量下降，并且必须被抑制。
为了减小暗电流，想到在形成光屏蔽膜53之后进行氢气烧结。氢气烧结是在含有氢气的气氛中进行热处理的工序。这使得杂质水平(其为引起暗电流的因素)失去活性。然而，如果进行氢气烧结，那么光屏蔽膜53在其下方的部分处受到程度不足的钉扎，因此不是总可以允许暗电流减小。为了实现这种减小，已知进行更高温度的烧结是有效的。然而，由于整个器件的热预算(增加的温度的时间积分值)的限制，其实现存在困难。
因此本发明的目的是提供用于制作半导体器件的方法，其中例如在采用背面照射式像素结构的情况下，使得能够对形成屏蔽膜的部分进行选择性的退火，来由此在不超出热预算的限制的状态下，促进在光屏蔽膜下方的部分处的暗电流的改善。
考虑到上述情况，根据本发明的实施例，提供了一种制作半导体器件的方法，该方法包括以下步骤：在半导体衬底中形成用于执行光电转换的光接收部分；形成绝缘膜，以覆盖所述半导体衬底的光接收侧；形成金属光屏蔽膜，以其一部分覆盖所述绝缘膜的对应于所述光接收部分的部分；以及通过利用微波照射所述金属光屏蔽膜来对所述金属光屏蔽膜进行加热，以允许对所述绝缘膜中的具有所述金属光屏蔽膜的层压部分进行选择性地退火。
在包括上述步骤的用于制作半导体器件的方法中，微波照射到部分地覆盖绝缘膜的金属光屏蔽膜上，以加热金属光屏蔽膜。这允许在金属光屏蔽膜下方的部分处(即，在绝缘膜中具有金属光屏蔽膜的层压部分处)，通过热传导传递金属光屏蔽膜的热量。换言之，使用金属光屏蔽膜作为热源来对绝缘膜内或其内部的具有金属光屏蔽膜的层压部分进行选择性地退火变的可能。这不需要对于整个半导体器件更高的加热温度并且对于金属光屏蔽膜下方或之下的部分进行选择性地退火，由此实现钉扎增强并且改善界面特性。
因此，根据本发明，通过对金属光屏蔽膜下方或之下的部分进行选择性地退火，可以确保钉扎增强以及界面特性的改善。因此，即使采用例如背面照射式像素结构，也变得可以在不超过相对于整个半导体器件的热预算的限制的情况下，有助于在金属光屏蔽膜下方的部分处改善暗电流。
附图说明
图1是示出了CMOS图像传感器的概略构造示例的功能性框图；
图2是示出了CMOS图像传感器像素单元的单位像素的电路构造的示例的电路图；
图3是示出了背面照射式CMOS图像传感器的像素结构的概略构造示例的截面图；
图4A到图4E分别是示出了制作背面照射式CMOS图像传感器的像素结构的关键部分的程序性步骤的示例的概略截面图；
图5A和图5B分别是示出了制作背面照射式CMOS图像传感器的像素结构的关键部分的程序性步骤的另一个示例的概略截面图；以及
图6是示出了背面照射式CMOS图像传感器的像素结构的关键部分的构造示例的概略截面图。
具体实施方式
将要描述本发明的实施例。
<第一实施例>
[固态图像传感器件的构造示例]
首先，描述按照根据本发明的实施例的方法制作的半导体器件，为其图示了作为半导体器件的特定示例的固态图像传感器件。对于固态图像传感器件，特别对于背面射式CMOS图像传感器进行了图示。
现在参照图1，其中图1为示出了CMOS图像传感器的概略构造的功能性框图。
如图所示，CMOS图像传感器具有像素部分11和周边电路部分，它们设置为安装到相同的半导体衬底上。在这种情况下，周边电路部分具有垂直选择电路12、S/H(取样/保持)-CDS(相关双取样)电路13、水平选择电路14、时序发生器(TG)15、AGC(自动增益控制)电路16、A/D转换电路17以及数字放大器18。
像素部分11具有设置为矩阵的多个单位像素(将要在下文中对其进行说明)，并且为每个行单位设置地址线等以及为每个列单位设置信号线等。
垂直选择电路12以行为单位连续选择像素，并且将每列的各个像素的信号通过垂直信号线读取到S/H-CDS电路13。
S/H-CDS电路13对于从各个像素列读取出来的像素信号执行诸如CDS的信号处理。
水平选择电路14连续地取回保存在S/H-CDS电路13中的像素信号，并将其输出到AGC电路16。
AGC电路16利用适当的增益将来自水平选择电路14的信号放大，并且将其输出到A/D转换电路17。
A/D转换电路17将从AGC电路16输入的模拟信号转换为数字信号，并且将其输出到数字放大器18。
数字放大器18适当地放大来自A/D转换电路17的数字信号并且将其从焊盘(端子)输出。
垂直选择电路12、S/H-CDS电路13、水平选择电路14、AGC电路16、A/D转换电路17以及数字放大器18分别基于从时序发生器15输出的相应的时序信号来工作。
图2是示出了用于像素部分11的单位像素的电路构造的示例的电路图。
单位像素例如具有作为光电转换元件的光电二极管21。单位像素对于其一个光电二极管21还具有作为主动元件的四个晶体管，包括传递晶体管22、放大晶体管23、地址晶体管24和重置晶体管25。
光电二极管21使得入射光能够以与入射光量相对应的量光电地转换为电荷(在这种情况下是电子)。
传递晶体管22连接到光电二极管21与浮动扩散部FD之间，并且在将驱动信号经过驱动布线26传递到传递晶体管22的栅极(传递栅极)时，将在光电二极管21处光电地转换的电子传递到浮动扩散部FD。浮动扩散部FD与放大晶体管23的栅极相连接。
放大晶体管23经由地址晶体管24连接到垂直信号线27，并且与位于像素部分外侧的恒定电流源I一同形成源跟随器。经由驱动布线28将地址信号馈送到地址晶体管24的栅极。在将地址晶体管24打开时，放大晶体管23运作以放大浮动扩散部FD的电势，并且将与该电势对应的电压输出到垂直信号线27。从每个像素输出的电压经由垂直信号线27输出到S/H-CDS电路13。
重置晶体管25连接到电源Vdd与浮动扩散部FD之间，并且将重置信号经由驱动布线29馈送到其栅极，由此将浮动扩散部FD的电势重置为电源Vdd的电势。
因为传递晶体管22、地址晶体管24和重置晶体管25以行为单位在相应的栅极处彼此连接，所以对于一行中的独立像素同时执行以上操作。
图3是概略地示出了背面照射式CMOS图像传感器的像素结构的截面图。
图中示出的CMOS图像传感器接收来自与其上形成了布线层38的第一表面侧相反的第二表面侧的光。
衬底30例如由n型硅衬底制成，并且对应于实施例的实践中的半导体衬底。衬底30在其上形成有作为单位像素的多个光接收部分31。
光接收部分31对应于图2中示出的光电二极管21。光接收部分31由衬底30中的pn结构成。通过使得硅晶片变薄以使得光可以从背面穿过，来形成衬底30。虽然取决于固态图像传感器件的类型，但是衬底30的厚度对于可见光来说在2到6μm的范围内，对于近红外线来说在6到10μm的范围内。
衬底30在第二表面侧(背面或光入射侧)上经由由二氧化硅制成的绝缘膜32形成有金属光屏蔽膜33。金属光屏蔽膜33具有开口在光接收部分31的位置处的开口33a。由氮化硅制成的保护膜34形成在金属光屏蔽膜33上。仅能够使得在期望波长范围内的光通过的彩色滤光片35形成在保护膜34上。将入射光汇聚在光接收部分31上的微透镜36形成在彩色滤光片35上。
另一方面，大量晶体管形成在衬底30的第一表面侧上。虽然未示出，但是图2中示出的晶体管22到25形成在衬底30的像素部分处。此外，虽然未特别示出，但是p阱和n阱形成在衬底30的周边电路部分处，并且CMOS电路形成在这些阱中。
包括多层金属布线的布线层38形成在衬底30的第一表面侧(外表面)上。经由粘合剂层(未示出)将支撑衬底39设置在布线层38上。支撑衬底39设置为使其增强衬底30的强度。支撑衬底39例如由硅衬底制成。
[制作固态图像传感器件的方法]
之后，描述制作具有如上展示的构造的CMOS图像传感器的方法。下文中说明主要制作CMOS图像传感器的像素结构的工序。
图4A到图4E分别是示出了制作背面照射式CMOS图像传感器的像素结构的关键部分的工序的示例的概略截面图。
为了制作CMOS图像传感器的像素结构，如图4A所示，首先将光接收部分31和周边电路30a形成在衬底30中。例如通过在衬底30的图像传感区域处将包括光电二极管的多个像素形成为二维阵列，来形成光接收部分31。例如通过形成由CMOS晶体管制成的逻辑电路等来形成周边电路30a。
之后，如图4B所示，例如根据ALD(原子层沉积)法，在光接收部分31和周边电路30a的整个表面上形成作为绝缘膜32的一个从属膜的高介电常数(高K)HfO2膜32a。该HfO2膜32a具有约2.0的折射率，并且能够通过适当地控制其膜厚而获得防反射效果。膜厚优选地在例如约50到60nm的范围内。当HfO2膜32a受到结晶化退火时，在膜中形成负的固定的电荷。更具体地，HfO2膜32a形成为具有负数的负电荷的膜。注意，在通过ALD法形成HfO2膜32a的期间，约1nm厚的二氧化硅膜(未示出)形成在与衬底30的表面的界面上。
在形成HfO2膜32a之后，例如根据ALD(原子层沉积)法，在HfO2膜32a的整个表面上形成作为绝缘膜32的另一个从属膜的SiO2膜32b。SiO2膜32b的形成不允许HfO2膜32a与随后形成的金属光屏蔽膜33彼此直接接触，并且防止HfO2膜32a与金属光屏蔽膜33之间由于其接触而发生的反应。同时，在蚀刻金属光屏蔽膜33时，可以防止直接蚀刻HfO2膜32a的表面。
注意，虽然这里已经提到了作为绝缘膜32而形成HfO2膜32a和SiO2膜32b的情况，但是，可以通过使用其它类型的成膜材料来形成它们。然而，在这点上，绝缘膜32优选地含有比电容率不小于5的膜。作为具有不小于5的比电容率的高介电常数(高K)的成膜材料，提到含有至少一种以下元素的那些材料：铪(Hf)、锌(Zr)、铝(Al)、钽(Ta)、钛(Ti)、钇(Y)和镧(Ln)。
在形成作为绝缘膜32的HfO2膜32a和SiO2膜32b之后，作为金属光屏蔽膜33的金属膜33a形成在SiO2膜32b的整个表面上。虽然不是限制性的，用于金属膜33a的材料包括具有优秀的光屏蔽能力的钨(W)。可以使用含有从钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、铜(Cu)和钽(Ta)中选择的至少一种元素的金属膜，或者其层压膜。虽然取决于其光屏蔽能力，但是在使用这种成膜材料时，可能会明显地产生在金属光屏蔽膜33的下方的部分处的暗电流的问题。在这种情况下，可以通过下文中描述的退火处理来克服暗电流的问题。
其后，如图4C所示，金属膜33a例如受到蚀刻，以使得金属膜33a被选择性地移除以覆盖光接收部分31之上的部分区域以及周边电路30a之上的整个区域。
覆盖光接收部分31之上的局部区域是为了通过产生在此处没有光进入光接收部分31的区域而基于来自光接收部分31的输出来确定的图像的黑水平。覆盖周边电路30a之上的整个区域是为了抑制由进入周边电路30a的光而定的特性变化。
在选择性的移除之后获得的金属膜33a作为对绝缘膜32的对应于光接收部分31的部分进行部分地覆盖的金属光屏蔽膜33。术语“对应于”光接收部分31表示对应于光接收部分31所形成的图案来使得金属光屏蔽膜33图案化。然而，在这点上，没有必要使得两个图案完全彼此相同，并且如上所述的金属光屏蔽膜33覆盖光接收部分31之上的部分区域的情况也包括在两个图案“对应于”彼此的范畴内。此外，术语“部分”表示不覆盖绝缘膜32之上的整个表面。
如图4D所示，在形成金属光屏蔽膜33之后，对着金属光屏蔽膜33照射微波。微波的照射通过微波与形成材料之间的相互作用而使得从金属光屏蔽膜33的形成材料内部产生热量。这是因为金属光屏蔽膜33的形成材料内的带电粒子和电偶极子通过由微波引起的振荡和电磁场的影响而旋转或振荡。简言之，通过微波的照射对金属光屏蔽膜33进行加热。
在以此方式加热金属光屏蔽膜33时，金属光屏蔽膜33的热量通过热传导而传递到金属光屏蔽膜33下方的部分，或者绝缘膜32中或绝缘膜32内的具有金属光屏蔽膜33的层压部分。更具体地，通过使用金属光屏蔽膜33作为热源，来将绝缘膜32内的具有金属光屏蔽膜33的层压部分选择性地退火。术语“选择性地”表示相对于绝缘膜32之上的整个表面区域，没有均匀地实现退火，而是主要在具有金属光屏蔽膜33的层压部分处实现退火。
用于加热金属光屏蔽膜33的微波是频率范围例如在从300MHz到300GHz内的微波。
通过以使得处理温度在250℃到500℃(优选地不高于400℃)的范围内的方式控制微波频率和照射时间，来执行绝缘膜32的选择性退火。这种温度范围确保可以防止绝缘膜32之外的部分(诸如布线层38)由于退火而损坏。
如前所述，如果对于金属光屏蔽膜33进行微波照射以对绝缘膜32进行退火，没有必要使得施加到整个CMOS图像传感器上或者绝缘膜32之上的整个区域上的加热温度较高。仅对于金属光屏蔽膜33下方的部分选择性地退火允许改变该部分的质量。该“下方”部分的钉扎增强并且在不超过基于整个CMOS图像传感器的热预算的限制的情况下改善界面特性。因此，即使对于金属光屏蔽膜33以其自身部分地覆盖绝缘膜32的情况，也可以抑制从金属光屏蔽膜33下方的部分(即，从绝缘膜32中的具有金属光屏蔽膜33的层压部分)产生的暗电流。
其后，如图4E所示，保护膜34形成为使得在形成金属光屏蔽膜33时产生的台阶平坦化。例如通过涂布形成该保护膜34，来作为绝缘膜。
彩色滤光片35形成在在光接收部分31的形成区域中的保护膜34上，用于聚光的板载微透镜36形成在彩色滤光片35上。以此方式，制作了具有如图3所示的这种构造的背面照射式CMOS图像传感器的像素结构。
<第二实施例>
图5A和图5B分别是示出了制作背面照射式CMOS图像传感器的像素结构的关键部分的程序性步骤的另一个示例的概略截面图。
注意，这里作出的说明主要是与第一实施例的区别。
如图5A所示，根据这里示出的工序，HfO2膜32a形成为光接收部分31和周边电路30a的整个表面之上的绝缘膜32的一个从属膜，其中光接收部分31和周边电路30a都形成在衬底30中。在这个形成之前的程序化步骤与第一实施例中类似。
在形成HfO2膜32a之后，例如通过ALD法在HfO2膜32a的整个表面之上形成作为绝缘膜32的另一个从属膜的碳化硅(SiC)膜32c。SiC(其为用于形成SiC膜32c的材料)是具有微波吸收器功能的材料。因此，SiC膜32c是由具有微波吸收器功能的材料制成的膜。
在形成作为绝缘膜的HfO2膜32a和SiC膜32c之后，起金属光屏蔽膜33作用的金属膜33a形成在SiC膜32c的整个表面之上。以与第一实施例中相同的方式进行金属膜33a的形成。
其后，如图5B所示，金属膜33a例如受到蚀刻，以使得金属膜33a覆盖光接收部分31之上的部分区域以及周边电路30a之上的整个区域的方式将其选择性地移除。以与第一实施例中相同的方式执行该选择性移除。这使得金属光屏蔽膜33能够形成为部分地覆盖对应于光接收部分31的绝缘膜32。
在已经以此方式形成金属光屏蔽膜33之后，以如第一实施例中示出的方式照射微波。
在这个阶段，SiC膜32c设置在金属光屏蔽膜33的下层侧。该SiC膜32c具有作为微波吸收器的功能。
因此，在照射微波时，微波被吸收到金属光屏蔽膜33旁边的SiC膜32c中，并由此使得金属光屏蔽膜33和SiC膜32c都被加热。
当在金属光屏蔽膜33以其自身部分地覆盖绝缘膜32的条件下通过微波照射来加热金属光屏蔽膜33时，只有金属光屏蔽膜33下方的部分被选择性地退火，由此使得这部分改变质量。
此外，在通过微波照射加热除了金属光屏蔽膜33之外的SiC膜32c时，除了可以有效地加热在金属光屏蔽膜33下方的部分处的HfO2膜32a，还可以加热在金属光屏蔽膜33下方的部分之外的部分处的HfO2膜32a。换言之，也可以加热在光接收部分31之上的部分(即，有效部分)处的HfO2膜32a。因此，分别改善金属光屏蔽膜33的光屏蔽部分和没有由金属光屏蔽膜33屏蔽的有效部分在HfO2膜32a中的界面特性。因此，可以抑制或阻止从HfO2膜32a产生或出现的暗电流。
在上述第一和第二实施例中，描述了本发明的优选实施例，本发明不应当被解释为限制于此。
例如，用在上述实施例中的数值或材料是示例并且本发明不限于此。
例如，在实施例中已经示出了背面照射式CMOS图像传感器，并且本发明不限于此，而是可以应用到其它类型的固态图像传感器件。
因此，本发明不应当被理解为限制于实施例中所示出的这些，并且在不超出本发明的精神的情况下，许多替换和变化都是可能的。
本发明含有涉及2009年5月28日递交给日本专利局的日本优先权专利申请JP 2009-128438中公开的主题，并且将其全部内容通过引用结合在这里。
本领域技术人员应该理解可以根据设计需要和其他因素进行各种修改、结合、子结合和替换，只要它们不超出权利要求及其等价物的范围。
Claims (5)
1.一种制作半导体器件的方法，包括以下步骤：
在半导体衬底中形成用于执行光电转换的光接收部分；
形成绝缘膜，以覆盖所述半导体衬底的光接收侧；
形成金属光屏蔽膜，以其一部分覆盖所述绝缘膜的对应于所述光接收部分的部分；以及
通过利用微波照射所述金属光屏蔽膜来对所述金属光屏蔽膜进行加热，以允许对所述绝缘膜中的具有所述金属光屏蔽膜层压的部分进行选择性地退火处理。
2.根据权利要求1所述的用于制作半导体器件的方法，其中，
所述金属光屏蔽膜由含有钨、铝、钛、铜和钽中的至少一种元素的金属膜或其层压膜构成。
3.根据权利要求1所述的用于制作半导体器件的方法，其中，
在处理温度为250℃到500℃的范围内执行所述退火处理。
4.根据权利要求1所述的用于制作半导体器件的方法，其中，
所述绝缘膜由具有作为微波吸收器的功能的材料制成。
5.根据权利要求1所述的用于制作半导体器件的方法，其中，
所述半导体衬底适合于构造这样一种固态图像传感器件，在该固态图像传感器件中，所述半导体衬底在其一个表面侧处形成有布线层并且其另一侧作为所述光接收部分的光接收侧。
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