CN102105768B - 红外线图像传感器的制造方法及红外线图像传感器 - Google Patents

Abstract

在红外线图像传感器的制造方法中，首先，通过在第一区域(A1)上形成二氧化硅膜(31)接着在该二氧化硅膜(31)上形成氮化硅膜(32)而制成热绝缘层(33)。该二氧化硅膜(31)具有压应力。第一区域(A1)保留于硅衬底(1)的表面中以形成红外线检测元件(3)。氮化硅膜(32)具有拉应力。然后，在保留于硅衬底(1)的表面中的第二区域(A2)中形成阱区(41)以形成MOS晶体管(4)。此后，通过将硅衬底(1)的表面热氧化而形成MOS晶体管(4)的栅极绝缘膜(45)。之后，在热绝缘层(33)上形成温度检测元件(36)。随后，在阱区(41)中形成MOS晶体管(4)的漏极区(43)和源极区(44)。最后，在硅衬底(1)的与红外线检测元件(3)相对应的部分中形成用于热绝缘的腔(11)。

Description

红外线图像传感器的制造方法及红外线图像传感器

技术领域

本发明涉及一种红外线图像传感器的制造方法及一种红外线图像传感器。

背景技术

日本专利特开第2006-170937号(文件1)公开了一种红外线传感器(红外线图像传感器)，其包括硅衬底以及在该硅衬底的表面上形成的多个单元(称之为像素)。每个像素包括被配置为检测红外线的热型红外线检测元件，并包括被配置为读出该红外线检测元件的输出并被布置为邻近该红外线检测元件的MOS晶体管。在硅衬底的分别与多个像素的红外线检测元件相对应的部分中设置有用于热绝缘的多个腔(cavity)。

而且，前述红外线检测元件包括支撑部件、红外线吸收部件以及两个梁(beam)部件。支撑部件被制成矩形框形并被形成在硅衬底的表面上。红外线吸收部件被制成矩形并被布置在支撑部件内。每个梁部件将支撑部件连接到红外线吸收部件。

为了形成前述红外线检测部件，在硅衬底的表面上形成第一二氧化硅膜。然后，在该第一二氧化硅膜上形成第二二氧化硅膜。之后，在该第二二氧化硅膜上形成温度检测元件(如热电堆和热电偶)。此后，在该第二二氧化硅膜上方形成覆盖热电堆的第三二氧化硅膜。

通过图案化由第一二氧化硅膜、第二二氧化硅膜、温度检测元件以及第三二氧化硅膜所组成的叠层，形成红外线检测元件。

在上述文件1中，在形成MOS晶体管的工艺中，当红外线检测元件的残留应力改变时，可能产生红外线检测元件的扭曲。在此实例中，红外线检测元件的配置可能具有较差的稳定性，并具有较差的灵敏度。

此外，为了提高在上述文件1中公开的红外线图像传感器的灵敏度，需要提高因吸收红外线而导致的温度变化。例如，提出了使每个梁部件变薄以降低其导热性的方案。

然而，红外线检测元件的红外线吸收部件和每个梁部件均是由二氧化硅膜(第一到第三二氧化硅膜)制成的。因此，梁部件很有可能会变形，从而被扭曲。

发明内容

鉴于上述缺点，本发明的目的在于提出一种红外线图像传感器的制造方法及一种红外线图像传感器，所述红外线图像传感器能够使得红外线检测元件变薄而不会被扭曲。

一种利用根据本发明的红外线图像传感器的制造方法所制造的红外线图像传感器包括：硅衬底；以及多个单元，被形成在所述硅衬底的表面上方。所述多个单元的每个单元包括：被配置为检测红外线的红外线检测元件，以及被配置为读出所述红外线检测元件的输出的MOS晶体管，该MOS晶体管被布置为邻近所述红外线检测元件。在所述硅衬底的分别与所述多个单元的所述红外线检测元件相对应的部分中设置有用于热绝缘的腔。每个所述红外线检测元件包括：在所述硅衬底的表面上方形成的热绝缘层，以及在所述热绝缘层上形成的温度检测元件。所述热绝缘层包括：在所述硅衬底的表面上形成的用于热绝缘的二氧化硅膜，以及在所述二氧化硅膜上形成的用于热绝缘的氮化硅膜，所述二氧化硅膜具有压应力，所述氮化硅膜具有拉应力。所述温度检测元件被配置为吸收红外线并检测因吸收红外线而导致的温度变化。所述MOS晶体管包括：在所述硅衬底的表面中形成的第一导电类型的阱区，在所述阱区中形成的第二导电类型的漏极区，在所述阱区中形成以远离所述漏极区的第二导电类型的源极区，以及在形成于所述漏极区与所述源极区之间的所述阱区的一部分上形成的栅极绝缘膜。

该红外线图像传感器的制造方法包括热绝缘层形成步骤、阱区形成步骤、栅极绝缘膜形成步骤、温度检测元件形成步骤、漏极区与源极区形成步骤以及腔形成步骤。将热绝缘层形成步骤限定为在所述硅衬底的表面的第一区域上方形成所述热绝缘层的步骤。将阱区形成步骤限定为在所述热绝缘层形成步骤之后，在所述硅衬底的表面的第二区域中形成所述阱区的步骤。将栅极绝缘膜形成步骤限定为在所述阱区形成步骤之后，通过将所述硅衬底的表面热氧化而形成所述栅极绝缘膜的步骤。将温度检测元件形成步骤限定为在所述栅极绝缘膜形成步骤之后，形成所述温度检测元件的步骤。将漏极区与源极区形成步骤限定为在所述温度检测元件形成步骤之后，形成所述漏极区和所述源极区的步骤。将腔形成步骤限定为在所述漏极区与源极区形成步骤之后，形成所述腔的步骤。

根据本发明，通过在形成MOS晶体管之前在二氧化硅膜上形成氮化硅膜而完成热绝缘层。此氮化硅膜难以被氧化。因此，能够防止在MOS晶体管的形成(阱区、栅极绝缘膜、漏极区以及源极区的形成)期间热绝缘层的表面被热氧化。因此，能使热绝缘层的膜厚度和膜结构的至少之一免于发生变化。此外，通过在具有压应力的二氧化硅膜上形成具有拉应力的氮化硅膜来完成热绝缘层。因此，能够提供能使红外线检测元件变薄却仍能让它们免于扭曲的红外线图像传感器。

在优选方案中，该红外线图像传感器的制造方法还包括层间介电膜形成步骤，在所述漏极区与源极区形成步骤之后并在所述腔形成步骤之前，通过在所述硅衬底的表面上方沉积BPSG膜接着将所沉积的BPSG膜回流而在所述硅衬底的表面上方形成层间介电膜。该方法还包括金属线形成步骤，在所述层间介电膜形成步骤之后并在所述腔形成步骤之前，形成将所述温度检测元件与所述MOS晶体管电连接的金属线。此外，该方法还包括钝化膜形成步骤，在所述金属线形成步骤之后并在所述腔形成步骤之前，在所述层间介电膜上形成钝化膜。

根据此优选方案，层间介电膜能够具有改善的平坦度。因此，能够避免由于额外的热应力等所导致的金属线的破裂。

在更为优选的方案中，该红外线图像传感器的制造方法包括凹陷形成步骤，在所述阱区形成步骤之后并在所述层间介电膜形成步骤之前形成凹陷。所述阱区形成步骤包括在所述第二区域上形成热氧化膜以使其邻近所述热绝缘层的步骤。所述凹陷形成步骤包括在所述热绝缘层与所述热氧化膜之间的边界处形成凹陷的步骤，所述凹陷的凹陷深度相对于所述热绝缘层与所述热氧化膜之间的高度差较小。

根据此优选方案，层间介电膜能够具有改善的平坦度。因此，能够成功地避免由于额外的热应力等所导致的金属线的破裂。

在另一优选方案中，所述方法还包括形成满足如下两个公式的所述红外线检测元件的步骤：

(公式1)

${\∫}_{-t/2}^{t/2}{\mathrm{\σ}}_m\left(y\right)\mathrm{dy}=0$

(公式2)

${\∫}_{-t/2}^{t/2}{\mathrm{\σ}}_m\left(y\right)\·\mathrm{ydy}=0$

其中y表示从所述红外线检测元件的中心沿与所述红外线检测元件的厚度方向平行的方向上的距离，σ_m(y)表示所述红外线检测元件的应力，以及t表示所述红外线检测元件的厚度。

根据此优选方案，能够将红外线检测元件的残留应力降为0，并能够将红外线检测元件的挠矩(bending moment)降为0。因此，能够使红外线检测元件免于扭曲。

在另一优选方案中，该红外线图像传感器的制造方法还包括：在所述热绝缘层形成步骤之后，保持所述二氧化硅膜的温度低于形成所述二氧化硅膜所需要的温度的步骤，以及保持所述氮化硅膜的温度低于形成所述氮化硅膜所需要的温度的步骤。

根据此优选方案，能够保护二氧化硅膜与氮化硅膜的每一个膜的膜厚度和应力免于受到在热绝缘层形成步骤之后执行的步骤的工艺温度所导致的不良影响。因此，能够成功地防止红外线检测元件产生扭曲。

根据本发明的一种红外线图像传感器包括：硅衬底；以及多个单元，被形成在所述硅衬底的表面上方。其中所述多个单元的每个单元包括：被配置为检测红外线的红外线检测元件，以及被配置为读出所述红外线检测元件的输出的MOS晶体管，该MOS晶体管被布置为邻近所述红外线检测元件。在所述硅衬底的分别与所述多个单元的所述红外线检测元件相对应的部分中设置有用于热绝缘的腔。每个所述红外线检测元件包括：在所述硅衬底的表面上方形成的热绝缘层，以及在所述热绝缘层上形成的温度检测元件。所述热绝缘层包括：在所述硅衬底的表面上形成的用于热绝缘的二氧化硅膜，以及在所述二氧化硅膜上形成的用于热绝缘的氮化硅膜，所述二氧化硅膜具有压应力，所述氮化硅膜具有拉应力。所述温度检测元件被配置为吸收红外线并检测因吸收红外线而导致的温度变化。所述MOS晶体管包括在所述硅衬底的表面中形成的第一导电类型的阱区、在所述阱区中形成的第二导电类型的漏极区、在所述阱区中形成以远离所述漏极区的第二导电类型的源极区、以及在形成于所述漏极区与所述源极区之间的所述阱区的一部分上形成的栅极绝缘膜。所述氮化硅膜被形成为在其厚度方向上不与所述阱区重叠。

根据本发明，通过在具有压应力的二氧化硅膜上形成具有拉应力的氮化硅膜而完成热绝缘层。因此，即使MOS晶体管是使用通常的方法形成的，尽管红外线检测元件会变薄，也能够防止红外线检测元件扭曲。此外，氮化硅膜难以被氧化。因此，通过在形成MOS晶体管之前在二氧化硅膜上形成氮化硅膜来完成热绝缘层，从而当形成MOS晶体管时就能够防止热绝缘层被热氧化。因此，能够使热绝缘层在膜厚度和膜结构的至少之一免于发生变化。

在优选方案中，所述红外线图像传感器包括：热氧化膜，被形成在所述硅衬底的表面上方以使其邻近所述热绝缘层；层间介电膜，被形成在所述硅衬底的表面上方以使其覆盖所述热绝缘层与所述热氧化膜之间的边界；以及金属线，被形成在所述层间介电膜上以将所述温度检测元件与所述MOS晶体管相连接。所述层间介电膜是通过回流在所述硅衬底的表面上方沉积的BPSG膜而形成的。

根据此优选方案，层间介电膜能够具有改善的平坦度。因此，能够避免因额外的热应力等所导致的金属线的破裂。

在另一优选方案中，所述红外线图像传感器包括：热氧化膜，被形成在所述硅衬底的表面上方以使其邻近所述热绝缘层；凹陷，被形成在所述热绝缘层与所述热氧化膜之间的边界处；层间介电膜，被形成在所述硅衬底的表面上方以使其覆盖所述凹陷；以及金属线，被形成在所述层间介电膜上以将所述温度检测元件与所述MOS晶体管相连接。所述层间介电膜是通过回流在所述硅衬底的表面上方沉积的BPSG膜而形成的。

根据此优选方案，层间介电膜能够具有改善的平坦度。因此，能够成功地避免因额外的热应力等所导致的金属线的破裂。

附图说明

图1示出为示出第一实施例的红外线图像传感器，其中图1(a)为示意性俯视图，图1(b)为一个单元的示意性俯视图，图1(c)为沿图1(b)的线A-A′的示意性剖视图。

图2为示出上述红外线图像传感器的电路图。

图3为示出上述红外线图像传感器的制造方法的示意性剖视图。

图4为示出上述红外线图像传感器的制造方法的示意性剖视图。

图5为示出上述红外线图像传感器的制造方法的示意性剖视图。

图6为示出上述红外线图像传感器的制造方法的说明性视图。

图7为示出上述红外线图像传感器的制造方法的示意性剖视图。

图8为示出根据第二实施例的红外线图像传感器的制造方法的示意性剖视图。

图9为示出上述红外线图像传感器的制造方法的示意性剖视图。

具体实施方式

(第一实施例)

如图1(a)至图1(c)所示，第一实施例的红外线图像传感器包括硅衬底1、在硅衬底1的表面(图1(c)中的上表面)上形成的多个单元(像素)2。

每个单元2包括被配置为检测红外线的热型红外线检测元件3、以及邻近该热型红外线检测元件3而布置的MOS晶体管4。MOS晶体管4为用于像素选择的切换元件，其被配置为读出红外线检测元件3的输出。多个单元2以二维阵列(矩阵)的形式被布置在硅衬底1的表面上。而且，在本实施例中，m×n(在示出的实例中为8×8)个单元2被形成在单个硅衬底1的表面上。单元2的数量和/或布置不限于本实施例。

在硅衬底1的分别与多个像素2的红外线检测元件3相对应的部分中设置有用于热绝缘的多个腔11。在本实施例中，选择硅衬底1，使得导电类型为n型且其表面为(100)表面。硅衬底1的表面包括用于形成红外线检测元件3的第一区域A1，以及用于形成MOS晶体管的第二区域A2。

在硅衬底1的表面的第一区域(为了形成红外线检测元件3而保留的区域)A1上形成红外线检测元件3。红外线检测元件3包括支撑部件301、红外线吸收部件302以及多个(在本实施例中为两个)梁部件303。支撑部件301被形成在硅衬底1的表面上。支撑部件301被制成矩形框形。红外线吸收部件302被置于支撑部件301内。红外线吸收部件302被制成矩形。梁部件303将支撑部件301连接到红外线吸收部件302。每个梁部件303均被制成平坦形状(planar shape)，该平坦形状从红外线吸收部件302的侧边的第一纵向端沿垂直于该侧边的方向延伸并且还沿从该侧边的第一纵向端至其第二纵向端的方向延伸。梁部件303相对于沿红外线吸收部件302的厚度方向的中心轴以旋转对称方式布置。

通过图案化叠层(所述叠层包括在硅衬底1的表面上形成的热绝缘层33，在热绝缘层33上形成的温度检测元件36，在热绝缘层33上方形成用以覆盖温度检测元件36的层间介电膜49，以及在层间介电膜49上形成的钝化膜60)，形成红外线检测元件3(其结构包括红外线吸收部件302、梁部件303以及支撑部件301)。

热绝缘层33包括在硅衬底1的表面上形成的用于热绝缘的二氧化硅膜31，其具有压应力，并包括在二氧化硅膜31上形成的用于热绝缘的氮化硅膜32，其具有拉应力。热绝缘层33具有与支撑部件301相对应的第一部33a、与红外线吸收部件302相对应的第二部33b以及分别与多个梁部件303相对应的多个第三部33c。

层间介电膜49由BPSG膜制成。钝化膜60是包括在层间介电膜49上形成的PSG膜和在PSG膜上形成的NSG膜的叠层膜。而且，钝化膜60和层间介电膜49被形成在第一区域A1和第二区域A2上方。钝化膜60和层间介电膜49的每一个均具有在第一区域A1上方形成并作红外线吸收膜之用的部分。

温度检测元件36被配置为吸收红外线并检测因吸收红外线而导致的温度变化。在本实施例中，温度检测元件36是由n型多晶硅层34和p型多晶硅层35制成的热电偶。温度检测元件36可为热电堆。

多晶硅层34和35的每一个均被形成在热绝缘层33上。

多晶硅层34和35的每一个均具有曲折形的平坦配置，如图1(b)所示。多晶硅层34被置于第二部33a、一个第三部33c(图1(b)中的右侧的第三部33c)以及第一部33a上方。多晶硅层35被置于第二部33a、另一个第三部33c(图1(b)中的左侧的第三部33c)以及第一部33a上方。n型多晶硅层34具有第一端34a，并且p型多晶硅层35具有第一端35a。第一端34a和35a在热绝缘层33的第二部33b的中心上彼此接触。n型多晶硅层34具有第二端34b，并且p型多晶硅层35具有第二端35b。第二端34b和35b被置于热绝缘层33的第一部33a上。

此外，红外线检测元件3包括在温度检测元件36上形成的电极37到39。

在第一端34a和35a上形成电极(第一电极)37以从第一端34a向第一端35a延伸。此外，第一电极37经由在层间介电膜49中形成的接触孔49a而电连接到多晶硅层34和35的第一端34a和35a。第一电极37由金属(如Al-Si)制成。多晶硅34的第一端34a、多晶硅35的第一端35a以及第一电极37构成热结T1。

在多晶硅层34的第二端34b上形成电极(第二电极)38。第二电极38经由在层间介电膜49中形成的接触孔49b而电连接到多晶硅层34的第二端34b。n型多晶硅34的第二端34b与第二电极38构成第一冷结T2。

在多晶硅层35的第二端35b上形成电极(第三电极)39。第三电极39经由在层间介电膜49中形成的接触孔49c而电连接到多晶硅层35的第二端35b。p型多晶硅35的第二端35b与第三电极39构成第二冷结T3。

电极37到39的每一个电极通过层间介电膜49与其它电极彼此电绝缘并相互分离。

在硅衬底1的表面的第二区域(为了形成MOS晶体管4而保留的区域)上形成MOS晶体管4。

MOS晶体管4包括第一导电类型(在本实施例中为p⁺型)的阱区41、第二导电类型(在本实施例中为n⁺型)的漏极区43、第二导电类型的源极区44、p⁺⁺型的沟道截断环(channel-stopper)区42、栅极绝缘膜45、栅电极46、漏电极47以及源电极48。

在硅衬底1的表面上形成阱区41。

在阱区41中彼此远离地形成漏极区43和源极区44。

在阱区41中形成沟道截断环区42以环绕漏极区43和源极区44这两者。

在形成于漏极区43与源极区44之间的阱区41的一部分上形成栅极绝缘膜45。栅极绝缘膜45由二氧化硅膜(热氧化膜)制成。

在栅极绝缘膜45上形成栅电极46。栅电极46由多晶硅层制成。

在漏极区43上方形成漏电极47。漏电极47经由在层间介电膜49中形成的接触孔49d而电连接到漏极区43。

在源极区44上方形成源电极48。源电极48经由在层间介电膜49中形成的接触孔49e而电连接到源极区44。

层间介电膜49将栅电极46、漏电极47以及源电极48彼此隔绝并相互分离。

此外，在本实施例中，将第一导电类型限定为p型，将第二导电类型限定为n型。相反地，也可将第一导电类型限定为n型，并将第二导电类型限定为p型。

如图2所示，本实施例的红外线图像传感器包括多条竖直读出线7、多条水平信号线6以及多条基准偏置线5。每条竖直读出线7经由MOS晶体管4连接到每一行的红外线检测元件3的温度检测元件36的第一端。每条水平信号线6连接到与每一列的红外线检测元件36相对应的MOS晶体管4。每条基准偏置线5连接到每一行的红外线检测元件3的温度检测元件36的第二端。

具体而言，在本实施例中，MOS晶体管4使其栅电极46连接到水平信号线6。此外，漏电极47通过温度检测元件36连接到基准偏置线5。而且，源电极48连接到竖直读出线7。

每条基准偏置线5、每条水平信号线6、每条竖直读出线7以及一共地线8分别电连接到对应的焊盘9。

因此，通过控制多个焊盘9的电位来依次打开MOS晶体管4，从而能够从红外线检测元件3读出多个输出的时间序列数据。此外，在图2中，将温度检测元件3示出为其等效电路，该电路包括与温度检测元件36的温差电动势(thermal electromotive force)相对应的电压源Vs、与电压源Vs串联连接的电阻R以及与电阻R并联连接的电容C。

在本实施例的红外线图像传感器的每个单元2中，MOS晶体管4使其漏电极47通过使用金属线(如Al-Si线)57而连接到第二电极38。漏电极47、第二电极38以及金属线57彼此形成一体。第三电极39通过使用金属线(如Al-Si线)59而电连接到基准偏置线5。第三电极39、基准偏置线5以及金属线59彼此形成一体。MOS晶体管4使其源电极48通过使用金属线(如Al-Si线)58而连接到竖直读出线7。源电极48、竖直读出线7以及金属线58彼此形成一体。栅电极46电连接到水平信号线6，该水平信号线6为多晶硅线。栅电极46与水平信号线6彼此形成一体。

此外，如图1(b)与图1(c)所示，沟道截断环区42电连接到共地线8。为了将元件相互隔离(为了将元件彼此隔离开)，共地线8用于将低电位提供给沟道截断环区42而不是给漏极区43和源极区44。共地线8由金属线8a与多晶硅线8b组成。

然后，参见图3到图5，对根据实施例的红外线传感器的制造方法做出说明。

本实施例的红外线传感器的制造方法主要包括热绝缘层形成步骤、阱区形成步骤、栅极绝缘膜形成步骤、温度检测元件形成步骤、漏极区与源极区形成步骤、层间介电膜形成步骤、金属线形成步骤、钝化膜形成步骤以及腔形成步骤。

将热绝缘层形成步骤限定为在硅衬底1的表面上形成热绝缘层33，从而提供如图3(a)所示的结构。在热绝缘层形成步骤中，在硅衬底1的整个表面上形成热绝缘层33。热绝缘层33包括具有第一预定膜厚度(如

)的二氧化硅膜31以及具有第二预定膜厚度(如

)的氮化硅膜32。例如，硅衬底1在预定温度(如1100摄氏度)下被热氧化以形成二氧化硅膜31。以上述方式形成的二氧化硅膜31具有-400MPa的残留应力。即，二氧化硅膜31具有压应力(残留压应力)。然后，通过LPCVD技术来沉积氮化硅膜32，接着在N₂气体气氛中在预定退火温度(如1100摄氏度)下将氮化硅膜32退火。从而，形成了氮化硅膜32。以上述方式形成的氮化硅膜32具有1.4GPa的残留应力。即，氮化硅膜32具有拉应力(残留拉应力)。然后，通过使用光刻技术和蚀刻技术，移除在第二区域A2上形成的部分热绝缘层33而保留在第一区域A1上形成的部分热绝缘层33。

在热绝缘层形成步骤之后执行阱区形成步骤。将阱区形成步骤限定为在硅衬底1的表面中形成阱区41。之后，执行沟道截断环区形成步骤。将沟道截断环区形成步骤限定为在阱区41中从硅衬底1的表面起形成沟道截断环区42。

将阱区形成步骤限定为在预定温度下将硅衬底1的表面的暴露区域热氧化，以在硅衬底1的表面的期望区域上形成二氧化硅膜51。之后，通过使用光刻技术和蚀刻技术并一起使用用于形成阱区41的掩模来图案化二氧化硅膜51。之后，通过p型杂质(如硼)的离子注入接着进行驱入扩散(drive-indiffusion)(杂质的扩散)来形成p⁺型的阱区41。

在本实施例中，通过使用热氧化技术来形成二氧化硅膜51。因此，在硅衬底1的表面的第一区域A1上不形成二氧化硅膜51。此外，在阱区形成步骤中，在不超过形成二氧化硅膜31所需要的温度与形成氮化硅膜32所需要的温度这两者的一个温度(此温度即形成热绝缘层33的温度，在本实施例中为1100摄氏度)下，执行热氧化与驱入扩散。换言之，将形成热绝缘层33的温度选择为超过阱区形成步骤的工艺温度。从而，热绝缘层33的残留应力没有实质的变化。

将沟道截断环区形成步骤限定为在预定温度下将硅衬底1的表面热氧化，以在硅衬底1的表面的期望区域上形成二氧化硅膜52。之后，通过使用光刻技术和蚀刻技术并一起使用用于形成沟道截断环区42的掩模来图案化二氧化硅膜52。之后，通过p型杂质(如硼)的离子注入接着进行驱入扩散来形成p⁺⁺型的沟道截断环区42。

在本实施例中，通过使用热氧化技术来形成二氧化硅膜52。因此，二氧化硅膜52不在硅衬底1的表面的第一区域A1上形成。此外，在不超过形成热绝缘层33的温度的一个温度(在本实施例中为1100摄氏度)下，执行沟道截断环区形成步骤中的热氧化与驱入扩散。从而，热绝缘层33的残留应力没有实质的变化。

在沟道截断环区形成步骤之后依序执行栅极绝缘膜形成步骤、温度检测元件形成步骤以及栅极/源极/漏极形成步骤(上述漏极区与源极区形成步骤)。因此，获得图3(c)所示的结构。

将栅极绝缘膜形成步骤限定为通过热氧化在硅衬底1的表面上形成由二氧化硅膜(热氧化膜)所制成的栅极绝缘膜45。

将温度检测元件形成步骤限定为在热绝缘层33上形成温度检测元件36。温度检测元件形成步骤包括多晶硅层形成步骤、多晶硅层图案化步骤、p型多晶硅层形成步骤以及n型多晶硅层形成步骤。在多晶硅层形成步骤之后执行多晶硅层图案化步骤。在多晶硅层图案化步骤之后执行p型多晶硅层形成步骤。在p型多晶硅层形成步骤之后执行n型多晶硅层形成步骤。

将多晶硅层形成步骤限定为通过使用LPCVD技术在硅衬底1的整个表面上形成具有预定膜厚度(如

)的非掺杂多晶硅层。非掺杂多晶硅层被用作用于形成栅电极46、多晶硅线8b、水平信号线6、n型多晶硅层34以及p型多晶硅层35的基础。

在多晶硅图案化步骤中，通过使用光刻技术与蚀刻技术，将非掺杂多晶硅层图案化以留下其分别与栅电极46、多晶硅线8b、水平信号线6以及多晶硅层34和35相对应的部分。

将p型多晶硅层形成步骤限定为对与p型多晶硅层35相对应的非掺杂多晶硅层的一部分执行p型杂质(如BF)的离子注入，接着是驱动扩散，从而形成p型多晶硅层35。p型多晶硅层35具有-300MPa的残留应力。

将n型多晶硅层形成步骤限定为对与n型多晶硅层34相对应的非掺杂多晶硅层的一部分执行n型杂质(如磷)的离子注入，接着是驱动扩散，从而形成n型多晶硅层34。n型多晶硅层34具有-300MPa的残留应力。

将栅极/源极/漏极形成步骤限定为对分别与栅电极46、多晶硅线8b、水平信号线6相对应的非掺杂多晶硅层的多个部分以及为形成漏极区43与源极区44所分别保留的阱区41的多个区域执行n型杂质(如磷)的离子注入。在此之后，执行驱动扩散以形成栅电极46、多晶硅线8b、水平信号线6、漏极区43以及源极区44。此外，在栅极/源极/漏极形成步骤中，将非掺杂多晶硅层的一部分(将成为栅电极46)用作在离子注入期间防止n型杂质被注入到栅电极46下方的区域的掩模。即，在栅极/源极/漏极形成步骤中，通过使用公知的自对准技术来形成漏极区43与源极区44。

在本实施例中，将多个步骤(栅极绝缘膜形成步骤、多晶硅层形成步骤、多晶硅层图案化步骤、p型多晶硅层形成步骤、n型多晶硅层形成步骤、以及栅极/源极/漏极形成步骤)的每个步骤的工艺温度选择为不超过形成热绝缘层33的温度(在本实施例中为1100摄氏度)。从而，热绝缘层33的残留应力没有实质的变化。

在栅极/源极/漏极形成步骤之后，通过执行层间介电膜形成步骤接着执行接触孔形成步骤，获得图4(a)所示的结构。

将层间介电膜形成步骤限定为在硅衬底1表面上方形成层间介电膜49。具体而言，在层间介电膜形成步骤中，通过使用CVD技术在硅衬底1的表面上方沉积具有预定膜厚度(如

)的BPSG膜49A(参见图7(b))接着在预定温度(如800摄氏度)下对所沉积的BPSG膜49A进行回流，来形成平坦化的层间介电膜49(参见图7(c))。

接触孔形成步骤为通过使用光刻技术和蚀刻技术在层间介电膜49中形成接触孔49a到49e的步骤。

通过在接触孔形成步骤之后执行金属线形成步骤(形成被设计为将温度检测元件36与MOS晶体管4连接的金属线57)，获得图4(b)所示的结构。

金属线形成步骤包括金属膜形成步骤，并且在金属膜形成步骤之后执行金属膜图案化步骤。

将金属膜形成步骤限定为通过使用溅射法在硅衬底1的整个表面上方形成具有预定膜厚度(如1μm)的金属膜。上述金属膜为用于形成电极37、38和39的每个电极、漏电极47、源电极48、金属线8a、57、58和59的每根金属线以及每个焊盘9的基础。

将金属膜图案化步骤限定为通过使用光刻技术和蚀刻技术来图案化金属膜以形成电极37、38和39的每个电极、漏电极47、源电极48、金属线8a、57、58和59的每根金属线以及每个焊盘9。在金属膜图案化步骤中，通过使用RIE来蚀刻金属膜。

通过在金属膜图案化步骤之后执行钝化膜形成步骤，获得图4(c)所示的结构。

将钝化膜形成步骤限定为通过使用CVD技术在硅衬底1的整个表面上方(换言之，在层间介电膜49上)形成钝化膜60。钝化膜60是包括具有预定膜厚度(如0.2μm)的PSG膜与具有预定膜厚度(如0.2μm)的NSG膜的叠层膜。

通过在钝化膜形成步骤之后执行叠层结构图案化步骤，获得图5(a)所示的结构。

将叠层结构图案化步骤限定为将由热绝缘层33、在热绝缘层33上形成的温度检测元件36、在热绝缘层33上方形成以覆盖温度检测元件36的层间介电膜49、以及在层间介电膜49上形成的钝化膜60组成的叠层(叠层结构)图案化，从而形成红外线检测元件3(由红外线吸收部件302、每个梁部件303以及支撑部件301所组成的结构)。此外，叠层结构图案化步骤包括形成多个缝隙(slit)13的步骤，每个缝隙13沿叠层结构的厚度方向贯穿叠层结构并将红外线吸收部件302与支撑部件301分离。通过形成缝隙13来完成上述结构。

通过在叠层结构图案化步骤之后执行开口形成步骤接着执行腔形成步骤，从而获得包括多个像素(每个像素均具有如图5(b)所示的结构)的红外线图像传感器。

将开口形成步骤限定为通过使用光刻技术和蚀刻技术来形成开口(未示出)。将每个开口设计为暴露相对应的焊盘9。在开口形成步骤中，通过使用RIE来形成开口。

将腔形成步骤限定为通过向缝隙13和13倾注蚀刻剂从而对硅衬底1做出各向异性蚀刻，以在硅衬底1中形成腔11。换言之，在腔形成步骤中，将缝隙13和13用作蚀刻剂导管。在腔形成步骤中，采用碱性溶液(在本实施例中为TMAH溶液)作为蚀刻剂。

此外，对从热绝缘层形成步骤到腔形成步骤的所有步骤的执行都是晶片级的。因此，在腔形成步骤完成之后，执行分离步骤以将多个红外线图像传感器彼此分离。

此外，从上述说明中显而易见，针对用于形成MOS晶体管4的方法，采用的是公知的且通常的MOS晶体管的制造方法。换言之，通过重复基本步骤(如使用热氧化形成热氧化膜的步骤、使用光刻技术和蚀刻技术图案化热氧化膜的步骤、注入杂质的步骤以及执行驱入扩散的步骤)，形成阱区41、沟道截断环区42、漏极区43以及源极区44。

如上文所说明的，本实施例的红外线图像传感器的制造方法包括热绝缘层形成步骤、阱区形成步骤、栅极绝缘膜形成步骤、温度检测元件形成步骤、漏区与源区形成步骤、层间介电膜形成步骤、钝化膜形成步骤以及腔形成步骤。将热绝缘层形成步骤限定为在硅衬底1的表面的第一区域A1上方形成热绝缘层33的步骤。热绝缘层33包括被赋予压应力的二氧化硅膜31，以及被赋予拉应力的氮化硅膜32。将热绝缘层形成步骤之后的阱区形成步骤限定为在硅衬底的表面的第二区域A2中形成具有第一导电类型(p⁺型)的阱区41的步骤。将阱区形成步骤之后的栅极绝缘膜形成步骤限定为将硅衬底1的表面热氧化以形成栅极绝缘膜45的步骤。将栅极绝缘膜形成步骤之后的温度检测元件形成步骤限定为在热绝缘层33上形成被配置为检测温度变化的温度检测元件36的步骤。将温度检测元件形成步骤之后的漏区和源区形成步骤限定为在阱区41内形成漏极区43和源极区44的步骤。将漏区和源区形成步骤之后的层间介电膜形成步骤限定为在硅衬底1的表面上方形成层间介电膜49的步骤。将层间介电膜形成步骤之后的钝化膜形成步骤限定为在层间介电膜49上形成钝化膜60的步骤。将钝化膜形成步骤之后的腔形成步骤限定为在硅衬底1中形成腔11的步骤。

在本实施例的红外线图像传感器的制造方法中，通过在形成MOS晶体管4之前在二氧化硅膜31上形成氮化硅膜32，完成热绝缘层33。与二氧化硅膜31相比，氮化硅膜32难以被氧化。

根据本实施例的红外线图像传感器的制造方法，尽管在MOS晶体管4的制造工艺中执行了热氧化，但能够防止热绝缘层33被热氧化。结果是，能使热绝缘层33的膜厚度和膜结构的至少之一免于发生变化。此外，由于通过在具有压应力的二氧化硅膜上形成具有拉应力的氮化硅膜32来完成热绝缘层33，从而能够提供这样的红外线图像传感器，其能使红外线检测元件变薄而仍使得红外线检测元件3的红外线吸收部件302和各自的梁部件301免于扭曲。此外，在本实施例中，由于温度检测元件36的热电材料为多晶硅，从而本实施例的方法适用于MOS晶体管4的制造方法。因此，能够减少红外线图像传感器的制造方法的步骤个数。

此外，在本实施例的红外线图像传感器中，在硅衬底1的表面上(除了用于形成MOS晶体管4的第二区域A2之外)形成氮化硅膜32。因此，如上文所述，由于采用了在形成热绝缘层33之后形成MOS晶体管4的阱区41、栅极绝缘膜45、漏极区43以及源极区44的制造工艺，从而能够防止热绝缘层33被氧化，不然的话，在MOS晶体管4的制造工艺中就会发生这种情况。因此，能使热绝缘层33的膜厚度和膜结构的至少之一免于发生变化。此外，热绝缘层33包括具有压应力的二氧化硅膜31，以及具有拉应力并在二氧化硅膜31上形成的氮化硅膜32。因此，即使MOS晶体管4是通过使用通常方法形成的，也能够使得红外线检测元件变薄而仍能免于被扭曲。此外，在本实施例的红外线图像传感器中，在第二区域A2上并未形成氮化硅膜32。然而，可在在硅衬底1的表面上方在至少排除了MOS晶体管4的阱区41沿其厚度方向投射的投影区域之外的部分处形成氮化硅膜32(即，可将氮化硅膜形成为沿其厚度方向不与阱区41重叠)。

此外，形成红外线检测元件3以满足如下两个公式(1)和(2)：

公式3

${\∫}_{-t/2}^{t/2}{\mathrm{\σ}}_m\left(y\right)\mathrm{dy}=0---\left(1\right)$

公式4

${\∫}_{-t/2}^{t/2}{\mathrm{\σ}}_m\left(y\right)\·\mathrm{ydy}=0---\left(2\right)$

在上述公式中，y表示从红外线检测元件3的沿与红外线检测元件3的厚度方向平行的(aligned)方向(图1(c)中的竖直方向)上的距离，而σ_m(y)表示红外线检测元件3的应力，t表示红外线检测元件3的厚度。

在本实施例中，将红外线检测元件3的形成条件选择为满足公式(1)和(2)。显著地，当满足公式(1)时，能够将红外线检测元件3的残留应力降为0。此外，当满足公式(2)时，能够将红外线检测元件3的挠矩(bendingmoment)降为0。因此，红外线检测元件3能够免于扭曲。

如图6(a)所示，红外线检测元件3具有叠层结构，在该叠层结构中依序层叠二氧化硅膜31、氮化硅膜32、多晶硅层35(或多晶硅层34)以及SG膜61。SG(硅酸盐玻璃)膜61为叠层膜，其包括由BPSG膜制成的层间介电膜49和由NSG膜和PSG膜制成的钝化膜60。

因此，可将上述公式(1)和(2)分别重新写成下述公式(3)和(4)。关于下述公式(3)和(4)，σ₁(y)表示二氧化硅膜31的应力，σ₂(y)表示氮化硅膜32的应力，σ₃(y)表示多晶硅层35的应力，并且σ₄(y)表示SG膜61的应力。此外，t₁表示二氧化硅膜31的厚度，t₂表示氮化硅膜32的厚度，t₃表示多晶硅层35的厚度，并且t₄表示SG膜61的厚度。此外，t满足关系t＝t₁+t₂+t₃+t₄。

公式5

${\∫}_{-t/2}^{-t/2+t_1}{\mathrm{\σ}}_1\left(y\right)\mathrm{dy}+{\∫}_{-t/2+t_1}^{-t/2+t_1+t_2}{\mathrm{\σ}}_2\left(y\right)\mathrm{dy}+{\∫}_{-t/2+t_1+t_2}^{-t/2+t_1+t_2+t_3}{\mathrm{\σ}}_3\left(y\right)\mathrm{dy}+{\∫}_{-t/2+t_1+t_2{+t}_3}^{t/2}{\mathrm{\σ}}_4\left(y\right)\mathrm{dy}=0---\left(3\right)$

公式

${\∫}_{-t/2}^{-t/2+t_1}{\mathrm{\σ}}_1\left(y\right)\·\mathrm{ydy}+{\∫}_{-t/2+t_1}^{-t/2+t_1+t_2}{\mathrm{\σ}}_2\left(y\right)\·\mathrm{ydy}+{\∫}_{-t/2+t_1+t_2}^{-t/2+t_1+t_2+t_3}{\mathrm{\σ}}_3\left(y\right)\·\mathrm{ydy}+{\∫}_{-t/2+t_1+t_2{+t}_3}^{t/2}{\mathrm{\σ}}_4\left(y\right)\·\mathrm{ydy}=0---\left(4\right)$

此外，根据本实施例的红外线图像传感器的制造方法具有热绝缘层形成步骤，在该步骤中将热绝缘层33的形成温度(即，降低二氧化硅膜31的形成温度与氮化硅膜32的形成温度之一)选择为高于在热绝缘层形成步骤之后执行的所有步骤中的任意工艺温度(在本实施例中，热绝缘层33的形成温度为1100摄氏度)。简言之，该方法包括：在热绝缘层形成步骤之后，保持二氧化硅膜31的温度低于形成二氧化硅膜31所需要的温度的步骤，以及保持氮化硅膜32的温度低于形成氮化硅膜32所需要的温度的步骤。因此，二氧化硅膜31和氮化硅膜32的每一个膜能够保持其厚度和应力免于受到不良影响，不然的话，在热绝缘层形成步骤之后的后继步骤中的工艺温度就会导致这种不良影响。因此，能够成功地使红外线检测元件3免于扭曲。

对于本实施例的红外线图像传感器的制造方法，在阱区形成步骤中，如图7(a)所示，在硅衬底1的表面上形成与第二区域A2邻近的热氧化膜53。此热氧化膜53包括前述的二氧化硅膜51和52。

如图7(a)所示，在热氧化膜53与热绝缘层33之间的边界55处出现高度差。换言之，在热氧化膜53与热绝缘层33之间产生台阶。

如上文所述，在层间介电膜形成步骤中，如图7(b)所示，层间介电膜49是通过在硅衬底1的表面上方沉积BPSG膜49A接着将其回流而形成的。以此方式，能够形成平坦化的层间介电膜49，如图7(c)所示。在平坦化的层间介电膜49上形成金属线57，如图7(d)所示。

因此，根据本实施例的红外线图像传感器的制造方法，层间介电膜49能具有改善的平坦度，从而使得金属线57免于在厚度上局部不恰当的减小，并从而避免了金属线破损，而且还避免了由于额外的热应力所导致的破裂。

(第二实施例)

本实施例的红外线图像传感器与第一实施例的红外线图像传感器的不同之处在于本实施例的红外线图像传感器包括凹陷56。此外，本实施例的红外线图像传感器的配置与第一实施例的红外线图像传感器由相同的附表标记指定，从而认为不需要对附图标记做出说明。

在本实施例的红外线图像传感器的制造方法中，通过在阱区形成步骤之后执行凹陷形成步骤接着执行层间介电膜形成步骤，从而获得如图8所示的结构。

将凹陷形成步骤限定为通过使用光刻技术和蚀刻技术形成凹陷56以降低高度差的步骤，如图9(b)所示。在热绝缘层33和热氧化膜53中沿着边界55形成凹陷56(图9(a))。此外，凹陷56形成为其深度相对于热绝缘层33与热氧化膜53之间的高度差而较小。

与第一实施例类似，将凹陷形成步骤之后的层间介电膜形成步骤限定为如下步骤：如图9(c)所示，在硅衬底1的表面上方沉积BPSG膜49A接着将BPSG膜49A回流，以形成如图9(d)所示的平坦化的层间介电膜49。

通过在层间介电膜形成步骤之后执行用于形成金属线57的金属线形成步骤，从而获得图9(e)所示的结构。

在如上述内容所涉及的红外线图像传感器的制造方法中，在阱区形成步骤之后并在层间介电膜形成步骤之前，在热绝缘层33与热氧化膜53之间的边界55处形成凹陷56，以使其深度相对于热绝缘层33与热氧化膜53之间的高度差而较小。

根据本实施例的红外线图像传感器的制造方法，层间介电膜49能够具有比第一实施例的平坦度更进一步改善的平坦度，从而使得金属线57免于在厚度上局部不恰当的减小，从而成功地避免了金属线破损，并且成功地避免了由于额外的热应力所导致的破裂。

此外，本实施例的红外线图像传感器包括凹陷56(在热绝缘层33与热氧化膜53之间的边界55处形成)、层间介电膜49(被设计为覆盖凹陷56)以及金属线57(在层间介电膜49上形成)。通过回流在硅衬底1的表面上方沉积的BPSG膜49A来形成层间介电膜49。

根据本实施例的红外线图像传感器，层间介电膜49能够具有比第一实施例的平坦度更进一步改善的平坦度，从而使得金属线57免于在厚度上局部不恰当的减小，从而成功地避免了金属线破损，并且成功地避免了由于额外的热应力所导致的破裂。

Claims (5)

1.一种红外线图像传感器的制造方法，该红外线图像传感器包括：

硅衬底；以及

多个单元，被形成在所述硅衬底的表面上方，

其中所述多个单元的每个单元包括：被配置为检测红外线的红外线检测元件，以及被配置为读出所述红外线检测元件的输出的MOS晶体管，该MOS晶体管被布置为邻近所述红外线检测元件，

在所述硅衬底的分别与所述多个单元的所述红外线检测元件相对应的部分中设置有用于热绝缘的腔，

每个所述红外线检测元件包括：在所述硅衬底的表面上方形成的热绝缘层，以及在所述热绝缘层上形成的温度检测元件，

所述热绝缘层包括：在所述硅衬底的表面上形成的用于热绝缘的二氧化硅膜，以及在所述二氧化硅膜上形成的用于热绝缘的氮化硅膜，所述二氧化硅膜具有压应力，所述氮化硅膜具有拉应力，

所述温度检测元件被配置为吸收红外线并检测因吸收红外线而导致的温度变化，以及

所述MOS晶体管包括：在所述硅衬底的表面中形成的第一导电类型的阱区，在所述阱区中形成的第二导电类型的漏极区，在所述阱区中形成以远离所述漏极区的第二导电类型的源极区，以及在形成于所述漏极区与所述源极区之间的所述阱区的一部分上形成的栅极绝缘膜，以及

所述方法包括：

热绝缘层形成步骤，在所述硅衬底的表面的第一区域上方形成所述热绝缘层；

阱区形成步骤，在所述热绝缘层形成步骤之后，形成在所述硅衬底的表面的第二区域中形成的所述阱区；

栅极绝缘膜形成步骤，在所述阱区形成步骤之后，通过将所述硅衬底的表面热氧化而形成所述栅极绝缘膜；

温度检测元件形成步骤，在所述栅极绝缘膜形成步骤之后，形成所述温度检测元件；

漏极区与源极区形成步骤，在所述温度检测元件形成步骤之后，形成所述漏极区和所述源极区；以及

腔形成步骤，在所述漏极区与源极区形成步骤之后，形成所述腔。

2.根据权利要求1所述的红外线图像传感器的制造方法，其中

所述方法还包括：

层间介电膜形成步骤，在所述漏极区与源极区形成步骤之后并在所述腔形成步骤之前，通过在所述硅衬底的表面上方沉积BPSG膜接着将所沉积的BPSG膜回流而在所述硅衬底的表面上方形成层间介电膜；

金属线形成步骤，在所述层间介电膜形成步骤之后并在所述腔形成步骤之前，形成将所述温度检测元件与所述MOS晶体管电连接的金属线；以及

钝化膜形成步骤，在所述金属线形成步骤之后并在所述腔形成步骤之前，在所述层间介电膜上形成钝化膜。

3.根据权利要求2所述的红外线图像传感器的制造方法，其中

所述方法还包括凹陷形成步骤，在所述阱区形成步骤之后并在所述层间介电膜形成步骤之前形成凹陷，

所述阱区形成步骤包括在所述第二区域上形成热氧化膜的步骤，以使该热氧化膜邻近所述热绝缘层，以及

所述凹陷形成步骤包括在所述热绝缘层与所述热氧化膜之间的边界处形成所述凹陷的步骤，所述凹陷的凹陷深度相对于所述热绝缘层与所述热氧化膜之间的高度差较小。

4.根据权利要求1所述的红外线图像传感器的制造方法，其中

所述方法还包括形成满足如下两个公式的所述红外线检测元件的步骤：

$\begin{array}{c}{\∫}_{-t/2}^{t/2}{\mathrm{\σ}}_m\left(y\right)\mathrm{dy}=0\\ {\∫}_{-t/2}^{t/2}{\mathrm{\σ}}_m\left(y\right)\·\mathrm{ydy}=0\end{array}$

其中y表示从所述红外线检测元件的中心沿与所述红外线检测元件的厚度方向平行的方向上的距离，以及

σ_m(y)表示所述红外线检测元件的应力，以及

t表示所述红外线检测元件的厚度。

5.根据权利要求1所述的红外线图像传感器的制造方法，还包括：在所述热绝缘层形成步骤之后，保持所述二氧化硅膜的温度低于形成所述二氧化硅膜所需要的温度的步骤以及保持所述氮化硅膜的温度低于形成所述氮化硅膜所需要的温度的步骤。

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