CN104716150A - 半导体装置制造方法以及半导体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体装置制造方法以及半导体装置，其目的在于减小从分离像素的深沟道中拉出形成的门极所造成的高低不平。本发明的半导体装置制造方法包含以下工序：沟道形成工序，在排列多个光电转换元件的半导体电路板上位于相邻光电转换元件之间的位置上，沿着与该半导体电路板垂直的方向，形成沟道；第一导电体材料层形成工序，在沟道内壁上形成氧化膜后，将第一导电体材料填入该沟道，形成贯穿该沟道和该沟道上部的第一导电体材料层；第一导电体形成工序，去除第一导电体材料层中除被填入沟道的第一导电体部分以外的第一导电体材料层部分，形成第一导电体；以及，上部门极形成工序，在第一导电体上部，通过与该第一导电体导通，形成上部门极。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置制造方法以及半导体装置。
背景技术
在二维排列光电转换元件的固体摄像元件，例如CMOS传感器以及CCD传感器等光电器件中，尤其是COMS传感器，利用光电二极管作为光电转换元件，设于每个像素中的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor)能够选择性地输出信号，因而，通常按照普通的CMOS半导体制造工艺，在同一块电路板上制作所有组成元件，如光电转换元件、各个像素的输出选择开关、周围电路之类。而且近年来，随着工艺规则的微细化，单个像素大小缩小进一步提高了分辨率。
光电二极管作为光电转换元件，以PN结构成，被施加逆电压后，耗尽区扩大，该耗尽区宽度决定能够转换为电荷的光的波长。PN结相对于Si电路板沿纵向形成，耗尽区向电路板深度方向扩大，为此，入射光在Si电路板深处进行光电转换。光入射像素时，不仅有垂直入射，还有倾斜入射，为此，随着光转换发生部位的不同，有些光电荷有可能输出到与入射像素邻接的像素上。在这种情况下，像素微细化程度的不断提高促使上述的像素输出混乱更加容易发生。
为了防止光电荷混乱，可如图5所示，用深沟道来分离单个像素，防止相邻像素之间的光电荷发生混乱。
图5是一具有普通的浅沟道门极的半导体装置上表面的示意图，下述图1至图4是图5所示半导体装置的A-A’截面图。
如图5所示，像素阵列区域以及浅沟道门极取出部中，在与该图垂直方向上深入形成的沟道(浅沟道)中形成深沟道埋入多晶硅9，该深沟道埋入多晶硅9不仅被用来分离一个像素，而且还与N型门极3一起起到门极作用。
如图所示，与用氧化膜和PN结来分离的普通的CMOS半导体制造工艺方式相比，深沟道使得像素之间完全绝缘隔离，具有便于减小相邻像素间距、有利于微细化的优点。
在将N型和P型交换的情况下，上述结论同样适用。
本发明的发明人还在专利文献1(特开2013-187527号公报)中公开了使用Si电路板的半导体装置，该半导体装置具备二维排列光电转换元件构成的图像传感器，各像素之间均以深沟道隔离，该深沟道中埋入门极。
但是，在拉出埋入深沟道中的门极时，目前采用如图4所示的方法，即在蚀刻时，保留在制作深沟道埋入多晶硅9膜时的多晶硅，用以作为N型门极3，该方法的目的在于避免受到光照射时发生光电流。为此，N型门极3造成的高低不平(高低差异)一直留到制造的最后一道工序，埋入多晶硅造成的高低不平(图4中N型门极的厚度约为0.6μm)变大，因而存在难以实现平坦化、且无法在微细化工艺中形成良好的照相制版或蚀刻工序的图形的问题。
另外，还存在以下将要详述的问题，即如果采用单单解决平坦化问题的方法，将引起光照射时门极的拉出部分发生因寄生光敏晶体管而产生光电流。
专利文献2(JP特开2002-176179号公报)公开了关于形成可供多个阶层不同的导线结构共享接触孔的方法，其目的在于减小接触孔区域面积。该方法中有关埋入导线材料方面虽然有相似之处，但是难以解决平坦化问题。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种半导体装置制造方法，其目的在于减小从分离像素的深沟道中拉出形成的门极所造成的高低不平。
为了达到上述目的，本发明提供一种半导体装置制造方法，其特征在于包含以下各项工序：沟道形成工序，在排列多个光电转换元件的半导体电路板上位于相邻光电转换元件之间的位置上，沿着与该半导体电路板垂直的方向，形成沟道；第一导电体材料层形成工序，在所述沟道内壁上形成氧化膜之后，将第一导电体材料填入该沟道，形成贯穿该沟道和该沟道上部的第一导电体材料层；第一导电体形成工序，去除所述第一导电体材料层中除被填入所述沟道的第一导电体部分以外的第一导电体材料层部分，形成第一导电体；以及，上部门极形成工序，在所述第一导电体上部，通过与该第一导电体导通，形成上部门极。
本发明的效果在于，提供一种能够减小从分离像素的深沟道中拉出而形成的门极所造成的高低不平的半导体装置制造方法。
附图说明
图1是本发明涉及的半导体装置的实施方式中门极拉出部分结构的截面图。
图2A至图2J是本发明涉及的半导体装置制造方法的流程图。
图3是用来说明本发明涉及的半导体装置中寄生双极晶体管的截面图。
图4是具有现有的浅沟道门极的半导体装置中的门极拉出部分结构的截面图。
图5是具有前沟道门极半导体装置的俯视图。
具体实施方式
本发明涉及的半导体装置的特征在于具备以下部件：半导体电路板；图像传感器，其中具有排列在所述半导体电路板上的多个光电转换元件；沟道，形成在所述半导体电路板上相邻的所述光电转换元件之间的位置；第一导电体，被埋在所述沟道之中；以及，上部门极，在所述第一导电体的上部，经过与该第一导电体导通后形成，所述第一导电体与所述上部门极之间连接面中的结晶晶粒界面为不连续晶粒界面。
本发明涉及的半导体装置制造方法的特征在于包含以下各项工序：沟道形成工序，在排列多个光电转换元件的半导体电路板上位于相邻光电转换元件之间的位置上，沿着与该半导体电路板垂直的方向，形成沟道；第一导电体材料层形成工序，在所述沟道内壁上形成氧化膜之后，将第一导电体材料填入该沟道，形成贯穿该沟道和该沟道上部的第一导电体材料层；第一导电体形成工序，去除所述第一导电体材料层中除被填入所述沟道的第一导电体部分以外的第一导电体材料层部分，形成第一导电体；以及，上部门极形成工序，在所述第一导电体上部，通过与该第一导电体导通，形成上部门极。
首先简单描述本发明的特征。
本发明在二维图像传感器的像素分离方法中未使用PN结，而是形成深沟道，将该深沟道表面氧化后填入多晶硅，在将该多晶硅作为电极取出时，导通被埋入深沟道中的多晶硅(深沟道埋入多晶硅9)和以后形成的门多晶硅(N型门极3)，从而实现平坦化。
这与一边使得埋入多晶硅变得平坦一边将埋入多晶硅作为电极取出一样，用蚀刻来取出埋入多晶硅使其变得平坦，而后通过普通的CMOS半导体制造工艺中的多晶硅门极的形成工序来实现。
以下进一步详述本发明涉及的半导体装置以及半导体装置制造方法。
下述实施方式为本发明的最佳实施方式，因而从技术角度出发设有各种限制，但是，如果没有特别说明，本发明不受这些实施方式的限制。
<半导体装置>
图1是本发明涉及的一半导体装置的实施方式中门极拉出部分结构的截面图，即图5所示的A-A′截面图。
本实施方式的半导体装置具备未图示图像传感器，该图像传感器具有排列在半导体电路板上的多个光电转换元件。优选光电转换元件以二维方式排列，并优选为光敏晶体管。
在此，半导体基板具有以N+Si半导体电路板1、N型Si层2、N型门极3的顺序依次层叠的结构。
在上述半导体电路板上多个光电转换元件的相邻位置之间，形成与电路板垂直的沟道。
该沟道的深度为从N型门极3到N型Si层2的内部，沟槽表面形成深沟道内壁氧化膜8，内部填充深沟道埋入多晶硅9。
深沟道埋入多晶硅9是本发明涉及的填入沟道的第一导电体，其上部形成N型门极3，用来作为上部门极。
本发明中，深沟道埋入多晶硅9的上表面平坦，形成在该深沟道埋入多晶硅9的上表面上的N型门极3亦为平坦构成，将深沟道埋入多晶硅9和N型门极3导通后N型门极3便起到门极作用。
本发明涉及的半导体装置中N型门极3的膜厚度约为0.2μm，N型门极3与其下层之间的高低差异比以往有所减小。图4所示的现有半导体中N型门极3的膜厚(即高低差异)约为0.6μm。
深沟道埋入多晶硅9与N型门极3之间的结合面的结晶晶粒界面为不连续晶粒界面。
与N型门极3连接的N型杂质扩散层4为杂质扩散层，具有与N型门极3相同的导电性。如图1所示，N型门极3与N型杂质扩散层4之间的位置关系为前者层叠在后者的上部，而N型杂质扩散层4的水平方向一端则连接深沟道内壁氧化膜8。
进而，与N型杂质扩散层4连接的(在水平方向上位于深沟道内壁氧化膜8相反一侧的端部)P+杂质扩散层5为第二导电体机。如图1所示，N型杂质扩散层4和P+杂质扩散层5之间的位置关系为，处于同一平面上，并且在深沟道之间的区域中，P+杂质扩散层5的左右两端分别设有N型杂质扩散层4。
在此，优选N型杂质扩散层4和P+杂质扩散层5电位相同。
本发明优选将用来遮挡第二导电体的P+杂质扩散层5受到光照射的遮光部件设于光入射一侧，作为遮光部件，优选选用金属导线6。采用这样的结构能够防止不需要的光电流增幅。
金属导线6被设为用来导通N型门极3和P+杂质扩散层5。采用这样的结构能够防止光电流的发生。
在金属导线6和N+Si半导体电路板1等之间形成层间绝缘膜10。
此外，上述构成本发明涉及的半导体装置的各部件也均可以使用众所周知的材料形成。
<半导体装置制造方法)
以下描述本发明涉及的半导体装置的制造方法。
图2A至F2J是本发明涉及的半导体装置制造方法的流程图。
以下参考图2A至F2J渐次详述在半导体装置制作过程中关于在隔离像素用的深沟道中制作电极的工艺流程。
首先，如图2A所示，在Si半导体电路板1上外延生长N型Si层2形成N型外延Si电路板。而后，例如以30keV、5×1013cm-2的条件，向该N型外延Si电路板上的形成光电转换元件的区域注入硼，并在N2气氛中以1150℃的温度进行1小时主扩散(drive-in)，形成P型导电体7。
沟道形成工序
而后，形成厚度约为400nm的HTO(High-Temperature Oxide)膜11，用于作为形成深沟道的硬掩模。用掩模对形成深沟道区域形成图形，通过氧化膜蚀刻，形成硬掩模。在此，深沟道的宽度例如设为0.3～0.4μm(参见图2B)。
用硬掩模形成深沟道。例如用SF6、O2、Ar气体实行微波等离子蚀刻，沿垂直方向加工P型半导体7以及N型Si层2，形成深度约为3.0～5.0μm的沟道(参见图2C)。
在此，硬掩模也受到蚀刻，因而HTO膜11的厚度约减小为100nm(参见图2D)。
而后，用湿法腐蚀去除HTO膜11，使深沟道内壁氧化，进而去除该氧化膜。关于氧化，例如以1050℃干法氧化，形成的氧化膜厚度约为130nm。去除氧化膜可用来去除微波等离子蚀刻带来的损伤，缓和深沟道形成时可能发生的结晶缺陷，防止形成光电二极管的PN结出现漏电。
第一导电体材料层形成工序
而后，再次形成氧化膜，用于像素之间的绝缘隔离。在此，例如通过850℃的湿法氧化形成厚度约为20nm的深沟道内壁岩化膜8。而后，形成厚度例如约为800nm的多晶硅膜，用以填入深沟道。
此时，作为第一导电体材料的多晶硅形成第一导电体材料层，该第一导电体材料层从表面被深沟道内壁氧化膜8覆盖的深沟道通到该深沟道上部(包括正上方部分以及P型导电体7的上方部分)。第一导电体材料层包含下述的形成第一导电体的深沟道内部的深沟道埋入多晶硅9部分(第一导电体部分)和除此之外的部分(深沟道埋入多晶硅9正上方部分以及P型导电体7的上方部分)。
第一导电体形成工序
而后，对第一导电体材料层的多晶硅进行全面蚀刻，去除第一导电体材料部分中除填入深沟道的多晶硅(深沟道埋入多晶硅9)部分以外的部分，形成作为第一导电体的深沟埋入道多晶硅9(参见图2F)。据此，通过去除深沟道埋入多晶硅9的上表面部分，消除了与周围部分之间的高低差异，成为平坦形状。
上部门极形成工序、杂质扩散层形成工序
而后，按照普通的CMOS器件制造工艺，经过LOCOS(Local Oxidation ofSilicon)氧化工序，在深沟道部分形成门氧化膜，以阻止LOCOS氧化膜的形成。关于门氧化膜，例如厚度约为13.5μm，形成在图2F所示的整个上表面上，但因在以下的描述将要被去除，因而在此省略显示。
进而，对第一门多晶硅的深沟道形成部分的埋入多晶硅(深沟道埋入多晶硅9：N型)和第二门多晶硅(N型门极3)将要被电接通的区域(结合面)上的门氧化膜实行蚀刻。而后，去除门氧化膜之后，形成第二门多晶硅膜，实行再沉淀，用以作为N+型多晶硅门(N型门极3)(参见图2G)。此时，因实行再沉淀而导致的高浓度磷扩散到第二门多晶硅中，进而还扩散到正下方的P型半导体表面，形成N型杂质扩散层4。
而后，形成第二门多晶硅的图形，形成N型门极3(参见图2H)。
深沟道埋入多晶硅9和经过与该深沟道埋入多晶硅9结合且导通而形成的N型门极3之间的连接面中的结晶晶粒界面为不连续晶粒界面。而且由于在第二门多晶硅的图形化之前实行门氧化膜蚀刻，因而留下了其痕迹。
对此，在采用与以往工艺相同的方法制造的图4所示的结构中，由于不需要去除深沟道埋入多晶硅9的上表面，而是将原有的深沟道埋入多晶硅9作为N型门极3(不再重新制作)，因而不存在连接面，当然也就不存在结晶晶粒界面不连续的面。而且，由于不需要门氧化膜蚀刻，因而也不会有残留的痕迹。
采用本发明涉及的半导体装置的制造方法，能够将N型门极3形成为厚度约为0.2μm的薄膜。对此，采用以往的制造方法制作时，如图4所示，为了将深沟道埋入多晶硅9填入到深沟道的底部，需要过量的多晶硅，其形成的N型门极3的厚度(高低差异)约为0.6mm。
当本发明被作为图像传感器时，光还照射到设置在受光元件以外的区域中的拉出门极上，构成如图3所示的、以第二门多晶硅形成的N型杂质扩散层4为发射极、P型导电体为基极、N型Si层2为集电极的寄生双极晶体管。此外，这些发射极、基极、集电极还同时与埋入门极一起构成寄生MOS晶体管。
第二导电体形成工序、遮光部件形成工序
为了避免上述问题的发生，在P型半导体7区域中，例如以30keV、3×1015cm-2为条件实行硼注入，形成高纯度杂质扩散层及P+杂质扩散层5，并使其能够取得电极，用金属导线连接P型导电体7和N型杂质扩散层，使得寄生双极的发射极和基极之间短路。这样，能够使得寄生双极晶体管和寄生MOS晶体管作为二极管动作，抑制带有光敏晶体管功能的暗电流以及光电流的增幅。
但是，上述结构中还有寄生光电二极管存在，为此将产生光电流。用金属导线作为遮光部件，完全遮蔽作为光电二极管动作的寄生双极区域的表面，这样能够将多余的光电流减小到可以忽略(暗电流)程度(参见图2I和图2J)。
可以采用公知方法来形成作为遮光部件的金属导线6，例如用普通的LSI制造工艺，以溅射形成钛和铝的材料中加入1％硅(Ti-AL-1％Si)的膜。
可以用公知方法来形成层间绝缘膜10，例如用普通的LSI制造方法，形成厚度约为800nm的TEOS氧化膜，而后通过920℃的回流处理形成层间绝缘膜10。
将N型和P型互相交换，上述实施方式也同样适用。
如上所述，本发明提供的半导体装置和该半导体装置的制造方法能够减小从分离像素的深沟道中拉出形成的门极造成的高低不平。
Claims (11)
1.一种半导体装置制造方法，其特征在于包含以下各项工序：
沟道形成工序，在排列多个光电转换元件的半导体电路板上位于相邻光电转换元件之间的位置上，沿着与该半导体电路板垂直的方向，形成沟道；
第一导电体材料层形成工序，在所述沟道内壁上形成氧化膜之后，将第一导电体材料填入该沟道，形成贯穿该沟道和该沟道上部的第一导电体材料层；
第一导电体形成工序，去除所述第一导电体材料层中除被填入所述沟道的第一导电体部分以外的第一导电体材料层部分，形成第一导电体；以及，
上部门极形成工序，在所述第一导电体上部，通过与该第一导电体导通，形成上部门极。
2.根据权利要求1所述的半导体装置制造方法，其特征在于，进一步具备杂质扩散层形成工序，该工序通过连接所述上部门极，形成具有与该上部门极相同导电性的杂质扩散层。
3.根据权利要求2所述的半导体装置制造方法，其特征在于，进一步具备第二导电体形成工序，该工序在所述半导体电路板上形成与所述杂质扩散层邻接的第二导电体，该第二导电体的导电性与所述杂质扩散层的导电性相反。
4.根据权利要求3所述的半导体装置制造方法，其特征在于，进一步具备遮光部件形成工序，该工序形成用来遮蔽所述第二导电体受光照射的遮光部件。
5.根据权利要求4所述的半导体装置制造方法，其特征在于，在所述遮光部件形成工序中形成的所述遮光部件用来导通所述上部门极和所述第二导电体。
6.一种半导体装置，其特征在于，具备以下部件：
半导体电路板；
图像传感器，其中具有排列在所述半导体电路板上的多个光电转换元件；
沟道，形成在所述半导体电路板上，位于相邻的所述光电转换元件之间；
第一导电体，被埋在所述沟道之中；以及，
上部门极，形成在所述第一导电体上部，通过与该第一导电体导通而形成，
所述第一导电体与所述上部门极之间的连接面中的结晶晶粒界面为不连续晶粒界面。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，
进一步具备杂质扩散层，该杂质扩散层的导电性与所述上部门极的导电性相同，
通过与所述上部门极连接，形成该杂质扩散层。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，
进一步具备与所述杂质扩散层相邻接的第二导电体，该第二导电体的导电性与所述杂质扩散层的导电性相反，
该第二导电体的电位与所述杂质扩散层的电位相同。
9.根据权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，进一步具备用来遮蔽所述第二导电体受光照射的遮光部件。
10.根据权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，所述遮光部件为金属导线。
11.根据权利要求6至10中任意一项所述的半导体装置，其特征在于，所述光电转换元件为光敏晶体管。
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