CN108807436A - 半导体器件及其制造方法 - Google Patents

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高桥史年
国清辰也
佐藤英则
后藤洋太郎
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Abstract

本申请涉及半导体器件及其制造方法。提供了一种半导体器件，其在不增加半导体芯片面积的情况下提高背面照射CMOS图像传感器的暗电流特性和传输效率。在CMOS图像传感器中，像素包括传输晶体管和具有pn结的光电二极管。在平面图中，通过隔离绝缘膜在构成光电二极管的n型区域上方形成反射层。反射层通过帽绝缘膜在传输晶体管的栅极电极上方延伸。第一层信号布线通过在栅极电极上方的层间绝缘膜中制作的接触孔电耦合到栅极电极和反射层两者，因此相同的电势被施加到栅极电极和反射层。

Description

半导体器件及其制造方法
相关申请的交叉引用
这里通过参考并入2017年4月27日提交的日本专利申请No.2017-087940的全部公开内容，包括说明书、附图和摘要。
技术领域
本发明涉及半导体器件及其制造方法，并且更具体地涉及对于具有固态成像元件的半导体器件有用的技术，所述固态成像元件例如使用背表面照射CMOS(互补金属氧化物半导体)(以下称为CMOS图像传感器)。
背景技术
日本未审专利申请公开(PCT申请的翻译文本)No.2008-514011描述了使用SOI(绝缘体上硅)晶片制造的背表面照射CMOS或CCD(电荷耦合器件)成像元件。
日本未审专利申请公开No.2009-16826描述了一种背表面照射图像传感器，其包括：光电二极管，形成在半导体衬底的前表面下方，以通过来自半导体衬底的背表面的光照射来产生光电荷；反射栅极，形成在半导体衬底的前表面上方的光电二极管之上；以及传输栅极，用于将光电荷从光电二极管传输到传感节点。
发明内容
在日本未审专利申请公开No.2009-16826中公开的具有背表面照射结构的图像传感器中，反射栅极位于光电二极管正上方。在这种结构中，对于反射栅极的布线布局没有限制，并且布线布局的自由度高。但是，由于应向反射栅极和传输栅极施加不同的电势，所以需要用于向反射栅极施加电势的特殊的控制电路，从而引起应增加半导体芯片的面积的问题。
本发明的上述和进一步的目的和新颖特征将从本说明书和附图中的以下详细描述中更全面地呈现。
根据本发明的一个方面，提供了一种半导体器件，其包括传输晶体管和与传输晶体管相邻并具有pn结的光电二极管。传输晶体管包括：栅极绝缘膜，形成在p型半导体衬底的主表面上；栅极电极，具有与栅极绝缘膜接触的第一表面和与第一表面相对的第二表面；在栅极电极的两个侧面中的每一个侧面上形成的侧壁间隔物；在栅极电极的一个侧面侧的半导体衬底中设置的第一n型区域；以及在栅极电极的另一侧面侧的半导体衬底中设置的第二n型区域。光电二极管包括：第三n型区域，具有距半导体衬底的主表面的第一深度并与第一n型区域集成；反射层，以在平面图中从第三n型区域延伸到栅极电极的第二表面的方式形成在第三n型区域和栅极电极的第二表面上方；以及绝缘膜，形成在第三n型区域和反射层之间。在覆盖栅极电极和反射层的层间绝缘膜中，布线通过在栅极电极的第二表面上方制作的接触孔电耦合到栅极电极和反射层两者，并且将相同的电势施加到栅极电极和反射层。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于制造半导体器件的方法，所述半导体器件包括传输晶体管和与传输晶体管相邻并具有pn结的光电二极管。首先，在半导体衬底中形成具有距p型半导体衬底的主表面的第一深度并构成光电二极管的第一n型区域。接下来，形成层叠结构，该层叠结构包括栅极绝缘膜、栅极电极和帽绝缘膜以构成传输晶体管，其中栅极电极具有与栅极绝缘膜接触的第一表面和与第一表面相对的第二表面，并且第一n型区域位于栅极电极的一个侧面侧的半导体衬底中。接下来，在半导体衬底的主表面侧上沉积绝缘膜，处理绝缘膜以在栅极电极的两个侧表面中的每一个侧表面上形成侧壁间隔物，并且在第一n型区域上方形成隔离绝缘膜。接下来，在半导体衬底的主表面侧上沉积金属膜或金属硅化物膜，并且处理金属膜或金属硅化物膜以在隔离绝缘膜和栅极电极的第二表面上方形成反射层，该反射层在平面图中从隔离绝缘膜延伸到栅极电极的第二表面。接下来，在半导体衬底的主表面侧上沉积层间绝缘膜，并且处理层间绝缘膜以在层间绝缘膜的第二表面上方制作到达栅极电极的第二表面和反射层两者的接触孔，然后在接触孔中形成插塞以电耦合栅极电极和反射层。
根据本发明，可以在不增加半导体芯片面积的情况下改善背表面照射CMOS图像传感器的暗电流特性和传输效率。
附图说明
图1是用于构成根据第一实施例的CMOS图像传感器的像素片段中的一个像素的等效电路；
图2是构成根据第一实施例的CMOS图像传感器的像素片段中的像素的主要部分的截面图；
图3是示出在制造根据第一实施例的CMOS图像传感器的工艺步骤中的像素片段中的像素的主要部分的截面图；
图4是示出在CMOS图像传感器的制造工艺中在图3的步骤之后的步骤中的像素的主要部分的截面图；
图5是示出在CMOS图像传感器的制造工艺中在图4的步骤之后的步骤中的像素的主要部分的截面图；
图6是示出在CMOS图像传感器的制造工艺中在图5的步骤之后的步骤中的像素的主要部分的截面图；
图7是示出在CMOS图像传感器的制造工艺中在图6的步骤之后的步骤中的像素的主要部分的截面图；
图8是示出在CMOS图像传感器的制造工艺中在图7的步骤之后的步骤中的像素的主要部分的截面图；
图9是示出在CMOS图像传感器的制造工艺中在图8的步骤之后的步骤中的像素的主要部分的截面图；
图10是示出在CMOS图像传感器的制造工艺中在图9的步骤之后的步骤中的像素的主要部分的截面图；
图11A、图11B和图11C是构成根据第一实施例的CMOS图像传感器的像素片段中的像素的主要部分的示例的平面图，其中图11A示出第一示例，图11B示出第二示例，图11C示出第三示例；
图12是示出在CMOS图像传感器的制造工艺中在图10的步骤之后的步骤中的像素的主要部分的截面图；
图13是示出在CMOS图像传感器的制造工艺中在图12的步骤之后的步骤中的像素的主要部分的截面图；
图14是示出在CMOS图像传感器的制造工艺中在图13的步骤之后的步骤中的像素的主要部分的截面图；
图15是构成第二实施例的CMOS图像传感器的像素片段中的像素的主要部分的截面图；
图16是示出在根据第二实施例的CMOS图像传感器的制造工艺步骤中的像素片段中的像素的主要部分的截面图；
图17是示出在CMOS图像传感器的制造工艺中在图16的步骤之后的步骤中的像素的主要部分的截面图；
图18是示出在CMOS图像传感器的制造工艺中在图17的步骤之后的步骤中的像素的主要部分的截面图；
图19是示出在CMOS图像传感器的制造工艺中在图18的步骤之后的步骤中的像素的主要部分的截面图；
图20是示出在CMOS图像传感器的制造工艺中在图19的步骤之后的步骤中的像素的主要部分的截面图；
图21是根据第三实施例的CMOS图像传感器的像素片段的主要部分的平面图；和
图22是示出构成根据第三实施例的CMOS图像传感器的像素片段中的像素的主要部分的平面图。
具体实施方式
本发明的优选实施例将在下面以不同的部分进行描述或者根据需要或为了方便而单独进行描述，但是除非另有说明，否则这样描述的实施例彼此不是无关的。一个实施例可以全部或部分地为另一个实施例的修改、详细或补充形式。
此外，在下面描述的优选实施例中，当元件的数字信息(件数、数值、数量、范围等)由特定数目给出时，除非另有说明或者理论上限于该特定数目，否则其不限于该特定数目。其可以比该特定数目更大或更小。
在下面描述的优选实施例中，显然，除非另有说明或理论上认为必不可少，否则构成元件(包括构成步骤)不一定是必需的。
显然，除非明确说明A仅包含、具有或包括元件，否则表述“X包含A”、“X具有A”或“X包括A”不排除除A之外的其它元件。类似地，在下面描述的优选实施例中，当针对元件指示特定形式或位置关系时，除非另有说明或者理论上限于特定形式或位置关系，否则应该解释为包括基本上与所述特定形式或位置关系近似或相似的形式或位置关系。对于数字信息和范围也是如此。
在说明优选实施例的所有附图中，具有相同功能的基本上相同的元件由相同的附图标记表示，并且不重复其描述。在截面图中，每个部分的尺寸可能与实际器件中的尺寸不成比例。为了便于理解，特定部分可能被示出为不按比例那么大。
接下来，将参照附图详细描述优选实施例。
第一实施例
《CMOS图像传感器》
下面参照图1描述根据第一实施例的CMOS图像传感器。图1是用于构成根据第一实施例的CMOS图像传感器的像素片段中的一个像素的等效电路。
如图1所示，构成CMOS图像传感器的像素片段中的每个像素PI包括例如通过光电转换累积信号电荷的光电二极管PD、用作传输信号电荷中的开关的传输晶体管TT、放大器晶体管TA、选择晶体管TS和复位晶体管TR。当光进入像素PI时，其被光电转换，并且取决于光的强度的信号电荷被累积在光电二极管PD中。传输晶体管TT根据施加到传输晶体管TT的栅极的脉冲而导通/截止，并且光电二极管PD中累积的信号电荷的电压分量通过放大器晶体管TA传输到外部。
《CMOS图像传感器的像素片段的结构》
下面参照图2描述根据第一实施例的背表面照射CMOS图像传感器的像素片段的结构。图2是构成根据第一实施例的CMOS图像传感器的像素片段中的像素的主要部分的截面图。
如图1所示，构成CMOS图像传感器的像素片段中的每个像素PI包括光电二极管PD、传输晶体管TT、放大器晶体管TA、选择晶体管TS和复位晶体管TR。在这里的解释中，只关注光电二极管PD和传输晶体管TT。
在由p型单晶硅制成的半导体衬底(第一衬底)SW1的主表面(前表面、第一主表面)SW1a上形成由元件隔离区域IS围绕的有源区域。半导体衬底SW1的厚度例如约为2.5μm至3μm。
在半导体衬底SW1中形成掺杂有n型杂质的n型区域NR，其具有距半导体衬底SW1的主表面SW1a给定的深度，并且半导体衬底SW1和n型区域NR构成光电二极管PD的pn结。从半导体衬底SW1的主面SW1a起的n型区域NR的深度例如约为2μm，其杂质浓度例如约为1012cm-3。也可以在半导体衬底SW1中形成p型阱，使得p型阱和n型区域NR构成光电二极管PD的pn结。
为了防止耗尽层扩散到元件隔离区域IS，在限定光电二极管PD形成区域的元件隔离区域IS周围的半导体衬底SW1的区域中形成掺杂有p型杂质的像素隔离区域PE。像素隔离区域PE的距半导体衬底SW1的主表面SW1a的深度例如约为2.5μm至3μm，其杂质浓度例如约为1012cm-3to 1013cm-3。
为了改善半导体衬底SW1的主表面SW1a中的暗电流，在n型区域NR中形成掺杂有p型杂质的p型区域PR，其距半导体衬底SW1主表面SW1a给定深度。p型区域PR的距半导体衬底SW1的主表面SW1a的深度例如约为5nm，其杂质浓度例如约为1013cm-3。p型区域PR是可省略的。
此外，以在平面图中与n型区域NR重叠的方式，通过隔离绝缘膜SO在半导体衬底SW1的主表面SW1a上方形成反射层RL。由于反射层RL的存在，入射光被反射层RL反射并被光电二极管PD俘获，因此可以减少光损失，从而带来灵敏度的改善。隔离绝缘膜SO例如由氧化硅制成。反射层RL由诸如金属或金属硅化物的导电且光反射良好的材料制成。这种金属的例子是钨。这种金属硅化物的例子是硅化钴或硅化镍。
传输晶体管TT形成在半导体衬底SW1的主表面SW1a上。传输晶体管TT包括：在半导体衬底SW1的主表面SW1a上方形成的栅极绝缘膜GI；形成在栅极绝缘膜GI上方的栅极电极GE；形成在栅极电极GE的两个侧面中的每一个侧面上的侧壁间隔物SS；以及在侧壁间隔物SS的两侧上的半导体衬底SW1中形成的成对n型区域。成对n型区域中的一个n型区域与光电二极管PD的n型区域NR集成，另一个n型区域用作浮置扩散层FD。此外，帽绝缘膜GSO形成在栅极电极GE的与和栅极绝缘膜GI接触的表面相对的表面上。
栅极绝缘膜GI例如由氧化硅制成，其厚度例如约为7nm至8nm。栅极电极GE例如由多晶硅制成，其厚度例如为50nm至150nm。浮置扩散层FD的距半导体衬底SW1的主表面SW1a的深度例如为约0.5μm至1μm，其杂质浓度例如为约1014cm-3至1015cm-3。帽绝缘膜GSO例如由氧化硅制成，其厚度例如约为10nm至20nm。
栅极电极GE具有与栅极绝缘膜GI接触的表面以及与栅极绝缘膜GI接触的表面(与帽绝缘膜GSO接触的表面)相对的表面。在下面的说明中，与栅极绝缘膜GI接触的表面将被称为第一表面，与和栅极绝缘膜GI接触的表面(与帽绝缘膜GSO接触的表面)相对的表面将被称为第二表面。
传输晶体管TT的栅极电极GE用作像素选择开关。当正电势被施加到所选择的栅极电极GE时，累积在光电二极管PD中的电荷被传输到浮置扩散层FD。
反射层RL不仅位于n型区域NR上方而且还位于栅极电极GE的第二表面的一部分上方，因此在平面图中反射层RL从n型区域NR延伸至栅极电极GE的第二表面。具体地，在平面图中，反射层RL包括与n型区域NR重叠的部分、与侧壁间隔物SS中的一个侧壁间隔物重叠的部分以及与栅极电极GE的第二表面的一部分重叠的部分。隔离绝缘膜SO位于反射层RL和n型区域NR之间，并且帽绝缘膜GSO位于反射层RL和栅极电极GE之间。
在第一实施例中，反射层RL通过帽绝缘膜GSO形成在传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面上方。然而，替代地，可以在没有帽绝缘膜GSO的情况下形成反射层RL。换句话说，帽绝缘膜GSO可以形成在传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面与反射层RL之间或可以不形成在传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面与反射层RL之间。然而，如果栅极电极GE的多晶硅直接接触反射层RL的金属，例如钨，则多晶硅和钨之间的反应可能产生硅和钨的化合物。如果在栅极电极GE的第二表面上产生硅和钨的化合物，则栅极电极GE的电阻将波动并且在读取时为每个像素施加到栅极电极GE的电势将改变，导致图像质量下降。为此，希望在传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面与反射层RL之间提供帽绝缘膜GSO。
由金属制成并且电耦合到传输晶体管TT的栅极电极GE或浮置扩散层FD的第一层信号布线ML1、第二层信号布线ML2和第三层信号布线ML3形成在半导体衬底SW1的主表面SW1a侧上。第一层信号布线ML1、第二层信号布线ML2和第三层信号布线ML3是有助于每个像素的操作的布线。
下面具体描述第一层信号布线ML1。层间绝缘膜IL以覆盖传输晶体管TT和反射层RL的方式形成在半导体衬底SW1的主表面SW1a上方。第一层信号布线ML1通过穿过层间绝缘膜IL的插塞PL电耦合到传输晶体管TT的栅极电极GE或浮置扩散层FD。插塞PL形成在层间绝缘膜IL中制成的接触孔CN的内部，并且其主要导电材料是与阻挡金属结合的诸如钨的金属。阻挡金属旨在于防止作为插塞PL的主要导电材料的金属的扩散，并且例如是钛或氮化钛。
将接触孔CN制作在栅极电极GE的第二表面上方，以便到达栅极电极GE的第二表面和位于栅极电极GE的第二表面上方的反射层RL。换句话说，接触孔CN以在平面图中跨过栅极电极GE和反射层RL的方式被制作在栅极电极GE的第二表面上方。因此，电耦合到传输晶体管TT的栅极电极GE的插塞PL也被电耦合到位于栅极电极GE的第二表面上方的反射层RL，因此可以将相同的电势施加到传输晶体管TT的栅极电极GE和反射层RL。
为了传输电荷，由于正电势施加到传输晶体管TT的栅极电极GE以使传输晶体管TT导通，所以正电势也施加到反射层RL。随着正电势被施加到反射层RL，正电势在平面方向上被施加到光电二极管PD的宽广区域，因此减少了俘获电荷的失败，带来传输效率的提高。
为了累积电荷，由于负电势被施加到传输晶体管TT的栅极电极GE以便断开传输晶体管TT，所以负电势也被施加到反射层RL。由于负电势被施加到反射层RL，在半导体衬底SW1的主表面SW1a侧上的光电二极管PD中空穴感应被加速，这使得可以抑制由于由晶体缺陷等产生的电子/空穴造成的微小泄漏电流，从而减少暗电流。
另外，由于不需要提供用于向反射层RL施加电势的专用控制电路，所以抑制了对于增加其中安装CMOS图像传感器的半导体芯片的面积的需要。
此外，形成保护绝缘膜TC，该保护绝缘膜TC覆盖作为最上层布线的第三层信号布线ML3。在第一实施例中，作为示例给出了包括三层布线的多层布线结构，但是布线结构不限于此；相反，可以采用包括两层布线或者四层或更多层布线的多层布线结构。
支撑衬底(第二衬底)SW2粘附到覆盖作为最上层布线的第三层信号布线ML3的保护绝缘膜TC的表面(接合表面)，使得整个CMOS图像传感器由支撑衬底SW2支撑。支撑衬底SW2的厚度例如为735μm左右。
在半导体衬底SW1的与主表面SW1a相对的背表面(第二主表面)SW1b上形成防反射膜RBF，并且在防反射膜RBF上方放置滤色器CF和微透镜LE。防反射膜RBF例如是包含高介电常数膜和氧化膜的层叠膜。此外，在抗反射膜RBF的未放置滤色器CF和微透镜LE的区域上方形成遮光膜SF。遮光膜SF例如由诸如钨的金属制成。
《用于制造CMOS图像传感器的方法》
接下来，将参照图3至图14逐步描述根据第一实施例的用于制造背表面照射CMOS图像传感器的方法。图3至图10和图12至图14是示出在制造根据第一实施例的CMOS图像传感器的工艺期间像素片段中的像素的主要部分的截面图。图11A、图11B和图11C分别是示出CMOS图像传感器的像素片段中的像素的主要部分的第一示例、第二示例和第三示例的平面图。
如图1所示，CMOS图像传感器的像素片段中的每个像素PI包括光电二极管PD、传输晶体管TT、放大器晶体管TA、选择晶体管TS和复位晶体管TR。在这里的说明中，只关注光电二极管PD和传输晶体管TT。
CMOS图像传感器的像素片段(一个像素)可以例如如下制造。
首先，如图3所示，提供例如p型单晶硅的半导体衬底(圆形薄板形状的半导体晶片)SW1。半导体衬底SW1的厚度为例如大约735μm。然后，在半导体衬底SW1的主表面SW1a的元件隔离区域中制作沟槽，然后，通过将绝缘膜掩埋在沟槽中形成元件隔离区域IS。
接下来，如图4所示，为了防止耗尽层散布到元件隔离区域IS，通过从半导体衬底SW1的主表面SW1a侧注入p型杂质离子，在限定光电二极管PD形成区域的元件隔离区域IS周围的半导体衬底SW1的区域中形成像素隔离区域PE。例如，作为p型杂质的硼离子被注入到像素隔离区域PE中。像素隔离区域PE距半导体衬底SW1的主表面SW1a的深度例如约为2.5μm至3μm，像素隔离区域PE的杂质浓度例如约为1012cm-3至1013cm-3。
接着，通过从半导体衬底SW1的主表面SW1a侧注入n型杂质离子，在光电二极管PD形成区域中的半导体衬底SW1中形成n型区域NR。例如，作为n型杂质的磷或砷离子被注入到n型区域NR中。n型区域NR的距半导体衬底SW1的主表面SW1a的深度例如约为2μm，n型区域NR的杂质浓度例如约为1012cm-3。
接下来，如图5所示，通过RTA(快速热退火)方法在半导体衬底SW1的主表面SW1a上形成诸如氧化硅膜的绝缘膜。然后，例如通过CVD(化学气相沉积)方法，在绝缘膜上方依次沉积诸如多晶硅膜的导体膜和诸如氧化硅膜的绝缘膜。下绝缘膜的厚度例如为约7nm至8nm，导体膜的厚度例如约为150nm，上绝缘膜的厚度例如约为10nm到20nm。
接下来，通过使用抗蚀剂图案作为掩模进行刻蚀，依次处理上绝缘膜、导体膜和下绝缘膜，以从上绝缘膜形成帽绝缘膜GSO，从导体膜形成传输晶体管TT的栅极电极GE，并且从下绝缘膜形成传输晶体管TT的栅极绝缘膜GI。然后，去除抗蚀剂图案。
由于传输晶体管TT的栅极电极GE旨在传输在n型区域NR中累积的电子，所以传输晶体管TT的栅极电极被形成为使得在平面图中n型区域NR位于栅极电极GE的一个侧面侧。
可选地，栅极电极GE可以被形成为其中从下面依次沉积多晶硅膜和硅化物膜的层叠膜或者其中从下面依次沉积多晶硅膜和金属膜的层叠膜。
接下来，如图6所示，为了改善半导体衬底SW1的主表面SW1a中的暗电流，通过从半导体衬底SW1的主表面SW1a侧注入p型杂质离子，在光电二极管PD形成区域中的n型区域NR的表面上形成p型区域PR。例如，将作为p型杂质的硼离子或氟化硼离子注入到p型区域PR中。p型区域PR的距半导体衬底SW1的主表面SW1a的深度例如约为5nm并且p型区域PR的杂质浓度例如约为1013cm-3。
接着，如图7所示，在半导体衬底SW1的主表面SW1a上方形成绝缘膜SOa。绝缘膜SOa例如由氧化硅制成，其厚度约为50nm至20nm。
接下来，在光电二极管PD形成区域中形成抗蚀剂图案，然后例如通过RIE(反应性离子刻蚀)方法对绝缘膜SOa进行各向异性刻蚀。通过这样做，从传输晶体管TT的栅极电极GE的两个侧面中的每个侧面上的绝缘膜SOa形成侧壁间隔物SS，并且从光电二极管PD形成区域中的半导体衬底SW1的主表面SW1a上方的绝缘膜SOa形成隔离绝缘膜SO。然后，去除抗蚀剂图案。
接下来，如图8所示，通过从半导体衬底SW1的主表面SW1a侧注入n型杂质离子，在传输晶体管TT的栅极电极GE的另一侧面侧(跨沟道区域与n型区域NR相对)的半导体衬底SW1中形成浮置扩散层FD。浮置扩散层FD用作用于将光电二极管PD中累积的电子转换为电压的电容元件。例如，作为n型杂质的磷离子或砷离子被注入到浮置扩散区域FD中。浮置扩散区域FD的距半导体衬底SW1的主表面SW1a的深度例如约为0.5μm至1μm，浮置扩散层FD的杂质浓度例如约为1014cm-3至1015cm-3。
在平面图中，浮置扩散层FD形成为位于传输晶体管TT的栅极电极GE的另一侧面侧。因此，构成光电二极管PD的n型区域NR形成在半导体衬底SW1的一侧上，并且浮置扩散层FD形成在半导体衬底SW1的另一侧上，其中传输晶体管TT的栅极电极GE夹在它们之间。
接下来，如图9所示，例如通过溅射方法，在半导体衬底SW1的主表面SW1a上方沉积诸如钨膜的金属膜。然后，通过使用抗蚀剂图案作为掩模对金属膜进行刻蚀，在隔离绝缘膜SO上方以及在传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面上方形成金属的反射层RL，使得在平面图中金属膜保留在从隔离绝缘膜SO到栅极电极GE的第二表面的区域中。此时，反射层RL以在平面图中覆盖栅极电极GE的第二表面的一部分的方式形成。然后，去除抗蚀剂图案。
反射层RL不限于金属膜，相反，它可以被形成为金属硅化物膜，例如硅化钴膜或硅化镍膜。
虽然反射层RL通过帽绝缘膜GSO形成在传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面上方，但是反射层RL可以在没有帽绝缘膜GSO的情况下形成。换句话说，帽绝缘膜GSO可以形成在传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面和反射层RL之间或可以不形成在传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面和反射层RL之间。然而，如果栅极电极GE的多晶硅直接接触反射层RL的钨，则存在以下可能性：硅和钨之间的反应可能产生硅和钨的化合物。如果在栅极电极GE的第二表面上产生硅和钨的化合物，则栅极电极GE的电阻会波动，并且在读取时针对每个像素施加到栅极电极GE的电势将改变，导致图像质量下降。为此，希望在传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面与反射层RL之间提供帽绝缘膜GSO。
接下来，如图10所示，例如，由氧化硅制成的层间绝缘膜IL沉积在半导体衬底SW1的主表面SW1a上方，然后例如通过CMP(化学机械抛光)方法来抛光层间绝缘膜IL的表面以将其平坦化。
接着，使用抗蚀剂图案作为掩模进行刻蚀以在层间绝缘膜IL中制作接触孔CN。接触孔CN被制作为到达浮置扩散层FD或栅极电极GE。然后，去除抗蚀剂图案。
接触孔CN被制作在传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面上方，以便到达栅极电极GE的第二表面和位于栅极电极GE的第二表面上方的反射层RL。换句话说，在平面图中，在栅极电极GE的第二表面上方制作的接触孔CN跨越栅极电极GE和反射层RL。
在传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面上方制成的接触孔CN只需要到达栅极电极GE和反射层RL两者，并且这种接触孔可以以平面图中的各种图案制成。例如，可以如图11A所示制作接触孔CN，其中栅极宽度方向上的尺寸小于栅极长度方向上的尺寸。备选地，可以如图11B所示制作多个接触孔CN，其中栅极宽度方向上的尺寸小于栅极长度方向上的尺寸。备选地，可以如图11C所示制作一个长的接触孔CN，其中栅极宽度方向上的尺寸大于栅极长度方向上的尺寸。
接下来，在接触孔CN内部形成插塞PL，插塞PL使用与阻挡金属结合的诸如钨的金属作为其主要导电材料。阻挡金属旨在防止作为插塞PL的主要导电材料的金属的扩散，并且例如是钛或氮化钛。
由于在传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面上方制作的接触孔CN也到达反射层RL，所以插塞PL以跨越栅极电极GE和反射层RL的方式形成。
接下来，如图12所示，例如通过单镶嵌方法形成要电耦合到插塞PL的第一层信号布线ML1。第一层信号布线ML1例如由铜制成。
第一层信号布线ML1通过插塞PL电耦合到浮置扩散层FD，并且另一第一层信号布线ML1通过跨越栅极电极GE和反射层RL的插塞PL电耦合到传输晶体管TT的栅极电极GE和反射层RL两者。
此外，例如通过双镶嵌方法形成要电耦合到第一层信号布线ML1的第二层信号布线ML2。第二层信号布线ML2例如由铜制成。此外，例如通过双镶嵌方法形成要电耦合到第二层信号布线ML2的第三层信号布线ML3。第三层信号布线ML3例如由铜制成。
尽管在本实施例中通过镶嵌方法形成不同层的信号布线ML1、ML2和ML3，但是形成信号布线的方法不限于镶嵌方法。例如，可以通过使用光刻技术或刻蚀技术处理诸如铝合金膜的金属膜来形成信号布线。
接下来，以覆盖第三层信号布线ML3的方式在半导体衬底SW1的主表面SW1a上方沉积保护绝缘膜TC，然后例如通过CMP方法抛光保护绝缘膜TC使该膜的表面平坦化。
接下来，为了防止在半导体衬底SW1的背表面SW1b的研磨期间(后续步骤)期间半导体衬底SW1的外围的碎裂，修整半导体衬底SW1的外围。而该修整工作可以在附接步骤(后续步骤)之后进行，但为了避免可能由修整装置的刀片引起的金属污染，期望在附接步骤之前执行修整工作。
接下来，如图13所示，提供例如由单晶硅制成的支撑衬底SW2(圆形薄板形状的半导体晶片)。支撑衬底SW2的厚度为例如约735μm。接着，将支撑衬底SW2的前表面SW2a在氮气气氛下进行等离子体激活，然后用水清洗。类似地，形成在半导体衬底SW1的主表面SW1a上方的保护绝缘膜TC的表面在氮气气氛中等离子体激活，然后用水清洗。
接下来，以等离子体激活的保护绝缘膜TC的前表面和等离子体激活的支撑衬底SW2的前表面SW2a彼此面对的方式将半导体衬底SW1和支撑衬底SW2一个放在另一个上。因此，保护绝缘膜TC的前表面和支撑衬底SW2的前表面SW2a自然接合。
接下来，保护绝缘膜TC的前表面和支撑衬底SW2的前表面SW2a通过例如在环境大气中在200℃至300℃左右的热处理而永久地接合。作为该热处理的结果，终止在保护绝缘膜TC的前表面和支撑衬底SW2的前表面SW2a上的氧(O)分子和氢(H)分子结合成H2O并且被解吸以产生硅-硅键。
接着，通过研磨半导体衬底SW1的背表面SW1b来减小其厚度。首先，通过将具有第一粗糙度的研磨材料(例如，金刚石砂轮)压在半导体衬底SW1的背表面SW1b并进行粗糙研磨，将半导体衬底SW1的厚度减少例如至50μm或更少。然后，为了消除在粗糙研磨过程中出现的半导体衬底SW1的背表面SW1b的翘曲，通过将具有比第一粗糙度更高精细度的第二粗糙度的研磨材料压在半导体衬底SW1的背面SW1b而完成最后的研磨。然后，通过CMP方法抛光半导体衬底SW1的背表面SW1b。
接着，通过湿法刻蚀方法刻蚀半导体衬底SW1的背表面SW1b，以使半导体衬底SW1的厚度例如为约2.5μm至3μm。
接下来，如图14所示，在半导体衬底SW1的背表面SW1b上依次沉积抗反射膜RBF和遮光膜SF，并去除像素片段中遮光膜SF的不需要部分。抗反射膜RBF例如是包括例如高介电常数膜和氧化物膜的层叠膜，并且遮光膜SF由诸如钨的金属制成。
接下来，在像素片段中不存在遮光膜SF的抗反射膜RBF部分上方制作滤色器CF，并且在滤色器CF上方制作微透镜LE。
通过上述步骤，CMOS图像传感器的像素片段基本完成。
之后，将附接有支撑衬底SW2的半导体衬底SW1沿着切割区域垂直和水平地切割成单独的半导体芯片。
如至此所述，根据第一实施例，在平面图中，反射层RL以从光电二极管PD的n型区域NR延伸到传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面的一部分的方式形成，并且在栅极电极GE的第二表面上方形成跨越栅极电极GE和反射层RL的插塞PL，使得可以将相同的电势施加到栅极电极GE和反射层RL。
因此，如上所述，对于电荷的传输，当正电势被施加到传输晶体管TT的栅极电极GE时，正电势也被施加到反射层RL，因此减少了俘获电荷的失败，带来传输效率的提高。而且，对于电荷的累积，当负电势被施加到传输晶体管TT的栅极电极GE时，负电势也被施加到反射层RL，因此可以减小暗电流。此外，不需要提供用于向反射层RL施加电势的特殊控制电路，因此抑制了对于增加其中安装CMOS图像传感器的半导体芯片的面积的需要。
第二实施例
《CMOS图像传感器的像素片段的结构》
将参照图15描述根据第二实施例的背表面照射CMOS图像传感器的像素片段的结构。图15是构成根据第二实施例的CMOS图像传感器的像素片段中的像素的主要部分的截面图。
如图15所示，根据第二实施例的CMOS图像传感器的像素片段与根据第一实施例的CMOS图像传感器的像素片段的不同之处在于，在光电二极管PD形成区域中形成在n型区域NR和反射层RL之间的隔离绝缘膜SO的厚度。而在第一实施例中，光电二极管PD形成区域中的隔离绝缘膜SO的厚度几乎恒定，在第二实施例中，光电二极管PD形成区域中的隔离绝缘膜SO的厚度朝向传输晶体管TT的栅极电极GE逐渐减小。
对于电荷的传输，在将正电势施加到传输晶体管TT的栅极电极GE以使传输晶体管TT导通时，正电势也施加到反射层RL。当正电势被施加到反射层RL时，正电势在平面方向上被施加到光电二极管PD的宽广区域。由于隔离绝缘膜SO的厚度朝向传输晶体管TT的栅极电极GE逐渐减小，所以施加到n型区域NR的电势逐渐增加，由此产生电势梯度。因此，与根据第一实施例的CMOS图像传感器相比，根据第二实施例的CMOS图像传感器更少可能俘获电荷失败并且提供更高的传输效率。
《用于制造CMOS图像传感器的方法》
接下来，将参照图16至图20来描述根据第二实施例的用于制造背表面照射CMOS图像传感器的方法。图16至图20是示出在制造根据第二实施例的CMOS图像传感器的工艺期间像素片段中的像素的主要部分的截面图。
根据第二实施例的CMOS图像传感器的像素片段与根据第一实施例的CMOS图像传感器的像素片段的不同之处在于，在光电二极管PD形成区域中形成在n型区域NR和反射层RL之间的隔离绝缘膜SO的结构。其他元件与根据第一实施例的CMOS图像传感器的像素片段的结构相同或基本相同，并且在此省略对它们的描述。
首先，如用于第一实施例的图3至图6所示，形成光电二极管PD的pn结和传输晶体管TT的栅极电极GE。
接着，如图16所示，在半导体衬底SW1的主表面SW1a上方沉积绝缘膜SOa。绝缘膜SOa例如由氧化硅制成，其厚度例如约为200nm。
接下来，在光电二极管PD形成区域中制作抗蚀剂图案，然后例如通过RIE方法对绝缘膜SOa进行各向异性刻蚀。通过这样做，从传输晶体管TT的栅极电极GE的两个侧面中的每个侧面上的绝缘膜SOa形成侧壁间隔物SS，并且从光电二极管PD形成区域中的半导体衬底SW1的主表面SW1a上方的绝缘膜SOa形成隔离绝缘膜SO。然后，去除抗蚀剂图案。
接着，如图17所示，在半导体衬底SW1的主表面SW1a上方涂覆抗蚀剂膜RF，然后使抗蚀剂膜RF曝光并显影。在曝光中，使用例如灰度掩模GM来控制从光源LT辐射的光的透射，在所述灰度掩模中在掩模板(石英板)MB的表面上制作铬的图案CR。具体而言，在光电二极管PD形成区域中，透过灰度掩模GM的光的量在传输晶体管TT的栅极电极GE附近的区域中增加，并且透过灰度掩模GM的光的量随着距栅极电极GE的距离增加而逐渐减少。
因此，如图18所示，在光电二极管PD形成区域中制作其厚度朝向传送晶体管TT的栅极电极GE逐渐减小的三维抗蚀剂图案RP。
接下来，如图19所示，通过使用抗蚀剂图案RP作为掩模的湿法刻蚀或各向异性刻蚀来处理隔离绝缘膜SO，使得在光电二极管PD形成区域中隔离绝缘膜SO的厚度朝向传输晶体管TT的栅极电极GE逐渐减小。然后，去除抗蚀剂图案RP。
接下来，如图20所示，通过从半导体衬底SW1的主表面SW1a侧注入n型杂质离子，在传输晶体管TT的栅极电极GE的另一个侧面侧(跨沟道区域与n型区域NR相对)上的半导体衬底SW1中形成浮置扩散层FD。
因此，构成光电二极管PD的n型区域NR形成在半导体衬底SW1的一侧上，并且浮置扩散层FD形成在半导体衬底SW1的另一侧上，其中传输晶体管TT的栅极电极GE在它们之间。
接下来，在隔离绝缘膜SO上方并且在传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面上方，以在平面图中从隔离绝缘膜SO延伸到栅极电极GE的第二表面的方式形成反射层RL。此时，反射层RL以在平面图中覆盖栅极电极GE的第二表面的一部分的方式形成。反射层RL例如由诸如钨的金属或者诸如硅化钴或硅化镍的金属硅化物制成。
随后的步骤与第一实施例中的相同，并且在此省略其描述。
根据第二实施例，当向反射层RL施加正电势时，正电势在平面方向上被施加到光电二极管PD的宽广区域，但是由于隔离绝缘膜SO的厚度朝向传输晶体管TT的栅极电极GE逐渐减少，施加到n型区域NR的电势逐渐增加，由此产生电势梯度。因此，与根据第一实施例的CMOS图像传感器相比，根据第二实施例的CMOS图像传感器更少可能俘获电荷失败并且提供更高的传输效率。
第三实施例
《CMOS晶体管的像素片段的结构》
参照图21和图22描述根据第三实施例的背面照射CMOS图像传感器的像素片段的结构。图21是根据第三实施例的CMOS图像传感器的像素片段的主要部分的平面图。图22是构成根据第三实施例的CMOS图像传感器的像素片段中的像素的主要部分的平面图。
如图21所示，在根据第三实施例的CMOS图像传感器的像素片段中，多个像素按行和列布置。图21示出了在CMOS图像传感器的像素片段中布置成三行四列的十二个像素。
通过接通或者断开用作像素选择开关的传输晶体管TT，基于作为第一层信号布线的每个行信号线(选择像素线)SL，在光电二极管PD中累积的信号电荷被传输到作为第二或更高层信号布线的列信号线(未示出)。
而且，如图21和图22所示，在构成根据第三实施例的CMOS图像传感器的像素片段的像素中，反射层RL被分成两部分。具体而言，反射层RL被分成第一部分RL1和第二部分RL2，其中第一部分RL1具有位于光电二极管PD的中心的部分和位于传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面上方的部分，并且第二部分RL2位于光电二极管PD的外围上。
此外，反射层RL的第一部分RL1通过接触孔CN1电耦合到传输晶体管TT的栅极电极GE的第二表面上方的行信号线SL，所述接触孔CN1到达栅极电极GE的第二表面和反射层RL的第一部分RL1两者。反射层RL的第二部分RL2通过接触孔CN2电耦合到与反射层RL的第一部分RL1电耦合的行信号线SL相邻的行信号线SL，所述接触孔CN2到达反射层RL的第二部分RL2。在图中，CN3表示到达浮置扩散层FD的接触孔。
例如，在位于第二行和第二列的像素PI22中，反射层RL的第一部分RL1电耦合到第二行中的行信号线SL，并且反射层RL的第二部分RL2电耦合到第三行中的行信号线SL。
因此，当正电势被施加到所选择的行信号线SL时，负电势被施加到所选择的行信号线SL相邻的未选择的行信号线SL，因此不同的电势被施加到反射层RL的第一部分RL1和反射层RL的第二部分RL2。
具体地，在传输电荷(读取像素)时，正电势被施加到与所选择的信号布线SL耦合的、传输晶体管TT的栅极电极GE和反射层RL的第一部分RL1。另一方面，负电势被施加到与所选择的信号布线SL相邻的未选择的信号布线SL耦合的、反射层RL的第二部分RL2。这使得可以在一个光电二极管PD中产生尖锐的电势差，因此根据第三实施例的CMOS图像传感器提供比根据第一实施例的CMOS图像传感器更高的传输效率。
根据第三实施例的用于制造背表面照射CMOS图像传感器的方法与根据第一实施例的用于制造背表面照射CMOS图像传感器的方法的不同之处主要在于用于形成反射层RL的抗蚀剂图案的形状，其他制造步骤基本上与根据第一实施例的用于制造背面照射CMOS图像传感器的方法相同。
因此，根据第三实施例，反射层RL被分成两部分，即在中心的第一部分RL1和在外围区域中的第二部分RL2，并且它们分别耦合到彼此相邻的不同行信号线SL，以使得不同的电势被施加到反射层RL的第一部分RL1和第二部分RL2。这使得可以在一个光电二极管PD中产生尖锐的电势差，并且与根据第一实施例的CMOS图像传感器相比，根据第三实施例的CMOS图像传感器更少可能俘获电荷失败并且提供更高的传输效率。
迄今为止，本发明人完成的发明已经参考其优选实施例具体地解释。然而，本发明不限于此，显而易见的是，这些细节可以在不脱离其要旨的情况下以各种方式修改。

Claims (15)

1.一种半导体器件，包括：
第一导电类型的第一衬底，具有主表面和与所述主表面相对的背表面；
传输晶体管，形成在所述第一衬底的主表面侧上；
光电二极管，在所述第一衬底的主表面侧上与所述传输晶体管相邻地形成；
层间绝缘膜，以覆盖所述传输晶体管和所述光电二极管的方式形成；
多层布线，形成在所述层间绝缘膜上方；
保护绝缘膜，以覆盖所述多层布线中的最上层布线的方式形成；
第二衬底，接合到所述保护绝缘膜；和
透镜，制作在所述第一衬底的背表面侧上，
所述传输晶体管包括：
栅极绝缘膜，形成在所述第一衬底的主表面上；
栅极电极，形成在所述栅极绝缘膜上方，具有与所述栅极绝缘膜接触的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
侧壁间隔物，形成在所述栅极电极的两个侧面中的每一个侧面上；
与所述第一导电类型不同的第二导电类型的第一半导体区域，设置在所述栅极电极的一个侧面侧上的所述第一衬底中；和
所述第二导电类型的第二半导体区域，设置在所述栅极电极的另一侧面侧上的所述第一衬底中，
所述光电二极管包括：
所述第二导电类型的第三半导体区域，具有距所述第一衬底的主表面的第一深度并且与所述第一衬底中的所述第一半导体区域集成；
反射层，以在平面图中从所述第三半导体区域延伸到所述栅极电极的第二表面的部分的方式形成在所述第三半导体区域上方和所述栅极电极的第二表面上方；和
隔离绝缘膜，形成在所述第三半导体区域和所述反射层之间，
其中第一层布线通过在所述栅极电极的第二表面上方的所述层间绝缘膜中制作的接触孔而电耦合到所述栅极电极和所述反射层两者，并且相同的电势被施加到所述栅极电极和所述反射层。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述隔离绝缘膜的厚度不小于50nm且不大于200nm。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述隔离绝缘膜的厚度朝向所述栅极电极减小。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，
其中在平面图中，所述反射层被分成两部分或被分成第一部分和第二部分，
其中在平面图中，所述第一部分从所述第三半导体区域的中心延伸到所述栅极电极的第二表面的部分，
其中在平面图中，所述第二部分在所述第三半导体区域的外围上与所述第一部分间隔开，以及
其中不同的电势被施加到所述第一部分和所述第二部分，并且相同的电势被施加到所述栅极电极和所述第一部分。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述反射层由钨、硅化钴或硅化镍制成。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，其中在所述反射层与所述栅极电极的第二表面之间形成厚度不小于10nm且不大于20nm的帽绝缘膜。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，
其中在所述第三半导体区域中形成所述第一导电类型的第四半导体区域，所述第四半导体区域具有距所述第一衬底的主表面的第二深度，所述第二深度小于所述第一深度，以及
其中所述第四半导体区域的杂质浓度高于所述第三半导体区域的杂质浓度。
8.一种半导体器件制造方法，包括以下步骤：
(a)在第一衬底中形成第一半导体区域，所述第一半导体区域具有距第一导电类型的第一衬底的主表面的第一深度，所述第一半导体区域具有与所述第一导电类型不同的第二导电类型；
(b)在所述第一衬底的主表面上方依次形成第一绝缘膜、导体膜和第二绝缘膜，然后处理所述第一绝缘膜、所述导体膜和所述第二绝缘膜以从所述第一衬底的主表面上方的所述第一绝缘膜形成栅极绝缘膜、从所述导体膜形成栅极电极并且从所述栅极电极的第二表面上方的第二绝缘膜形成帽绝缘膜，使得所述栅极电极具有与所述栅极绝缘膜接触的第一表面和与所述第一表面相对的所述第二表面，并且所述第一半导体区域位于所述栅极电极的一个侧面侧上；
(c)在所述第一衬底的主表面侧上沉积第三绝缘膜，然后处理所述第三绝缘膜以在所述栅极电极的两个侧面中的每一个侧面上形成侧壁间隔物，并且在所述第一半导体区域上方形成隔离绝缘膜；
(d)在跨所述栅极电极在所述第一半导体区域的相对侧上的所述第一衬底中，形成所述第二导电类型的第二半导体区域，所述第二半导体区域具有距所述第一衬底的主表面的第二深度，所述第二深度小于所述第一深度；
(e)在所述第一衬底的主表面侧上沉积金属膜或金属硅化物膜，然后处理所述金属膜或所述金属硅化物膜，以便以在平面图中从所述隔离绝缘膜延伸到所述栅极电极的第二表面的部分的方式，在所述隔离绝缘膜上方和在所述栅极电极的第二表面上方形成反射层；
(f)在所述第一衬底的主表面侧上沉积第四绝缘膜，然后处理所述第四绝缘膜以在所述栅极电极的第二表面上方制作接触孔，使得到达所述栅极电极的第二表面和所述反射层两者；和
(g)形成第一层布线以通过所述接触孔电耦合到所述栅极电极和所述反射层。
9.根据权利要求8所述的半导体器件制造方法，所述步骤(c)包括以下步骤：
(c1)在所述第三绝缘膜上方形成抗蚀剂膜；
(c2)使用光掩模对所述抗蚀剂膜进行曝光和显影以制作抗蚀剂图案；和
(c3)使用所述抗蚀剂图案作为掩模来处理所述第三绝缘膜，
其中在步骤(c2)中，通过控制透过所述光掩模的光量，在所述隔离绝缘膜上方形成厚度朝向所述栅极电极逐渐减小的所述抗蚀剂图案，以及
其中在步骤(c3)中，通过使用所述抗蚀剂图案作为掩模来进行刻蚀以形成厚度朝向所述栅极电极逐渐减小的所述隔离绝缘膜。
10.根据权利要求8所述的半导体器件制造方法，其中
在步骤(e)中，
在平面图中，所述反射层被分成两部分或被分成第一部分和第二部分，
在平面图中，所述第一部分从所述第一半导体区域的中心延伸到所述栅极电极的第二表面的部分，以及
在平面图中，所述第二部分在所述第一半导体区域的外围上与所述第一部分间隔开。
11.根据权利要求8所述的半导体器件制造方法，其中所述隔离绝缘膜的厚度不小于50nm且不大于200nm。
12.根据权利要求8所述的半导体器件制造方法，其中所述反射层由钨、硅化钴或硅化镍制成。
13.根据权利要求8所述的半导体器件制造方法，其中所述帽绝缘膜的厚度不小于10nm且不大于20nm。
14.根据权利要求8所述的半导体器件制造方法，在所述步骤(b)和所述步骤(c)之间还包括以下步骤：
(h)在所述第一半导体区域中，形成所述第一导电类型的第三半导体区域，所述第三半导体区域具有距所述第一衬底的主表面的第三深度，所述第三深度小于所述第一深度，
其中所述第三半导体区域的杂质浓度高于所述第一半导体区域的杂质浓度。
15.根据权利要求8所述的半导体器件制造方法，在所述步骤(g)之后还包括以下步骤：
(i)形成比所述第一层布线更高层的布线；
(j)形成保护绝缘膜以覆盖最上层布线；
(k)将所述保护绝缘膜的表面附接到第二衬底，然后研磨所述第一衬底的与所述第一衬底的主表面相对的背表面，以减小所述第一衬底的厚度；
(l)在所述第一衬底的背表面上形成抗反射膜；和
(m)在所述抗反射膜上方制作滤色器并在所述滤色器上方制作透镜。
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