TWI406401B - 半導體裝置及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種半導體裝置及其製造方法。
包括有諸如CCD影像感測器或CMOS影像感測器的固態攝像裝置的半導體裝置正日益要求小型化。按照上述要求，可將光接收區及周邊電路區形成在一個晶片中，其中此光接收區包括微透鏡和光接收元件(光電二極體)，而此周邊電路區則包括用於執行光電轉換訊號電子的讀出等操作的多個層。
藉由相同的膜結構形成光接收區的居間層絕緣膜以及周邊電路區的情況可導致以下問題：微透鏡以及光接收元件之間的距離被拉長，並且不必要的一個或多個層存在於光接收元件上，使得光量(quantity of light)衰減，並因此使得在光接收元件處的敏感度降低。
為解决此問題，提供一種影像感測器，在此影像感測器中去除在光接收元件上的有源(active)像素區域的多個居間層絕緣膜，使得透鏡以及光轉換元件之間的距離小於從形成在周邊電路區上的居間層絕緣膜的最上部到基板的距離。
然而，此影像感測器存在如下問題：僅於透鏡下方提供具有較高的水滲透度的平坦化膜，但卻沒有形成鈍化膜。鑒於此原因，會存在如下問題：對外部的水或應力的抵抗力較低，使得可靠性降低。
根據本發明的一個樣態，提供了一種半導體裝置，包括：半導體基板，包括光接收元件；氧化矽膜，形成在半導體基板上；多個布線居間層膜(wiring inrerlayer film)，形成在氧化矽膜上，並且每一布線居間層膜均包括布線層，因埋設銅(bury)而形成此布線層；以及氮化矽膜，形成在最上層的布線居間層膜上，在此氮化矽膜中Si-H的濃度小於N-H的濃度。
根據本發明的一個樣態，提供一種製造半導體裝置的方法，包括：在半導體基板的表面部份處形成光接收元件；在半導體基板上形成多個布線居間層膜，其中每一布線居間層膜均包括布線層，因埋設銅而形成此布線層；在最上層的布線居間層膜上形成第一氮化矽膜，在此第一氮化矽膜中Si-H的濃度小於N-H的濃度；在週邊電路部份處形成與布線層接觸的接觸插塞(plug)以及與接觸插塞接觸的布線，其中此布線層包括於最上層的布線居間層膜中；以覆蓋布線的方式形成居間層絕緣膜；在光接收元件的上部移除居間層絕緣膜；以及在光接收元件的上部形成第二氮化矽膜，其中在此第二氮化矽膜中Si-H的濃度小於N-H的濃度。
根據本發明的一個樣態，提供一種製造半導體裝置的方法，包括：在半導體基板的表面部份上形成光接收元件；在半導體基板上形成多個布線居間層膜，其中每一布線居間層膜均包括布線層，因埋設銅而形成此布線層；在最上層的布線居間層膜上形成氮化矽膜，其中於此氮化矽膜中Si-H的濃度小於N-H的濃度；在氮化矽膜上的光接收元件的至少上部區域內形成平坦化膜；在平坦化膜上形成色彩過濾器；以及在色彩過濾器上形成微透鏡。
現將參考附圖來說明本發明的實施例。
根據本發明的實施例的半導體裝置的配置布局顯示於圖1中。在矽基板100的表面部份上，形成有用於執行光電轉換的光電二極體(光接收元件)101。雖然僅顯示了單個光電二極體，但可二維地形成多個光電二極體，例如，在實際中以陣列形式來形成多個光電二極體。
多個居間層絕緣膜102形成在矽基板100上。居間層絕緣膜102例如是氧化矽膜。布線層103形成在居間層絕緣膜102內，並且每一阻障(barrier)金屬104均形成為覆蓋布線層103的側部以及底部。而且，防擴散膜105形成在布線層103上。
布線層103由銅形成，並且阻障金屬104以及防擴散膜105用來防止銅擴散到居間層絕緣膜102中。阻障金屬104例如是鉭以及氮化鉭，並且防擴散膜105是氮化矽膜。
在居間層絕緣膜102a以及最上層的布線層103a上，形成有用作防擴散膜的氮化矽膜106。
在週邊電路部份P處，形成有布線層108及居間層絕緣膜109，其中此布線層108透過接觸插塞107而電性連接到布線層103a，形成居間層絕緣膜109以覆蓋接觸插塞107以及布線層108。布線層108例如由鋁形成。
形成氮化矽膜110以覆蓋居間層絕緣膜109以及光接收區L的防擴散膜106，並且在氮化矽膜110上形成平坦化膜111。平坦化膜111是透明的類樹脂物質。
在光接收區L中，色彩過濾器112以及微透鏡113形成在平坦化膜111上。
微透鏡113用來形成光的影像，其中此光由待成像於光電二極體101的光接收平面上的物體發射。色彩過濾器112用來允許具有特定波長的光穿過本身而傳輸，其中三種色彩(例如R(紅色)、G(綠色)以及B(藍色))形成一組(one set)。
已經穿過微透鏡113以及色彩過濾器112的光透過平坦化膜111、氮化矽膜110、106以及多個居間層絕緣膜102而藉由光電二極體101來接收。使藉由光電二極體101接收的光經受光電轉換。因此，獲得與其相應的電荷(charge)。
圖2是顯示穿過氮化矽膜的光的波長以及衰減因數(attenuation factor)之間關係的曲線圖。其繪示了有關於兩類氮化矽膜的結果，其中在此兩類氮化矽膜中，改變了氮化矽膜中所包括的Si-H鍵(bond)的濃度以及N-H鍵的濃度。
有關於氮化矽膜(其中Si-H的濃度大於N-H的濃度)的結果藉由矩形標記來繪示，而有關於氮化矽膜(其中Si-H的濃度小於N-H的濃度)的結果則以三角標記來繪示。
由圖2可知，本身的Si-H濃度小於N-H濃度的氮化矽膜具有更小的衰減因數。通常，在影像感測器中使用的光波長區在350nm至750nm之間，並且在此波長區中氮化矽膜(於其中Si-H的濃度小於N-H的濃度)的衰減因數能夠實質上很大程度地減少至0。
因此，使得氮化矽膜110、106中所包括的Si-H濃度以及N-H濃度具有以下關係：Si-H的濃度<N-H的濃度，從而可以抑制光的衰減。因此，能夠抑制在光電二極體101處接收到的光量的減少。
而且，由於沒有居間層絕緣膜109形成在光接收區L中，因此能夠縮短微透鏡113以及光電二極體101之間的距離(圖1中的距離h1)。因此，能夠提高在光電二極體101處的敏感度。
而且，由於氮化矽膜110以及106具有極佳的防水特性，並因此能夠用作鈍化膜。
如上所述，根據此實施例的半導體裝置能夠防止在光接收元件處的敏感度降低，並且其包括位於微透鏡之下的鈍化膜，因此改善了可靠性。
在圖3中顯示了指示氮化矽膜的膜厚度與紅色、綠色以及藍色各色彩光的光線傳輸因數之間關係的曲線圖。藍色光藉由使用菱形標記來繪示，綠色光藉由使用矩形標記來繪示並且紅色光藉由三角形標記來繪示。由此曲線圖可知，光的傳輸因數根據氮化矽膜的膜厚度而改變。亦即，調整氮化矽膜的膜厚度，從而可抑制入射光的衰減。
由圖3可知，當氮化矽膜的膜厚度在110nm至140nm範圍內時，紅色、綠色以及藍色各色彩光的光線傳輸因數較高。
因此，使得上述實施例的半導體裝置中的氮化矽膜110、106的整體膜厚度落入110nm至140nm的範圍內，從而可以進一步抑制入射光的衰減(降低了在光接收元件處的敏感度)。
將參考圖4至圖11來介紹製造此等半導體裝置的方法。
如圖4中所示，藉由CVD製程，在矽基板100上形成膜厚度為500nm的氧化矽膜102以及膜厚度為400nm的氧化矽膜102b，其中在此矽基板100上形成有光電二極體101。
而且，藉由微影技術而形成布線槽，進而藉由濺射而在布線槽以及氧化矽膜102b上形成包含鉭以及氧化鉭的阻障金屬104。而且，藉由電鍍而埋設銅，進而藉由CMP(化學機械研磨)而平坦化銅，從而形成布線層103。
如圖5中所示，具有20nm的膜厚度的氮化矽膜105藉由CVD製程而形成在布線層103以及氧化矽膜102b上，此氮化矽膜105可用作銅的防擴散膜。而且，藉由蝕刻移除光傳輸部份的氮化矽膜105，同時保留每一布線層103的上部。
藉由重複氧化矽膜的形成，布線層的形成以及防止擴散膜的形成/移除，可形成具有如圖6中所示的布線層103的多個絕緣膜層102。在這種情況下，最上層的絕緣膜(氧化矽膜)102a上的氮化矽膜106未藉由蝕刻而被移除。
相對於氮化矽膜106，採用了使用SiH4
、NH3
或N2
氣體的CVD膜。採用一種技術，以提高N2
相對於SiH4
或NH3
的比率，從而僅藉由HF(高頻率)功率在溫度維持在大約400℃的大氣中輸送(deliver)功率(power)，以形成膜，從而允許此膜是Si-H鍵的濃度小於N-H鍵的濃度的氮化矽膜。例如，使Si-H鍵的濃度為0.5%至3%，並且使N-H鍵的濃度為大約1%至3.5%。
不必要求形成氮化矽膜105的方法與形成氮化矽膜106的方法(製程條件)相同。
如圖7中所示，形成了在週邊電路部份P處連接到最上層的布線層103a的接觸插塞107以及布線層108。而且，形成居間層絕緣膜109以覆蓋接觸插塞107以及布線層108。
如圖8所示，抗蝕劑(resist)120形成在外圍電路部份P處。
如圖9所示，光接收區L的居間層絕緣膜109藉由以抗蝕劑120作為罩幕之蝕刻而移除。氮化矽膜106用作終止層。在移除居間層絕緣膜109之後，移除抗蝕劑120。
如圖10所示，形成氮化矽膜110。此外，相對於氮化矽膜110，類似於氮化矽膜106，採用使用SiH4
、NH3
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氣體的CVD膜。採用一種技術，以增加N2
與SiH4
或NH3
的比率，從而僅藉由HF(高頻率)功率在溫度維持在大約400℃的大氣中輸送功率，以形成膜，從而允許膜是Si-H鍵的濃度小於N-H鍵的濃度的氮化矽膜。
如上所述，可使氮化矽膜106以及氮化矽膜110的整體膜厚度落入在110nm至140nm範圍內。
如圖11所示，具有250nm膜厚度的平坦化膜111藉由具有例如95%或更大傳輸因數的材質而形成在氮化矽膜110上。而且，色彩過濾器112以及微透鏡113形成在光接收區L的平坦化膜111上。
由於微透鏡113以及光電二極體101之間的距離(即，圖11中的距離h1)縮短，因此能夠抑制在光電二極體101處的敏感度的降低。
而且，由於將具有防水特性且形成在色彩過濾器112之下的氮化矽膜106、110以及微透鏡113用作鈍化膜，因此改善了可靠性。
而且，氮化矽膜106、110是Si-H的濃度小於N-H的濃度的膜，使得光的衰減因數(attention factor)較小。因此，能夠使在抑制光電二極體101處的敏感度的降低。
如上所述，可製造高性能半導體裝置，在此半導體裝置中可防止在光接收元件101處的敏感度的降低，並且在微透鏡113之下可提供鈍化膜(氮化矽膜106、110)。
(比較示例)根據比較示例的半導體裝置的配置的布局顯示於圖12中。在矽基板200上，形成有多個居間層絕緣膜202。布線層203形成在居間層絕緣膜202內，並且形成阻障金屬204以覆蓋布線層203的側部以及底部。而且，在布線層203上形成防擴散膜205。
在最上層的居間層絕緣膜202a以及布線層203a上，形成有用作防擴散膜的氮化矽膜206。
在週邊電路部份P處，形成有透過接觸插塞207而電性連接到布線層203a的布線層208，並且形成居間層絕緣膜209以覆蓋氮化矽膜206以及布線層208。
氮化矽膜210形成在居間層絕緣膜209上，並且平坦化膜211形成在氮化矽膜210上。平坦化膜211是透明的類樹脂物質，並且具有水滲透度。在光接收區L中，色彩過濾器212以及微透鏡213形成在平坦化膜211上。
在氮化矽膜210以及206中，Si-H的濃度通常大於N-H的濃度。
在根據此比較示例的半導體裝置中，居間層絕緣膜209形成在微透鏡213之下，並且微透鏡213以及光接收元件201之間的距離h2較長。鑒於此原因，在光接收元件201處的敏感度較低。
另一方面，由於在根據實施例的半導體裝置中移除了光接收區L的居間層絕緣膜109，因此半導體裝置的高度減小，並且抑制了在光接收元件101處的敏感度的降低。而且，在微透鏡113之下形成有氮化矽膜110以及106，其中此氮化矽膜110以及106的Si-H的濃度小於N-H的濃度並且具有較小的光衰減因數。因此，將這些膜用作鈍化膜，能夠進一步抑制在光接收元件101處的敏感度降低。
當在上述如圖9所示的實施例中將氮化矽膜106用作居間層絕緣膜109的蝕刻中的終止層時，亦可如圖13中所示移除氮化矽膜106。
此後，執行類似於在圖10以及圖11中所示的製程步驟的處理。因此，能夠獲得如圖14中所示的半導體裝置。
而且，雖然在上述實施例中如圖5以及圖6中所示的，在每一圖層上去除防擴散膜105，然而後續可採用一種方法來集體地(collectively)移除防擴散膜105，而不在每一圖層上分別執行此等移除處理製程，以將絕緣膜(氧化矽膜)埋設(bury)在因移除而形成的開口部份中。
而且，可採用一種方法，於此方法中，在形成圖7中所示的居間層絕緣膜109之後，在居間層絕緣膜109上形成氮化矽膜，以在週邊電路部份P處形成抗蝕劑，從而藉由以此抗蝕劑作為罩幕之蝕刻來移除光接收區L的居間層絕緣膜109上的氮化矽膜以及居間層絕緣膜109。藉由調整待形成到居間層絕緣膜109上的氮化矽膜的膜厚度，可控制形成在週邊電路部份P處的鈍化膜的膜厚度。
另外，在根據實施例的半導體裝置中，色彩過濾器112以及微透鏡113不是必須的。此等半導體裝置可應用於未設有此等光學構件的影像感測器中。
100．．．矽基板
101．．．光電二極體
102．．．居間層絕緣膜
102a．．．居間層絕緣膜
102b．．．氧化矽膜
103．．．布線層
103a．．．布線層
104．．．阻障金屬
105．．．防擴散膜
106．．．氮化矽膜
107．．．接觸插塞
108．．．布線層
109．．．居間層絕緣膜
110．．．氮化矽膜
111．．．平坦化膜
112．．．色彩過濾器
113．．．微透鏡
120．．．抗蝕劑
200．．．矽基板
201．．．光接收元件
202．．．居間層絕緣膜
202a．．．居間層絕緣膜
203．．．布線層
203a．．．布線層
205．．．防擴散膜
206．．．氮化矽膜
207．．．接觸插塞
208．．．布線層
209．．．居間層絕緣膜
210．．．氮化矽膜
211．．．平坦化膜
212．．．色彩過濾器
213．．．微透鏡
h1．．．距離
h2．．．距離
L．．．光接收區
P．．．週邊電路部份
圖1是根據本發明的實施例繪示了半導體裝置的配置布局的視圖。
圖2是顯示了氮化矽膜所傳輸的光的波長以及衰減因數間之關係的曲線圖。
圖3是顯示了氮化矽膜的膜厚度以及所傳輸的光的傳輸因數間之關係的曲線圖。
圖4是根據上述實施例用於解釋製造半導體裝置的方法的剖面圖。
圖5是顯示了圖4的後續步驟的剖面圖。
圖6是顯示了圖5的後續步驟的剖面圖。
圖7是顯示了圖6的後續步驟的剖面圖。
圖8是顯示了圖7的後續步驟的剖面圖。
圖9是顯示了圖8的後續步驟的剖面圖。
圖10是顯示了圖9的後續步驟的剖面圖。
圖11是顯示了圖10的後續步驟的剖面圖。
圖12是根據比較示例顯示了半導體裝置的配置布局的視圖。
圖13是根據修改的實施例用於解釋半導體裝置的製造方法的製程步驟的橫截面圖。以及
圖14是根據經修改的實施例顯示了半導體裝置的配置布局的視圖。
100．．．矽基板
101．．．光電二極體
102．．．居間層絕緣膜
102a．．．居間層絕緣膜
103．．．布線層
103a．．．布線層
104．．．阻障金屬
105．．．防擴散膜
106．．．氮化矽膜
107．．．接觸插塞
108．．．布線層
109．．．居間層絕緣膜
110．．．氮化矽膜
111．．．平坦化膜
112．．．色彩過濾器
113．．．微透鏡
h1．．．距離
h2．．．距離
L．．．光接收區
P．．．週邊電路部份
Claims (9)
- 一種製造半導體裝置的方法，包括：在半導體基板的表面部份上形成光接收元件；在所述半導體基板上形成多個布線居間層膜，其中每一所述布線居間層膜均包括布線層，因埋設銅而形成所述布線層；在所述布線居間層膜的最上層上形成第一氮化矽膜，在所述第一氮化矽膜中Si-H的濃度小於N-H的濃度；在週邊電路部份處形成與所述布線層接觸的接觸插塞以及與所述接觸插塞接觸的布線，其中所述布線層包括於所述最上層的所述布線居間層膜中；形成居間層絕緣膜以覆蓋所述布線；在所述光接收元件的上部處移除所述居間層絕緣膜；以及在所述光接收元件的上部處形成第二氮化矽膜，在所述第二氮化矽膜中Si-H的濃度小於N-H的濃度。
- 如申請專利範圍第1項所述之製造半導體裝置的方法，其中所述第一氮化矽膜藉由使用氣體的CVD製程來形成，其中在所述氣體中N2 的比率高於SiN4 以及NH3 的比率。
- 如申請專利範圍第1項所述之製造半導體裝置的方法，其中所述第二氮化矽膜藉由使用氣體的CVD製程而 形成，其中在所述氣體中N2 的比率高於SiH4 以及NH3 的比率。
- 如申請專利範圍第1項所述之製造半導體裝置的方法，其中形成所述第二氮化矽膜，使得所述第二氮化矽膜以及在所述光接收元件的所述上部處移除所述居間層絕緣膜之後剩餘的所述第一氮化矽膜的整體膜厚度落入110nm至140nm範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所述之製造半導體裝置的方法，包括：在所述光接收元件的所述上部處移除所述居間層絕緣膜，此後在形成所述第二氮化矽膜之前移除在所述光接收元件的所述上部處的所述第一氮化矽膜；以及形成所述第二氮化矽膜，使得所述第二氮化矽膜的膜厚度落入110nm至140nm的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所述之製造半導體裝置的方法，包括：形成所述居間層絕緣膜以覆蓋所述布線；在從所述光接收元件的所述上部處移除所述居間層絕緣膜之前，在所述居間層絕緣膜上依序地形成第三氮化矽膜；以及在所述光接收元件的所述上部處移除所述第三氮化矽膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之製造半導體裝置的方 法，包括：在所述光接收元件的所述上部處的所述第二氮化矽膜上形成平坦化膜；在所述平坦化膜上形成色彩過濾器；以及在所述色彩過濾器上形成微透鏡。
- 一種製造半導體裝置的方法，包括：在半導體基板的表面部份上形成光接收元件；在所述半導體基板上形成多個布線居間層膜，其中每一所述布線居間層膜均包括布線層，因埋設銅而形成所述布線層；在所述布線居間層膜的最上層上形成氮化矽膜，於所述氮化矽膜中Si-H的濃度小於N-H的濃度；在所述氮化矽膜上的所述光接收元件的至少上部區域內形成平坦化膜；在所述平坦化膜上形成色彩過濾器；以及在所述色彩過濾器上形成微透鏡。
- 如申請專利範圍第8項所述之製造半導體裝置的方法，其中所述氮化矽膜藉由使用氣體的CVD製程而形成，其中在所述氣體中N2 的比率高於SiH4 以及NH3 的比率。
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