專利名稱：用于加工垂直cmos圖像傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，更具體地涉及一種用于加工垂直 (vertical) CMOS圖l象傳感器的方法。
背景技術(shù)：
一般而言，圖像傳感器是將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體器 件。圖像傳感器被大體分類為電荷耦合裝置(CCD)或互補(bǔ)金屬氧 4匕石圭(complementary metal oxide silicon,簡一爾CMOS )圖l象傳感器。CCD具有復(fù)雜的驅(qū)動系統(tǒng)，具有相當(dāng)大的功碑毛，并需要多步的 光學(xué)處理。而且，不利之處在于加工CCD的工藝復(fù)雜。具體地，在 CCD中，難以在一個CCD芯片上集成控制電路、信號處理電路、 模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器等。因此，難以縮小CCD的尺寸。最近，作為能夠克服CCD的這些不足的下一代圖像傳感器， 對CMOS圖像傳感器給予了關(guān)注。通過一般的CMOS工藝加工出的CMOS圖像傳感器具有低功 耗、加工工藝簡單、低成本、及高度集成的優(yōu)點(diǎn)。上述的傳統(tǒng)CMOS圖^f象傳感器^皮形成為具有包括光電二才及管 和晶體管的堆疊結(jié)構(gòu)。首先，在形成硅外延層之后，形成RGB有色 光電二極管。然后，形成晶體管。然后，形成金屬線和通孔。然后， 在蝕刻了上方金屬層之后，通過順序堆疊多層薄膜來形成鈍化氧化 物薄膜和纟屯化氮化物薄力莫。在完成了堆疊結(jié)構(gòu)之后，通常在400 °C 的溫度下進(jìn)4于退火。傳統(tǒng)CMOS圖^f象傳感器仍具有暗泄漏(dark leakage )特性的問 題。即，CMOS圖像傳感器的暗信號電平仍大于通過最理想的加工 工藝力口工出的CCD的暗^f言號電平。發(fā)明內(nèi)容一4殳而言，本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及一種方法，其用于通過 改進(jìn)的氫氣退火來加工具有改進(jìn)的暗泄漏特性的垂直CMOS圖像 傳感器同時防止或減少圖^f象傳感器中的圓形在夾陷(circular defects ) 的形成。將在以下的描述中部分地闡述其他特征，并且對于本領(lǐng)域技術(shù)可以通過實(shí)施本文所教導(dǎo)的內(nèi)容來獲得這些特征。利用所寫出的描 述及據(jù)此的權(quán)利要求以及附圖中具體指出的手段及其結(jié)合可以實(shí)現(xiàn) 和獲得本發(fā)明的其他特征。才艮才居一個實(shí)施例，用于加工垂直CMOS圖〗象傳感器的方法包 括在硅外延層上形成至少一個有色光電二極管；在具有有色光電 二極管的外延層上形成晶體管；在晶體管上形成至少 一條金屬線； 在該至少一條金屬線上方形成最上面的金屬層之后形成第一鈍化薄 膜；在形成第一鈍化薄膜之后，在第一高溫下進(jìn)行第一退火；以及 在第一鈍化薄膜上形成第二最上面鈍化薄膜。第一4屯化薄力莫可以是4屯化氧化物薄膜，以及可以在400 。C至 435 。C的溫度下進(jìn)^f于第一退火。該方法還可以包括在形成第二最上面鈍化薄膜之后在第二高 溫下進(jìn)4亍第二最終退火?？梢栽?35 。C至450 。C的溫度下進(jìn)^f亍第二 最終退火。第二最上面的鈍化薄膜可以是鈍化氮化物薄膜。具體地，第二 最上面鈍化薄膜可以是SiON鈍化薄膜或SiN鈍化薄膜。提供此概要來介紹簡化形式的內(nèi)容節(jié)選，這在下面的詳細(xì)描述 中進(jìn)一步描述。該纟既要既不旨在確定所要求的主題的關(guān)4建特;f正或主 要特性，也不旨在用來輔助確定所要求的主題的范圍。而且，應(yīng)當(dāng) 理解本發(fā)明的前述總體描述和后續(xù)詳細(xì)描述是示例性和說明性的， 用于提供對所要求的本發(fā)明的進(jìn)一 步闡述。


附圖包括用于4是供對本發(fā)明的示例性實(shí)施例的進(jìn)一 步理解， 其結(jié)合于此并構(gòu)成本申請的一部分，附圖示出了示例性實(shí)施例，并與"i兌明書結(jié)合在一起用于闡述示例性實(shí)施例的具體特征。在附圖中圖1A至圖1C示出了表示在H2退火中根據(jù)溫度的有色光電二 才及管的暗泄漏不均勻性(dark leakage non-uniformity,筒稱DLNU )的圖表；圖2A和圖2B示出了表示H2退火溫度對金屬層的影響的圖表；圖3A是示出不同的退火條件的表^T各；以及圖3B是示出與各個 不同的退火條件對應(yīng)的缺陷產(chǎn)生率的表格；圖4A和圖4B示出了老、示不同的退火條件對下面的金屬層的影 響的圖表；有色光電二才及管的DLNU的圖表；以及圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所加工的垂直CMOS圖像傳感器 的堆疊結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
在以下詳細(xì)的實(shí)施例描述中，將詳細(xì)地參考本發(fā)明的具體實(shí)施 例，其示例在附圖中示出。無論何處，將在所有的附圖中4吏用相同 的參考編號來表示相同或相似的部分。將對這些實(shí)施例進(jìn)4亍充分詳 細(xì)地描述，以4吏本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。也可以采用其他 實(shí)施例，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，可以進(jìn)4亍結(jié)構(gòu)的、邏輯的、 及電的改變。而且，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的多個實(shí)施例盡管互不相同 ^旦不一定互相4非斥。例3口， 一個實(shí)施例中所描述的具體特^正、結(jié)構(gòu)、或特性也可以包括在其他實(shí)施例中。因此，以下的詳細(xì)描述并不祐: 理解為限制意義的，并且本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求限定，這 些權(quán)利要求連同其等價(jià)物的全部范圍 一起給予權(quán)利。下文中，作為實(shí)例，參考具有3.3 fim x 3.3 nm的單位J象素尺寸 以及2.8 V的工作電壓的直接(direct) CMOS圖傳_傳感器。然而， 應(yīng)當(dāng)理解，所描述的原理也可應(yīng)用于其他的CMOS圖4象傳感器。才艮據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的CMOS圖^f象傳感器具有垂直的三層結(jié)構(gòu)， 并可以通過單獨(dú)的多-5 ( poly-5 )金屬工藝?yán)?.18 pm CMOS邏輯 才支術(shù)來加工。在形成槽(moat)圖案之前可以通過三個外延步艱《來 在硅外延層中形成紅色光電二極管和綠色光電二極管。在沖冊極蝕刻 工藝之后還可以形成藍(lán)色光電二極管。為了改善CMOS圖l象傳感器的暗泄漏特性可以在特定溫度下 進(jìn)行退火工藝。該退火可以采用氫氣退火。退火溫度可以乂人通常的400 。C的溫度升高到介于435 。C和450 。C之間的溫度。升高退火溫度改善了 CMOS圖像傳感器的暗泄漏 特性。然而，升高退火溫度會導(dǎo)致各種副作用現(xiàn)象。副作用現(xiàn)象涉及金屬層、金屬層間介電質(zhì)(IMD)層等的材料。 例如，會出現(xiàn)作為副作用現(xiàn)象的圓形缺陷，即，IMD層的介電質(zhì)材 料中的裂縫。出現(xiàn)圓形缺陷是IMD層的金屬的熱膨脹系數(shù)和介電質(zhì) 材料的熱膨脹系數(shù)之間的差造成的。因jt匕，可以采用高；顯乂又退火工藝(high-temperature double annealing process )和/或不同于傳統(tǒng)的鈍化氮化物薄膜的4屯化氮化物 薄膜來防止或減少會作為升高退火溫度的副作用而出現(xiàn)的圓形缺陷。雙退火工藝可以包括第一退火(即，預(yù)退火)和第二最終退火。 可以首先在400 。C到435 。C的溫度下才丸4于預(yù)退火。在扭j于預(yù)退火之 后，可以在4屯化氧化物薄膜上沉積氮化物來形成《屯化氮化物薄膜。 然后，可以在更高的溫度下(例如，在435 。C到450 。C下)扭j亍最 終的退火。圖1A至圖1C示出了表示有色光電二4及管的暗泄漏不均勻性 (DLNU )與H2 (氫)退火溫度之間的關(guān)系的圖表。通常，氫氣退火會修繕CMOS圖^象傳感器的硅層中的缺陷、STI 薄膜的邊多彖處的缺陷、以及IMD層中的缺陷。在圖IA到圖1C的圖表中示出了氫氣退火的修繕效果。從這些 圖表中可明顯看出，退火溫度越高，在減少DLNU并從而改善圖像傳感器質(zhì)量方面就越高效。進(jìn)一步地，由于藍(lán)色光電二才及管比其他 光電二極管離硅層表面更近，因此高溫退火對位于第三外延層中的 藍(lán)色光電二極管更高效。圖2A和圖2B示出了表示H2退火溫度對金屬層的影響的圖表。 具體i也，圖2A的圖表示出了下方的(即，下面的)金屬層的薄層 電阻(Rs， n/sq)與溫度之間的關(guān)系，圖2B的圖表示出了上方的 (即，上面的)金屬層的薄層電阻(Rs, Q/sq)與溫度之間的關(guān)系。隨著溫度升高，下面的金屬層的薄層電阻比上面的金屬層的薄 層電阻改變得更迅速。因?yàn)槭瓜旅娴慕饘賹又械匿X化鈥的濃度或水 平比上面的金屬層中的鋁化鈦的濃度或水平高，以及因?yàn)轫憫?yīng)于更 高的退火溫度下面的金屬層在體積上更加膨脹，所以在氫氣退火期 間在下面金屬層中的薄層電阻變化得更迅速。因此，在接觸下面的金屬層的IMD層的介電質(zhì)材料中可能更容 易形成會導(dǎo)致裂縫的圓形缺陷。圓形缺陷影響IMD層和金屬層的可 靠性。具體地，由于通常在下面的金屬層的熱膨脹系數(shù)和IMD層的介 電質(zhì)材料的熱膨脹系數(shù)之間存在的差會導(dǎo)致更容易產(chǎn)生圓形缺陷。 在氫氣退火期間，下面的金屬層中的金屬材料比IMD層中的介電質(zhì) 材料膨脹得更多。因此，位于金屬材料的拐角中的介電質(zhì)材料會經(jīng) 受抗張(tensile)殘余應(yīng)力。進(jìn)一步地，金屬材料的拐角開始出現(xiàn) 裂縫，在冷卻期間該裂縫會蔓延。圖3A是表示不同的退火條件的表格。圖3B是表示與各個不同 的退火條件對應(yīng)的缺陷產(chǎn)生率的表格。表格中的前三項(xiàng)對應(yīng)于在形成包括了沉積最上面的氮化硅 (SiN)鈍化薄膜的整個堆疊結(jié)構(gòu)之后執(zhí)行的單獨(dú)的"最終"退火。如圖3B所示，在這些退火條件下，隨著氫氣退火溫度升高，缺陷 數(shù)目增加。為了防止或減少由于溫度升高而產(chǎn)生的缺陷，可以扭^亍雙退火 工藝。在雙退火工藝中，可以在沉積鈍化氮化物薄膜之前4丸4于第一 退火工藝，可以在完成沉積4屯化氧化物薄膜中的氮化物之后才丸4亍第 二退火工藝。第一退火工藝有效地減小了 IMD層中的介電質(zhì)材料的 應(yīng)力。因此，在第二退火工藝期間或之后不太可能產(chǎn)生圓形缺陷。此外，除了雙退火工藝之外或者替4灸雙退火工藝，可以4吏用^# 換的鈍化氮化物薄膜，諸如，氮氧化硅(SiON)。通常，由于硅和 氮之間的較強(qiáng)的共價(jià)4建而導(dǎo)致SiON具有比SiN低的熱膨脹系數(shù)。 因此，通過反復(fù)的熱處理SiN較容易出現(xiàn)裂縫，因此通過退火工藝 SiN比SiON更容易破裂。由金屬材料和鈍化氮化物薄膜的不匹配 的溫度導(dǎo)致了裂縫缺陷(其也作為圓形缺陷)。另一方面，包括在 SiON中的氧用于減小膨"長應(yīng)力。圖4A和圖4B示出了表示不同的退火條件對下面的金屬層的影 響的圖表，其示出了金屬層的薄層電阻(Rs， Q/sq)和溫度之間的 關(guān)系。在雙退火工藝中，由于該金屬層的薄層電阻高于通過單步退火 工藝所退火的該金屬層的薄層電阻，所以在該下面的金屬層中形成 更多的鋁化鈦。然而，由于在沉積鈍化氮化物薄膜之前所執(zhí)行的第 一退火工藝用于減小應(yīng)力，所以在雙退火工藝中不會產(chǎn)生圓形缺陷。圖5A至圖 有色光電二4及管的DLNU的圖表'如圖5A至圖5C的圖表所示，雙退火工藝比在最終沉積之后在 400。C下執(zhí)行的單步的氫氣退火更高效地改善了暗泄漏特性。除了改 善暗泄漏特性之外，^又退火工藝還高刻j也防止或減少了圓形擊夾陷。而且，盡管SiON鈍化薄膜防止或減少了圓形缺陷的出現(xiàn)，但 是因?yàn)槠湔凵渎什煌?，因此其比SiN低效。SiON的折射率(1.69) 比SiN的折射率(2.1 )低。因此，當(dāng)使用SiON時，SiON比SiN 具有更大的光傳輸深度，并且不在硅層上形成焦點(diǎn)。因此，可以選擇使用SiON鈍化薄膜來去除圓形缺陷，既考慮 了垂直CMOS圖^f象傳感器的一見覺增益(visual gain)又考慮了其必 要性。因此，可以有選擇地將SiON或SiN用作形成在最上面的部 分的4屯化氧化物薄膜。因此，在最終沉積了最上面的4屯化薄膜之后，在升高的溫度下 執(zhí)4亍氫氣退火來改善暗泄漏特性。而且，為了減少或避免會負(fù)面影 響器件可靠性的圓形缺陷，可以有選擇i也釆用雙退火工藝和/或 SiON鈍化氮化物薄膜來消除圓形缺陷。圖6示出了可以根據(jù)上述的示例性方法加工的垂直CMOS圖像 傳感器的堆疊結(jié)構(gòu)。CMOS圖像傳感器包括光電二極管和晶體管。首先，在形成硅 外延層1 (例如，三層結(jié)構(gòu))之后，可以在硅外延層1上形成RGB 有色光電二極管2。然后，可以通過順序形成源極/漏極3、淺溝槽 隔離(STI)薄膜4、及柵極5來形成晶體管?？梢栽谛纬删w管之后在其上沉積IMD層6，并可以在IMD 層6中形成通孔7。通孔7電連接在將要形成的多條金屬線之間， 并電連接在多條金屬線和晶體管之間。然后，在其上形成金屬線8 和9，并可以形成最上面的金屬層10。在用于形成最上面的金屬層io的蝕刻工藝之后，可以沉^積氧4b 物來形成《屯化氧化物薄力莫11。在形成4屯化氧化物薄力莫11之后，可 以執(zhí)行預(yù)退火，預(yù)退火是雙退火工藝的第一步。可以將用于預(yù)退火步艱《的退火溫度維持在400 。C至435 。C。在執(zhí)4于預(yù)退火之后，可以將氮化物沉積在4屯化氧化物薄力莫11 上來形成4屯化氮化物薄膜12。在形成4屯化氮化物薄力莫12之后，可 以扭^f亍最終退火，最終退火是雙退火工藝的第二步?？梢詫⒂糜谧钤?35 。C至450 。C。盡管可以通過升高退火溫度來改善暗泄漏特性，也仍可以有選 擇地應(yīng)用高溫雙退火工藝和/或其他的鈍化氮化物薄膜(諸如SiON ) 來去除圓形缺陷，從而提高垂直CMOS圖^象傳感器的質(zhì)量和可靠 性。事實(shí)上，單獨(dú)使用高溫雙退火工藝(即，不使用SiON鈍化氮 化物薄力莫)也改善暗泄漏特性，同時防止或減少圓形缺陷。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，在不背離本發(fā)明的精 神或范圍的情況下，可以在本發(fā)明中進(jìn)行各種修改和變化。因此， 在本發(fā)明的修改和變化處于所附權(quán)利要求及其等價(jià)物的范圍之內(nèi)的 情況下，本發(fā)明用于覆蓋這些修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于加工垂直CMOS圖像傳感器的方法，包括在硅外延層上形成至少一個有色光電二極管；在具有所述有色光電二極管的所述外延層上形成晶體管；形成至少一條金屬線；在所述金屬線的上方形成金屬層；形成第一鈍化薄膜；在第一溫度下執(zhí)行第一退火；以及在所述第一鈍化薄膜上方形成第二鈍化薄膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一鈍化薄膜是鈍化 氧化物薄膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在400 。C至435 。C的所 述第 一溫度下執(zhí)行所述第 一退火。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在第二溫度下執(zhí)行第 二退火。
5. 才艮據(jù)4又利要求4所述的方法，其中，在比所述第一溫度高的溫 度下執(zhí)行所述第二退火。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，在435 。C至450 。C的所 述第二溫度下執(zhí)行所述第二退火。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二鈍化薄膜是鈍化 氮化物薄膜。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二鈍化薄膜是SiON 鈍化薄膜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二鈍化薄膜是SiN 鈍化薄膜。
10. —種用于加工垂直CMOS圖^f象傳感器的方法，包4舌在硅外延層上形成至少 一個有色光電二極管；在具有所述有色光電二極管的所述外延層上形成晶體管；形成金屬線；在所述金屬線上方形成金屬層； 形成第一鈍化薄膜； 在第一溫度下扭^于第一退火；以及在第二溫度下執(zhí)行第二退火，其中，所述第二溫度高于所 述第一溫度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括在所述第一鈍化薄 膜上方形成第二鈍化薄膜。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第一鈍化薄膜是鈍 化氧化物薄膜。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述第一溫度約為400 。C至435 。C。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述第二溫度約為435 。C至450 。C。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第二鈍化薄膜是鈍 化氮化物薄膜。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第二鈍化薄膜是SiON 鈍化薄膜。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第二鈍化薄膜是SiN 4屯化薄膜。
18. —種用于加工垂直CMOS圖像傳感器的方法，包括在硅外延層上形成至少 一個有色光電二極管；在具有所述有色光電二極管的所述外延層上形成晶體管；形成金屬線；在所述金屬線上方形成金屬層； 形成第 一鈍化氧化物薄膜； 在第 一溫度下執(zhí)行第 一退火；在所述第一鈍化氧化物薄膜上方形成第二鈍化薄膜；以及在第二溫度下執(zhí)行第二退火，其中，所述第二溫度高于所 述第一溫度。
全文摘要
公開了一種用于加工與半導(dǎo)體器件有關(guān)的垂直CMOS圖像傳感器的方法。有選擇地應(yīng)用高溫雙退火工藝和/或其他的鈍化氮化物薄膜，來改善暗泄漏特性并還防止或減少圓形缺陷的發(fā)生，從而提高垂直CMOS圖像傳感器的質(zhì)量和可靠性。
文檔編號H01L21/822GK101335237SQ20081012623
公開日2008年12月31日 申請日期2008年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者樸正秀 申請人:東部高科股份有限公司