CN1828870A - 用于图像传感器的氘熔合处理 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种熔合图像传感器的方法。该方法包括在半导体基体内形成各种半导体器件，接着在半导体器件上形成绝缘层，最后在形成绝缘层之后且在沉积金属互连层之前，利用氘气熔合该图像传感器。

Description

用于图像传感器的氘熔合处理
技术领域
本发明涉及图像传感器有关，更具体地讲，本发明涉及一种采用改进的氘(D2)熔合处理的图像传感器。
背景技术
图像传感器已经变得无处不在，它们被广泛地用于数字照相机、便携式电话、保密照相机、医疗器械、汽车和其它应用场合。制造图像传感器的技术、特别是CMOS(互补型金属氧化半导体)图像传感器持续地快速发展。例如，高分辨率和低能耗的要求促进了图像传感器的进一步的小型化及集成。
图像传感器，无论是CMOS类型的还是CCD类型的，都存在的一个共同问题，即沟道热载流子(channel hot carrier，简称CHC)可靠性问题。为了解决这一问题，现有技术开发出了热处理工艺如熔合处理(掺杂处理，alloying process)。熔合处理的目的是满足所有在晶体管门电路下面的硅/硅二氧化物界面处的硅的悬挂空键(″dangling″silicon bonds)。在熔合处理中形成的氢原子可以满足硅的悬挂空键，从而可以消除表面态阱(surface state traps)并改善晶体管性能。
在熔合处理过程中，半导体晶圆通常暴露在约400-450℃的炉内氮气(N2)和氢气(H2)的混合气体中。这一处理可作为钝化处理的一部分，或者在图像传感器的接合垫(bond pad)被蚀刻之后进行。然而，在制造过程的这个阶段上，图像传感器的金属层已被定形。在温度高于400-450℃的情况下，金属层一般会受到不利的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种既能够改善沟道热载流子可靠性又不会损害其金属层的熔合图像传感器方法。
本发明提供的一种实施方案是：一种熔合(alloying)图像传感器的方法，该方法包括：
在半导体基体中形成像素阵列；
在n-沟道外围区域形成若干(一个或一个以上)半导体器件；
在p-沟道外围区域形成若干(一个或一个以上)半导体器件；
在上述的像素阵列与半导体器件上形成绝缘层，如氧化物绝缘层；以及
在形成绝缘层之后且在该绝缘层上形成接触洞(contact hole)之前，利用氘气熔合图像传感器。
其中，像素阵列可以包括从以下选取的感光元件：光电二极管、部分PIN型光电二极管、PIN型光电二极管、光电门电路或者光电容。
本发明中，氘熔合是在氘气与氮气的混和气体中进行的，氘熔合的温度控制在300-900℃之间，氘气在混和气体中的含量在5％-100％之间。
上述的图像传感器可以为CCD图像传感器或者CMOS图像传感器。
本发明的另一种技术方案是：一种熔合图像传感器的方法，该方法包括：
在半导体基体内形成像素阵列；
在n-沟道外围区域形成若干半导体器件；
在p-沟道外围区域形成若干半导体器件；
在像素阵列与半导体器件上形成绝缘层；
在绝缘层上形成接触洞；以及
在形成绝缘层之后且在接触洞中形成接触栓(contact plug)之前，利用氘气熔合图像传感器。
本发明的又一种技术方案是：一种熔合图像传感器的方法，该方法包括：
在半导体基体内形成像素阵列；
在n-沟道外围区域形成若干半导体器件；
在p-沟道外围区域形成若干半导体器件；
在像素阵列与半导体器件上形成绝缘层；
在绝缘层上形成接触洞；
在接触洞内形成接触栓；以及
在接触栓形成之后且在金属互连层沉积之前，利用氘气熔合图像传感器。
本发明的关键在于：氘熔合处理是在用以形成互连结构的金属层沉积以前进行的。因而，可以在氘熔合处理之前增加一系列的附加处理步骤，如对绝缘层进行平整等。
本发明的有益效果是：熔合处理在金属层的沉积之前进行，因此不会损坏金属层；同时采用比重较大的不容易被热电子逐出的氘代替氢，提高了热电子寿命，从而改善了图像传感器的性能。
附图说明
图1是现有技术图像传感器的剖视图，该图像传感器设有阵列区域、外围p-沟道区域和外围n-沟道区域。
图2-图5是本发明采用氘熔合处理的剖视图。
图6是本发明方法的流程图。
具体实施方式
在下面的描述中，提供了许多特定细节，以便对本发明的实施方案进行透彻的理解。但所属领域的熟练技术人员可以认识到，在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下仍能实施本发明，或者采用其它方法、元件等的情况下仍能实施本发明。另外，为了清楚地描述本发明的各种实施方案，因而对众所周知的结构和操作没有示出或进行详细地描述。
在本发明的说明书中，提及“一实施方案”或“某一实施方案”时是指该实施方案所述的特定特征、结构或者特性至少包含在本发明的一个实施方案中。因而，在说明书各处所出现的“在一实施方案中”或“在某一实施方案中”并不一定指的是全部属于同一个实施方案；而且，特定的特征、结构或者特性可能以合适的方式结合到一个或多个的具体实施方案中。
图1是现有技术图像传感器的剖视图。图1显示了图像传感器的一部分101。图像传感器的该部分101包括像素阵列区域103、n-沟道外围区域105以及p-沟道外围区域107。n-沟道外围区域105与p-沟道外围区域107包含像素阵列103外面的那些图像传感器元件。本领域的技术人员都知道，外围区域105和107是用来形成各种控制、逻辑、信号处理、读取以及其它类型的集成电路。当然，区域105与107中所显示的晶体管仅仅是示例，这些区域通常可能包含许多晶体管(PMOS和NMOS)。同样地，像素阵列区域103显示的也仅仅是像素的一个示例，并用其代表像素阵列。例如，像素阵列可能包括选自如下元件的感光元件：光电二极管、部分PIN型光电二极管(partially pinned photodiode)、PIN型光电二极管、光电门电路或者光电容。
本领域的熟练技术人员知道，在半导体器件、半导体基体中和其上方的植入区域形成以后，必须在图像传感器上形成各种互连结构。例如，请参照图2，通常绝缘氧化层201是覆盖沉积(blanket deposited)在图像传感器的表面上。绝缘层可以是自旋玻璃(spin on glass，简称SOG)、硼磷硅酸盐玻璃(borophosphosilicate glass，简称BPSG)、磷硅酸盐玻璃(phosphosilicate glass，简称PSG)、或非掺杂的硅酸盐玻璃(undoped silicate glass，简称USG)。
根据本发明，在制造过程的这个阶段上，利用氢的天然同位素氘对图像传感器进行熔合处理。需要指出的是，这种熔合处理是在金属层的沉积与蚀刻之前进行的，因此不会降低金属层的性能。随着热电子的衰变，高能(热)电子会撞击表面并撞出氢原子(在现有技术传统的熔合处理中)，重新生成表面态阱。氢的同位素氘是氢的两倍重，因而与氢相比，氘较难被热电子撞出。因为这个或者其它任何物理原因，可以利用氘熔合处理而改善热电子应力状态下(低温、高电压应力)的热电子寿命。
因此，如图2所示，氘熔合处理是在半导体基体及晶体管上沉积覆盖绝缘层(blanket insulator layer)以后进行的。熔合处理通常在炉管内进行。在一实施方案中，熔合处理在大气压下进行的，氘氮混合气体中氘的含量为5％到100％。处理温度控制在300-900℃的范围内，优选为500-800℃。
图3是另一可选择的实施方案，氘熔合处理是在绝缘氧化层201平整(planerization)之后进行的。如图3所示，绝缘层201已被平整，除掉了氧化物形貌上的不规则之处。平整步骤是制造过程中一个常用的辅助步骤，其可以采用化学机械抛光(chemical mechanicalpolishing，简称CMP)或者内腐蚀(etching back)来完成。
图4所示为又一实施方案，其中，氘熔合处理在绝缘层201设置开口以后进行的。通常，设置开口401的目的是为了在绝缘层中形成用以接触基体中的各种有源区(active region)或者用以接触晶体管的多晶硅门电路的接触栓(contact plug)。因此，图4中的开口401最终将被接触栓填满。在图4所示的实施方案中，氘熔合处理是在绝缘氧化层201掩蔽(masking)与蚀刻处理以后进行的。
图5所示为再一可供选择的实施方案。在开口401中形成接触栓501之后进行氘熔合处理。在上述所有的实施方案中，氘熔合处理都是在用以形成互连结构的金属层沉积以前进行的。这是本发明相对于现有技术的优点，现有的处理方法将会导致金属互连层的劣化。
图6是本发明方法的流程图。首先在框块601中，像素阵列形成于半导体基体中。接着，在框块603中，在n-沟道外围区域105中形成半导体器件，如晶体管、存储器、电容器等。然后，在框块605中，在p-沟道外围区域107中形成半导体期间，如晶体管、存储器、电容器等。值得注意的是，在大多数的实施方案中，像素阵列和区域105与107中的半导体器件是在同一制造步骤中形成的，因而其是平行形成的。然而，为了描述和便于理解，框块601、603及605中分别描述了三个不同的步骤。因此，在大多数的实际应用中，像素阵列不是在形成n-沟道或p-沟道装置之前形成的。
接着，在框块607中，绝缘层201沉积在框块601、603及605中形成的像素阵列与半导体器件上。然后，在框块609中，进行氘熔合处理。可选择地，可以在氘熔合处理之前增加一系列的附加处理步骤(如虚线框块中所示)。例如，在框块610中，在氘熔合处理之前可以对绝缘层进行平整。进一步地，在框块611中，在氘熔合处理之前可以在绝缘氧化层201中形成接触洞(contact holes)。或者，在氘熔合处理之前可以在框块612沉积接触金属。更进一步地，在框块613中，在氘熔合处理之前可以在通孔(via)及接触洞中形成接触栓。
在这些步骤之后，典型的处理过程还包括多层金属化沉积(metallization deposition)与形成通孔。在一实施方案中，三层金属层被沉积、定形(patterned)、蚀刻以及形成通孔。在这种处理之后，在框块614中沉积钝化层，在该步骤之后可以进行框块609中的氘熔合处理。进一步地，在框块615中可以形成穿过钝化层连接到接合垫的开口，在该步骤之后可以进行框块609中的氘熔合处理。
上述内容应理解为：这里所介绍的本发明的具体实施方案只是为了描述本发明，但在不偏离本发明宗旨与范围的情况下可以做出各种变换方案。因此，除权利要求之外，本发明不受任何限制。

Claims (12)

1、一种熔合图像传感器的方法，该方法包括：
在半导体基体内形成像素阵列；
在n-沟道外围区域形成若干半导体器件；
在p-沟道外围区域形成若干半导体器件；
在所述像素阵列与所述半导体器件上形成绝缘层；以及
在形成绝缘层之后且在该绝缘层上形成接触洞之前，利用氘气熔合所述的图像传感器。
2、如权利要求1所述的方法，其中，所述的像素阵列包括选自于如下一组的感光元件：光电二极管、部分PIN型光电二极管、PIN型光电二极管、光电门电路或者光电容。
3、如权利要求1所述的方法，其中，所述的氘熔合是在氘气与氮气的混和气体中进行的，其温度在300-900℃之间，且氘气在所述混和气体中的含量为5％-100％。
4、如权利要求1所述的方法，其中，所述的图像传感器为CCD或者CMOS图像传感器。
5、一种熔合图像传感器的方法，该方法包括：
在半导体基体内形成像素阵列；
在n-沟道外围区域形成若干半导体器件；
在p-沟道外围区域形成若干半导体器件；
在所述像素阵列与所述半导体器件上形成绝缘层；
在所述绝缘层上形成接触洞；以及
在形成绝缘层之后且在所述接触洞中形成接触栓之前，利用氘气熔合所述的图像传感器。
6、如权利要求5所述的方法，其中，所述的像素阵列包括选自于如下一组的感光元件：光电二极管、部分PIN型光电二极管、PIN型光电二极管、光电门电路或者光电容。
7、如权利要求5所述的方法，其中，所述的氘熔合是在氘气与氮气的混和气体中进行的，其温度在300-900℃之间，且氘气在所述混和气体中的含量为5％-100％。
8、如权利要求5所述的方法，其中，所述的图像传感器为CCD或者CMOS图像传感器。
9、一种熔合图像传感器的方法，该方法包括：
在半导体基体内形成像素阵列；
在n-沟道外围区域形成若干半导体器件；
在p-沟道外围区域形成若干半导体器件；
在所述像素阵列与所述半导体器件上形成绝缘层；
在所述绝缘层上形成接触洞；
在所述接触洞内形成接触栓；以及
在接触栓形成之后且在金属互连层沉积之前，利用氘气熔合所述的图像传感器。
10、如权利要求9所述的方法，其中，所述的像素阵列包括选自于如下一组的感光元件：光电二极管、部分PIN型光电二极管、PIN型光电二极管、光电门电路或者光电容。
11、如权利要求9所述的方法，其中，所述的氘熔合是在氘气与氮气的混和气体中进行的，其温度在300-900℃之间，且氘气在所述混和气体中的含量为5％-100％。
12、如权利要求9所述的方法，其中，所述的图像传感器为CCD或者CMOS图像传感器。
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