CN101877356B - 半导体装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体装置及其制造方法。例如在形成了单位单元的Si外延层上形成贯通该Si外延层的接触孔。然后使其内壁氧化，形成膜厚大致均匀的薄绝缘膜。隔着该绝缘膜，在接触孔内埋入低电阻多晶硅形成接触层，从而形成兼作对准标记的背面取出电极的结构。

Description

半导体装置及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求2008年12月18日提交的在先日本专利申请No.2008-322519的优先权，该申请的全部内容以引用的方式包括在此。
技术领域
本发明涉及半导体装置及其制造方法。
背景技术
作为便携式摄像机组件或摄影机、数字静态照相机、监视用照相机等中利用的固体摄像元件，已知CMOS图像传感器。在该CMOS图像传感器中，为了提高感度等像素性能而提出了背面照射型结构(例如参照文献1：日本特开2007-324629号公报)。即，该背面照射型结构是通过使光从没有设置电极层和布线层等的基板的背面侧入射，从而实现了聚光特性的提高。
发明内容
根据本发明一个方式的半导体装置包括：
半导体基板；
背面取出电极，在贯通所述半导体基板的接触孔内，隔着以均匀的膜厚形成的绝缘膜埋入第1导电材料，还用作对位用标记，用于在所述半导体基板的背面侧取出电极；以及
焊盘，设置在所述半导体基板的背面，与所述背面取出电极连接。
根据本发明一个方式的半导体装置的制造方法用于形成背面取出电极，该背面取出电极用于在半导体基板的背面侧取出电极，还用作对位用标记，该方法包括以下步骤：
在所述半导体基板中形成贯通孔；
在所述贯通孔的内壁上形成具有均匀膜厚的绝缘膜；以及
隔着所述绝缘膜，在所述贯通孔内埋入第1导电材料形成接触层。
附图说明
图1是示出根据本发明第1实施方式的半导体装置(背面照射型的CMOS图像传感器)的结构例的剖面图；
图2是示出根据第1实施方式的CMOS图像传感器的背面取出电极的结构例的平面图；
图3是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图4是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图5是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图6是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图7是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图8是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图9是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图10是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图11是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图12是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图13是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图14是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图15是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图16是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图17是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图18是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图19是示出用来说明根据第1实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图20是示出根据本发明第2实施方式的半导体装置(背面照射型的CMOS图像传感器)的结构例的剖面图；
图21是示出用来说明根据第2实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图22是示出用来说明根据第2实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图23是示出用来说明根据第2实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图24是示出用来说明根据第2实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图25是示出用来说明根据第2实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图26是示出用来说明根据第2实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图27是示出用来说明根据第2实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图28是示出用来说明根据第2实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图29是示出用来说明根据第2实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图30是示出用来说明根据第2实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图31是示出根据本发明第3实施方式的半导体装置(背面照射型的CMOS图像传感器)的结构例的剖面图；
图32是示出用来说明根据第3实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图33是示出用来说明根据第3实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图34是示出用来说明根据第3实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图35是示出用来说明根据第3实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图；
图36是示出用来说明根据第3实施方式的CMOS图像传感器的制造方法的工序剖面图。
具体实施方式
其中，在上述文献1中记载的背面照射型固体摄像元件的情况下有必要从基板的背面侧取出电极。
但是，由于用来取出该电极的工序成为与形成光接收传感器单元的光电二极管和片上透镜(on-chip lense)的对位用的对准标记不同的工序，所以有工序数增加的倾向。即，在该背面照射型固体摄像元件的情况下，首先，在基板的表面侧形成光接收传感器单元和电极层等时，在接触孔内埋入绝缘层从而形成对准标记。然后，在基板的背面侧形成片上透镜时，凿穿对准标记的绝缘层，形成用来将电极取出到基板的背面侧的接触层。这样，必须在上述的背面照射型固体摄像元件中，将作为对位用标记形成的对准标记重新形成为连接电极层和布线层的背面取出电极，因而与表面照射型结构相比工序数相应增加。从而强烈地希望有能够减少工序数的工艺。
另外，在将对准标记重新形成为背面取出电极的文献1的结构中，不适合微细化，还有不适应装置的小型化的倾向。这是因为，为了凿穿内侧部分而仅剩下成为对准标记的绝缘层的外侧部分，然后将导电材料埋入该内侧部分而形成接触层，从而将其作为背面取出电极，所以如果考虑对位精度等，则难以均匀地形成绝缘层的膜厚，所以微细化受到限制。
因此，下面参照附图说明本发明的实施方式。但是，附图是示意性的，应该注意到各附图的尺寸和比例等与实际不同。另外，显然各个附图彼此之间也包含相互的尺寸的关系和/或比例不同的部分。尤其是，下面示出的任何一个实施方式都例示了用来具体化本发明的技术思想的装置和方法，本发明的技术思想不受结构部件的形状、结构、配置等的限定。本发明的技术思想在不脱离其要旨的范围内可以进行各种变化。
【第1实施方式】
图1示出了根据本发明第1实施方式的半导体装置的结构例。其中，以半导体装置为例说明背面照射型的CMOS图像传感器。再有，图1是以1像素1单元结构的3Tr(晶体管)型作为单位单元的情况的例子。
如图1所示，在该背面照射型的CMOS图像传感器的情况下，包括：光电二极管部PD、转发(读出)用MOS晶体管TG、以及未图示的重置用MOS晶体管和放大用MOS晶体管，构成一个单位单元。在背面照射型的CMOS图像传感器中以矩阵状设置这样结构的多个单位单元。
即，在各单位单元中，光电二极管部PD由光接收部11和累积层12构成。光接收部11是用来积蓄对入射光进行光电转换得到的信号电荷的电荷积蓄区域，例如由在SOI(绝缘体上硅；Silicon On Insulator)基板上的硅(Si)外延层10的表面部(传感器像素区域)上形成的、N导电型(第1导电型)的扩散层构成。累积层12用来抑制暗电流，是与光接收部11的表面部相对应设置的、例如具有P导电型(第2导电型)的低杂质浓度的扩散层区域(P-层)。累积层12的杂质浓度例如为1×1016～1×1017左右。
转发用MOS晶体管TG用来控制光电二极管部PD中的信号电荷的积蓄，与光电二极管部PD相邻设置。即，转发用MOS晶体管TG的读出栅极电极(读出电极)G隔着绝缘膜13形成在Si外延层10的表面上。在读出栅极电极G的形成中使用多晶硅等。漏极起光电二极管部PD的阳极的作用，源极起浮动传播层FD的作用。浮动传播层FD是形成在Si外延层10的表面部上的、高杂质浓度的扩散层区域(N+层)。
再有，图中示出的31是用来划定单位单元的像素分离区域(P层)，32是像素分离用的STI(浅沟绝缘；Shallow Trench Isolation)。另外，虽然为了方便而未图示，但是在各单位单元中，在Si外延层10的表面侧(其他剖面)上分别设置重置用MOS晶体管和放大用MOS晶体管。
在背面照射型的CMOS图像传感器的情况下，入射光从Si外延层10的背面侧照射，透过Si外延层10，被光电二极管部PD接收。此时，入射光不被多个布线层等所遮挡，入射到Si外延层10内，被导向光电二极管部PD。为此，在Si外延层10的背面侧(传感器的背面侧)，隔着钝化氧化膜33和钝化氮化膜34，对每一个单位单元设置RGB(红、绿或蓝)的滤色器35和微透镜36。
另一方面，在Si外延层10的周边区域设置背面取出电极21。该背面取出电极21例如还起到传感器像素区域的光电二极管部PD和微透镜36的对位用对准标记的作用。即，在传感器的周边区域上贯通Si外延层10设置作为对准标记的接触层21a和绝缘膜21c。接触层21a构成为在向Si外延层10开孔的接触孔(深沟；Deep Trench)21b内，隔着膜厚大致均匀的薄绝缘膜21c，埋入例如添加了适量杂质的低电阻多晶硅而成(贯通通路结构)。
接触层21a的一端与在Si外延层10的背面侧(传感器的背面侧)上设置的铝(Al)焊盘22连接。该Al焊盘22隔着背面绝缘膜23的背面接触部23a与接触层21a的一端连接。该Al焊盘22大致被钝化绝缘膜24和上述钝化氧化膜33以及上述钝化氮化膜34所覆盖，仅露出其表面部。
另外，在Si外延层10的表面侧，接触层21a的另一端与设置在层间绝缘膜25上的布线层接触件26连接。该布线层接触件26经由设置在绝缘膜层41内的、例如由铜(Cu)构成的第1布线层27a、由铜构成的第1层通路28a、由铜构成的第2层布线27b以及由铜构成的第2层通路28b，与由Al构成的布线层(或者电极层)29连接。这样，与上述的转发用MOS晶体管TG等相连的布线层或电极层经由背面取出电极21在传感器(Si外延层10)的背面侧取出。
并且，在布线层29的上方(传感器的表面侧)，隔着绝缘膜层41，贴合支持基板42。
在具有本实施方式的结构的情况下，通过做成背面照射型结构，不仅能够提高CMOS图像传感器的聚光特性，而且还能够作为背面取出电极21原样利用对准标记，所以在实现制造工序(工艺)的简单化的同时，可以更微细地形成对准标记，结果是可以实现传感器的小型化。
图2示出了背面取出电极21的结构例。在本实施方式的情况下，在背面取出电极21中，可以由具有大致均匀的膜厚的、薄的氧化(SiO2)膜构成绝缘膜21c。
即，例如通过使Si外延层10氧化从而在接触孔21b的内壁上形成了由SiO2膜构成的绝缘膜21c之后，埋入低电阻多晶硅而形成接触层21a，从而形成兼做对准标记的背面取出电极21，这将在后面详述。因此，不仅能够减少工序数，而且可以形成具有大致均匀的膜厚、并且薄的绝缘膜21c。从而，与前面说明的文献1中记载的背面照射型固体摄像元件相比，能够形成更微细的对准标记。
其中，例如假定传感器的使用电压VDD为3.3V，用于使接触层21a和Si外延层10之间绝缘的绝缘膜21c的最小膜厚大致为5nm(每一个对准标记的绝缘膜厚在加工前后为约10nm)。附带地说，在文献1中记载的背面照射型固体摄像元件的情况下，考虑用来凿穿绝缘层的加工精度(例如15nm)和对位精度(例如25nm)时，即使是相同的条件(使用电压VDD＝3.3V，最小膜厚＝5nm)，作为绝缘层也有必要具有50nm以上的厚度(加工前，每一个对准标记)。
下面说明制造上述结构的背面照射型的CMOS图像传感器的方法。再有，其中，例示了使用SOI基板来形成由多晶硅构成的背面取出电极的情况。
首先，例如如图3所示，准备SOI基板1。SOI基板1具有Si基板2、埋入氧化膜3以及Si外延层10。
接下来，例如如图4所示，在Si外延层10的表面上堆积了如氮化(SiN)那样的阻挡膜4之后，在周边区域中，通过已知的光刻工序形成贯通Si外延层10直到埋入氧化膜3的接触孔(贯通通孔)21b。
接下来，例如如图5所示，使Si外延层10氧化，在接触孔21b的内壁上形成由SiO2膜构成的绝缘膜21c。此时，控制为绝缘膜21c的最小膜厚为规定值(传感器的使用电压VDD为3.3V的情况下，为5nm)，将绝缘膜21c形成为具有大致均匀的膜厚。然后，隔着该绝缘膜21c，在接触孔21b内埋入低电阻多晶硅形成接触层21a。由此微细地形成兼作对准标记的背面取出电极21。
接下来，例如如图6所示，在剥离了阻挡膜4之后，进行氧化工序。
接下来，例如如图7所示，进行通常的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管；Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)的形成工序，在与传感器像素区域对应的Si外延层10，分别形成像素分离区域31、像素分离用的STI32、转发用MOS晶体管TG的读出栅极电极G、光电二极管部PD(光接收部11和累积层12)以及浮动传播层FD等。从而形成矩阵状设置的多个单位单元。
接下来，例如如图8所示，在Si外延层10的表面上堆积层间绝缘膜25，形成到达接触层21a的接触孔25a。
接下来，例如如图9所示，在接触孔25a内埋入钨(W)，进行CMP(化学机械抛光；Chemical Mechanical Polishing)工序，形成与接触层21a相连的布线层接触件26。
接下来，例如如图10所示，使用已知的技术，形成与绝缘膜层41以及布线层接触件26相连的第1层布线27a、第1层通路28a、第2层布线27b、第2层通路28b、布线层29。
接下来，例如如图11所示，在平坦化了的绝缘膜层41的表面上，通过已知的工序贴合支撑基板42。
接下来，例如如图12所示，通过蚀刻除去Si基板2。
接下来，例如如图13所示，通过蚀刻除去了埋入氧化膜3之后，在进一步通过蚀刻除去接触层21a的一部分，并且通过蚀刻除去绝缘膜21c的一部分，以使接触层21a的一端突出。
接下来，例如如图14所示，在Si外延层10的背面侧堆积背面绝缘膜23。
接下来，例如如图15所示，除去背面绝缘膜23的一部分以使接触层21a露出，形成背面接触部23a。
接下来，例如如图16所示，在Si外延层10的背面形成Al焊盘22以经由背面接触部23a与接触层21a连接之后，进一步在Al焊盘22上和背面绝缘膜23上堆积钝化绝缘膜24。
接下来，例如如图17所示，除去与传感器像素区域对应的、钝化绝缘膜24和背面绝缘膜23。
接下来，例如如图18所示，堆积钝化氧化膜33和钝化氮化膜34，以覆盖露出的传感器像素区域的Si外延层10和周边区域的钝化绝缘膜24。
接下来，例如如图19所示，对钝化绝缘膜24、钝化氧化膜33和钝化氮化膜34的一部分进行开口，通过该开口部使Al焊盘22露出。
最后，通过利用背面取出电极21作为对准标记，在与传感器像素区域对应的Si外延层10的背面上，对于每个单位单元形成滤色器35和微透镜36，由此完成例如如图1所示的背面照射型的CMOS图像传感器。
如上所述，可以原样利用对准标记还作为传感器的向背面侧的取出电极(或者可以原样利用传感器的向背面侧的取出电极还作为对准标记)。即，可以形成兼作对准标记的背面取出电极。由此可以将形成对准标记的工序和形成背面取出电极的工序集成为一个工序。从而可以减少工序数量。
而且，根据本实施方式，由于可以将对准标记微细化(按照窄的幅度形成)，所以可以将背面照射型的CMOS图像传感器形成为更小型。
【第2实施方式】
图20示出根据本发明第2实施方式的半导体装置的结构例。其中，说明了在背面照射型的CMOS图像传感器中进一步抑制背面取出电极的寄生电阻的情况。再有，对于与第1实施方式相同的部分赋予相同的符号，省略详细的说明。
即，本实施方式的背面照射型的CMOS图像传感器中，兼作对准标记的背面取出电极21用埋入了钨而成的接触层21a’构成。接触层21a’例如通过用钨置换构成上述接触层21a的低电阻多晶硅而形成。
下面说明制造上述结构的背面照射型的CMOS图像传感器时的方法。其中，直到通过蚀刻除去Si基板2的工序为止与第1实施方式相同，所以说明其以后的工序。
首先，在进行到通过蚀刻除去Si基板2的工序的状态(参照图3～图12)下，例如如图21所示，通过已知的光刻工序在埋入氧化膜3中形成与接触层21a对应的贯通通孔3a。
接下来，例如如图22所示，通过蚀刻除去接触层21a的低电阻多晶硅。
接下来，例如如图23所示，隔着绝缘膜21c，在接触孔21b内埋入钨形成接触层21a’。由此微细地形成具有埋入钨而成的接触层21a’的、兼作对准标记的背面取出电极21。该情况下接触层21a’的寄生电阻比接触层21a小。
接下来，例如如图24所示，在通过蚀刻除去了埋入氧化膜3之后，在进一步通过蚀刻除去接触层21a’的一部分，并且通过蚀刻除去绝缘膜21c的一部分，以使接触层21a’的一端露出。
接下来，例如如图25所示，在Si外延层10的背面侧堆积背面绝缘膜23。
接下来，例如如图26所示，除去背面绝缘膜23的一部分以使接触层21a’露出，形成背面接触部23a。
接下来，例如如图27所示，在Si外延层10的背面形成了Al焊盘22以经由背面接触部23a与接触层21a接触之后，进一步在Al焊盘22上和背面绝缘膜23上堆积钝化绝缘膜24。
接下来，例如如图28所示，除去与传感器像素区域相对应的钝化绝缘膜24和背面绝缘膜23。
接下来，例如如图29所示，堆积钝化氧化膜33和钝化氮化膜34以覆盖露出的传感器像素区域的Si外延层10和周边区域的钝化绝缘膜24。
接下来，例如如图30所示，对钝化绝缘膜24、钝化氧化膜33和钝化氮化膜34的一部分进行开口，通过该开口部使Al焊盘22露出。
最后，通过利用背面取出电极21作为对准标记，在与传感器像素区域对应的Si外延层10的背面上，对于每个单位单元形成滤色器35和微透镜36，由此完成例如如图20所示的背面照射型的CMOS图像传感器。
本实施方式的情况下，除了第1实施方式的效果(能够微细化对准标记，将背面照射型的CMOS图像传感器形成为更小型)外，通过用钨置换成为背面取出电极21的接触层的多晶硅，能够大幅度地降低背面取出电极21的寄生电阻。
【第3实施方式】
图31示出了根据本发明第3实施方式的半导体装置的结构例。其中，说明了在背面照射型的CMOS图像传感器中能够进一步抑制背面取出电极的寄生电阻的情况的其他例子。再有，对于与第1实施方式相同的部分赋予相同的符号，省略详细的说明。
即，本实施方式的背面照射型的CMOS图像传感器的兼作对准标记的背面取出电极21的接触层21a”和焊盘22a用铜(Cu)构成。接触层21a”和焊盘22a例如通过电镀法同时形成。
下面说明制造上述结构的背面照射型的CMOS图像传感器时的方法。其中，直到在背面绝缘膜23上形成背面接触部23a的工序为止与第1实施方式相同，所以说明其以后的工序。
首先，在进行到在背面绝缘膜23上形成背面接触部23a的工序的状态(参照图3～图15)下，例如如图32所示，通过蚀刻除去接触层21a的低电阻多晶硅。
接下来，例如如图33所示，通过电镀法，在接触孔21b内埋入Cu而形成接触层21a”，并且形成焊盘22a。由此微细地形成具有埋入铜而成的接触层21a”的、兼作对准标记的背面取出电极21。该情况下接触层21a”的寄生电阻比接触层21a、21a’小。
另外，在形成了背面取出电极21之后，进一步在焊盘22a上和背面绝缘膜23上堆积钝化绝缘膜24。
接下来，例如如图34所示，除去与传感器像素区域相对应的钝化绝缘膜24和背面绝缘膜23。
接下来，例如如图35所示，堆积钝化氧化膜33和钝化氮化膜34以覆盖露出的传感器像素区域的Si外延层10和周边区域的钝化绝缘膜24。
接下来，例如如图36所示，对钝化绝缘膜24、钝化氧化膜33和钝化氮化膜34的一部分进行开口，通过该开口部使焊盘22a露出。
最后，通过利用背面取出电极21作为对准标记，在与传感器像素区域对应的Si外延层10的背面上，对于每个单位单元形成滤色器35和微透镜36，完成例如如图31所示的背面照射型的CMOS图像传感器。
本实施方式的情况下，除了第1实施方式的效果(能够微细化对准标记，将背面照射型的CMOS图像传感器形成为更小型)外，通过用铜置换成为背面取出电极21的接触层的多晶硅，能够大幅度地降低背面取出电极21的寄生电阻。
另外，通过与背面取出电极21的接触层21a”同时地形成焊盘22a，能够比上述第2实施方式的情况更减少工序数量。
再有，在上述各实施方式中，都以背面照射型的CMOS图像传感器为例进行了说明，但是不限于此，例如可以适用于在装置的背面侧取出电极的结构的各种半导体装置。
另外，背面取出电极的接触层的个数和配置等显然不限定于各实施方式的结构。
而且，在形成背面取出电极的接触层时，可以代替钨，而用铜等进行置换(第2实施方式)。
尤其是，在第2、第3实施方式中，对于接触层的形成，可以不置换多晶硅，而用钨或铜等形成。该情况可以减少工序数量。
其他优势和变形对本领域技术人员来说是显而易见的。因此本发明在其更广泛的方面不限于在此描述的特定细节和代表性实施例。因此，在不脱离附加的权利要求和其等效物所限定的本发明构思的精神或范围内可进行各种变形。

Claims (6)

1.一种半导体装置，包括：
半导体基板；
背面取出电极，在贯通所述半导体基板的接触孔内，隔着形成为具有均匀膜厚的绝缘膜埋入第1导电材料，用于在所述半导体基板的背面侧取出还用作对位用标记的电极；以及
焊盘，设置在所述半导体基板的背面，与所述背面取出电极连接，
所述电极用电阻比所述第1导电材料低的第2导电材料来置换所述第1导电材料。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述电极和所述焊盘用电阻比所述第1导电材料低的第3导电材料来置换所述第1导电材料。
3.如权利要求2所述的半导体装置，其中，
所述第1导电材料是添加了杂质的多晶硅；
第2导电材料是钨；
第3导电材料是铜。
4.如权利要求1所述的半导体装置，其中，
还包括背面照射型的CMOS图像传感器，该背面照射型的CMOS图像传感器形成为：在所述半导体基板的表面侧设置传感器部，在与所述表面侧相对的所述半导体基板的所述背面侧，设置用所述背面取出电极作为所述对位用标记而形成的透镜。
5.如权利要求1所述的半导体装置，其中，
还包括与所述电极连接的接触件。
6.如权利要求5所述的半导体装置，其中，还包括：
与所述接触件电连接的多层的布线及通路；以及
与所述多层的布线及通路电连接的布线层。
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