CN1832140A - 用于图像传感器的自对准金属硅化物处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在CMOS图像传感器上形成自对准金属硅化物的自对准金属硅化物工艺方法，该方法可与传统的CMOS图像传感器处理工艺相统一。其中，绝缘层沉积在图像传感器的像素阵列上方；采用光刻胶作掩模，除去部分的绝缘层，并沉积金属层；光刻胶掩模保护图像传感器的感光区域；对金属层进行退火处理，以形成金属硅化物。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器，更具体地讲，本发明涉及一种采用自对准金属硅化物(salicide)工艺进行处理的图像传感器。
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。
随着进一步的集成，图像传感器的一个重要性能是快速从像素阵列中读取信号的能力。包含五百万以上独立像素的像素阵列并不罕见。许多图像传感器采用自对准金属硅化物工艺来改善***晶体管的速度，并提供低阻抗的布线与局部互连。
然而，现有技术已经知道应当对光电二极管传感器区域进行保护，以避免受到自对准金属硅化物处理的损害。如果光电二极管经受了自对准金属硅化物处理(一般地为钴或钛自对准金属硅化物)，那么图像传感器的性能将会降低。具体地讲，钴或钛自对准金属硅化物(CoSi2或TiSi2)是不透光的，而且将会阻挡来自下面的光电二极管的光线而降低灵敏度。进一步地，自对准金属硅化物还会增大暗电流。由于这些原因，在光电二极管上方，而且通常在整个成像阵列上方，设置了保护涂层(一般地为氧化物或氮化物或氧化物-氮化物复合膜)，以便在自对准金属硅化物处理过程中保护检测区。
然而，由于晶体管门电路没有被完全自对准金属硅化物处理，会出现显著的收益损失(yield loss)，这种收益损失将导致那些门电路的RC时间常数的增加，从而将使图像传感器几乎无法使用。这样，在设计电路中，电压驱动脉冲的门电路响应时间变慢，不能在正确的时间间隔内进行响应。对于长和/或宽的晶体管门电路，以及对于没有在整个晶圆上进行均匀地自对准金属硅化物处理的晶体管门电路，这种问题尤其严重。
图1-图7显示了用于图像传感器的金属自对准金属硅化物处理的现有技术方法。参照图1，图像传感器的剖视图显示了阵列区域101与***区域103。阵列区域101包括像素阵列以及各种互连资源。***区域103包括逻辑电路、时序电路、控制电路、信号处理、以及用于控制和读取来自阵列区域101的信号的元件。需要指出的是，图1是四晶体管像素的剖视图，但也可以采用其它的像素设计。
现有技术的自对准金属硅化物处理一般是在隔板(spacer)蚀刻和植入步骤完成之后进行的。由于植入步骤需要高温来激活掺杂物，而这种高温将会破坏自对准金属硅化物。而且，没有适当设置的隔板，将会在源区和设有晶体管门电路的漏区之间出现短路。因此，自对准金属硅化物处理一般是在像素形成以后进行的。
如图1所示，按照现有技术，绝缘层115沉积在阵列区域101和***区域103的上方。接着，如图2所示，在绝缘层115上方形成有机膜201(例如光刻胶或底部防反射涂层)。因为图像传感器的表面不平坦(由下面的各种晶体管或互连结构引起)，因而沉积的膜201不是均匀的。
低凹区域如光电二极管和源极/漏极区域被厚的有机膜覆盖。在门电路区域和多晶硅互连结构113上，有机膜201的厚度取决于那些多晶硅元件的形貌(feature)尺寸。在较大的形貌处，有机膜201可以达到其全部厚度，大约与光电二极管区域上的厚度相同。然而，在较小的形貌处，如像素的传输门电路与复位门电路，有机膜201是比较薄的。
参照图3，按照现有技术的处理方法，采用深蚀刻(etchback)步骤除去部分有机膜201。但是，保留了多晶硅互连区域113上的那部分有机膜201。如果为了除去多晶硅互连结构113上的有机膜201而增加蚀刻时间，那么光电二极管上的有机膜201也会被除去。
这里的附图与描述仅仅是此类问题的一个示例。宽的多晶硅互连结构113可以是长互连结构的一部分，其将传输门电路连接到***驱动电路。它还可以是用于复位门电路或者行选择门电路的长、宽互连结构。在所有这些情形中，存在的问题是目前的制造工艺没有加工余量(process margin)来保证从多晶硅互连113上完全除去有机膜201时、在光电二极管上仍保留有有机膜201。
图4-图7进一步显示了现有技术的局限性。具体地，在图4中，暴露的绝缘层115被除去。例如，绝缘层115可以是二氧化硅。除去处理可以采用湿蚀刻(HF蚀刻剂)处理或者干蚀刻处理，例如，干蚀刻可以是采用含氟气体的等离子体处理。
图4显示了有机膜201保留在原处但是晶体管门电路上的氧化物被除去。除去氧化层115是为了保护光电二极管区域而使多晶硅门电路暴露。如图4所示，因为有机层201保留在多晶硅互连结构113上方，多晶硅互连结构113上方的氧化层115被保留。
有机层201被除去之后，如图5所示，形成光刻胶层501的图案，使得***区域103中的绝缘层115被除去。在光刻胶层501被剥去以后，沉积金属，如钛、钴、或镍。然后，将图像传感器暴露于热源，在金属与硅接触的地方形成了如图6所示的金属自对准金属硅化物。未反应的金属可以采用选择性的湿蚀刻剂除去，例如APM(氢氧化氨与过氧化氢混合物)。选择性除去未反应金属的结果如图7所示。在这一点上，现有技术的问题是非常明显的。阵列中宽的多晶硅互连结构113的上方没有形成自对准金属硅化物。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在长和/或宽多晶硅互连结构上充分形成自对准金属硅化物的方法。
一方面，本发明提供了一种在硅基体中的像素阵列上形成硅化物的方法，该像素阵列具有至少一个多晶硅结构，该方法包括：
在像素阵列上方形成绝缘层；
在绝缘层上方形成光刻胶，该光刻胶至少保护像素阵列中的感光区域；
采用光刻胶作为掩模除去部分绝缘层，以暴露至少一个多晶硅结构以及硅基体的一部分；
在绝缘层上方、至少一个多晶硅结构上方以及半导体基体的上述暴露部分上方形成金属层；以及
通过使金属层退火而形成金属硅化物，该金属硅化物形成在金属层与硅基体及至少一个多晶硅结构相接触的地方。
在上述本发明的方法中，还可以进一步包括除去没有反应形成金属硅化物的金属层的步骤。其中，绝缘层可以为氧化层；金属层可以为钴、镍、钛、钼、钽、钨或这些金属的合金；像素阵列中的像素可以包含漂浮扩散；多晶硅结构可以为多晶硅互连结构；光刻胶也可以保护漂浮扩散。
上述方法中，像素可以包括设有由多晶硅形成的门电路的复位晶体管与传输晶体管，而且可以采用光刻胶作掩模，从门电路顶部除去绝缘层。
本发明的另一种技术方案是：一种在图像传感器的制造过程中形成硅化物的方法，该图像传感器形成在硅基体中且包括像素阵列区域与***区域，同时该图像传感器具有至少一个多晶硅结构，该方法包括：
在像素阵列区域与***区域上方形成绝缘层；
在绝缘层上方形成光刻胶，光刻胶至少保护像素阵列区域中的感光区域；
采用光刻胶作为掩模除去部分绝缘层，以暴露出至少一个多晶硅结构以及硅基体的一部分；
在绝缘层上方、至少一个多晶硅结构上方以及半导体基体的上述暴露部分上方形成金属层；以及
通过使金属层退火而形成金属硅化物，该金属硅化物形成在金属层与硅基体及至少一个多晶硅结构相接触的地方。
本发明的有益效果是：采用光刻胶作为掩模有效地将多晶硅结构上的绝缘层除去，同时保留感光区域上的绝缘层，从而能够保证在长和/或宽多晶硅互连结构上也充分形成自对准金属硅化物，避免了实质性的收率损失。
附图说明
图1-图7显示了在CMOS图像传感器中形成自对准金属硅化物结构的现有技术方法的剖视图。
图8-图12显示了在CMOS图像传感器中形成自对准金属硅化物结构的本发明方法的剖视图。
具体实施方式
在下面的描述中，提供了许多特定细节，以便对本发明的具体实施方式进行透彻的理解。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、材料、操作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。
参照图8，其显示了代表性的CMOS图像传感器的剖视图。与上述图1中现有技术相似，图像传感器包括像素阵列区域101及***区域103。尽管图8(以及后面的附图)显示的是四晶体管(4T)像素设计的剖视图，但是本发明的启示与构造可以同样应用于采用了3T、5T、6T、7T或任何其它像素设计的CMOS图像传感器中。例如，本发明可以应用于包括以下元件的像素：复位晶体管、行选择晶体管、球形快门晶体管(global shutter transistor)、高动态范围晶体管、连接到侧向溢漏(lateral overflow drain)的晶体管(侧向溢出晶体管)或控制漂浮扩散的晶体管(漂浮扩散开关晶体管)。
需要指出的是，本发明的启示可以用于任何形成硅化物结构的集成电路。将本发明应用于CMOS图像传感器只是提供了如何使用本发明的一个例子。下面可以看到，本发明可做如下概括：(1)在设有各种凸起的硅和/或多晶硅部件的基体上方形成绝缘层；(2)在绝缘层上形成有机层，有机层的图案被设计成可以保护某些敏感区域；(3)进行蚀刻步骤，以便将未被保护的凸起部件上的绝缘层除去；(4)在凸起部件的上表面沉积金属层；(5)进行退火处理，以便形成金属硅化物，其中，金属硅化物形成在金属层与硅和/或多晶硅的上表面相接触的地方；以及(6)除去未反应的金属层。
再参照将本发明具体应用于CMOS图像传感器的描述，在图8所示的4T设计中，像素阵列区域101(显示了一个像素)包括感光元件(photosensor)104、复位晶体管108、传输晶体管109、漂浮节点105、连接到Vdd供给电压(未示出)的n+扩散106、多晶硅互连结构113以及浅沟槽隔离(STI)区域111。感光元件104可以是光电二极管、光电门或光电导体。
需要指出的是，图8仅显示了4T像素的一部分，而且为了清楚的目的，没有显示其它的元件(如放大晶体管)。像素的其它元件和操作与本发明不是特别密切相关，而且属于本领域普通技术人员所熟知的技术。
类似地，在***区域103中，只以剖视形式显示了一个晶体管。这个晶体管是作为形成在***区域中的各种类型电路与器件的示例。因此，该晶体管只是存在于***区域103中器件类型的代表。
如图8所示，绝缘层803覆盖沉积在CMOS图像传感器上。绝缘层803可以采用各种沉积技术进行沉积，如化学气相沉积(CVD)、等离子提高的化学气相沉积(PECVD)或者高密度等离子化学气相沉积(HDPCVD)。在一实施方案中，绝缘层803为氧化物。在形成绝缘层803以后，光刻胶层801被造形(形成一定图案)，以便保护光电二极管104。晶体管(108、109以及***区域)与多晶硅互连113被暴露。
接着，如图9所示，用光刻胶801作为掩模，将绝缘层803的一部分除去。光电二极管104上的绝缘层803被保留。绝缘层803可以采用湿蚀刻剂来除去，如HF(氟化氢)。可选择的方案是，在等离子处理中采用氟气体进行干蚀刻。
参照图10，接着进行处理，如溅散，以便在图像传感器上沉积金属层。尽管金属层可以是任何一种用于半导体处理的金属，如镍、钴、钨、钛或钼，但在一实施方案中，金属层是由钴形成的。需要指出的是，由于绝缘层803已被除去，金属可以直接地接触多晶硅层以及晶体管的源极和漏极区域。
仍参照图10，进行热退火处理，以便使金属与暴露的硅基体以及暴露的多晶硅门电路相互作用。这使得在金属与硅(或多晶硅)接触的那些区域上形成自对准金属硅化物1001。
接着除去金属，但在图10中未显示。例如，这个步骤可以采用适当的湿蚀刻技术进行。这种湿蚀刻的一个示例可以是H2O2(过氧化氢)中的NH4OH(氢氧化铵)。
在图11和图12所示的一种可供选择的实施方案中，光刻胶层1101不仅覆盖了光电二极管，还覆盖了漂浮扩散(漂浮节点)105。漂浮节点105是要求具有低结合泄漏(junction leakage)的区域，以便提高图像传感器的性能。因而，保护漂浮节点是有利的。因此，在绝缘层803的某些部分被除去以后，漂浮节点105与光电二极管104上仍具有保护性的绝缘层803。在金属沉积、反应、除去以后，由此产生的结构如图12所示。
通过上面的描述和附图可以看出，本发明揭示了一种与传统的CMOS图像传感器处理流程一致的自对准硅化物(self-alignedsilicide)工艺。如前所述，可以采用多种类型的金属，甚至金属合金。例如，可以采用钛/钨、钛/钼、钴/钨或者钴/钼。
上述内容应理解为：这里所介绍的本发明的具体实施例只是为了描述本发明，但是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式。例如，尽管本发明是以自对准金属硅化物进行描述的，但是发明可以适用于硅化物结构，而且此处这两个术语是可以互换的。进一步地，尽管本发明是结合于CMOS图像传感器进行说明的，但是本发明可以用于其它类型的固态传感器，例如CCD。因此，除权利要求以外，本发明的保护范围不受任何限制。
Claims (16)
1、一种在硅基体中的像素阵列上形成硅化物的方法，所述像素阵列具有至少一个多晶硅结构，该方法包括：
在所述的像素阵列上方形成绝缘层；
在所述的绝缘层上方形成光刻胶，所述的光刻胶至少保护所述像素阵列中的感光区域；
采用所述的光刻胶作为掩模，除去部分所述的绝缘层，以便暴露出所述的至少一个多晶硅结构以及所述硅基体的一部分；
在所述的绝缘层上方、所述的至少一个多晶硅结构上方以及所述半导体基体的所述暴露部分上方形成金属层；以及
通过使所述金属层退火而形成金属硅化物，所述的金属硅化物是在所述金属层与所述硅基体和所述至少一个多晶硅结构相接触的地方形成的。
2、如权利要求1所述的方法，其进一步包括除去没有反应形成所述金属硅化物的所述金属层的步骤。
3、如权利要求1所述的方法，其中，所述的绝缘层为氧化层。
4、如权利要求1所述的方法，其中，所述的金属层为钴、镍、钛、钼、钽、钨或其合金。
5、如权利要求1所述的方法，其中，所述的像素阵列包括具有漂浮扩散的像素。
6、如权利要求5所述的方法，其中，所述的光刻胶也保护所述的漂浮扩散。
7、如权利要求1所述的方法，其中，所述的多晶硅结构为多晶硅互连结构。
8、如权利要求5所述的方法，其中，所述的像素包括设有由多晶硅形成的门电路的复位晶体管与传输晶体管，而且采用所述光刻胶作掩模从所述门电路顶部除去所述绝缘层。
9、一种在图像传感器制造过程中形成硅化物的方法，该图像传感器形成在硅基体中，所述的图像传感器包括像素阵列区域与***区域，所述的图像传感器具有至少一个多晶硅结构，该方法包括：
在所述的像素阵列区域与所述的***区域上方形成绝缘层；
在所述的绝缘层上方形成光刻胶，所述的光刻胶至少保护所述像素阵列区域中的感光区域；
采用所述的光刻胶作为掩模，除去部分所述绝缘层，以便暴露所述的至少一个多晶硅结构以及所述硅基体的一部分；
在所述的绝缘层上方、所述的至少一个多晶硅结构上方以及所述半导体基体的所述暴露部分上方形成金属层；以及
通过使所述金属层退火而形成金属硅化物，所述的金属硅化物是在所述金属层与所述硅基体及所述至少一个多晶硅结构相接触的地方形成的。
10、如权利要求9所述的方法，其进一步包括除去没有反应形成所述金属硅化物的所述金属层的步骤。
11、如权利要求9所述的方法，其中，所述的绝缘层为氧化层。
12、如权利要求9所述的方法，其中，所述的金属层为钴、镍、钛、钼、钽、钨或其合金。
13、如权利要求9所述的方法，其中，所述的像素阵列包括具有漂浮扩散的像素。
14、如权利要求13所述的方法，其中，所述的光刻胶也保护所述的漂浮扩散。
15、如权利要求9所述的方法，其中，所述的多晶硅结构为多晶硅互连结构。
16、如权利要求13所述的方法，其中，所述的像素包括设有由多晶硅形成的门电路的复位晶体管与传输晶体管，而且采用所述光刻胶作掩模从所述门电路顶部除去所述绝缘层。
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