专利名称：互补金属氧化物半导体图像传感器件的结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光电二极管图像传感器件的结构及其制造方法。更具体来讲，本发明涉及一种具有铜互连线的光电二极管图像传感器件以及制造该器件的方法。
背景技术：
光电二极管图像传感器将光学信息转化为电信号。目前，基本上存在两种不同类型的固态图像传感器MOS(metal-oxide-semiconductor，金属氧化物半导体)类型和CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)类型。采用光电二极管的产品包括那些采用接触式图像传感器(CISs)的产品，例如手持电话(HHPs)、照相机、以及扫描仪，其中的照相机也包括集成在蜂窝电话中的摄像头。采用光电二极管的其它产品包括那些依赖于电荷耦合器件(CCDs)的装置，例如CCTV摄像机、便携式摄录机(camcorders)、以及数码摄像机。
近些年来，在IC行业中通常是用铝作为制造IC器件中导导电互连线的金属。然而，对于电路设计规格或图形厚度小于0.13μm的半导体器件，形成铝互连线通常是很困难的。但是，随着半导体器件的集成度变得越来越高，更小的互连接触点(interconnection contact)越来越成为必要的了。因而，随着对更小的光电二极管图像传感器件的需求不断增加，加大了制造设计规格或图形厚度小于0.13μm的导电互连线的压力。
在设计规格或图形厚度小于0.13μm的应用场合中，铜被认为可作为铝的替代金属。但是，铜原子趋于扩散到周围的材料中，例如扩散到层间介质层中，并对下面的晶体管或其它元件的电特性造成不利影响。因而，为了在集成电路器件中用铜作为互连线材料，必须要设置一扩散阻挡层，以防止铜扩散到周围的材料中。通常，这种扩散阻挡层是用SiN或SiC制成的。但是，这些材料是不透明的，因而，对于具有光电二极管的图像器件的性能会带来不利的影响，所述图像器件的性能完全取决于所接收到的外部光线的水平。
发明内容
为了克服上述的缺陷和问题，本发明一实施例的特征在于提供一种图像传感器件，其包括一衬底，该衬底中形成有光电二极管；一隔离区，其形成在衬底上，位于光电二极管的第一侧；以及多个晶体管，其形成在衬底上，位于光电二极管的第二侧，光电二极管与晶体管存在电连接；至少一个下接触点，其形成在晶体管的源极/漏极区以及栅极上；至少一条导电互连线，其形成在所述至少一个下接触点上，并与光电二极管保持电连接；一具有光线入口的光线通路，光线通路被设置成与光电二极管对正；一彩色滤光片，其被布置在光线通路的光线入口的上方；以及一透镜，其被布置在彩色滤光片的上方，并与光线通路对正，其中，所述的至少一条导电互连线包括一铜互连线结构，铜互连线结构延伸穿过叠层构造的多个层间介质层，在相邻的层间介质层之间设置有扩散阻挡层，且在铜互连线结构与多个层间介质层之间设置一阻挡金属层，并且该铜互连线结构穿插扩散阻挡层。
光电二极管可以是p/n光电二极管、PIN光电二极管、或雪崩光电二极管。图像传感器件可以是电荷耦合器件或接触式图像传感器。
图像传感器件还可包括一第一保护层，其覆盖铜互连线的最上层表面，该第一保护层是从由SiC、SiN、位于SiN上的SiO2以及位于SiC上的SiO2构成的组中选出的材料制成的。图像传感器件还可包括一第二保护层，其被布置在第一保护层以及光线通路的内表面上，该第二保护层是由氧化硅系列材料制成的。在光线通路的底部，第二保护层可以具有抗反射的特性。
下接触点可以是由从如下一组材料中选出的材料制成的铜、钨以及钛。当下接触点是由铜制成时，则可在下接触点与多个层间介质层中的第一层间介质层之间设置一阻挡金属层，以防止铜扩散。图像传感器还可包括一抗反射层，其形成在具有光电二极管、多个晶体管、以及隔离区的衬底上，或者图像传感器可以包括被构图在光线通路下方的光电二极管上的抗反射层。在该图像传感器件中，可用诸如旋涂于玻璃上的SiO2乳胶(SOG)或光致抗蚀剂的透明材料来填充光线通路。彩色滤光片可包括一包含光致抗蚀剂的模片。透镜可以是凸面形状的微透镜。图像传感器还可包括一位于光线通路的侧壁上的阻挡金属层。
本发明一实施例的另一个特征在于提供了一种用于制造图像传感器件的方法，该方法包括步骤在一衬底中制出一光电二极管；在位于光电二极管的一第一侧的衬底中制出一隔离区；在位于光电二极管的一第二侧的衬底上制出多个晶体管，晶体管具有源极/漏极区以及一栅极；在具有光电二极管的衬底上制出一层间介质结构，其包括交替叠置的多个层间介质层和扩散阻挡层，且该结构的最上层是一层间介质层；与此同时，在一阻挡金属层中形成由铜互连线制成的至少一条导电互连线，该导电互连线穿过交替叠置的层间介质层和扩散阻挡层并与光电二极管和至少一个晶体管保持电连接；通过去除位于光电二极管上方的层间介质结构部分而形成一光线通路，其具有一与光电二极管对齐的光线入口；在光线通路的光线入口的上方形成一彩色滤光片；以及在彩色滤光片的上方形成一透镜，并使其与光线通路对正。
在用于制造图像传感器件的方法中，光电二极管可被制成如下一组器件中的一种p/n型光电二极管、PIN型光电二极管和雪崩光电二极管。
在本发明的一实施例中，形成层间介质结构和光线通路还包括步骤A.在具有光电二极管、隔离区以及多个晶体管的衬底上形成一第一层间介质层，该第一层间介质层是用透明材料制成的；B.对第一层间介质层执行构图，以形成位于晶体管的源极/漏极区以及栅极上方的接触孔；C.用金属填充接触孔，从而形成下接触点；D.在第一层间介质层上依次形成一第一扩散阻挡层和一第二层间介质层；E.对第二层间介质层和第一扩散阻挡层执行构图，以在下接触点的上方形成通路孔；F.对第二层间介质层执行构图，以在通路孔的上方形成沟槽；G.在通路孔和沟槽内形成一阻挡金属层；H.用铜填充通路孔和沟槽，以形成铜互连线；I.重复步骤D-H，以形成具有预定层数的层间介质结构；J.在形成光线通路之前，在位于最上方的层间介质层中的铜互连线上形成一第一保护层；K.在形成彩色滤光片和透镜之前，用透明材料填充光线通路。
在本发明的另一实施例中，形成光线通路的步骤包括依次地对位于光电二极管上方的各层间介质层和扩散阻挡层部分进行蚀刻，并向下蚀刻到第一层间介质层。
在本发明的又一实施例中，所述制造方法还包括在E步骤中，对第二层间介质层和第一扩散阻挡层执行构图，以在光电二极管的上方形成虚设孔；在G步骤中，在虚设孔中形成阻挡金属层；以及在步骤H中，用铜填充虚设孔，以形成除了铜互连线之外的铜虚设图形。形成光线通路的步骤优选地包括执行一湿蚀刻工艺，以去除设置在光电二极管上方的铜虚设图形，并去除仍留在光线通路的底部和侧壁上的阻挡金属层。
在本发明的另一实施例中，该方法还包括在步骤E中，对第二层间介质层和第一扩散阻挡层执行构图，从而在光电二极管相对端的上方形成两个虚设孔，由此，在位于光电二极管上方的两虚设孔间之中形成一层间介质虚设图形；且在步骤G中，在虚设孔中形成阻挡金属层；并在步骤H中用铜将虚设孔填充。优选地是，两虚设孔与通路孔的宽度是相同的。另外，在步骤F中，当蚀刻沟槽时，可以对层间介质虚设图形进行蚀刻，从而使层间介质虚设图形的高度与沟槽的深度相等。形成光线通路的步骤优选地包括对虚设孔中的铜执行一湿蚀刻工艺，从而去除虚设孔中的铜以及层间介质虚设图形。
在形成互连线的H步骤中，优选地包括在层间介质层上形成一铜层，以填充通路孔和沟槽，并利用化学机械抛光的方法对铜层执行平面化，从而露出其下方层间介质层的表面。
在本发明的另一实施例中，在步骤C中，如果金属是铜，则该方法还包括在用金属填充接触孔之前，在接触孔中形成一阻挡金属层。
本领域技术人员在阅读了下文参照附图对本发明优选实施例所作的详细描述之后，能很清楚地领会本发明上述的这些特征和优点，在附图中图1是一剖面图，表示了一种根据本发明第一实施例的光电二极管图像传感器件；图2A-2R中的各个剖面图表示了图1所示的光电二极管图像传感器件在各个制造阶段时的情形，用来说明一种根据本发明第一实施例的、用于制造图像传感器件的方法；图3中的剖面图表示了根据本发明另一实施例的光电二极管图像传感器件；图4A-4J中的各个剖面图表示了图3所示的光电二极管图像传感器件在各个制造阶段时的情形，用来说明一种根据本发明第二实施例的、用于制造图像传感器件的方法；图5是对图4A中的“A”部分所作的放大视图；图6A-6H中的各个剖面图表示了图3所示的光电二极管图像传感器件在各个制造阶段时的情形，用来说明一种根据本发明第三实施例的、用于制造图像传感器件的方法；图7A-7H中的各个剖面图表示了图1所示的光电二极管图像传感器件在各个制造阶段时的情形，用来说明根据本发明第四实施例的、用于制造图像传感器件的一种替代方法；以及图8和图9中的剖视图表示了一种根据本发明的、具有抗反射层的光电二极管图像传感器件。
具体实施例方式
下面将参照附图对本发明作更为全面地描述，在附图中，表示出了本发明的优选实施例。但本发明的实施方式可以有很多种，不应当仅限于按照本文所提出的这些实施例进行制造。然而，提供这些实施例将使得本申请公开充分、完整，并将本发明的保护范围完全地展现给本领域的技术人员。在附图中，为了清楚起见，各层的厚度以及各区域都被放大了，所有相同的元件都用相同的标记指代。
另外，还可以理解尽管本发明的实施例是结合p/n型光电二极管进行描述的，但也可采用诸如PIN型光电二极管以及雪崩型光电二极管等其它光电二极管。
在本发明的一个实施例中，提供了如图1所示的图像传感器件。该图像传感器件包括一衬底100，衬底中制有一p/n型光电二极管110，该光电二极管为光接收元件；一隔离区102，其形成在衬底100中，并位于p/n光电二极管110的第一侧；多个晶体管120，其形成在衬底100上，并位于p/n型光电二极管110的第二侧。多个晶体管120的每一个都包括一栅极绝缘层112、一栅极电极114、一源极/漏极区122、以及间隔壁116。一导电互连线105利用接触点140与晶体管120的源极/漏极区122和栅极电极114相接触。一晶体管120与p/n光电二极管110连接，且当照射到p/n二极管上的光线具有足够的能量来产生电子-空穴对时，晶体管120接收由p/n光电二极管110产生的电子。光线是经一光线通路272传播到p/n光电二极管110处的，光线通路272与p/n光电二极管110相对正。由光激发的高能电荷产生运动以形成电流，该电流从导电互连线105中流过，导电互连线105通过晶体管120与p/n型光电二极管110实现电连接。图像传感器件的p/n型光电二极管110利用下文将要介绍的过程将光能转化为电能。
图像传感器件还包括一彩色滤光片300，其被形成在光线通路272的上方，以及一透镜310，其形成在彩色滤光片上。导电互连线包括铜互连线170、200、230以及260，它们分别形成在阻挡金属层411、421、431和441中，以防止铜原子扩散到层间介质层130、160、190、220以及250中，不然的话，铜原子会经层间介质层迁移到晶体管120中，从而带来不利的电学效应。铜互连线200、230和260分别由沟槽部分200b、230b、260b以及通路部分200a、230a和260a构成的。在相邻的层间介质层之间形成有扩散阻挡层150、180、210以及240。该图像传感器件还包括一第一保护层270，其被形成在位于最上一层的层间介质层250中的最上方铜互连线260上，该保护层的作用在于当在p/n型光电二极管110的上方形成光线通路272时，其用于保护导电互连线105。下文将针对本发明的各个实施例对制造光线通路272的各种方法进行描述。最后，图1中还表示出了一第二保护层280，其可被形成在第一保护层270上、以及光线通路272的内表面上。
应当指出的是利用本发明的方法，可在图像传感器件中使用铜互连线，由此可制出设计规格或图形厚度小于0.13μm的图像传感器件。
如图8所示，图像传感器件还可包括一抗反射层500，其形成在衬底上。作为备选方案，如图9所示，图像传感器件可包括一抗反射层图形501，其位于光线通路272的下方。位于光线通路272底部的第二保护层部分可由抗反射材料制成，在此情况下，就没有必要另外增设诸如500或510的附加抗反射层。
下面将对本发明的实施例作详细地描述，这些实施例展示了制造图1、3、8以及9所示器件的各种不同方法。
参见图2A，在一半导体衬底100中制出一p/n型光电二极管110，其是一种光接收元件，并在p/n型光电二极管110的第一侧形成一隔离区102，且在p/n型光电二极管110的第二侧形成多个晶体管120。每个晶体管120包括一栅极绝缘层112、一栅极电极114、一源极/漏极区122以及间隔壁116。用例如氧化硅等透明材料制出一第一层间介质层130。利用现有技术对第一层间介质层130执行构图，其中的构图技术例如为淀积和显影光致抗蚀剂材料以形成一掩模图形，通过该图形可将介质材料去除。利用诸如等离子蚀刻或反应离子蚀刻的蚀刻工艺将介质材料的图形去除，从而形成接触孔132，这些接触孔暴露出源极/漏极区122以及栅极电极114的一部分。可在第一层间介质层130上、以及接触孔132中制出一第一阻挡金属层400。
如图2B所示，然后用诸如钛、钨或铜的金属138来填充接触孔132。可通过电镀、化学镀、化学气相淀积、物理气相淀积或这些方法的任意组合来淀积金属138。如果采用铜，则优选在接触孔中采用阻挡金属层400，以防止铜发生扩散。当在接触孔132中采用阻挡金属层时，可利用标准的溅射方法来形成第一阻挡金属层400。
参见图2C，利用诸如化学-机械抛光的方法将过量的金属138(见图2B)以及第一阻挡金属层400(见图2B)去掉，从而露出第一层间介质层130的表面，由此就在位于接触孔132(参见图2A)中的第一阻挡金属层的401部分上形成了下接触点140。在第一层间介质层130上依次制出一第一扩散阻挡层150和一第二层间介质层160。扩散阻挡层150用于防止铜扩散到层间介质层130中，从而保护了对铜扩散极为敏感的、位于下方的晶体管120。扩散阻挡层150还起到一个蚀刻停止层的作用。可用SiN或SiC来制出扩散阻挡层150，但SiC还可包含N元素或O元素，SiN还可包含O元素。扩散阻挡层150的厚度可在200～1000之间，优选地是在300～700之间。因为SiN和SiC是不透明的，所以必须要去除掉部分阻挡层，以防止光线在到达p/n型光电二极管110之前被该阻挡层过滤掉。
然后，如图2D所示，对第二层间介质层160和第一扩散阻挡层150进行蚀刻，从而形成分别位于p/n型光电二极管110和下接触点140的上方的第一虚设孔164和第一沟槽162。第一沟槽162和第一虚设孔164是利用公知的镶嵌技术(damascene technique)形成的。虚设孔164底部的宽度被制成略小于光电二极管110的宽度。如图2E所示，在第二层间介质层160上以及沟槽162和虚设孔164中制出一第二阻挡金属层410。然后，如图2F所示，在第二阻挡金属层410上制出一第一铜层159。可通过首先用溅射工艺淀积一铜种子层、然后再进行电镀的方法来形成第一铜层159。也可用其它的方法来形成第一铜层159，这些方法例如为化学镀、化学气相淀积、物理气相淀积或这些方法的组合形式。
如图2G所示，例如可利用CMP的方法来对第一铜层159执行平面化，从而分别在第一虚设孔164中和第一沟槽162中形成第一铜虚设图形172和下互连线170。将第二阻挡金属层410也去除掉，从而露出第二层间介质层160的上表面，且留下分别位于第一虚设孔164和第一沟槽162中的第二阻挡金属层的413部分和411部分，以防止铜原子扩散到周围的层间介质层中。
如图2H所示，然后，在第二层间介质层160上制出一第二扩散阻挡层180，并在第二扩散阻挡层180上制出一第三层间介质层190。优选地是第三层间介质层190的高度在2000～20000之间。
在图2I中，利用公知的技术例如采用光致抗蚀剂对第三层间介质层190执行构图，从而暴露和定义一通路图形。在显影之后，光致抗蚀剂就成为了一掩模，利用该掩模可去除掉介质材料通路图形，从而形成预通路孔192。与此同时，在位于第一铜虚设图形172上方的第三层间介质层190中制出一预虚设孔194。在第二预通路孔192和第二预虚设孔194的底部残留有第二扩散阻挡层180。原因在于第三层间介质层190的蚀刻选择性高于第二扩散阻挡层180的蚀刻选择性。
在图2J中，利用公知的技术对第三层间介质层190再次执行构图，从而形成一第二沟槽196。如果采用了光致抗蚀剂，则在显影之后，光致抗蚀剂就可成为一掩模，利用该掩模去除沟槽图形的介质材料。优选地是，沟槽的高度在2000～10000之间。从预通路孔192和预虚设孔194的底部将第二扩散阻挡层180去除，从而形成第二通路孔198和第二虚设孔195。
在该实施例中，首先形成预通路孔192，然后再形成沟槽196和通路孔198。但是，也可首先制出沟槽。此外，也可使用单一镶嵌方法(damascenemethod)来形成通路孔198和沟槽196。
如图2K所示，然后通过例如溅射的方法在构成的结构上形成一第三阻挡金属层420。而后，再在构成的结构上、虚设孔195中、通路孔198中以及沟槽中淀积一第二铜层199。
之后，在图2L所示的情形中，类似于对第一铜层159(见图2G)进行加工的方式，例如用CMP方法对第二铜层199执行抛光。与此同时，将第三阻挡金属层420的一部分去除掉，从而露出第三层间介质层190的上表面。这样，如图2J所示，就在第三阻挡金属层的423部分和421部分上分别制出了第二铜虚设图形202和第一互连线200，其中的第一互连线200是由沟槽部分200b和通路部分200a构成的。
参见图2M，在第三层间介质层190上依次制出第三扩散阻挡层210和第四层间介质层220，并按照上文中对第二扩散阻挡层180和第三层间介质层190进行加工时相同的方式对其执行构图，以形成通路孔、沟槽和虚设孔(图中未示出)。然后，在第四层间介质层220上形成一第四阻挡金属层(图中未示出)和一第三铜层(图中未示出)，以填充该通路孔、沟槽和虚设孔。形成通路孔、沟槽以及虚设孔的方式与上文中对第三阻挡金属层420和第二铜层199进行加工的方式相同。例如用CMP工艺对第三铜层执行抛光，从而去除掉部分第四阻挡金属层而露出第四层间介质层220的上表面，由此，在第四阻挡金属层的433部分和431部分上分别形成了第三铜虚设图形232和第二互连线230，其中的第二互连线230是由沟槽部分230b和通路部分230a构成的。
如图2N所示，重复执行上述工艺，设置一第四扩散阻挡层240和一第五层间介质层250，对其进行构图而形成通路孔、沟槽以及虚设孔(图中未示出)。然后，在第五层间介质层250上形成一第五阻挡金属层9(图中未示出)和一第四铜层(图中未示出)，以对通路孔、沟槽以及虚设孔进行填充。然后，例如用CMP工艺对第四铜层执行抛光，并将第五阻挡金属层的一部分去除，从而露出第五层间介质层250的上表面，这样就在第五阻挡金属层的443部分和441部分上分别形成了第四铜虚设图形262和第三互连线260，第三互连线260由沟槽部分260b和通路部分260a构成。同样的过程可以重复执行，直到形成了具有预定层数的层间介质结构为止。如果必要的话，可制出具有1到n层的互连线结构，其中的n是大于1的整数。在形成了最后的铜虚设图形和互连线之后，在最上一层层间介质层中的铜互连线上方形成一第一保护层270，在本实施例下，最上一层层间介质层包括第三互连线260和第五层间介质层250。利用公知的技术例如利用光致抗蚀剂材料的工艺对第一保护层270构图。第一保护层270可由SiN或SiC制成。但是，SiN和SiC的淀积速率是很低的，且如果将SiN或SiC淀积得太厚，则就可能会由于应力而产生裂缝。因而，如果SiN或SiC不适合，则还可采用在SiN或SiC上的SiO2。
下面参见图2O，例如用湿蚀刻工艺对第四到第一铜虚设图形262、232、202以及172(参见图2N)执行蚀刻，由此将这些虚设图形从所述p/n型光电二极管110的上方清除掉，从而形成一光线通路272。残留在光线通路272底部和侧壁上的第五到第二阻挡金属层443、433、423以及413被去除掉，从而，进入到光线通路272中的光线在到达p/n型光电二极管110之前不会受到过滤。
如图2P所示，还可在第一保护层270的上方以及光线通路272的内表面上形成一第二保护层280。第二保护层280可由二氧化硅系列材料或例如SiON、SiC、SiCN或SiCO的抗反射层(ARL)制成。当该保护层的厚度被制成约大于200时，则要被用作铜扩散阻挡层，SiON、SiC、SiCN或SiCO是不透明的。因而，优选地是将第二保护层280的厚度制得比铜扩散阻挡层薄，即约小于100，从而使第二保护层280成为透明的。如果第二保护层280是由ARL制成的，则就不再需要一单独的ARL层。然而，如果第二保护层是由ARL制成的，则其位于光线通路侧壁上的部分就会实质上具有反射特性，并在光线通路底部处的部分中具有抗反射特性。然后，用例如SOG(spin-on-glass，旋涂在玻璃上的SiO2乳胶)或PR(photo resist，光致抗蚀剂)的透明材料290填充光线通路272。
如图2Q所示，在透明的填充材料290上制出一彩色滤光片300。彩色滤光片300可由含有彩色颜料例如红色、绿色或蓝色的光致抗蚀剂材料制成。然后，如图2R所示，在位于光线通路272的光线入口上方的彩色滤光片300上形成一透镜310，其可为凸面形状的微透镜。
如上所述，由于铜原子易于扩散到周围的材料中，因而，如果在集成电路器件中用铜作为互连线材料，则就必须要设置扩散阻挡层以防止铜发生扩散。通常，这样的扩散阻挡层是由不透明的SiN或SiC制成的，因而必须要将光电二极管上方的扩散阻挡层去除掉，该光电二极管需要光线才能工作。尽管与扩散阻挡层相关的一个缺点是必须要设置扩散阻挡层才能防止铜原子扩散到周围的层中，但作为用于形成接触结构的材料，铜仍然优选于其它的材料。
对于用作互连线接触点的应用，铜是一种很有吸引力的材料，由于铜的电阻率约为1.7μΩcm，该数值小于铝合金和钨的电阻率，其中，铝合金材料的电阻率约为3.2μΩcm，而钨的电阻率则大于15μΩcm。另外，如果采用了铜而并非采用其它材料，则只需要很少的金属层，且铜要比例如铝合金更为稳定。铜互连线的RC延迟要小于用诸如铝合金的其它金属制得的互连线的RC延迟。简言之，采用铜作为互连线接触点将使器件的总体性能得以改善。
如上所述，本发明使得图像传感器件的光电二极管被制成具有铜互连线，从而使半导体器件的图形厚度可小于0.13μm，同时还保护了下面的晶体管，使其不受铜扩散的影响。
在本发明的第二实施例中，最终形成的结构与第一实施例中的结构相同，区别仅在于在第二实施例中，残留在光线通路侧壁上的阻挡金属层部分未被去除掉。另外，本发明第二实施例中用于制造图像传感器件的方法是不同的。
图3表示了根据本发明第二实施例和第三实施例的图像传感器。如上面指出的那样，在第二和第三实施例中，除了阻挡金属层的415、425、435以及445部分残留在光线通路272的侧壁上之外，图3所示器件与图1所示器件是相同的。
下面参见图4A-4J，直到形成第二阻挡金属层的那一步骤，第二实施例的图像传感器件的制造方式与第一实施例中的方式是相同的。也就是说，如图4A所示那样，在第二实施例中，顺序执行的一系列步骤与第一实施例中是完全相同的，这些步骤包括形成下接触点140、第一扩散阻挡层150、第二层间介质层160、虚设孔164以及沟槽162的步骤。然后，利用带有偏压的RF再溅射(resputtering)方法，在第二层间介质层160上形成一第二阻挡金属层410a，从而使得位于沟槽162和虚设孔164底部的阻挡金属层部分非常薄。也就是说，利用带有偏压的RF再溅射方法，在溅射过程中，位于沟槽162和虚设孔164底部的阻挡金属被蚀刻掉，且蚀刻掉的材料粘附到沟槽162和虚设孔164的侧壁上。因而，如图4A和图5所示，在执行了RF再溅射之后，在沟槽162和虚设孔164的底部上只残留了很少的阻挡金属，其中，图5是图4中圆圈部分A的放大示图。
然后，如图4B所示，在第二层间介质层160上以及沟槽162和虚设孔164中形成一铜层(图中未示出)。对铜层执行平面化并去除第二阻挡金属层410a的一部分，从而露出第二层间介质层160的上表面，并在残留在虚设孔164中的第二阻挡金属层部分413a上形成一第一铜虚设图形172，以及在残留在沟槽162中的第二阻挡金属层部分411a上形成下互连线170。可通过例如CMP方法来执行平面化。然后，在第二层间介质层160上依次制出一第二扩散阻挡层180和一第三层间介质层190。
如图4C所示，在下连线170的上方的第三层间介质层190中制出预通路孔301，并在第一铜虚设图形172相对端部的上方制出具有近似宽度的预虚设孔302。留在预虚设孔302之间的第三层间介质层190部分被当作第一层间介质虚设图形190′，其位于p/n光电二极管110的上方。预虚设孔302被制成与预通路孔301具有相同的宽度。
参见图4D，例如利用干蚀刻的方法，从预通路孔301和预虚设孔302的底部去除掉第二扩散阻挡层180。在第三层间介质层190上形成一光致抗蚀剂图形304，其被用作一掩模，利用该掩模来对第一层间介质虚设图形190′和第三层间介质层190执行蚀刻，从而形成一虚设孔303，在虚设孔303中制有一第二层间介质虚设图形190″，并在通路孔308的上方形成沟槽306。沟槽306的深度被制成与第二层间介质虚设图形190″的高度相同。
然后，如图4E所示，在第三层间介质层190上和虚设孔303、沟槽306以及通路孔308中形成一第三阻挡金属层420a。由于预虚设孔302的宽度与预通路孔301的宽度相同，且由于预虚设孔302和预通路孔301的宽度很小，所以其台阶覆盖(step coverage)也是很小的。由于预虚设孔302和预通路孔301中的阻挡金属的厚度是相同的，所以易于对底部上残留的阻挡金属进行控制。然后，如图4E所示，在第三阻挡金属层420a上形成一第二铜层199a，以填充虚设孔303、沟槽306、以及通路孔308。
而后，如图4F所示，例如用CMP方法对第二铜层199a执行平面化，从而形成第一互连线200，并在第二层间介质虚设图形190″和第一铜虚设图形172上形成第二铜虚设图形312。还去除了第三阻挡金属层的一部分，以露出第三层间介质层190的上表面。在第二实施例中，由于在衬底上残留有层间介质虚设图形190″，所以可将第二铜层199a的厚度减小成小于第一实施例中第二铜层的厚度。将第二铜层以及后续铜层的厚度减薄可降低平面化工艺如即化学机械抛光工艺的复杂性，而对于制造第一互连线200和第二铜虚设图形312的操作而言，复杂性的降低是必需的。
然后，在第二实施例利用上文所述的相同技术，形成其它的扩散阻挡层、层间介质层、阻挡金属层以及铜层，从而形成图4G所示的结构，其具有第一、第二、第三和第四铜虚设图形172、312、322和332，它们分别形成在阻挡金属层的各个部分413a、423a、433a和443a上；并具有第一到第三层间介质虚设图形190″、220″和250″，接触点140，以及分别形成在阻挡金属层的各个部分411a、421a、431a以及441a上的互连线170、200、230和260。如果接触点140是用铜制成的，则可在接触孔中制出阻挡金属层部分401，以防止铜扩散到第一层间介质层130和晶体管120中。在第二实施例中，如图5所示，通过采用RF再溅射工艺，残留在铜虚设图形172、312、322以及332之间的阻挡金属层非常的薄，例如在10埃到100埃之间，或者被完全地去除掉。因而，如下文将要介绍的那样，可在一个步骤中去除掉铜虚设图形172、312、322以及332。
如图4H所示，在最上一层层间介质层250中的第三铜互连线260上形成一第一保护层270。然后，如图4I所示，在单个步骤中，通过执行湿蚀刻工艺，将第四到第一铜虚设图形332、322、312和172、以及第一到第三层间介质虚设图形190″、220″和250″去除掉，从而形成一光线通路272。阻挡金属层的415、425、435以及445部分残留在光线通路272的侧壁以形成一阻挡金属层405，该阻挡金属层405只位于光线通路272的侧壁上。通过仅在光线通路272的侧壁上设置阻挡金属层405，而不在光线通路的底部上设置阻挡金属层，就不会使照射向p/n光电二极管的光线在到达p/n光电二极管110之前就被阻挡金属挡住。另外，如图4E-4J所示，沟槽部分200b、230b和260b的底部与通路部分200a、230a和260a的底部之间的台阶覆盖差异(step coverage difference)、以及层间介质虚设图形190″、220″和250″的上侧与该层间介质虚设图形的两侧底部191、221和151之间的台阶覆盖差约为7∶4。因而，如果在RF再溅射过程中，使用约为4的系数，将沟槽部分200a、230b和260b，通路部分200a、230a和260a，层间介质虚设图形190″、220″和250″的上侧，以及该层间介质虚设图形的两侧底部191、221和251蚀刻，则比率约为3的阻挡金属应残留在沟槽部分200b、230b以及260b与层间介质虚设图形190″、220″以及250″的上侧面上，且在通路部分200a、230a以及260a上以及层间介质虚设图形的两侧底部191、221和251上将不应当留有任何阻挡金属。按照这样的方式，就可降低通路中的电阻。
形成可选的第二保护层280、透明材料290、彩色滤光片300以及透镜310的其余步骤与第一实施例中的对应步骤相同，最后形成了图4J所示的结构。
除了在形成虚设图形方面存在不同之外，本发明的第三实施例与第二实施例也是相同的。在第三实施例中，如图6A所示，直到以及包括通路孔308、虚设孔303和第一层间介质虚设图形190′的步骤都与第二实施例中的对应步骤相同。
但是，如图6B所示，在第三实施例中，在第三层间介质层190和第一层间介质虚设图形190′上形成一光致抗蚀剂图形304a，其被用作一掩模，用于对第三层间介质层190进行蚀刻以形成沟槽306。与图4D所示第二实施例的情况不同，第一层间介质虚设图形190′并未被蚀刻成与沟槽306具有相同的深度。
在图6C中，在第三层间介质层190上和虚设孔303中、沟槽306中以及通路孔308中形成一第三阻挡金属层420b，然后，在第三阻挡金属层420b上形成一第二铜层199b，以填充虚设孔303、沟槽306以及通路孔308。然后，如图6D所示，按照与第二实施例相同的方式将第二铜层199b平面化以及去除掉第三阻挡金属层420b的某些部分，从而露出第三层间介质层190的上表面，以及在阻挡金属层的421a部分上形成了第一互连线200，该互连线是由沟槽部分200b和通路部分200a构成的，并在阻挡金属层的423a部分上形成了一第二铜虚设图形312a。
然后，如图6E所示，按照与制造第一层间介质虚设图形190′、第二铜虚设图形312a以及第一互连线200类似的方式，制出第二层间介质虚设图形220′、第三铜虚设图形322a、由沟槽部分230b和通路部分230a构成的第二互连线230、第三层间介质虚设图形250′、第三铜虚设图形332a、以及由沟槽部分260b和通路部分260a构成的第三互连线260。第三和第四铜虚设图形322a和332a分别被形成在阻挡金属层的433a部分和443a部分中，并且第二互连线230和第三互连线260分别形成在阻挡金属层的431a部分和441a部分中。
在第三实施例中，如图6F所示，在第三互连线260上形成一第一保护层270之后，在一种溶液中，例如5％到10％的H2SO4、5％的H2O2以及5％的H2O，利用湿蚀刻工艺对第四铜虚设图形332a、第三铜虚设图形322a、第二铜虚设图形312a以及第一铜虚设图形172a执行蚀刻。如图6G所示，在将铜虚设图形去除时，湿蚀刻工艺使得层间介质虚设图形190′、220′和250′相互分离开和以整体的形式被去除掉，从而形成光线通路272。在第三实施例中，阻挡金属层的415、425、435以及445部分组成了阻挡金属层405，阻挡金属层405被允许仅残留在光线通路272的侧壁上。
如图6H所示，用于形成可选的第二保护层280、透明填充层290、彩色滤光片300和透镜310的剩余步骤均与第一实施例相同。
在本发明的第四实施例中，在层间介质层中不形成任何铜虚设图形。除了这点区别之外，根据本发明第四实施例的、用于制造图像传感器件的方法与前述第一、第二以及第三实施例中的方法都是类似的。
根据本发明的第四实施例，如图7A所示，按照与第一实施例相同的方式，在半导体衬底100中形成一p/n光电二极管110，并在半导体衬底100中形成一隔离区102，其位于p/n光电二极管110的第一侧，和在半导体衬底100上形成多个晶体管120，这些晶体管位于p/n型光电二极管的第二侧。每个晶体管120包括一栅极绝缘层112、一栅极电极114、一源极/漏极区122以及间隔壁116。用诸如氧化硅的透明材料在衬底100上制出一第一层间介质层130。在阻挡金属层的一部分401上制出下接触点140，第一扩散阻挡层150和第二层间介质层160形成在衬底100上。
另外，如图7B所示，按照与第一实施例相同的方式，在位于阻挡金属层的411部分上的第二层间介质层160中的沟槽162内形成下互连线170，但并未形成任何虚设孔。
在图7C中，按照与第一实施例相同的方式，在第二层间介质层160上形成一第二扩散阻挡层180和一第三层间介质层190。
在第四实施例中，如图7D所示，对通路孔198和沟槽196进行构图，但无需对虚设孔执行构图。然后，在图7E中，在第三层间介质层190上以及沟槽196和通路孔198中形成第三阻挡金属层(图中未示出)，并在第三阻挡金属层上形成一第二铜层(图中未示出)。如图7E所示，例如用CMP工艺对第二铜层执行平面化，并去除掉第三阻挡金属层的某些部分，从而露出第三层间介质层190的上表面，从而在阻挡金属层的421部分上形成第一互连线200，该互连线是由沟槽部分200b和通路部分200a构成的。
参见图7F，在第三层间介质层190上依次淀积一第三扩散阻挡层210、一第四层间介质层220、一第四扩散阻挡层240以及一第五层间介质层250。按照与对第二扩散阻挡层180和第三层间介质层190进行蚀刻的相同方式，对第三扩散阻挡层210、第四层间介质层220以及第四扩散阻挡层240和第五层间介质层250执行蚀刻，从而在其中形成沟槽和通路孔(二者在图中均未示出)。在层间介质层上、以及沟槽和通路孔中形成阻挡金属层和铜层(二者在图中均未示出)，并按照对第三阻挡金属层(图中未示出)和第二铜层(图中未示出)进行处理的相同方式对其执行平面化。利用与上述形成第一互连线200相同的工艺，在阻挡金属层的431部分和441部分中分别制出互连线230和260，它们分别是由沟槽部分230b、260b和通路部分230a、260a构成的。然后，如图7F所示，在最上一层层间介质层250上形成一第一保护层270，用于当后来在p/n型光电二极管110上方制出光线通路272时对导电互连线105进行保护。
参见图7G，在所形成的结构上形成一光致抗蚀剂(图中未示出)，并对其进行曝光而形成一光致抗蚀剂掩模图案275。而后，例如通过干蚀刻工艺，将p/n型光电二极管110上方的第五层间介质层250、第四扩散阻挡层240、第四层间介质层220、第三扩散阻挡层210、第三层间介质层190、第二扩散阻挡层180、第二层间介质层160、以及第一扩散阻挡层150依次地蚀刻掉，从而形成一光线通路272。干蚀刻工艺可包括在包括CxFy、N2、Ar和O2的一种或组合的气体中执行的光蚀刻工艺。在干蚀刻工艺之后，可执行一个常规的清洁步骤，该步骤例如是在含5％到10％的H2SO4、5％的H2O2和5％H2O的溶液中执行的湿蚀刻工艺。
去除掉光致抗蚀剂掩模图形275，随后的一些步骤与第一、第二和第三实施例相同，包括淀积一可选的第二保护层280，用诸如SOG或光致抗蚀剂的透明材料290填充光线通路，在透明材料290上形成一彩色滤光片300，以及在位于光线通路272的光线入口上方的彩色滤光片300上形成一透镜310。所形成的结构表示在图7H中。
最后，如图8所示，在本文的所有四个实施例中，可在具有p/n光电二极管110、隔离区102、以及多个晶体管120的衬底110上形成一抗反射层500。作为备选方案，如图9所示，也可在光线通路272的下方构图一抗反射层501。
如本文所述，在本发明的实施例中，设置了用于防止铜扩散到层间介质层中的阻挡金属层。可用诸如钽、氮化钽以及位于钽上的氮化钽的阻挡金属来制造阻挡金属层。在对第一层间介质层执行构图而形成接触孔之后，可通过标准的溅射方法在接触孔中形成第一阻挡金属层。但是，如果下接触点是用钨或钛制成的，则可省去接触孔底部上的阻挡金属层。
在要被铜填充的通路孔和沟槽中形成附加的阻挡金属层，以防止铜原子扩散到周围的层间介质层和下面的衬底中，铜原子扩散到这些位置处则就会对晶体管造成不利的电学影响。如在本发明一个实施例中那样，通过带有偏压的RF再溅射工艺淀积附加的阻挡金属层，而将通路孔底部上所有的或几乎所有的阻挡金属都去除掉，并使阻挡金属粘附到其侧壁上，由此减小了通路的接触电阻。如上文所述那样，本发明使得图像传感器件的光电二极管被制成具有铜互连线，从而获得了制造采用了设计规划或图形厚度小于0.13μm的光电二极管的半导体器件的能力，同时还保护了下方的晶体管，使其免受铜扩散的影响。
本文已对本发明的优选实施例进行了描述，尽管本文采用了一些特定术语，但这些术语的含义只能从一般意义上、以及描述性的意义上进行领会，其并不用于进行限定。因而，本领域普通技术人员可以理解不超出本发明设计思想和保护范围的前提下，可对本发明的实践形式以及细节特征作出多种改型，其中，本发明的保护范围由所附的权利要求书进行限定。
权利要求
1.一种图像传感器件，其包括一衬底，该衬底中形成有一光电二极管，并在该衬底上形成有多个晶体管，且该光电二极管与该晶体管存在电连接；至少一个下接触点，其被形成在该晶体管的源极/漏极区以及栅极上；至少一条导电互连线，其被形成在所述至少一个下接触点上，并与该光电二极管存在电连接；一具有光线入口的光线通路，该光线通路被设置成与该光电二极管对正；一彩色滤光片，其被设置在该光线通路的光线入口的上方；以及一透镜，其被设置在该彩色滤光片的上方，并与该光线通路对正，其中，所述至少一条导电互连线包括一铜互连线结构，该铜互连线结构延伸穿过呈现叠层构造的多个层间介质层，在相邻的层间介质层之间设置有一扩散阻挡层，且在该铜互连线结构与多个层间介质层之间设置一阻挡金属层，并且该铜互连线结构穿插该扩散阻挡层。
2.根据权利要求1所述的图像传感器件，还包括一第一保护层，其覆盖该铜互连线的最上部表面。
3.根据权利要求2所述的图像传感器件，其中该第一保护层是由从如下一组材料中选出的至少一种材料制成的SiC、SiN、位于SiN上的SiO2、以及位于SiC上的SiO2。
4.根据权利要求2所述的图像传感器件，还包括一第二保护层，其被设置在该第一保护层上以及该光线通路的内表面上。
5.根据权利要求4所述的图像传感器件，其中该第二保护层是由氧化硅系列材料制成的。
6.根据权利要求4所述的图像传感器件，其中在该光线通路的底部处的该第二保护层具有抗反射的特性。
7.根据权利要求1所述的图像传感器件，其中该下接触点是由从如下一组材料中选出的一种材料制成的铜、钨、以及钛。
8.根据权利要求7所述的图像传感器件，其中在该下接触点是由铜制成的情况下，在该下接触点与所述多个层间介质层中的第一层间介质层之间设置一阻挡金属层。
9.根据权利要求1所述的图像传感器件，还包括一抗反射层，其被形成在具有该光电二极管、所述多个晶体管、以及该隔离区的所述衬底上。
10.根据权利要求1所述的图像传感器件，还包括一抗反射层，其被构图在位于该光线通路下方的该光电二极管上。
11.根据权利要求1所述的图像传感器件，其中用透明材料将该光线通路填充。
12.根据权利要求11所述的图像传感器件，其中该透明材料为旋涂在玻璃上的乳胶或光致抗蚀剂。
13.根据权利要求1所述的图像传感器件，其中该透镜是凸面形状的微透镜。
14.根据权利要求1所述的图像传感器件，还包括一位于该光线通路的侧壁上的阻挡金属层。
15.一种用于制造图像传感器件的方法，该方法包括步骤在一衬底中形成一光电二极管；在位于该光电二极管的一第一侧的所述衬底中形成一隔离区；在位于该光电二极管的一第二侧的所述衬底上形成多个晶体管，该晶体管具有源极/漏极区以及一栅极；在具有该光电二极管的所述衬底上形成一层间介质结构，其包括交替叠置的多个层间介质层和扩散阻挡层，且该层间介质结构的最上一层是一层间介质层，与此同时，在一阻挡金属层中形成至少一条由金属构成的导电互连线，该导电互连线穿过交替叠置的层间介质层和扩散阻挡层，以与该光电二极管和所述多个晶体管实现电连接；通过去除掉位于该光电二极管上方的该层间介质结构部分而形成一光线通路，该光线通路具有一与该光电二极管对齐的光线入口；在该光线通路的光线入口的上方形成一彩色滤光片；以及在该彩色滤光片的上方形成一透镜，并使其与该光线通路对正。
16.根据权利要求15所述的、用于制造图像传感器件的方法，其中形成该层间介质结构和光线通路的步骤还包括A.在具有该光电二极管、该隔离区以及该多个晶体管的所述衬底上形成一由透明材料制成的第一层间介质层；B.对该第一层间介质层执行构图，以形成位于该晶体管的源极/漏极区以及栅极上方的接触孔；C.用金属来填充该接触孔，从而形成下接触点；D.在该第一层间介质层上依次形成一第一扩散阻挡层和一第二层间介质层；E.对该第二层间介质层和该第一扩散阻挡层执行构图而在该下接触点的上方形成通路孔；F.对该第二层间介质层执行构图而在该通路孔的上方形成沟槽；G.在该通路孔和沟槽内形成一阻挡金属层；H.用铜填充该通路孔和沟槽从而形成一铜互连线；I.重复步骤D-H，以形成具有预定层数的所述层间介质结构；J.在形成该光线通路之前，在位于最上方的层间介质层中的该铜互连线上形成一第一保护层；以及K.在形成该彩色滤光片和该透镜之前，用透明材料填充该光线通路。
17.根据权利要求16所述的、用于制造图像传感器件的方法，其中形成该光线通路的步骤包括依次地对位于该光电二极管上方的各层间介质层和扩散阻挡层部分进行蚀刻，并向下蚀刻到该第一层间介质层。
18.根据权利要求16所述的、用于制造图像传感器件的方法，还包括在E步骤中，对该第二层间介质层和该第一扩散阻挡层执行构图，从而在该光电二极管的上方形成虚设孔；在G步骤中，在该虚设孔中形成阻挡金属层；以及在步骤H中用铜来填充该虚设孔，从而形成除了该铜互连线之外的该铜虚设图形。
19.根据权利要求18所述的、用于制造图像传感器件的方法，其中形成该光线通路的步骤包括执行一湿蚀刻工艺来去除位于该光电二极管上方的铜虚设图形；以及去除仍留在该光线通路底部和侧壁上的该阻挡金属层。
20.根据权利要求16所述的、用于制造图像传感器件的方法，还包括在步骤E中，对该第二层间介质层和该第一扩散阻挡层执行构图，从而在该光电二极管的相对端的上方形成两个虚设孔，由此，在位于该光电二极管上方的两虚设孔间之中形成一层间介质虚设图形；在步骤G中，在该虚设孔中形成阻挡金属层；以及在步骤H中用铜将该虚设孔填充。
21.根据权利要求20所述的、用于制造图像传感器件的方法，其中形成该光线通路的步骤包括对该虚设孔中的铜执行一湿蚀刻工艺，从而去除掉该虚设孔中的铜以及该层间介质虚设图形。
22.根据权利要求21所述的、用于制造图像传感器件的方法，还包括在步骤F中，当蚀刻出沟槽时，对该层间介质虚设图形进行蚀刻，从而使该层间介质虚设图形的高度与该沟槽的深度相等。
23.根据权利要求22所述的、用于制造图像传感器件的方法，其中形成该光线通路的步骤包括对该虚设孔中的铜执行一湿蚀刻工艺，从而去除掉该虚设孔中的铜以及该层间介质虚设图形。
24.根据权利要求20所述的、用于制造图像传感器件的方法，其中所述两虚设孔与该通路孔的宽度是相同的。
25.根据权利要求16所述的、用于制造图像传感器件的方法，其中H步骤中包括在该层间介质层上形成一铜层，以填充该通路孔和该沟槽；以及利用化学-机械抛光的方法对该铜层执行平面化，从而露出其下方层间介质层的表面。
26.根据权利要求16所述的、用于制造图像传感器件的方法，还包括在步骤C中，如果金属是铜，则在用金属填充该接触孔之前，在该接触孔中形成一阻挡金属层。
27.一种图像传感器件，其包括一衬底，其中形成有一光电二极管；一层间介质结构，其具有至少一个不透明层和一穿过该不透明层的光线通路，该光线通路被设置成与该光电二极管对正；一透明介质层，其填充了该光线通路；一彩色滤光片，其位于该光线通路的光线入口的上方；以及一透镜，其位于该彩色滤光片的上方并与该光线通路对正。
28.根据权利要求27所述的图像传感器件，其中该透明介质层的材料是旋涂在玻璃上的乳胶或光致抗蚀剂。
29.根据权利要求27所述的图像传感器件，其中该层间介质结构具有一用于形成于其中的一铜互连线的铜接触点；以及该不透明层是一铜扩散阻挡层，用于防止该铜互连线和该铜接触点的铜发生扩散。
30.根据权利要求27所述的图像传感器件，还包括一第一层间介质层，其位于该衬底和该层间介质结构之间，以覆盖形成于该衬底中的该光电二极管。
31.根据权利要求27所述的图像传感器件，还包括一保护层，其被形成在该光线通路的侧壁上。
32.根据权利要求31所述的图像传感器件，其中该保护层是用抗反射材料制成的。
33.根据权利要求27所述的图像传感器件，还包括一位于该光线通路的侧壁上的阻挡金属层。
全文摘要
本发明公开一种CMOS图像传感器件的结构及其制造方法，该传感器件包括一形成在衬底中的光电二极管；至少一条与光电二极管电连接的导电互连线；一具有光线入口的光线通路，设置成与光电二极管对正；一彩色滤光片，设置在光线通路的光线入口的上方；以及一透镜，设置在彩色滤光片的上方，并与光线通路对正，其中，所述至少一条导电互连线包括一铜互连线结构，导电互连线具有叠层构造的多个层间介质层，并在相邻的层间介质层之间设置有一扩散阻挡层，以及在铜互连结构与所述多个层间介质层之间设置一阻挡金属层，铜互连线结构穿插扩散阻挡层。如果将光电二极管上方的阻挡金属层去除，则图像传感器件可采用铜互连线。
文档编号H04N5/335GK1518119SQ20031010240
公开日2004年8月4日 申请日期2003年10月17日 优先权日2003年1月16日
发明者李守根, 朴基彻, 李敬雨 申请人:三星电子株式会社