JP2008526022A - Cu配線を有するCMOSイメージャ及びそれから高反射性界面を除去する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 CMOS画像センサ及び製作方法が提供され、ここでセンサは、より薄い層間誘電体積層体を組み込むことを可能にして増強された光感度を示すピクセル・アレイをもたらす銅(Cu)メタライゼーション・レベルを含む。CMOS画像センサは、センサ・アレイの各ピクセルの光路を横切る最小限の厚みのバリア層金属を有する構造体、或いは各ピクセルの光路からバリア層金属の部分が選択的に除去されて反射率を最小にした構造体を含む。即ち、種々のブロック又はシングル・マスク方法を実施することにより、アレイ中の各ピクセルに対する光路の位置においてバリア層金属の部分が完全に除去される。さらなる実施形態においては、バリア金属層は自己整合堆積によってCuメタライゼーションの上に形成することができる。
【選択図】 図2
Description
入射光を受光するためにアレイ中の対応するピクセルの各位置に形成された感光素子を含む半導体基板と、
基板の上に形成された第1の層間誘電体層と、
第1の層間誘電体層の上に形成され、アレイ中の各感光素子間に形成されたCu金属配線構造体を含む、少なくとも1つの金属相互接続層と、
アレイ中のCu金属相互接続層と入射光を受光するための最上層との間に形成された第2の層間誘電体層とを備え、
ここでCu金属相互接続層は、薄い第1及び第2の層間誘電体層が光路を短縮してアレイ中の各感光素子が受光する光量を増大させることを可能にする、画像センサである。
各アレイ・ピクセルに対応し、各ピクセルに入射する光を受光するように適合される感光素子を半導体基板中に形成するステップと、
基板上に第1の層間誘電体層を形成するステップと、
第1の層間誘電体層の上に形成され、アレイ中の各感光素子間に形成されたCu金属配線構造体を含む、少なくとも1つの金属相互接続層を形成するステップと、
アレイ中のCu金属相互接続層上に第2の層間誘電体層を形成するステップと
を含み、
ここでCu金属相互接続層は、光路を短縮してアレイ中の各感光素子が受光する光量を増大させる薄い第1及び第2の層間誘電体層の形成を可能にする、方法である。
12:マイクロレンズ・アレイ
14:半導体基板
15:カラー・フィルタ・アレイ
17:平坦化層
18:感光素子(フォトダイオード)
20:ピクセル
22:マイクロレンズ
25:カラー・フィルタ素子
28:最終パッシベーション層
30a、30b、30c,130a、130b、130c:層間誘電体層
35a、35b:アルミニウム・メタライゼーション相互接続層
36:最終アルミニウム金属レベル(Al層)
38:窒化物層(キャッピング層)
50、50a,51,51a、51b,52,52a、52b、53、53a、53b,54,54a、54b:開口
132a、132b:SiNバリア層(Cu拡散層)
135a:Cu M2層(層間Cuメタライゼーション)
135b:Cu M1層(層間Cuメタライゼーション)
138:誘電体絶縁体層
140:薄い窒化物ライナー
141:薄い窒化物スペーサ
142:バリア材料
Claims (49)
- ピクセルのアレイを含む画像センサであって、
入射光を受光するために、前記アレイ中の対応するピクセルの各位置に形成された感光素子を含む半導体基板と、
前記基板の上に形成された第1の層間誘電体層と、
前記第1の層間誘電体層の上に形成された少なくとも1つの金属相互接続層であって、前記アレイ中の各感光素子の間に形成されたCu金属配線構造体を含む、金属相互接続層と、
前記アレイ中の前記Cu金属相互接続層と入射光を受光する最上層との間に形成された第2の層間誘電体層とを備え、
前記Cu金属相互接続層は、薄い第1及び第2の層間誘電体層が光路を短縮して前記アレイ中の各感光素子が受光する光量を増大させることを可能にする、画像センサ。 - 前記第1及び第2の層間誘電体層の各々は、2kÅから20kÅまでの間の範囲の厚みを有する、請求項1に記載の画像センサ。
- 前記Cu金属配線構造体の各々の上に形成されたバリア材料層をさらに備え、前記バリア材料層は前記アレイの各ピクセルの前記光路を横切る、請求項1に記載の画像センサ。
- 前記基板と前記第1の層間誘電体層との間に形成されたバリア材料層をさらに含む、請求項1に記載の画像センサ。
- 前記金属相互接続層中に形成された前記Cu配線上に形成された前記バリア材料は、SiN、SiON、SiC、SiCN、SiCON又はSiCOの内から選択される材料を含む、請求項3に記載の画像センサ。
- 前記金属相互接続層中に形成された前記Cu配線上に形成された前記バリア材料は、20Åから2kÅまでの間の範囲の厚みを有する、請求項3に記載の画像センサ。
- 前記形成された金属相互接続層上に形成された前記バリア材料の部分は、前記アレイの各ピクセルの光路に沿った領域から選択的に除去される、請求項3に記載の画像センサ。
- 各ピクセルの前記感光素子の上方で前記基板中に形成された絶縁体材料の構造体をさらに含む、請求項7に記載の画像センサ。
- 前記基板と前記第1の層間誘電体層との間に形成され、各ピクセルの前記感光素子の上方に形成された対応する絶縁体材料構造体の上方で部分が選択的に除去されたバリア材料層をさらに含む、請求項8に記載の画像センサ。
- 前記アレイの各ピクセルに対して、光反射性材料の層がピクセル側壁上に形成され、前記光反射性材料層は前記感光素子が受光する光量を増大させることを可能にする、請求項7に記載の画像センサ。
- 前記アレイの各ピクセルに対して、前記反射性材料の層が前記ピクセル中の前記感光素子の上方の前記半導体基板の表面上にさらに形成される、請求項10に記載の画像センサ。
- 各ピクセルの側壁をライニングする前記反射性材料層は、SiN、SiC、Al、TiN、又はタングステン、Ru、ポリSi、ポリGeを含む、請求項10に記載の画像センサ。
- 各ピクセルの側壁をライニングする前記反射性材料層は、50Åから2kÅまでの間の範囲の厚みに堆積させられる、請求項11に記載の画像センサ。
- 前記第1及び第2の層間誘電体層材料は低k有機材料を含む、請求項1に記載の画像センサ。
- 前記第1及び第2の層間誘電体層材料は低k無機材料を含む、請求項1に記載の画像センサ。
- フィルタ素子のアレイを含む最上層をさらに備え、各フィルタ素子はアレイ・ピクセルに対応する、請求項1に記載の画像センサ。
- 前記フィルタ素子のアレイと同じ光軸上で前記最上層の上に形成されたピクセル・マイクロレンズのアレイをさらに備え、各マイクロレンズは1つのフィルタ素子に対応する、請求項16に記載の画像センサ。
- ピクセルの画像センサ・アレイを製作する方法であって、
各アレイ・ピクセルに対応する感光素子を半導体基板中に形成するステップであって、前記素子はそれぞれのピクセルに入射する光を受光するように適合される、ステップと、
前記基板上に第1の層間誘電体層を形成するステップと、
前記第1の層間誘電体層の上に少なくとも1つの金属相互接続層を形成するステップであって、前記形成された金属相互接続層は、前記アレイ中の各感光素子の間に形成されたCu金属配線構造体を含む、ステップと、
前記アレイ中の前記Cu金属相互接続層上に第2の層間誘電体層を形成するステップと
を含み、
前記Cu金属相互接続層は、光路を短縮して前記アレイ中の各感光素子が受光する光量を増大させる薄い第1及び第2の層間誘電体層の形成を可能にする、方法。 - 前記アレイ中の各感光素子の間の位置に形成されたCu金属配線構造体を含む金属相互接続層を形成する前記ステップcは、
前記第1の層間誘電体層の上にマスクを適用するステップであって、前記マスクは前記第1の層間誘電体層中の各フォトダイオード間にトレンチを開けるようにパターン付けされている、ステップと、
各フォトダイオード間の前記位置で前記トレンチを開けるためのエッチング・プロセスを実行するステップと、
Cu金属を前記トレンチ内に堆積して前記金属配線構造体を形成するステップと
を含む、請求項18に記載の方法。 - 前記ステップcは、前記金属配線構造体の化学機械研磨ステップを実行するステップをさらに含む、請求項19に記載の方法。
- 前記金属相互接続層の前記Cu金属配線構造体の各々の上にバリア材料層を形成するステップをさらに含み、前記形成するステップは、前記金属相互接続層の前記Cu金属配線構造体の各々の上に前記バリア材料層を堆積する自己整合プロセスを実行するステップを含む、請求項20に記載の方法。
- 自己整合プロセスでバリア材料を前記Cu金属配線構造体の各々の上に堆積する前記ステップは、無電解めっきプロセスを実行するステップをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 前記無電解めっきプロセスで堆積される前記バリア材料はNiWP、CoWP又はCoWBを含む、請求項22に記載の方法。
- 前記Cu金属配線構造体の上及び前記第1の層間誘電体層の上にバリア材料を、各アレイ・ピクセルの光路を横切ってブランケット堆積することによって、前記金属相互接続層の前記Cu金属配線構造体の上にバリア材料層を形成するステップをさらに含む、請求項18に記載の方法。
- 前記アレイの各ピクセルの光路に沿った領域で前記バリア材料層の部分を選択的に除去するステップをさらに含む、請求項24に記載の方法。
- 光路に沿った領域で前記バリア材料層の部分を選択的に除去する前記ステップは、前記バリア材料層をブランケット堆積した後に、
前記各ピクセルの光路を横切る位置で前記バリア材料層の領域を開けるようにリソグラフィによりパターン付けされたマスク構造体を適用するステップと、
前記領域において前記バリア材料層を除去するエッチング・プロセスを実行するステップと
を含む、請求項25に記載の方法。 - 光路に沿った領域で前記バリア材料層の部分を選択的に除去する前記ステップは、前記アレイ中の前記Cu金属相互接続層の上に第2の層間誘電体層を形成した後に、
前記各ピクセルの光路を横切る位置に孔を開けるようにリソグラフィによりパターン付けされたマスク構造体を適用するステップと、
前記領域において前記第2の層間誘電体層の部分及びバリア材料層の部分を選択的に除去するエッチング・プロセスを実行するステップと、
前記エッチングによって設けられた孔の中に層間誘電体材料を再充填するステップと
を含む、請求項25に記載の方法。 - 前記画像センサ・アレイは、カラー・フィルタ・アレイの下に形成され、前記アレイ中の各フォトダイオードの間に形成された金属ボンディング構造体を含む最上メタライゼーション層をさらに含み、光路に沿った領域で前記バリア材料層の部分を選択的に除去する前記ステップは、前記アレイ中に前記最上メタライゼーション層を形成した後に、
前記最上メタライゼーション層の前記金属ボンディング構造体を自己整合マスクとして利用してエッチング・プロセスを実行し、前記各ピクセルの光路を横切る前記領域において前記第2の層間誘電体層の部分及びバリア材料層の部分を選択的に除去するステップと、
前記エッチングによって設けられた孔の中に層間誘電体材料を再充填するステップと
を含む、請求項25に記載の方法。 - 前記各ピクセルの光路を横切る前記領域において前記第2の層間誘電体層の部分及びバリア材料層の部分を選択的に除去するエッチング・プロセスを実行する前記ステップは、前記領域において前記第1の層間誘電体層の部分を除去して前記ピクセル光路に対応する孔を開けるエッチング・ステップをさらに含み、前記再充填ステップに先立って、
前記エッチングされた孔の前記側壁に適合する光反射性材料の薄いライナーを堆積するステップを含む、請求項27に記載の方法。 - 前記各ピクセルの光路を横切る前記領域において前記第2の層間誘電体層の部分及びバリア材料層の部分を選択的に除去するエッチング・プロセスを実行する前記ステップは、前記領域において前記第1の層間誘電体層の部分を除去して前記ピクセル光路に対応する孔を開けるエッチング・ステップをさらに含み、前記再充填ステップに先立って、
前記エッチングされた孔の前記側壁に適合する光反射性材料の薄いライナーを堆積するステップを含む、請求項28に記載の方法。 - 前記基板と前記第1の層間誘電体層との間にバリア材料層を形成するステップをさらに含む、請求項18に記載の方法。
- 請求項31に記載の方法であって、
ステップaは、各ピクセルの前記感光素子の上で前記基板内に絶縁体材料の構造体を形成するステップをさらに含み、前記方法は、各ピクセルの前記感光素子の上に形成された前記絶縁体材料構造体に対応する領域において、前記基板の上の前記バリア材料層の部分を選択的に除去するステップをさらに含む、請求項31に記載の方法。 - フィルタ素子のアレイを含む最上層を形成するステップをさらに含み、各フィルタ素子はアレイ・ピクセルに対応する、請求項18に記載の方法。
- 前記フィルタ素子のアレイと同じ光軸上で前記最上層の上にピクセル・マイクロレンズのアレイを形成するステップをさらに含み、各マイクロレンズは1つのフィルタ素子に対応する、請求項33に記載の方法。
- ピクセルのアレイを含む画像センサであって、
入射光を受光するために、前記アレイ中の対応するピクセルの各位置に形成された感光素子を含む半導体基板と、
その中に形成された第1及び第2のレベルのCuメタライゼーションを有する層間誘電体層の積層体であって、前記積層体の第1の層間誘電体層は前記基板の上に形成され、前記メタライゼーション・レベルの各々は前記アレイ中の各感光素子の間に形成されたCu金属配線構造体を含む、積層体と
を備え、
前記Cuメタライゼーション・レベルは、層間誘電体層のより薄い積層体が光路を短縮して前記アレイ中の各感光素子が受光する光量を増大させることを可能にする、画像センサ。 - 前記Cu金属配線構造体の各々の上に形成されたバリア材料層をさらに備え、前記Cu金属配線構造体上に形成された前記バリア材料層は前記アレイの各ピクセルの前記光路を横切る部分を含む、請求項35に記載の画像センサ。
- 前記基板と前記第1の層間誘電体層との間に形成されたバリア材料層をさらに含む、請求項35に記載の画像センサ。
- 前記Cu金属配線構造体の上に形成された前記バリア材料の部分が、前記アレイの各ピクセルの光路に沿った領域から選択的に除去される、請求項36に記載の画像センサ。
- 各ピクセルの前記感光素子の上方で前記基板内に形成された絶縁体材料の構造体をさらに含み、前記基板と前記第1の層間誘電体層との間に形成された前記バリア材料層の部分が各ピクセルの前記絶縁体材料構造体の上方の領域から選択的に除去されている、請求項35に記載の画像センサ。
- ピクセルの画像センサ・アレイを製作する方法であって、
各アレイ・ピクセルに対応する感光素子を半導体基板中に形成するステップであって、前記素子は入射光を受光するように適合されている、ステップと、
前記基板の上に層間誘電体層の積層体を形成するステップと、前記積層体の隣接する層間誘電体層の形成ステップの間に、前記アレイの各感光素子の間に形成されるCu金属配線構造体を含むCuメタライゼーション・レベルを形成するステップと
を含み、
前記Cuメタライゼーション・レベルは、層間誘電体層のより薄い積層体が光路を短縮して前記アレイ中の各感光素子が受光する光量を増大させることを可能にする、方法。 - 各Cuメタライゼーション・レベルのCu金属配線構造体を形成する前記ステップb)は、
下にある層間誘電体層の上にマスクを適用するステップであって、前記マスクは前記下にある誘電体層内の前記ピクセル位置の間にトレンチを開けるようにパターン付けされている、ステップと、
前記位置で前記トレンチを開けるエッチング・プロセスを実行するステップと、
Cu金属を前記トレンチ内に堆積して前記金属配線構造体を形成するステップと
を含む、請求項40に記載の方法。 - 前記トレンチ内にCu金属を堆積する前記ステップは、前記トレンチをCu拡散バリア材料でライニングするステップをさらに含む、請求項41に記載の方法。
- 前記Cu金属配線構造体の各々の上にバリア材料層を形成するステップをさらに含み、前記形成するステップは、前記金属相互接続層の前記Cu金属配線構造体の各々の上に前記バリア材料層を堆積する自己整合プロセスを実行するステップを含む、請求項41に記載の方法。
- 前記Cu金属配線構造体の各々の上にバリア材料を堆積する自己整合プロセスを実行する前記ステップは、無電解めっきプロセスを実行するステップをさらに含む、請求項43に記載の方法。
- それぞれの下にある層間誘電体層を含む前記Cu金属配線構造体の上に薄いバリア材料層をブランケット堆積することによって、前記金属相互接続層の前記Cu金属配線構造体の上にバリア材料層を形成するステップをさらに含み、前記ブランケット堆積された薄いバリア材料層の部分が各アレイピクセルの光路を横切る、請求項40に記載の方法。
- 前記アレイの各ピクセルの光路に沿った領域において前記薄いバリア材料層の部分を選択的に除去するステップをさらに含む、請求項45に記載の方法。
- 光路に沿った領域で前記薄いバリア材料層の部分を選択的に除去する前記ステップは、前記薄いバリア材料層を各メタライゼーション・レベルにブランケット堆積した後に、
前記各ピクセルの光路を横切る位置で前記バリア材料層の領域を開けるようにリソグラフィによりパターン付けされたマスク構造体を適用するステップと、
前記領域において前記薄いバリア材料層を除去するエッチング・プロセスを実行するステップと
を含む、請求項46に記載の方法。 - 前記基板と前記積層体の第1の層間誘電体層との間にバリア材料層を形成するステップをさらに含む、請求項40に記載の方法。
- ステップa)は、各ピクセルの前記感光素子の上方で前記基板中に絶縁体材料の構造体を形成するステップをさらに含み、各ピクセルにおける前記形成された絶縁体材料構造体に対応する領域で、前記基板の上方の前記バリア材料層の部分を選択的に除去するステップをさらに含む、請求項48に記載の方法。
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