JP4182393B2 - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に光電変換素子やその読み出し回路を設けたCMOS型イメージセンサ等の固体撮像素子に関し、特にその配線材料に銅を用いた固体撮像素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、MOSプロセスの微細化技術の進展に伴い、CMOS型イメージセンサが再び注目されている。CMOS型イメージセンサの特徴としては、多数の光電変換素子で構成される撮像画素領域と、その周辺のロジック回路部及びメモリ回路部を同一プロセスで形成可能であるため、比較的、同一チップへの高集積化が可能であるが、いかに撮像素子としての画質性能を損なわずに多機能の回路を混載していくかが課題となっている。
【0003】
そして、微細化されたMOSプロセスの1つの鍵となる技術として、素子の配線材料に、従来のアルミニウム配線に代えて銅配線を用いることが提案されている。すなわち、銅は、アルミニウムよりも抵抗率が小さいため、配線ピッチを小さくできる。しかし、その一方で、銅のエッチング技術が確立されていない現在において、銅を配線材料として適用するためには、金属等の導電体を埋め込み、その後、CMP(化学機械研磨法)による研磨で配線及び接続孔を同時に形成するデュアルダマシンプロセスを採用することが不可欠である。以下、従来例として、撮像領域を含まない通常のMOSプロセス(ロジック回路)の銅配線を用いた場合の多層配線の形成プロセスにおける特にデュアルダマシンの形成プロセスについて説明する。
【0004】
図10〜図13は、第1の従来例によるMOSプロセスの各工程を示す断面図である。まず、図10(A)において、シリコン基板100にMOSトランジスタを形成する。これは、まずシリコン基板100上に素子分離領域101を形成し、次いで、シリコン基板100中に所定のウエル領域(図示せず)を形成する。次いで、このシリコン基板100上にゲート絶縁膜、ゲート電極を含むゲート電極部102を形成した後、イオン注入と熱処理により例えばLDD(Lightly Doped Drain )構造を有する高濃度拡散層領域103を形成する。そして、その上層に層間絶縁膜104を形成することにより、下地MOSトランジスタ領域を完成する。
【0005】
次に、図10(B)において、MOSトランジスタ形成領域と接する部分の第1接続孔105Aを開口し、次いで、この開口された接続孔105Aに窒化チタンを含むバリアメタル層及びタングステン電極層を埋め込み、第1接続部105を形成する。次いで、図10(C)に示すように、第1配線間絶縁膜106を形成する。この配線間絶縁膜106には、ここでは、例えば、酸化シリコン膜、あるいは、低誘電率化のためのフッ素添加酸化シリコン膜を用いるが、一般にlow−k膜と呼ばれるような、さらなる低誘電率材料膜を用いても良い。次いで、図10(D)に示すように、前述した第1配線間絶縁膜106をパターンニングとエッチングによって加工し、後の銅配線となる部分に第1配線溝106Aを開口する。
【0006】
次いで、図11(E)に示すように、バリアメタル107及び銅108を前述した第1配線溝106Aに埋め込む。この後、図11(F)に示すように、CMPにより余剰な銅及びバリアメタルを研磨することで、バリアメタル107及び銅108による第1配線層106Bを形成する。次いで、図11(G)に示すように、第1配線層106Bの上層に銅配線を保護するための拡散防止膜109を成膜することにより、第1配線層106B及び第1接続部105が完成される。ここで、拡散防止膜109は、例えば窒化シリコン膜、あるいは炭化シリコン膜等を用いるが、これに限るものではない。また、この第1従来例においては、第1配線層106Bの配線のみを銅の埋め込みと研磨によるシングルダマシンプロセスで形成したが、第1接続部105と第1配線層106Bとを、銅の埋め込みと研磨によって同時に形成するデュアルダマシンプロセスを用いても良い。
【0007】
次いで、図11(H)に示すように、第1配線層106Bの上層に層間絶縁膜110を成膜する。なお、この層間絶縁膜110も、上述した第1配線間絶縁膜106と同様に、例えば、酸化シリコン膜、あるいは低誘電率化のためのフッ素添加酸化シリコン膜を用いるが、一般にlow−k膜と呼ばれるような、さらなる低誘電率材料膜を用いても良い。次いで、この層間絶縁膜110に、図12(I)に示すように、第2接続孔111となる部分をパターンニングとエッチングにより開口し、さらに図12(J)に示すように、第2銅配線となる部分をパターンニングとエッチングにより開口する。次に、図12(K)に示すように、バリアメタル111Aと銅111Bを埋め込みにより成膜し、図13(L)に示すように、余剰な銅及びバリアメタルを研磨により除去する。次いで、図13(M)に示すように、銅配線を保護するための拡散防止膜112を成膜すことで、第2接続部113及び第2配線層114を完成する。この後、以上のようなデュアルダマシンプロセス(図11(H)〜図13(M))を所望の回数だけ繰り返すことにより、多層配線を有した半導体装置が形成される。
【0008】
図14〜図16は、第2の従来例によるMOSプロセスの各工程を示す断面図である。ここでは、デュアルダマシンプロセスの部分のみを示しており、MOSトランジスタ領域の形成は上述した第1の従来例と同様であるものとし、説明は省略する。まず、シリコン基板200にMOSトランジスタを形成した後、図14(A)に示すように、配線間絶縁膜200中にシングルダマシン法により第1配線層101を形成する。ここで配線材料に銅を用い、その拡散防止膜202として例えばSiN膜(シリコン窒化膜)を用いる。そして、この保護膜202上に、例えば、絶縁膜203を成膜する。この絶縁膜203には、例えば、低誘電率絶縁膜としてSiO2 膜(シリコン酸化膜)を成膜するが、これには限らない。ここで、形成する膜は、後の接続孔を形成するための絶縁膜となるため、膜厚は接続孔の深さに対応したものとなる。
【0009】
次いで、この絶縁膜203上に接続孔を形成するためのハードマスク(エッチングストッパ)となる無機膜204を成膜する。このハードマスクとなる無機膜は、例えばSiN膜を用いるが、これには限らない。次いで、図14(B)に示すように、レジスト205を成膜し、接続孔をパターンニングし、図14(C)に示すように、レジスト205をマスクとして下層の無機膜204をエッチングし、アッシング及び洗浄によりマスクとして用いたレジスト205を剥離する。次いで図14(D)に示すように、配線間絶縁膜となる絶縁膜206を成膜する。この絶縁膜206には例えば低誘電率絶縁膜、例えば、SiO2 を用いるが、これには限らない。次いで、図15(E)に示すように、レジスト207を成膜し、配線をパターンニングし、図15(F)に示すように、このパターンニングされたレジスト207をマスクとして層間絶縁膜206をエッチングし、配線のための溝206Aを形成する。
【0010】
次いで、図15(G)に示すように、さらに連続して、このレジスト207と接続孔がパターンニングされた無機膜204とをハードマスクとして、絶縁膜203をエッチングし、接続孔203Aを形成する。次いで、図15(H)に示すように、この接続孔203Aの底部の拡散防止膜202をエッチングする。次いで、図16(I)に示すように、バリアメタル及び銅を接続孔203A及び配線溝206Aに埋め込み、CMPにより余剰な銅及びバリアメタルを研磨することで、配線206Bと接続部203Bを完成する。そして、図16(J)に示すように、拡散防止膜208を成膜することで配線及び接続部が同時に完成する。この後、以上のようなデュアルダマシンプロセス(図14(A)〜図16(J))を所望の回数だけ繰り返すことにより、多層配線を有した半導体装置が形成される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような従来例において、銅の拡散を防止するための保護膜が、接続孔の開口部では除去されるものの、それ以外の部分では残ってしまうことになる。また、接続孔を開口するためのハードマスクも同様に、接続孔の開口部では除去されるものの、それ以外の部分では残ってしまうことになる。しかしながら、このように多層配線層において、余分な拡散防止膜やハードマスクが光電変換素子の上層の残ると、その分、光の透過経路における配線層の膜厚が大きくなったり、光の透過率が低下することになり、光電変換素子に対する受光効率が悪くなり、感度の低下等を招くという問題がある。
【0012】
そこで本発明の目的は、銅配線を用いた場合に必要となる拡散防止膜やハードマスク層によって生じる光電変換素子への入射光の減衰を防止でき、感度や画質等の特性を向上できる固体撮像素子及びその製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、半導体基板に受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と前記光電変換素子で生成した信号電荷を読み出す読み出し回路とを含む撮像部を設けるとともに、前記半導体基板の上層に前記読み出し回路の配線層を設けた固体撮像素子において、前記半導体基板上に設けられる層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成され、前記光電変換素子の上部領域の所定範囲で開口した拡散防止機能を有するハードマスク層と、前記ハードマスク層上に形成された配線間絶縁膜と、前記配線間絶縁膜に形成された配線溝と、前記ハードマスク層から前記層間絶縁膜にかけて貫通形成された前記配線溝と連続する接続孔と、前記配線溝から前記接続孔にかけて埋め込み形成されることで前記読み出し回路の配線層に接続された銅配線とを有し、前記ハードマスク層が前記銅配線の線幅方向外側に延在していることを特徴とする。
【0014】
また本発明は、半導体基板に受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と前記光電変換素子で生成した信号電荷を読み出す読み出し回路とを含む撮像部を設けるとともに、前記半導体基板の上層に前記読み出し回路の配線層を設けた固体撮像素子の製造方法において、前記半導体基板上に設けられる層間絶縁膜上に拡散防止機能を有するハードマスク層を形成する工程と、前記ハードマスク層の一部をエッチングにより除去し、第1の接続孔を形成する工程と、前記ハードマスク層上に配線間絶縁膜を成膜する工程と、前記ハードマスク層をエッチングストッパとして、前記配線間絶縁膜に配線溝を形成するとともに、前記層間絶縁膜に前記配線溝及び前記第1の接続孔と連続する第2の接続孔を形成する工程と、前記配線溝から前記第1、第2の接続孔にかけて銅配線を埋め込み形成することで該銅配線を前記読み出し回路の配線層に接続する工程とを有し、前記ハードマスク層が前記銅配線の線幅方向外側に延在していることを特徴とする。
【0015】
本発明の固体撮像素子およびその製造方法では、銅配線の上面を覆う拡散防止膜を設けた配線層において、この拡散防止膜が光電変換素子の上部領域の所定範囲で除去され、開口しているため、光電変換素子への光の入射が拡散防止膜の影響を受けず、感度等の特性を向上できる。また、本発明の固体撮像素子およびその製造方法では、銅配線形成用の配線溝をエッチングストッパとなるハードマスク層を用いて形成した配線層において、このハードマスク層が光電変換素子の上部領域の所定範囲で除去され、開口しているため、光電変換素子への光の入射がハードマスク層の影響を受けず、感度等の特性を向上できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子およびその製造方法の実施の形態例について説明する。本実施の形態例は、MOS型イメージセンサ等の固体撮像素子において、配線に銅を用いたデュアルダマシンプロセスを用いる場合に、光電変換素子の上部領域から銅の拡散防止膜とデュアルダマシン形成のためのハードマスクとを除去することにより、光電変換素子に対する光学効率を高め、感度や画質の向上を図るようにしたものである。
【0017】
図1〜図9は、本発明の実施の形態例によるMOSプロセスの各工程を示す断面図である。なお、以下の説明では、半導体基板中に入射した光を信号電荷に変換することを目的する箇所(すなわち光電変換素子の受光面)を光電変換領域とし、また、それ以外の部分、例えば、ロジック回路、アナログ回路、メモリ回路等の各素子を配置した領域を非光電変換領域として説明する。まず、図1(A)では、シリコン基板300の非光電変換領域300Bの少なくとも一部に所定のMOSトランジスタを形成し、光電変換領域300Aに光電変換素子としてのフォトダイオード304を形成する。これは、まずシリコン基板300上に素子分離領域301を形成し、次いで、シリコン基板300中に所定のウエル領域(図示せず)を形成する。次いで、このシリコン基板300上にゲート絶縁膜、ゲート電極を含むゲート電極部302を形成した後、イオン注入と熱処理により例えばLDD(Lightly Doped Drain)構造を有する高濃度拡散層領域303を形成する。
【0018】
次いで、光電変換領域300A側でシリコン基板300の上面からイオン注入等を行うことによってフォトダイオード304を形成するが、フォトダイオード304の構造は図では省略している。なお、フォトダイオードは埋め込み型であってもよい。そして、その上層に第1層間絶縁膜305を形成することにより、下地MOSトランジスタ領域を形成する。なお、第1層間絶縁膜305には、例えば、SiO2 やlow−k材料を用いるが、それには限らない。
【0019】
次いで、図1(B)に示すように、MOSトランジスタの各領域に対応して接続孔をパターンニングし、エッチングすることで、接続孔を開口する。そして、開口された接続孔に、例えばバリアメタルと電極材料を埋め込むことで、接続部305A、305Bを形成する。例えば、バリアメタルには窒化チタンを、電極材料にはタングステンを用いるが、それには限らない。次いで、図1(C)に示すように、第1配線間絶縁膜306を形成する。この配線間絶縁膜306には、ここでは、例えば、SiO2 等の低誘電率材料膜を用いるが、それには限らない。次いで、図2(D)に示すように、第1配線間絶縁膜306をパターンニングとエッチングによって加工し、後の銅配線となる部分に第1配線溝306Aを開口する。
【0020】
次いで、図2(E)に示すように、バリアメタル及び銅の層を成膜して第1配線溝306Aに埋め込み、図3(F)に示すように、CMPにより余剰な銅及びバリアメタルを研磨することで、バリアメタル及び銅による第1配線層306Bを形成する。なお、バリアメタルとしては例えば窒化タンタルを用い、配線材料には銅を用いるが、これには限るものではない。次いで、図3(G)に示すように、第1配線層306Bの上層に銅配線を保護するための拡散防止膜307を成膜することにより、第1配線層306B及び第1接続部305A、305Bが完成される。ここで、拡散防止膜307は、例えば窒化シリコン膜、あるいは炭化シリコン膜等を用いるが、これに限るものではない。
【0021】
次いで、図4(H)に示すように、非光電変換領域300B側にレジストマスク318をパターンニングし、図4(I)に示すように、このレジストマスク318をマスクとして光電変換領域300A側の拡散防止膜307をエッチングにより除去する。次にアッシング等によりレジストマスク318を除去する。なお、拡散防止膜307を除去する領域は、光電変換領域300A全体でなくともよく、フォトダイオードの受光量域だけを選択的に除去するようにしてもよい。次いで、図5(J)に示すように第2層間絶縁膜308を成膜し、次いで、接続孔のエッチングストッパ用のハードマスク層309を成膜する。なお、第2層間絶縁膜としては、例えば、SiO2 やlow−k材料等の低誘電率絶縁膜を用いるが、それらに限らない。また、接続孔のハードマスク層309としては、窒化シリコンや炭化シリコンを用いるが、それらに限らない。
【0022】
次いで、図5(K)に示すように、ハードマスク層309の第2接続孔309Aとなる箇所にパターンニングし、エッチングすることで、ハードマスク層309を完成する。次いで、図では省略しているが、拡散防止膜307の場合と同様に、非光電変換領域300B側にレジストマスクをパターンニングし、このレジストマスクをマスクとして光電変換領域300A側のハードマスク層309をエッチングにより除去する。次にアッシング等によりレジストマスクを除去する。なお、ハードマスク層309を除去する領域は、光電変換領域300A全体でなくともよく、フォトダイオードの受光量域だけを選択的に除去するようにしてもよい。また、このようなハードマスク層309に対する第2接続孔309Aの開口と、光電変換領域300A上のハードマスク層309の除去とを同時に行っても良い。
【0023】
次いで、図6(L)に示すように、第2配線間絶縁膜310を成膜する。この第2配線間絶縁膜としては、例えば、SiO2 等の低誘電率絶縁膜を用いるが、それに限らない。次いで、図6(M)に示すように、第2配線を形成するためのレジストマスク311をパターンニングし、次に、図7(N)に示すように、パターン311をマスクとして第2配線間絶縁膜310をエッチングし、次いで、接続孔309Aが開口されたハードマスク層309をマスクとして、第2層間絶縁膜308、拡散防止膜307をエッチングすることで、接続孔308Aと配線溝310Aを形成する。この後、図7(O)に示すように、レジストマスク311をアッシングと洗浄により除去する。
【0024】
次いで、図8(P)に示すように、バリアメタル、配線電極材料を成膜することにより、接続部308Bと配線310Bを形成する。バリアメタルとしては窒化タンタル等を用い、配線電極材料には銅を用いるが、それらに限らない。次いで、研磨により余剰なバリアメタルと配線電極材料を除去する。次に、図8(Q)に示すように、拡散防止膜312を成膜する。なお、この拡散防止膜としては、例えば、窒化シリコン、炭化シリコンを用いるが、これに限らない。この後、図9(R)に示すように、拡散防止膜307の場合と同様に、非光電変換領域300B側にレジストマスク313をパターンニングし、図9(S)に示すように、このレジストマスク313をマスクとして光電変換領域300A側の拡散防止膜312をエッチングにより除去する。次にアッシング等によりレジストマスク313を除去する。なお、拡散防止膜312を除去する領域は、光電変換領域300A全体でなくともよく、フォトダイオードの受光量域だけを選択的に除去するようにしてもよい。この後、以上のデュアルダマシンプロセス(図5(J)〜図9(S))を所望の回数だけ繰り返すことにより、多層配線を形成する。
【0025】
以上のように、本例では、光電変換領域300Aで、拡散防止膜307、312やハードマスク309を除去した層構造とすることにより、光学特性に優れた個体撮像素子を形成できる。なお、拡散防止膜およびハードマスクのいずれか一方を除去した構成についても一定の効果を得ることができ、本発明の範囲に含まれるものとする。また、本発明は、MOS型イメージセンサに限定されず、他の固体撮像素子に広く適用し得るものである。
【0026】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子によれば、銅配線の上面を覆う拡散防止膜を設ける場合に、この拡散防止膜を光電変換素子の上部領域の所定範囲で除去するため、光電変換素子への光の入射が拡散防止膜の影響を受けず、感度や画質等の特性を向上できる。また、本発明の製造方法によれば、銅配線形成用の配線溝をエッチングストッパとなるハードマスク層を用いて形成する場合に、このハードマスク層を光電変換素子の上部領域の所定範囲で除去するため、光電変換素子への光の入射がハードマスク層の影響を受けず、感度や画質等の特性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図2】本発明の実施の形態例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図3】本発明の実施の形態例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図4】本発明の実施の形態例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図5】本発明の実施の形態例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図6】本発明の実施の形態例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図7】本発明の実施の形態例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図8】本発明の実施の形態例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図9】本発明の実施の形態例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図10】第1の従来例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図11】第1の従来例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図12】第1の従来例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図13】第1の従来例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図14】第2の従来例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図15】第2の従来例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図16】第2の従来例による固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
300……シリコン基板、301……素子分離領域、302……ゲート電極部、303……高濃度拡散層領域、304……フォトダイオード、305……第1層間絶縁膜、305A、305B……第1接続部、306……第1配線間絶縁膜、306A……第1配線溝、306B……第1配線層、307、312……拡散防止膜、308……第2層間絶縁膜、308A……第2接続孔、308B……第2接続部、309……ハードマスク層、309A……第2接続孔、310……第2配線間絶縁膜、310A……第2配線溝、310B……第2配線層。
Claims (2)
- 半導体基板に受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と前記光電変換素子で生成した信号電荷を読み出す読み出し回路とを含む撮像部を設けるとともに、前記半導体基板の上層に前記読み出し回路の配線層を設けた固体撮像素子において、
前記半導体基板上に設けられる層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成され、前記光電変換素子の上部領域の所定範囲で開口した拡散防止機能を有するハードマスク層と、
前記ハードマスク層上に形成された配線間絶縁膜と、
前記配線間絶縁膜に形成された配線溝と、
前記ハードマスク層から前記層間絶縁膜にかけて貫通形成された前記配線溝と連続する接続孔と、
前記配線溝から前記接続孔にかけて埋め込み形成されることで前記読み出し回路の配線層に接続された銅配線とを有し、
前記ハードマスク層が前記銅配線の線幅方向外側に延在している、
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 半導体基板に受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と前記光電変換素子で生成した信号電荷を読み出す読み出し回路とを含む撮像部を設けるとともに、前記半導体基板の上層に前記読み出し回路の配線層を設けた固体撮像素子の製造方法において、
前記半導体基板上に設けられる層間絶縁膜上に拡散防止機能を有するハードマスク層を形成する工程と、
前記ハードマスク層の一部をエッチングにより除去し、第1の接続孔を形成する工程と、
前記ハードマスク層上に配線間絶縁膜を成膜する工程と、
前記ハードマスク層をエッチングストッパとして、前記配線間絶縁膜に配線溝を形成するとともに、前記層間絶縁膜に前記配線溝及び前記第1の接続孔と連続する第2の接続孔を形成する工程と、
前記配線溝から前記第1、第2の接続孔にかけて銅配線を埋め込み形成することで該銅配線を前記読み出し回路の配線層に接続する工程とを有し、
前記ハードマスク層が前記銅配線の線幅方向外側に延在している、
ことを特徴とする固体撮像素子。
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