JP4243258B2 - 光学効率を増加させる金属パターン周辺の絶縁層の平坦化方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体プロセスに関するものであって、特に、光学効率を増加させる金属パターン周辺の絶縁層の平坦化構造、及び、方法に関するものである。
ＣＭＯＳイメージセンサー、電荷結合素子ＣＣＤ等の光学デバイスは、近年、急速に成長している。これらのデバイスは、一般のロジックデバイスと比較すると、多くの特定必要条件を有する。例えば、必要条件の一つとして、シリコン酸化膜、シリコンナイトライド膜、或いは、オキシナイトライド膜等の後部パッシベーション層中の光透過性絶縁材料の薄膜化がある。もう一つの条件は、パターン化された金属上の絶縁材料の厚さの均一化と、金属パターン間の領域の光透過性絶縁材料の厚さの均一化である。金属パターンは、光学波長領域の電磁波、特に、光を阻止するのに用いられる。入射光線は、金属パターン間の領域を通過し、基板中、或いは、基板上に形成された光検出部に達する。金属パターン間の領域の光透過性絶縁層の不均一な厚さは、屈折率を変化させ、変色を生じる。
化学機械研磨（ＣＭＰ）のローディング効果のせいで、近接する金属パターン間の絶縁層は、平坦ではなく、絶縁層は、傾斜表面を有する。絶縁層の傾斜表面とは、不均一な厚さのことで、変色を生じるだけでなく、センサーの性能を低下させる。
特開平１１−３１６６７号公報
上述の問題を解決するため、本発明は、好ましい光学効率のための絶縁層の平坦化を改善する方法を提供することを目的とする。
様々な具体例において、好ましい光学効率を達成する色々な絶縁層平坦化方法が提供される。例えば、少なくとも一つの光学透過特性を有する第一絶縁層が、一層、或いは、それ以上に成膜された金属からなる金属パターン上、及び、周辺に成膜される。金属パターンの金属は、間と下に位置するセンサーを、電磁波から保護する。第一絶縁層が、化学機械研磨により研磨された後、得られる表面は傾斜しており、平坦でなく、基板に平行ではない。この傾斜表面は、第一絶縁層から除去され、センサーに適切な操作が提供され、且つ、均一で平坦な絶縁層表面が形成される。
具体例によると、金属パターンの反転マスクにより、絶縁層を平坦化する。フォト工程と酸化エッチング工程により、絶縁層をエッチングし、ＣＭＰが施されて、平坦な絶縁層が形成される。
本発明の方法により、形成された絶縁層表面は均一になり、傾斜が生じず、これにより、デバイス、或いは、センサーの機能が適切になり、変色が生じない。デバイスＣＦ／ＵＬスタックも、これらの方法により減少し、光感受性を改善し、屈折を減少させることが可能である。
図１（Ａ）と図１（Ｂ）は、金属パターン上と間の絶縁層を処理する従来フローを示す。従来フローは図中に示すように、二工程からなる。両工程中の金属１０６と１０８は、光学波長領域の電磁波、特に、光の阻止を実行する。金属１０６と１０８は、同一の金属フィルム、或いは、異なる金属から形成される。金属１０６と１０８は、異なる寸法で、下地のトポグラフィに依存し、金属１０６と１０８が同一の、或いは、異なるフィルム上に形成され、注意すべきことは、金属１０６と１０８の高さは、僅かに異なることである。図１（Ａ）と図１（Ｂ）の二工程は、この高さの差異が、どのようにして、センサーの性能の問題を生じさせるのかを説明する。
図１（Ａ）を参照すると、第一絶縁層１１０が、金属１０６と１０８上と間に成膜される。第一絶縁層１１０は、光透過性である。第一絶縁層１１０の表面高さは、そのコンフォーマル性のために、全表面で変化し、金属１０６と１０８間のギャップと高さも、金属１０６と１０８の寸法差（垂直、及び、水平）のせいで、変化する。第一絶縁層１１０は、その後、図１（Ｂ）で示される工程において、化学機械研磨（ＣＭＰ）される。ＣＭＰのローディング効果と第一絶縁層１１０の不均一な高さのせいで、研磨工程は、金属１０６と１０８の間と上の絶縁材料が、傾斜表面を有し、不均一で、基板に平行ではなく、平坦でなくなる。絶縁層の傾斜表面は、不均一な厚さを示し、絶縁層の上に形成されるレンズ、基板中或いはその上で、絶縁体下方に形成された検出部などの素子間の距離が差異を有するので、変色だけでなく、センサーの性能を低下させる。
図２（Ａ）〜図２（Ｄ）は、本発明の第一具体例による絶縁層を処理するフローを示す。図は、絶縁層表面の均一な平坦化方法を示し、具体例中において、目的を説明するために、四つの工程に分かれている。
図２（Ａ）を参照すると、金属２１０と２１２は、光学波長領域の電磁波、特に、光の阻止を実行する。金属２１０と２１２は金属パターンである。パターンは、本具体例において、プラズマエッチングにより形成される。金属２１０と２１２は、配線、孤立パターン、或いは、パッドで、金属は、銅、アルミ、各種金属化合物、或いは、金属合金である。金属２１０と２１２は、同一の金属フィルム、或いは、異なる金属から形成される。金属２１０と２１２は、寸法が異なり、下地トポグラフィに依存して、金属２１０と２１２が、同一の、或いは、異なるフィルムから形成されても、金属２１０と２１２の高さは異なる。検出部２０２は、金属２１０と２１２間の領域２２２中の基板２２０中、或いは、その上に形成される。検出部２０２は、ＣＣＤ、或いは、３トランジスタ、又は、４トランジスタピンフォトダイオードＣＭＯＳイメージセンサー等の光学センサーを形成するのに用いられる。例えば、４トランジスタピンフォトダイオード画素センサーは、半導体基板２２０上に形成される。
第一絶縁層２１４は、金属２１０と２１２が形成された後に、プラズマＣＶＤ、或いは、ＣＶＤ法により成膜される。第一絶縁層２１４は、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）か高密度プラズマＣＶＤ（ＨＤＰＣＶＤ）、或いは、それらの組合せにより形成される。第一絶縁層２１４は、シリコン酸化膜か、その他の適当な絶縁材料で、一般に、光透過性材料である。第一絶縁層２１４は、一層、或いは、多層のフィルムで、全体の膜厚が１００００Å〜２５０００Åの範囲で、本具体例では、二層のフィルムで、約１８０００Åである。第一絶縁層２１４の表面高さは、フィルムがコンフォーマルに形成されるために変化し、金属２１０と２１２間のギャップも、金属２１０と２１２の寸法差のせいで、変化する。図２（Ｂ）で示されるように、金属形状を実質的に露出させないようなＣＭＰプロセスが、その後、第一絶縁層２１４上で実行される。ＣＭＰのローディング効果と第一絶縁層２１４の不均一な高さのせいで、金属２１０と２１２の間の被研磨絶縁材料が、傾斜表面を形成し、不均一で、基板２２０に平行ではなく、平坦でなく、段差ができる。絶縁体の傾斜表面は、不均一の厚さを示し、変色だけでなく、センサーの性能を低下させ、光学特性に悪影響を与える。第一金属２１０、及び／又は、第二金属２１２上に残留する絶縁層２１４の厚さは変化し、本具体例において、約４０００Åである。
図２（Ｃ）を参照すると、第一絶縁層２１４は、選択性エッチング工程により、金属２１０と２１２に至るまでエッチングされる。このエッチング工程により、残りの第一絶縁層２１４の上表面は、金属２１０と２１２の上表面より低くなる。金属パターン間の残りの絶縁体の厚さは、金属２１０と２１２の一つ、又は、両方の厚さの約５０％か、それ以上である。第一絶縁層２１４の傾斜表面は、この工程の最後で除去される。図２（Ｄ）を参照すると、ＣＶＤ、或いは、塗布方法により形成された光透過材料である第二絶縁層２１６が、第一絶縁層２１４と金属２１０と２１２上に、パッシベーション層として成膜され、様々な厚さが用いられる。基板２２０全体に渡って、金属領域上の絶縁材全体の厚さは同一で、例えば、光学センサー２０２上の金属領域間の絶縁材の厚さは、同一である。カラーフィルター層２２４、マイクロレンズ、或いは、関連機構は、その後、基板２２０中に形成される光学センサー２０２上に形成されて、ＣＭＯＳイメージセンサーとＣＣＤデバイスを形成する。絶縁層の不均一を改善し、あらゆる変色が改善、或いは、除去され、これにより、センサーとその他のデバイスの機能が適切になる。
図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、本発明の第二具体例による絶縁層を処理するフローを示す図で、絶縁層表面の平坦化に用いられるもう一つの方法が示され、第一絶縁層と金属の両方が、第二絶縁層を成膜する前に、ＣＭＰにより処理される。
図３（Ａ）を参照すると、金属３０８と３１０は、光学波長領域の電磁波、特に、光の阻止を実行する。金属３０８と３１０は、金属パターンで、同一の金属フィルム、或いは、異なる金属から形成される。金属３０８と３１０は、異なる寸法で、下地トポグラフィに依存し、金属３０８と３１０が同一の、或いは、異なるフィルムから形成されても、金属３０８と３１０の高さは異なる。第一絶縁層３１２は、金属３０８と３１０がプラズマエッチングにより形成された後に成膜される。上述のように、第一絶縁層３１２は、第一絶縁層２１４に連接されて、多層になる。図３（Ｂ）を参照すると、その後、金属形状を実質的に露出させないようなＣＭＰが第一絶縁層３１２上で実行されて、図２（Ｂ）に関して前述し図１（Ｂ）からも分かるような不均一、傾斜表面（図示しない）が得られる。更に、金属の研磨速度が、第一絶縁層３１２の研磨速度より速いＣＭＰ工程が、金属３０８と３１０上で実行される。この結果、金属３０８と３１０間の残りの第一絶縁層３１２の上表面は、金属３０８と３１０よりも高くなる。最初のＣＭＰによる第一絶縁層３１２中に形成される傾斜表面は、この工程の最後で除去される。
図３（Ｃ）を参照すると、ＣＶＤ、或いは、塗布方法により形成された光透過材料である第二絶縁層３１４が、パッシベーション層として成膜され、様々な厚さで用いられる。基板全体に渡って、金属領域上の絶縁材の全体の膜厚は同一で、例えば、光学センサー上の金属領域間の絶縁材の厚さは、同一である。第二絶縁層３１４は、一層、或いは、多層のフィルムで、全体の膜厚が１０００Å〜１００００Åの範囲、本具体例では、４０００Åである。カラーフィルター層３１６、マイクロレンズ、或いは、関連機構は、その後、基板中に形成される光学センサー上に形成されて、ＣＭＯＳイメージセンサーとＣＣＤデバイスを形成する。絶縁層の不均一の改善で、あらゆる変色が改善、或いは、除去され、これにより、センサーとその他のデバイスの機能が適切になる。
図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、本発明の第三具体例による絶縁層を処理するフローを示す図で、絶縁体表面の平坦化の更にもう一つの方法が示される。
図４（Ａ）を参照すると、金属４０８と４１０は、光学波長領域の電磁波、特に、光の阻止を実行する。金属４０８と４１０は、金属パターンで、それらは、配線、孤立パターン、或いは、パッドで、金属は、銅、アルミ、各種金属化合物、或いは、金属合金である。金属４０８と４１０は、同一の金属フィルム、或いは、異なる金属から形成される。金属４０８と４１０は、異なる寸法で、下地のトポグラフィに依存し、金属４０８と４１０は、同一の、或いは、異なるフィルムから形成されても、金属４０８と４１０の高さは異なる。第一絶縁層４１２は、図２（Ａ）の第一絶縁層２１４と同じで、金属４０８と４１０が形成された後成膜される。図４（Ｂ）を参照すると、金属を研磨するよりも速い速度で、絶縁層４１２を研磨するＣＭＰ工程が、第一絶縁層４１２上で実行され、第一絶縁層４１２は、金属４０８と４１０より下に位置する。その結果、第一絶縁層４１２の上表面は、金属４０８と４１０の上表面より低くなる。第一絶縁層４１２の傾斜表面は、この工程の最後で、改善、或いは、除去される。図４（Ｃ）を参照すると、ＣＶＤ、或いは、塗布方法により形成された光透過材料である第二絶縁層４１４が、第一絶縁層４１２と金属４０８と４１０上に、パッシベーション層として成膜され、様々な厚さで用いられる。基板全体に渡って、金属領域上の絶縁材の全体の膜厚は同一で、例えば、光学センサー上の金属領域間の絶縁材の厚さは、同一である。カラーフィルター層４１６、マイクロレンズ、或いは、関連機構は、その後、基板中に形成される光学センサー上に形成されて、ＣＭＯＳイメージセンサーとＣＣＤデバイスを形成する。絶縁層の不均一の改善で、あらゆる変色が改善、或いは、除去され、これにより、センサーとその他のデバイスの機能が適切になる。
第一、第二、及び、第三具体例は、二つの絶縁層だけで説明するが、これに限定するものではないことに注意すべきである。例えば、もう一つの方法と具体例では、塗布方法やＣＶＤ方法により、実質上の光透過層である第三絶縁層を形成し、デバイスのカラーフィルター紫外線光（ＣＦ／ＵＬ）スタックを減少させ、光感受性を改善し、屈折を減少できる。
更に注意すべきことは、具体例において成膜される第二絶縁層は、パッシベーション層となり、５０ｎｍ〜２０００ｎｍの厚さで、湿気と汚染から光学センサーを守ることである。例えば、第二絶縁層が、シリコン酸化膜とシリコンナイトライド膜との積層である場合、シリコン酸化膜の厚さは、好ましくは２００ｎｍ〜６００ｎｍであり、シリコンナイトライド膜の厚さは、好ましくは１００ｎｍ〜３００ｎｍである。第二絶縁層が、単層のシリコンナイトライド膜である場合、厚さは、約５０ｎｍ〜６００ｎｍである。第二絶縁層が、単層のシリコン酸化膜である場合、厚さは、５０ｎｍ〜６００ｎｍである。
図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、本発明の第四具体例による絶縁層を処理するフローを示す図で、マスクによる絶縁表面の平坦化のもう一つの方法を示す。
図５（Ａ）を参照すると、金属５０８と５１０は、光学波長領域の電磁波、特に、光の阻止を実行する。金属５０８と５１０は、金属パターンで、配線、孤立パターン、或いは、パッドで、金属は、銅、アルミ、各種金属化合物、或いは、金属合金である。金属パターンは、本具体例において、プラズマエッチングにより形成される。金属５０８と５１０は、同一の金属フィルム、或いは、異なる金属から形成される。金属５０８と５１０は、異なる寸法で、下地のトポグラフィに依存する、金属５０８と５１０は、同一の、或いは、異なるフィルムから形成されても、金属５０８と５１０の高さは異なる。検出部５０２は、金属５０８と５１０の間の領域５２２中の基板５２０中、或いは、その上に形成される。一層、或いは、多層の絶縁フィルムである第一絶縁層５１２は、金属５０８と５１０の形成後に成膜される。図５（Ｂ）を参照すると、フォトマスク５１６が、フォトリソグラフィ工程と酸化エッチング工程で使用され、金属５１０等の一つ、或いは、それ以上の金属上に、リセス５１４を形成し、第一絶縁層５１２を更に均一にする。具体例において、フォトマスク５１６は、反転金属パターンを有し、且つ、フォトパターンを形成する。このフォトパターンは、金属上方に、空洞を形成し、その他の領域が、フォトレジストで充満する。
図５（Ｃ）を参照すると、フォトマスクが除去された後、ＣＭＰが第一絶縁層５１２上で実行されて、プロセスが完成する。ＣＭＰの後、金属領域上の絶縁材の厚さは、同一で、例えば、光学センサー等の金属領域間の絶縁材料の厚さは、同一である。絶縁層の平坦化と均一が改善され、傾斜表面の生成が回避される。
様々な具体例は、以下を含む。８Ｋ、或いは、１４Ｋの一つ、或いは、多層の酸化フィルムが、第一絶縁層５１２として、金属５０８と５１０上に被覆される。具体例において、第一絶縁層５１２からおよそ８Ｋの酸化フィルムは、金属５１０頂部から除去され、金属５０８と５１０上の第一絶縁層５１２の高さと等しくなる。図５（Ｂ）で示されるように、６Ｋの酸化フィルムが、金属５１０上方に残る。図５（Ｃ）で示されるように、ＣＭＰが第一絶縁層５１２全体上で実行され、厚さ２Ｋを除去する。絶縁体の平坦化目的が達成され、処理された表面は、傾斜にならない。
本発明は、絶縁層の非均一厚さを解消する方法を提供する。第一絶縁層の不均一、或いは、傾斜が除去されるまで、第一絶縁層をエッチバックするか、或いは、ＣＭＰにより処理し、第二絶縁層は、第一絶縁層と金属上に成膜されて、表面の平坦化の改善を達成する。このような方法により、形成された絶縁層表面は均一になり、傾斜が生じず、これにより、デバイス、或いは、センサーの機能が適切になり、変色が生じない。デバイスＣＦ／ＵＬスタックも、これらの方法により減少し、光感受性を改善し、屈折を減少させる。
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
１０６、１０８、２１０、２１２、３０８、３１０、４０８、４１０、５０８、５１０ 金属
１１０、２１４、３１２、４１２、５１２ 第一絶縁層
２０２、５０２ 検出部
２１６、３１４、４１４ 第二絶縁層
２２０、５２０ 基板
２２４、３１６、４１６ カラーフィルター層
５１４ リセス
５１６ フォトマスク
１１０、２１４、３１２、４１２、５１２ 第一絶縁層
２０２、５０２ 検出部
２１６、３１４、４１４ 第二絶縁層
２２０、５２０ 基板
２２４、３１６、４１６ カラーフィルター層
５１４ リセス
５１６ フォトマスク
Claims (6)
- 半導体装置の形成方法であって、
基板内または基板上の所定の領域に光学センサーが形成されており、金属形状を有する金属パターンを、前記金属形状間に前記所定の領域が位置するように前記基板上に提供する工程と、
プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、または高密度プラズマ化学気相成長（ＨＤＰＥＣＶＤ）、またはそれらの技術の組合せにより、前記金属形状と、前記金属形状間の前記所定の領域上とに光透過性を有する第１絶縁層を成膜する工程と、
前記第１絶縁層の研磨速度が前記金属形状の研磨速度より速い方式で前記第１絶縁層を研磨し、前記金属形状間に前記第１絶縁層のみを残し、且つ、前記第１絶縁層の上表面が前記金属形状の上表面より低く、且つ、どんな傾斜表面も有すことなく構成されるように化学機械研磨を行う工程と、
化学気相成長（ＣＶＤ）、または塗布方法により前記金属形状の上と前記第１絶縁層の上方とに第２絶縁層を形成し、前記光学センサー上の複数の前記金属形状間の前記第１絶縁層と前記第２絶縁層の全体の膜厚を同一にすることを特徴とする半導体装置の形成方法。 - 半導体装置の形成方法であって、
基板内または基板上の所定の領域に光学センサーが形成されており、金属形状を有する金属パターンを、前記金属形状間に前記所定の領域が位置するように前記基板上に提供する工程と、
プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、または高密度プラズマ化学気相成長（ＨＤＰＥＣＶＤ）、またはそれらの技術の組合せにより、前記金属形状と、前記金属形状間の前記所定の領域上とに光透過性を有する第１絶縁層を成膜する工程と、
前記第１絶縁層を研磨し、前記金属形状を実質的に露出せず、且つ、前記第１絶縁層を平坦でなく、傾斜した表面にする第１化学機械研磨を行う工程と、
前記第１化学機械研磨の工程後、前記第１絶縁層の研磨速度が前記金属形状の研磨速度より遅い方式で前記第１絶縁層を研磨し、前記金属形状間に前記第１絶縁層のみを残し、且つ、前記第１絶縁層の上表面が前記金属形状の上表面より高く、且つ、どんな傾斜表面も有すことなく構成されるように第２化学機械研磨を行う工程と、
化学気相成長（ＣＶＤ）、または塗布方法により前記金属形状の上と前記第１絶縁層の上方とに第２絶縁層を形成し、前記光学センサー上の複数の前記金属形状間の前記第１絶縁層と前記第２絶縁層の全体の膜厚を同一にすることを特徴とする半導体装置の形成方法。 - 半導体装置の形成方法であって、
基板内または基板上の所定の領域に光学センサーが形成されており、金属形状を有する金属パターンを、前記金属形状間に前記所定の領域が位置するように前記基板上に提供する工程と、
プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、または高密度プラズマ化学気相成長（ＨＤＰＥＣＶＤ）、またはそれらの技術の組合せにより、前記金属形状と、前記金属形状間の前記所定の領域上とに光透過性を有する第１絶縁層を成膜する工程と、
前記第１絶縁層を研磨し、前記金属形状を実質的に露出せず、且つ、前記第１絶縁層を平坦でなく、傾斜した表面にする第１化学機械研磨を行う工程と、
前記第１化学機械研磨の工程後、選択的に、エッチング工程により前記金属形状の表面まで前記第１絶縁層を直接エッチングし、前記金属形状間に前記第１絶縁層のみを残し、且つ、前記第１絶縁層の上表面が前記金属形状の上表面より低く、且つ、どんな傾斜表面も有すことなく構成されるようにエッチングを行う工程と、
化学気相成長（ＣＶＤ）、または塗布方法により前記金属形状の上と前記第１絶縁層の上方とに第２絶縁層を形成し、前記光学センサー上の複数の前記金属形状間の前記第１絶縁層と前記第２絶縁層の全体の膜厚を同一にすることを特徴とする半導体装置の形成方法。 - 前記金属形状間に残留された前記第１絶縁層の厚さは、前記金属形状の厚さの５０％、またはそれ以上であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の形成方法。
- 前記金属形状は、異なる高さの上表面を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の形成方法。
- 前記金属形状は、分離の金属層から形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の形成方法。
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