KR100667650B1 - 이미지 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
고감도로 광을 감지할 수 있는 신규한 구조의 이미지 소자의 구조 및 제조 방법에서, 이미지 소자는, 광소자를 포함하는 반도체 소자들이 형성된 기판과, 상기 기판상에 형성되고, 상기 광소자의 상부에 광통로 홈을 갖고, 상기 하부 광통로 홈은 상기 광소자의 광감도를 향상시키기 위하여 볼록한 형태의 저면을 갖는 하부 절연막과, 상기 하부 절연막상에 형성되고, 상기 하부 광통로 홈에 연장하여 형성되고, 광개구부가 형성되어 있는 층간 절연막 구조물과, 상기 광통로 홈과 상기 광개구부를 매립하면서 형성된 광개구부 패턴, 및 상기 층간 절연막 구조물상에 상기 광개구부의 상부에 위치하는 마이크로 렌즈를 포함한다. 상기한 이미지 소자는 볼록한 형태의 저면을 갖는 하부 절연막이 구비됨으로서 광 감도를 높힐 수 있다.
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2m은 도 1에 도시한 이미지 소자를 제조하기 위한 방법을 보여주는 단면도들이다.
본 발명은 이미지 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 CIS (CMOS Image Sense) 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 1차원 또는 2차원이상의 광학 정보를 전기 신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류로서는 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계측, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용기술이 발전되었다. 시판되는 고체 이미지 센서는 MOS(metal-oxide-semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 2종류가 있다.
CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자이다. CMOS 이미지 소자는 1960년대 개발되었으나, FPN(Fixed Pattern Noise)와 같은 노이즈로 인하여 이미지 품질(Image quality)이 CCD에 비하여 열등하고, CCD에 비하여 회로가 복잡하고, 집적 밀도(Packing Density)가 낮고, 비용면에서는 CCD에 비하여 차이가 없고, 칩 크기가 커서 1990년대까지 더 이상의 개발은 진행되지 않았었다.
1990년대 후반에 들어서 CMOS 공정 기술의 발달 및 신호처리 알고리듬등의 개선으로 인하여 기존의 CMOS 이미지 센서가 갖고 있는 단점들이 극복되기 시작하였다. 또한, 선택적으로 CCD공정을 CMOS 이미지 센서에 적용하여 제품의 질이 월등하게 개선되어 이미지 센서로 사용되어 왔다.
최근에는 디지털 스틸 카메라, 휴대폰의 카메라, 도어폰의 카메라등 이미지 센서에 대한 수요가 폭발적으로 늘어나면서, CIS 장치에 대한 수요도 기하급수적으로 늘어나고 있다. 이에 따라서, 각종 응용 제품에서 고성능의 CIS 장치가 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하여 0.18미크론의 디자인 룰을 이용하여 CIS장치를 개발하기 위하여 공정 개발을 진행하여 왔고, 차세대 이미지 센서는 0.13미크론 디자인 룰에 의한 공정 개발이 필요하다.
일반적으로 0.13미크론 이하의 작은 패턴을 갖는 반도체 장치는 알루미늄을 이용한 금속 배선 콘택을 형성하기가 어렵다. 따라서, 알루미늄 대신에 구리를 이용한 금속 배선 콘택을 적용하는 것이 바람직하다. 그런데, 상기 구리 물질은 반응 이온 식각(RIE, Reactive Ion Etch) 방식으로 패턴을 형성하기가 어렵기 때문에, 다마신 방식을 적용하여 패턴을 형성하여야 한다. 상기 다마신 방식을 적용하여 구리 금속 배선을 형성하는 경우에는, 층간 절연막(IMD)에서의 구리의 확산을 방지하 고 식각 저지막으로 사용하기 위하여 SiN, SiC등과 같은 광흡수율이 높은 물질층을 형성할 필요가 있다. 이러한 물질의 사용은 외부에 광을 받아들여서 반응하여야 하는 포토 다이오드를 갖는 이미지 소자에 있어서는 매우 치명적으로 불리한 것이다. 따라서, 포토 다이오드 상부상의 상기 물질들이 제거되지 않으면, 포토 다이오드까지 외부광이 도달하지 못하여 이미지 센서로서 동작을 못하게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고감도로 광을 감지할 수 있는 신규한 구조를 갖는 이미지 소자를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 고감도의 이미지 소자를 형성하는 데 특히 적합한 이미지 소자의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 소자는 광소자를 포함하는 반도체 소자들이 형성된 기판과, 상기 기판상에 형성되고, 상기 광소자의 상부에 광통로 홈을 갖고, 상기 하부 광통로 홈은 상기 광소자의 광감도를 향상시키기 위하여 상부로 볼록한 형태의 저면을 갖는 하부 절연막과, 상기 하부 절연막상에 형성되고, 상기 하부 광통로 홈에 연장하여 형성되고, 광개구부가 형성되어 있는 층간 절연막 구조물, 상기 광통로 홈과 상기 광개구부를 매립하면서 형성된 광개구부 패턴 및 상기 층간 절연막 구조물상에 상기 광개구부의 상부에 위치하는 마이크로 렌즈를 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 광개구부 패턴을 빛을 투과할 수 있고, 상기 하부 절연막을 구성하는 물질에 비해 낮은 굴절율을 갖는 물질로 이루어질 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 층간 절연막 구조물은 상기 광개구부 패턴의 옆쪽에 하부 구리 배선을 더 포함하되, 상기 광개구부 패턴의 최하부와 상기 기판사이의 높이는 상기 하부 구리 배선과 상기 기판사이의 높이보다 낮다.
또 다른 실시예들에서, 상기 광 통로 요홈의 저면은 상기 마이크로 렌즈를 향하여 볼록한 형태이다.
또 다른 실시예들에서, 상기 이미지 소자는 상기 하부 구리 배선의 상부에 n층(n은 자연수)의 구리 배선을 포함하되, 상기 광개구부 패턴의 높이는 하부 구리 배선 및 n층의 구리배선의 높이의 합보다 크다..
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 소자 형성 방법에 의하면, 반도체 기판에 광소자를 포함하는 반도체 소자들을 형성하고, 상기 기판 상에 상기 광소자의 상부에 광통로 홈을 갖고, 상기 하부 광통로 홈은 상기 광소자의 광감도를 향상시키기 위하여 상부로 볼록한 형태의 저면을 갖는 하부 절연막을 형성하고, 상기 하부 절연막상에, 상기 하부 광통로 홈에 연장하여 형성되고, 광개구부가 형성되어 있는 층간 절연막 구조물을 형성하고, 상기 광통로 홈과 상기 광개구부를 매립하도록 광개구부 패턴을 형성하고, 상기 층간 절연막 구조물상에 상기 광개구부의 상부에 위치하는 마이크로 렌즈를 형성한다.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 광소자 상부 부분이 다른 부분보다 두꺼운 확산 방지막 패턴을 형성한 후에, 상기 확산 방지막 상부에 제1 층간 절연막을 형성하고, 상기 광소자 상부 부분이 다른 부분보다 두꺼운 확산 방지막 패턴을 형성한 후에, 상기 확산 방지막 상부에 제1 층간 절연막을 형성하고, 상기 제1층간 절연막, 상기 확산 방지막 및 상기 하부 절연막의 상부까지 연속적으로 에칭 공정을 수행하여 광소자의 상부부위에 존재하는 제1 층간 절연막, 상기 확산 방지막 및 상기 하부 절연막을 부분적으로 제거하여 볼록한 형태의 광개구부 패턴을 형성한다.
다른 실시예들에서, 상기 층간 절연막 구조물을 형성하는 것은 하부 구리 배선을 형성하는 것을 포함하되, 상기 광개구부패턴의 최하부와 상기 기판사이의 높이는 상기 제1 구리 배선과 상기 기판사이의 높이보다 낮다.
또 다른 실시예들에서, 상기 광개구부 패턴은 하부는 위를 향하여 볼록한 형상을 갖는다.
또 다른 실시예들에서, 상기 확산 방지막 패턴의 두꺼운 부분의 폭은 상기 광소자 폭의 이분의 일(1/2)이다.또 다른 실시예들에서, 상기 확산 방지막 패턴의 두꺼운 부분은 700 내지 1300Å이다.
또 다른 실시예들에서, 상기 확산 방지막 패턴은 실리콘나이트라이드(SiN) 또는 실리콘카바이드(SiC)로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 광개구부 패턴은 레진 또는 SOG로 형성될 수 있 다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 따라서, 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이나, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구함의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 결쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 이미지 소자를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 필드 산화막(102)에 의해 한정된 활성 영역의 표면 부위에 포토다이오드(110)와 같은 수광 소자가 구비된 반도체 기판(100)이 구비된다. 상기 반도체 기판(100) 상에 스위칭 소자인 트랜지스터(120)들이 형성되어 있다. 상기 각각의 트랜지스터(120)는 반도체 기판(100)상에 게이트 절연막(112)을 개재하여 형성된 게이트 전극(114) 및 상기 게이트 전극(114)의 사이에 형성된 소오스/드레인 영역(122)을 포함한다. 상기 게이트 전극의 양측벽에는 스페이서(116)가 형성되어 있다.
상기 트랜지스터(120)가 형성된 반도체 기판(100)상에는 산화 실리콘과 같은 투명한 재질로 이루어진 하부 절연막(130)이 형성되어 있다. 상기 하부 절연막(130)의 소정 부위에는 상기 트랜지스터(120)의 소오스/드레인 영역(122) 게이트 전극(114)와 전기적으로 연결되는 하부 콘택(140)이 형성된다. 상기 하부 콘택(140)은 티타늄 또는 텅스텐 등과 같은 금속 물질로 형성될 수 있다. 상기 하부 콘택(140)의 상부에는 후속 공정에서 형성되는 구리의 확산을 방지하기 위한 제1 구리 확산 방지막(150)이 형성될 수 있다. 상기 제1 구리 확산 방지막(150)은 SiC, 또는 SiN계열의 물질로 200 내지 1000Å, 바람직하게는 300 내지 700Å 의 두께를 갖는다. 상기 SiC는 필요에 따라서 질소 또는 산소등의 불순물이 포함될 수 있고, 상기 SiN은 필요에 따라서 산소와 같은 불순물이 포함될 수 있다.
상기 하부 절연막에는 포토다이오드로 광을 인도하기 위한 광 통로 홈(255)이 형성되어 있다. 상기 광통로 홈(255)의 저면은 광 소자의 광감도를 향상시키기 위하여 볼록한 형태를 갖는다. 상기 하부 절연막(130) 상에 형성되고, 상기 광통로 홈(255)에 연장하는 광개구부(254)가 형성되어 있는 층간 절연막 구조물이 구비된다. 또한 상기 층간 절연막 구조물 내에는 구리로 이루어지는 금속 배선들이 형성되어 있다.
이하에서는, 상기 금속 배선들을 갖는 층간 절연막 구조물에 대해 보다 상세하게 설명한다.
상기 제1 구리 확산 방지막(150a)상에 제1 층간 절연막(160)이 형성되어 있다. 상기 제1 층간 절연막(160)에는 상기 하부 콘택(140)과 전기적으로 접속되고, 도전성 라인이 구리 물질로 이루어지는 하부 구리 배선 라인(170)이 형성된다. 상기 제1 층간 절연막(160)은 투명 또는 불투명한 재질로 형성할 수 있다. 상기 하부 구리 배선 라인(170)의 측벽 및 저면에는 상기 하부 구리 배선 라인(170)을 구성하 는 구리 물질이 상기 제1 층간 절연막(160)으로 확산하는 것을 방지하기 위한 제1 배리어 금속막 패턴(411)이 형성되어 있다.
상기 하부 구리 배선 라인(170)을 포함하는 제1 층간 절연막(160) 상에 200Å 내지 1000Å , 바람직하게는 300Å 내지 700Å 정도의 두께를 갖는 제2 구리 확산 방지막(180)이 형성된다.
이 때, 상기 광통로 홈(255)의 저면과 상기 반도체 기판(100)사이의 높이는 상기 하부 구리 배선(170)의 저면과 상기 반도체 기판(100)사이의 높이보다 낮다.
상기 제2 구리 확산 방지막(180) 상에 제2 층간 절연막(190)이 형성된다. 상기 제2 층간 절연막(190) 에는 상기 하부 구리 배선(170)과 접속하는 제1 비아 구리 콘택(200a)들 및 상기 제1 비아 구리 콘택(200a)들을 서로 연결시키고 신호를 전달하기 위한 도전성 라인인 제1 구리 배선 라인(200b)들을 포함하는 제1 배선(200)이 형성된다. 상기 제1 배선 (200)과 상기 제2 층간 절연막(190)의 사이에는 상기 제1 배선(200)을 구성하는 물질이 상기 제2 층간 절연막(190)으로 확산되는 것을 방지하기 위한 제2 층간 절연막 확산 방지막 패턴인 제2 배리어 금속막 패턴(421)이 형성되어 있다.
상기 제2 층간 절연막(190) 상에는 제3 구리 확산 방지막(210) 및 제3 층간 절연막(220)이 형성된다. 상기 제3 층간 절연막(220) 내에는 상기 제1 배선(200)과 전기적으로 접속하는 제2 구리 콘택(230a)들 및 상기 제2 구리 콘택(230a)들을 서로 연결시키고 신호를 전달하기 위한 도전성 라인인 제2 구리 배선 라인(230b)들을 포함하는 제2 배선(230)이 형성된다. 상기 제2 배선 (230)과 상기 제3 층간 절연막 (220)의 사이에는 상기 제3 배선(200)을 구성하는 물질이 상기 제3 층간 절연막(220)으로 확산되는 것을 방지하기 위한 제3 층간 절연막 확산 방지막 패턴인 제3 베리어 금속막 패턴(431)이 형성되어 있다.
상기 제3 층간 절연막(220) 상에는 동일하게, 제4 구리 확산 방지막(240) 및 제3 배선(260)을 포함하는 제4 층간 절연막(250)이 형성된다. 상기 제3 배선(260)은 상기 제1 및 제2 배선(200, 230)과 마찬가지로, 상기 제2 배선(230)과 전기적으로 접속하는 제3 구리 콘택(260a)들 및 상기 제2 구리 콘택(260a)들을 서로 연결시키고 신호를 전달하기 위한 도전성 라인인 제2 구리 배선 라인(260b)들을 포함한다. 마찬가지로, 상기 제3 배선 (260)과 상기 제4 층간 절연막(220)의 사이에는 상기 제3 배선(260)을 구성하는 물질이 상기 제4 층간 절연막(220)으로 확산되는 것을 방지하기 위한 제4 층간 절연막 확산 방지막 패턴인 제4 베리어 금속막 패턴(441)이 형성되어 있다.
상기 제4 층간 절연막(250)과 상기 제3 배선(260) 상에 제5 구리 확산 방지막(270)이 형성된다. 상기 제5 확산 방지막 상에는 상부 층간 절연막이 형성된다.
설명한 것과 같이, 상기 제1 내지 제4 층간 절연막, 상부 층간 절연막 및 확산 방지막들을 포함하는 층간 절연막 구조물은 상기 광통로 홈(255)을 연장하여 형성되는 광개구부(254)가 형성되어 있다. 도시된 것과 같이, 상기 제1 내지 제4 및 확산 방지막들은 상기 상부 층간 절연막 상부로부터 광통로 홈(255)과 연통하는 개구부들을 각각 포함하고 있다.
상기 광통로홈(255)과 상기 광개구부(254)를 매립하면서 형성된 광개구부 패 턴(256)이 구비된다. 상기 광개구부 패턴(256)은 외부로부터 포토다이오드까지 광이 입사되도록 하는 경로로 제공된다. 상기 광개구부 패턴(256)은 상기 하부 절연막을 구성하는 물질에 비해 낮은 굴절율을 갖는 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 광개구부 패턴(256)은 빛이 지나갈 수 있는 투명한 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 광개구부 패턴(256)은 투명한 절연물질인 스핀온 절연막(Spin-On Dielectrics)으로 형성할 수 있다.
이 때, 상기 광통로홈(255)의 저면이 볼록하게 형성되어 있으므로, 상기 광개구부 패턴(256)의 저면 역시 상부를 향해 볼록한 형상을 갖게된다. 즉 포토 다이오드(110)을 향하여 오목한 형태를 갖는다. 상기 광개구부 패턴(256)의 저면이 상기와 같은 형태를 가짐으로써, 상기 광개구부 패턴(256)의 저면은 빛을 한번 더 모아주는 렌즈의 역할을 할 수 있다. 때문에, 상기 포토 다이오드(110)에 빛을 효과적으로 전달할 수 있게 함으로써, 상기 이미지 소자의 광감도를 높일 수 있다. 또한 상기 광개구부 패턴(256)의 높이는 은 상기 하부 구리배선(170), 상기 제1 배선(200), 상기 제2 배선(230), 상기 제3 배선(260)의 높이의 합보다 크다.상기 광개구부 패턴(256)의 상부에 칼라 필터(300)가 형성된다. 상기 칼라 필터(300) 상에, 상기 포토 다이오드(110)로 광을 모아주기 위한 마이크로 렌즈(310)가 형성된다. 상기 마이크로 렌즈(310)는 광개구부 패턴(256) 상부에 위치하며, 볼록한 반구형을 갖는다.
이하 도 2a 내지 도 2m을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 소자의 형성 방법에 대해서 설명한다.
먼저 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이 이미지 소자 제조 방법이 적용될 기판(100)을 준비한다. 기판으로는 실리콘 기판, SOI(Silicon On Insulator)기판, 갈륨비소 기판, 실리콘 게르마늄 기판, 세라믹 기판, 석영기판 또는 디스플레이용 유리 기판 등을 예로 들 수 있다.
상기 기판(100)의 상부에 필드 산화막(102)을 형성하여 활성 영역을 한정한다. 상기 활성 영역의 표면 위에 포토 다이오드(110)와 같은 수광 소자를 형성하고, 상기 포토 다이오드(110)와 접속하도록 상기 반도체 기판(100) 상에 상기 포토 다이오드(110)의 스위칭 소자인 트랜지스터(120)들을 형성한다.
상기 각각의 트랜지스터(120)는 반도체 기판(100)에 게이트 절연막(112)을 개재하여 형성된 게이트 전극(114)과, 상기 게이트 전극(114)들 사이의 반도체 기판 (100) 아래로 불순물 영역인 소오스/드레인 영역(122)을 포함한다. 상기 게이트 전극(114)의 양측벽에 스페이서(116)를 형성한다.
도 2b를 참조하면, 상기 트랜지스터(120)가 형성된 반도체 기판(100)을 덮도록 하부 절연막(130)을 형성한다. 상기 하부 절연막(130)은 투명한 재질로 형성할 수 있다. 상기 하부 절연막(130)에 사용할 수 있는 투명한 물질로는 산화 실리콘계 물질 등이 사용될 수 있다.
상기 하부 절연막(130)에 통상적인 사진 식각 공정으로 상기 트랜지스터(120)의 소오스/드레인 영역(122)의 표면 부위와 게이트 전극(114)의 상부 표면 부위를 노출시키는 콘택홀들을 형성한다.
다음에, 상기 콘택홀들을 매립하도록 티타늄이나 텅스텐을 증착하여 하부 금 속층을 형성한다. 상기 티타늄이나 텅스텐은 화학 기상 증착 방법이나 스퍼터링 방법을 이용하여 증착할 수 있다.
상기 하부 금속층은 구리를 증착시켜 형성할 수도 있으나, 상기 구리는 하부에 존재하는 반도체 기판(100)으로 확산되기 쉬우므로 이를 방지하기 위하여 티타늄이나 텅스텐을 이용하는 것이 더 바람직하다. 그리고, 상기 하부 금속층을 구리로 형성하는 경우에는 상기 하부 금속층을 형성하기 이전에 상기 콘택홀의 측면 및 저면상에 배리어 금속막 패턴(미도시)을 형성하는 공정이 더 수행될 수 있다.
계속하여, 상기 티타늄이나 텅스텐으로 이루어진 하부 금속층을 상기 하부 절연막(130)의 표면이 노출될 때까지 상기 하부 금속층을 화학적 기계적 연마 방법으로 연마하여, 상기 콘택홀들을 매립하는 하부 콘택(140)들을 형성한다.
상기 하부 콘택(140)을 갖는 하부 절연막(130) 상에 예비 제1 구리 확산 방지막(150)을 형성한다. 상기 예비 제1 구리 확산 방지막(150)은 이후 수행되는 열처리 공정에서 구리의 확산을 방지하고, 이후의 식각 공정에서 에칭 스토퍼로서 역할을 한다. 상기 예비 제1 구리 확산 방지막(150)의 하부에는 구리의 확산에 민감한 트랜지스터(120)가 있으므로 상기 예비 제1 구리 확산 방지막(150)을 형성하는 것이다.
상기 예비 제1 구리 확산 방지막은 후속 공정에서 형성되는 다른 확산 방지막에 비해 더 두껍게 형성되는 것이 바람직하다. 이는, 상기 예비 제1 구리 확산 방지막의 두께를 낮추기 위한 식각 공정 시에 공정 마진을 충분히 가져가기 위함이다. 구체적으로, 상기 예비 제1구리 확산 방지막(150)은 SiC, 또는 SiN계열의 물질 로 700Å 내지 1300Å, 바람직하게는 900Å 내지 1100Å의 두께를 갖도록 형성한다. 상기 SiC는 필요에 따라서 질소 또는 산소 등의 불순물이 포함될 수 있고, 상기 SiN은 필요에 따라서 산소와 같은 불순물이 포함될 수 있다.
상기 예비 제1 구리 확산 방지막(150)은 SiC, SiN과 같은 불투명한 물질로 구성되어 있기 때문에, 외부로부터 광이 상기 포토 다이오드(110)에 도달하기 위하여는 포토 다이오드의 상부에 존재하는 상기 예비 제1 구리 확산 방지막(150)은 제거될 필요가 있다.
도 2c를 참조하면, 상기 예비 제1 구리 확산 방지막(150) 상부에 상기 포토 다이오드(110)의 일부를 가리는 포토레지스트 패턴(152)을 형성한다. 상기 포토레지스트(152)의 폭(B)은 상기 포토다이오드(110)의 폭(A)의 약 이분의 일 (1/2) 정도의 폭으로 형성한다.
도 2d를 참조하면, 상기 예비 제1 구리 확산 방지막(150) 상부에 포토레지스트 패턴(152)을 마스크로 하여 상기 예비 제1 구리 확산 방지막(150)을 부분적으로 식각함으로서, 상기 마스킹된 부위를 제외한 나머지 부분이 상기 예비 제1 구리 확산 방지막보다 두께가 낮은 형상을 갖는 제1 구리 확산 방지막(150a)을 형성한다.
상기 제1 구리 확산 방지막(150a)에서 포토레지스트 패턴(152)으로 마스킹되지 않은 부분은 상기 예비 제1 구리 확산 방지막(150)의 이분의 일(1/2) 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 제1 구리 확산 방지막(150a)의 얇은 부분은 400Å 내지 600Å, 바람직하게는 약 500Å의 두께를 갖도록 형성한다.
도 2e를 참조하면, 상기 제1 구리 확산 방지막(150a) 상에 제1 층간 절연막 (160)을 형성한다. 상기 제1 층간 절연막(160)은 실리콘 산화물과 같은 투명한 재질로 형성할 수 있다. 그렇지만, 상기 포토 다이오드(110)의 상부에 존재하는 상기 제1 층간 절연막(160)은 나중에 제거될 수 있으므로, 불투명한 재질로 형성할 수도 있다.
계속하여, 통상적인 사진 식각 공정으로, 상기 제1 층간 절연막(160) 및 제 1 구리 확산 방지막(150a)을 부분적으로 제거하여 상기 하부 콘택(140)을 노출하는 제1 트렌치를 형성한다.
다음에, 상기 제1 트렌치의 프로파일을 따라 상기 제1 트렌치 및 제1 층간 절연막 상에 제1 층간 절연막의 확산 방지막인 제1 배리어 금속막(410)을 50Å 내지 500Å의 두께로 형성한다. 상기 제1 배리어 금속막(410)은 이후에 구리 증착 공정시 상기 구리 성분이 상기 하부 절연막(130) 및 제1 층간 절연막(160) 내로 확산되는 것을 방지하기 위해 형성되는 막이다. 상기 제1 배리어 금속막(410)은 예컨대, 탄탈륨막 또는 질화 탄탈륨막 또는 탄탈륨막 상에 질화 탄탈륨막이 증착된 복합막으로 형성할 수 있다.
이어서, 상기 제1 트렌치를 매립하도록 상기 제1 배리어 금속막(410)상에 구리를 증착하여 제1 구리층(159)을 형성한다. 상기 제1 구리층(159)은 먼저 구리 시드(Seed)를 스퍼터링 방법에 의해 증착한 후, 전기 도금법에 의해 형성한다. 상기 제1 구리층(159)을 무전해도금법으로 형성할 수도 있다.
도 2f를 참조하면, 상기 제1 층간 절연막(160)의 상부면이 노출되도록 상기 제1 구리층(159) 및 상기 제1 층간 절연막(160)의 상부 표면상에 존재하는 제1 배 리어 금속막(410)을 화학적 기계적 연마방법으로 연마하여 상기 제1 트렌치 내에는 상기 하부 콘택(140)과 연결되고 구리로 이루어진 도전성 라인인 하부 구리 배선 라인(170)을 형성한다. 이 때, 상기 제1 트렌치의 측벽들 및 저면상에는 상기 제1 배리어 금속막(410)이 제1 배리어 금속막 패턴(411)으로서 잔류한다. 즉, 상기 하부 구리라인(170)과 상기 제1 층간 절연막(160)의 사이에 제2 배리어 금속막(410)이 제1 층간 절연막 확산 방지막인 제2 배리어 금속막 패턴(411)으로 잔류하여, 상기 하부 구리 라인(170)을 구성하는 금속 물질이 상기 제1 층간 절연막(160)으로 확산되는 것을 방지한다.
도 2g를 참조하면, 상기 하부 구리 배선 라인(170) 및 제1 배리어 금속막 패턴(411)을 포함하는 제1 층간 절연막(160) 상에 200Å 내지 1000Å, 바람직하게는 300Å 내지 700Å정도의 두께로 제2 구리 확산 방지막(180)을 형성한다. 상기 제2 구리 확산 방지막(180)은 SiC, SiN과 같은 불투명한 물질로 구성된다.
상기 제2 구리 확산 방지막(180) 상에 제2 층간 절연막(190)을 형성한다. 상기 제2 층간 절연막(190)은 상기 제1 층간 절연막(160)과 동일한 방법으로 2000Å 내지 20000Å 의 두께를 갖도록 형성한다.
상기 하부 구리 배선 라인(170) 상에 위치하는 상기 제2 층간 절연막(190)부위를 통상적인 사진 식각 공정으로 식각하여, 저면에 상기 제2 구리 확산 방지막(180)이 노출되는 제1 비아홀(194)을 형성한다.
이어서, 통상의 사진 공정을 수행하여 상기 제1 비아홀(194)을 경유하는 트렌치를 패터닝하기 위한 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 상기 제2 층간 절연막(190)의 소정 부위를 2000Å 내지 10000Å 의 깊이로 식각하여, 상기 제1 비아홀(194) 상부를 경유하는 제2 트렌치(196)를 형성한다. 상기 식각 공정을 수행하는 동안 상기 제1 비아홀(194)의 저면부가 오픈되어 있지만, 상기 제2 층간 절연막(190)과 상기 제2 구리 확산 방지막(180) 간의 식각 선택비가 높기 때문에 상기 제1 예비 비아홀 저면의 제2 구리 확산 방지막(180)은 부분적으로 상기 제1 예비 비아홀의 저면부에 잔류한다. 따라서, 상기 제2 트렌치(196) 형성을 위한 식각 공정을 수행하더라도 상기 제2 구리 확산 방지막(180) 아래에 형성된 막들은 거의 손상되지 않는다.
이어서, 상기 포토레지스트 패턴을 스트립하고, 상기 제1 비아홀(194) 저면에 남아있는 상기 제2 구리 확산 방지막(180)을 제거하여, 저면에 상기 하부 구리 배선 라인(170)을 노출하는 제1 비아홀(194)을 형성한다. 여기서, 상기 제2 트렌치 (196)및 제1 비아홀(194)은 이 후의 공정에 의해 상기 하부 구리 배선 라인(170)과 전기적으로 연결되는 배선이 형성될 영역이다.
본 실시예에서는 먼저 제1 비아홀(194)을 형성하고, 다음에 상기 제1 비아홀(194)의 상부를 경유하는 제2 트렌치(196)을 형성하는 비아 퍼스트 듀얼 다마신 (via first dual damascene : VFDD)공정을 예로 들어 설명하였지만, 통상적으로 제1 비아홀(194)과 제2 트렌치(196)을 형성하는 공정이라면 본 실시예에 포함될 수 있다. 예를 들면, 먼저 제1 비아홀을 포함 하부 층간 절연막을 형성한 후, 상기 제1 비아홀을 도전성 물질로 매립하여 비아 구리 콘택을 형성한 후, 상기 하부 층간 절연막에 트렌치를 갖는 상부 층간 절연막을 형성하는 싱글 다마신 (single damascene)에 적용할 수도 있다. 또한, 제2트렌치를 먼저 형성하고 제1 비아홀을 나중에 형성하는 트렌지 퍼스트 듀얼 다마신 (trench first dual damascene) 방법에 적용할 수도 있다.
도 2h를 참조하면, 제2 배리어 금속막(410)의 형성시와 마찬가지로, 상기 제1 비아홀(194), 제2 트렌치(196) 및 제2 층간 절연막(190)의 프로파일을 따라 제2 배리어 금속막(420)을 형성한다. 상기 제2 트렌치(196) 및 제1 비아홀(194)을 매립하도록 결과물의 전면에 구리를 증착하여 제2 구리층(199)을 형성한다. 상기 제2 구리층(199)은 상기 제1 구리층(159)에서와 동일한 방법으로 먼저 구리 시드(Seed)를 스퍼터링 방법에 의해 증착한 후, 전기 도금법에 의해 형성한다.
도 2i를 참조하면, 상기 제2 구리층(199) 및 제2 배리어 금속막(420)을 상기 제2 층간 절연막(190)의 상부 표면이 노출될 때까지 화학적 기계적 연마방법으로 연마하여, 상기 제2 트렌치(196)과 제1 비아홀(194) 내에는 상기 하부 구리 배선 라인(170)과 연결되는 제1 배선(200)을 형성한다. 상기 제1 배선(200)은 상기 하부 구리 배선 라인(170)과 직접 연결되는 제1 구리 콘택(200a)들과 상기 제1 구리 콘택(200a)들 간을 연결하는 제1 구리 배선 라인(200b)으로 구성된다.
이 때, 상기 제2 트렌치(196) 및 상기 제1 비아홀(194)의 측벽들 및 저면상에는 상기 제2 배리어 금속막(420)은 제2 배리어 금속막 패턴(421)으로서 잔류한다. 즉, 상기 제1 배선(200)과 상기 제2 층간 절연막(190)의 사이에 제2 배리어 금속막(410)이 제2 층간 절연막 확산 방지막인 제2 배리어 금속막 패턴(421)으로 잔류하여, 상기 제1 배선(200)을 구성하는 금속 물질이 상기 제2 층간 절연막(190)으 로 확산되는 것을 방지한다.
계속해서, 상기 제1 배선(200)을 포함하는 제2 층간 절연막(190) 상에 상기 제1 배선을 형성한 것과 동일한 방법으로 공정을 수행하여, 제3 구리 확산 방지막(210)을 형성하고, 상기 제3 구리 확산 방지막(210) 상에 제2 배선(230)을 포함하는 제3 층간 절연막(220)을 형성한다.
구체적으로, 상기 제1 배선(200)을 포함하는 제2 층간 절연막(190) 상에 제3 구리 확산 방지막(210)을 형성한다. 상기 제3 구리 확산 방지막(210)상에 제3 층간 절연막(220)을 형성한다. 상기 제3 층간 절연막(220)은 상기 제2 층간 절연막(190)과 동일한 방법으로 약 1000Å 내지 20000Å 의 두께를 갖도록 형성한다.
통상적인 사진 식각 공정으로, 상기 제3 층간 절연막(220)의 소정 부위를 식각하여 상기 제3 구리 확산 방지막(210)을 노출하는 제2 예비 비아홀을 형성한다.
이어서, 통상의 사진 공정으로 상기 제3 층간 절연막(220)의 소정 부위를 식각하여 상기 제2 예비 비아홀의 상부를 경유하는 제3 트렌치를 형성한다. 상기 제2 예비 비아홀 및 제3 예비 더미홀 저면에 노출되는 제3 구리 확산 방지막(210)을 제거하여 제2 비아홀을 형성한다. 상기 제3 트렌치 및 제2 비아홀은 후속 공정을 통해 상기 제1 배선(200)과 전기적으로 연결되는 제2 배선(230)이 된다.
이어서, 제2 배리어 금속막 형성시와 마찬가지로, 상기 제3 트렌치, 제2 비아홀 및 제3 층간 절연막(220)의 프로파일을 따라 제4 배리어 금속막(미도시)을 형성한다. 다음에, 상기 제3 트렌치 및 제2 비아홀을 매립하도록 결과물의 전면에 구리를 증착하여 제3 구리층(미도시)을 형성한다. 상기 제3 구리층을 상기 제3 층간 절연막(220)의 상부 표면이 노출될 때까지 화학적 기계적 연마방법으로 연마하여 상기 제3 트렌치 및 제2 비아홀에는 상기 제1 배선(200)과 전기적으로 연결되는 제2 배선(230)을 형성한다. 상기 제2 배선(230)은 상기 제1 배선(200)과 직접 연결되는 제2 구리 콘택(230a)들과 상기 제2 구리 콘택(230a)들 간을 연결하는 제2 구리 배선 라인(230b)으로 구성된다.
이 때, 상기 제3 트렌치 및 상기 제2 비아홀의 측벽들 및 저면상에는 상기 제3 배리어 금속막은 제3 배리어 금속막 패턴(431)으로서 잔류한다. 즉, 상기 제2 배선(230)과 상기 제3 층간 절연막(220)의 사이에 제4 배리어 금속막이 제3 층간 절연막 확산 방지막인 제3 배리어 금속막 패턴(431)으로 잔류하여, 상기 제2 배선(230)을 구성하는 금속 물질이 상기 제3 층간 절연막(220)으로 확산되는 것을 방지한다.
도 2j를 참조하면, 도 2i에서 설명한 바와 동일한 방법으로, 상기 제2 배선(230)을 포함하는 제3 층간 절연막(220) 상에 제4 구리 확산 방지막(240)을 형성한다. 이어서, 상기 제2 배선(230)과 전기적으로 연결되는 제3 배선(260)을 포함하는 제4 층간 절연막(250)을 형성한다. 상기 제3 배선(260)은 상기 제2 배선(230)과 직접 연결되는 제3 구리 콘택(260a)들과 상기 제2 구리 콘택(260a)들 간을 연결하는 제2 구리 배선 라인(260b)으로 구성된다.
마찬가지로, 제4 트렌치 및 상기 제4 비아홀의 측벽들 및 저면상에는 제4 배리어 금속막 패턴(441)이 형성된다. 이어서, 상기 제3 배선(260) 및 상기 제 4층간 절연막(250) 상에 제5 구리 확산 방지막(270)을 형성한다.
본 실시예에서는 4층의 배선 구조를 예로 들어 설명하였지만, 필요에 따라서는, 도 2f에서와 같은 단일층의 배선 구조를 가질 수도 있고, n(2 이상의 자연수)층의 배선 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 5층의 배선 구조가 필요한 경우에는, 제6 구리 확산 방지막, 제5 층간 절연막 및 제 5 배선을 형성한다.
도 2k를 참조하면, 상기 제3 배선을 포함하는 제4 층간 절연막 상에 예비 상부 층간 절연막을 형성한다. 이 후, 광개구부(254)를 형성하기 위한 포토 레지스트 패턴(도시안됨)을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 예비 상부 층간 절연막을 식각함으로서 상부 층간 절연막(252)을 완성한다.
도 2l을 참조하면, 상기 포토 레지스트 패턴를 마스크로 하여 하부에 노출된 층간 절연막들 및 구리 확산 방지막들을 식각함으로서 상기 광개구부(254)을 형성한다. 구체적으로, 상기 제5 구리 확산 방지막(270), 제4 층간 절연막(250), 상기 제4 구리 확산 방지막(240), 상기 제3 층간 절연막(220), 상기 제3 구리 확산 방지막(210), 상기 제2 층간 절연막(190), 상기 제2 구리 확산 방지막(180) 및 상기 제1 층간 절연막(160)을 순차적으로 식각한다. 상기 식각 공정을 통해 광 개구부(254)를 형성한다.
이어서, 상기 제1 구리 확산 방지막(150a) 및 상기 하부 절연막의 일부분을 식각함으로서 광통로홈(255)을 형성한다.
이 때, 상기 제1 구리 확산 방지막(150a)은 도 2b 내지 도 2d에서 설명한 바와 같이 상기 포토 다이오드(110) 상부에 위치하는 중앙부분이 두껍게 형성되어 있어, 식각시 상대적으로 얇은 양 옆 부분의 식각 속도가 중앙 부분보다 빠르게 진행 된다. 그리하여, 중앙 부분의 상기 제1 구리 확산 방지막(150a)이 식각 되는 동안, 상기 얇은 제1 구리 확산 방지막(150a)의 양 옆 부분 하부의 하부 절연막(130)의 일부가 식각된다. 그리하여 완성된 광통로홈(255)의 저면은 위쪽을 향하여 볼록한 형태가 된다.
도 2m을 참조하면, 상기 광 개구부(254) 및 상기 광통로홈(255) 내부를 투명한 물질로 매립함으로서 광개구부 패턴 (256)을 형성한다. 상기 광개구부 패턴(256)은 상기 상부 절연막(252) 상에도 형성된다.
상기 광개구부 패턴 (256)은 투광성 레진 또는 스핀온 글래스 용액을 스핀온 방식으로 코팅하여 투명한 재질의 막으로 매립한다.
상기 광개구부 패턴(256)의 저면은 상기 광통로홈(255) 저면의 프로파일을 따라 형성되므로 위를 향하여 볼록한 형상을 갖게된다. 그러므로, 상기 광개구부 패턴(256)의 저면은 입사되는 빛을 모아주는 렌즈의 역할을 한다. 때문에, 상기 광개구부 패턴(256)에 의해 이미지 소자의 광감도가 높아지게 된다.
상기 완성된 광개구부 패턴(256)의 저면과 기판 사이의 높이는 상기 하부 구리 배선과 기판 사이의 높이보다 낮아지게 된다.
계속해서, 상기 광개구부 패턴(256)상에 컬러 필터(300)를 형성한다. 상기 칼라 필터(300)는 블루, 그린 및 레드 컬러 필터의 어레이 구조를 갖는다. 본 실시예에서는 하나의 수광 소자인 포토 다이오드(110)가 도시되어 있는 것으로서, 상부에 블루, 그린 및 레드 컬러중의 하나의 컬러 필터가 형성된다.
이어서, 상기 칼라 필터(300) 상에, 상기 포토 다이오드(110)로 광을 모아주 기 위한 마이크로 렌즈(310)를 형성하여 이미지 소자인 CMOS 이미지 센서를 완성한다. 상기 마이크로 렌즈(310)는 상부면이 볼록한 반구형으로 형성한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 이미지 소자는 외부로부터 입사되는 광이 이미지 소자 내의 포토다이오드로 입사되기 전에 상기 광개구부 패턴의 저면에서 한번 더 모아지므로 굴절 또는 난반사 등으로 인해 광 투과율이 낮아지는 것을 감소시킬 수 있다. 때문에, 본 발명의 이미지 소자는 광감도가 향상된다.
Claims (13)
- 광소자를 포함하는 반도체 소자들이 형성된 기판;상기 기판상에 형성되고, 상기 광소자의 상부에 광통로 홈을 갖고, 상기 광통로 홈은 상기 광소자의 광감도를 향상시키기 위하여 상부로 볼록한 형상의 저면을 갖는 하부 절연막;상기 하부 절연막상에 형성되고, 상기 하부 광통로 홈에 연장하여 형성되고, 광개구부가 형성되어 있는 층간 절연막 구조물;상기 광통로 홈과 상기 광개구부를 매립하면서 형성된 광개구부 패턴; 및상기 층간 절연막 구조물상에 상기 광개구부의 상부에 위치하는 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 광개구부 패턴은 빛을 투과할 수 있고, 상기 하부 절연막을 구성하는 물질에 비해 낮은 굴절율을 갖는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 층간 절연막 구조물은 하부 구리 배선을 더 포함하되, 상기 광개구부패턴의 최하부와 상기 기판사이의 높이는 상기 하부 구리 배선과 상기 기판사이의 높이보다 낮은 것을 포함하는 이미지 소자.
- 제3항에 있어서, 상기 이미지 소자는 상기 하부 구리 배선의 상부에 n층(n 은 자연수)의 구리 배선을 포함하되, 상기 광개구부 패턴의 높이는 하부 구리 배선 및 n층의 구리배선의 높이의 합보다 큰 것을 포함하는 이미지 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 광 통로 요홈의 저면은 상기 마이크로 렌즈를 향하여 볼록한 형태인 것을 포함하는 이미지 소자.
- 반도체 기판에 광소자를 포함하는 반도체 소자들을 형성하고,상기 기판 상에 상기 광소자의 상부에 광통로 홈을 갖고, 상기 하부 광통로 홈은 상기 광소자의 광감도를 향상시키기 위하여 상부로 볼록한 형상의 저면을 갖는 하부 절연막을 형성하고,상기 하부 절연막상에, 상기 하부 광통로 홈에 연장하여 형성되고, 광개구부가 형성되어 있는 층간 절연막 구조물을 형성하고,상기 광통로 홈과 상기 광개구부를 매립하도록 광개구부 패턴을 형성하고,상기 층간 절연막 구조물상에 상기 광개구부의 상부에 위치하는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 소자 형성 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 광소자 상부 부분이 다른 부분보다 두꺼운 확산 방지막 패턴을 형성한 후에, 상기 확산 방지막 상부에 제1 층간 절연막을 형성하고,상기 제1층간 절연막, 상기 확산 방지막 및 상기 하부 절연막의 상부까지 연속적으로 에칭공정을 수행하여 광소자의 상부부위에 존재하는 상기 제1 층간 절연 막, 상기 확산 방지막 및 상기 하부 절연막을 부분적으로 제거하여 볼록한 형태의 광개구부 패턴을 형성하는 것을 포함하는 이미지 소자 형성 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 광개구부 패턴은 하부는 위를 향하여 볼록한 형상인 것을 특징으로 하는 이미지 소자 형성 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 확산 방지막 패턴의 두꺼운 부분의 폭은 상기 광소자 폭의 이분의 일(1/2)인 것을 특징으로 하는 이미지 소자 형성 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 확산 방지막 패턴의 두꺼운 부분은 700 내지 1300Å인 것을 특징으로 하는 이미지 소자 형성 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 확산 방지막 패턴은 실리콘나이트라이드(SiN) 또는 실리콘카바이드(SiC)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 소자 형성 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 층간 절연막 구조물을 형성하는 것은 하부 구리 배선을 형성하는 것을 포함하되, 상기 광개구부패턴의 최하부와 상기 기판사이의 높이는 상기 하부 구리 배선과 상기 기판사이의 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 이미지 소자 형성 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 광개구부 패턴은 레진 또는 SOG를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 소자 형성 방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050108440A KR100667650B1 (ko) | 2005-11-14 | 2005-11-14 | 이미지 소자 및 그 제조 방법 |
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| KR100667650B1 true KR100667650B1 (ko) | 2007-01-12 |
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| KR (1) | KR100667650B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100995826B1 (ko) * | 2008-05-30 | 2010-11-23 | 주식회사 동부하이텍 | 씨모스 이미지 센서의 제조방법 |
| KR101324087B1 (ko) | 2012-05-16 | 2013-10-31 | 주식회사 동부하이텍 | 이미지 센서와 그 제조 방법 |
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2005
- 2005-11-14 KR KR1020050108440A patent/KR100667650B1/ko not_active IP Right Cessation
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