KR100790237B1 - 이미지 센서의 금속배선 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속배선의 열안정성을 확보하고 이미지 센서의 암전류특성을 개선시키기 위한 이미지 센서의 금속배선 형성방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명은 반도체 기판 상부에 콘택플러그를 포함하는 제1층간절연막을 형성하는 단계, 상기 제1층간절연막 상에 확산방지막을 형성하는 단계, 포밍가스 어닐을 실시하는 단계, 상기 확산방지막 상에 제2층간절연막을 형성하는 단계, 상기 제2층간절연막과 확산방지막을 선택적으로 식각하여 트렌치를 형성하는 단계, 상기 트렌치를 매립할때까지 도전물질층을 형성하는 단계, 상기 도전물질층을 평탄화하여 콘택플러그와 전기적으로 접속되는 금속배선을 형성하는 단계를 포함하고, 상기한 본 발명은 금속배선 공정 전에 확산방지막을 형성한 후 어닐 공정을 실시하여 금속배선의 열안정성을 확보하고 이미지 센서의 암전류특성을 개선시켜 금속배선 신뢰성 향상과 소자의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
어닐, 금속배선, 확산방지막
Description
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 반도체 기판 12 : 제1층간절연막
13 : 콘택홀 14 : 콘택플러그
15 : 제1확산방지막 16 : 제2층간절연막
17 : 제1트렌치 18 : 제1금속배선막
19 : 제2확산방지막 20 : 제3층간절연막
21 : 제2트렌치 22 : 제2금속배선막
본 발명은 이미지 센서의 형성방법에 관한 것으로, 특히 이미지 센서의 금속배선 형성방법에 관한 것이다.
이미지 센서(Image Sensor)는 1차원 또는 2차원 이상의 광하 ㄱ정보를 전기 신호로 변환하는 장치이다. 이미지 센서의 종류는 크게 나누어 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사한 계층, 제어, 인식 등에서 널리 상용되며 응용 기술이 발전되었다. 시판되는 고체의 이미지 센서는 MOS(metal oxide semiconductor)형과 CCD(charge coupled device)형의 두종류가 있다.
CMOS이미지 센서는 CMOS제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적신호로 변환시키는 소자로서, 화소수 만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. CMOS이미지 센서는, 종래 이미지 센서로 널리 사용되고 있는 CCD이미지 센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 장점을 지니고 있다.
최근 들어, 이미지 센서(Image Sensor) 제조에 있어서 노이즈(Noise)를 감소시키기 위해 금속배선 간의 층간 두께를 감소시키기 위한 시도가 많이 진행되고 있다. 그 중 하나가 다마신(Damascene) 공정을 이용하여 구리(Cu) 배선을 형성하는 것이다. 이는, 구리가 알루미늄(Al)에 비하여 전기 전도도가 낮기 때문에 얇은 두께에서도 우수한 배선 특성을 유지하기 때문이다.
또한, 구리배선을 이용한 이미지 센서 형성 공정에서 소자의 암전류를 줄이기 위해 포밍가스(forming gas)를 이용한 패드공정 후 어닐 공정을 추가한다. 암전류 특성은 통상 400℃이상의 고온으로 어닐 공정을 실시해야 감소된다. 이러한 특성은 Fick의 확산방정식에서 확인할 수 있다.
[확산방정식]
C(x,t) = erfc(x/(4Dt)1/2)
D = D0 * exp(-Ea/kT)
상기 반응식 1에서, D는 확산(diffusion)계수, t는 시간, C는 농도, Ea는 활성화에너지를 나타낸다.
그러나, 구리 배선의 열적 열화 특성으로 온도를 450℃이상의 고온에서 실시할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 금속배선의 열안정성을 확보하고 이미지 센서의 암전류특성을 개선시키기 위한 이미지 센서의 금속배선 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은, 반도체 기판 상부에 텅스텐 플러그를 포함하는 제1층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 텅스텐 플러그를 포함하는 상기 제1층간절연막 상에 확산방지막을 형성하는 단계와, 암전류를 감소시키기 위하여 H2와 N2 가스의 혼합가스를 이용한 어닐공정을 실시하는 단계와, 상기 확산방지막 상에 제2층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 제2층간절연막과 상기 확산방지막을 선택적으로 식각하여 상기 텅스텐 플러그가 노출되는 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치가 매립되도록 구리 금속배선을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 금속배선 형성 방법을 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시에를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(11) 상부에 제1층간절연막(Inter Layer Dielectric;ILD, 12)을 형성한다. 여기서, 반도체 기판(11)은 도시되지는 않았지만 소자분리막(isolation)과 트랜지스터(transistor)가 포함된다.
이어서, 제1층간절연막(12)을 선택적으로 식각하여 콘택 홀(13)을 형성한다. 이를 위해, 도시되지는 않았지만 제1층간절연막(12) 상에 감광막을 형성하고 노광 및 현상으로 콘택 홀(13) 예정지역을 오픈시킨다. 이어서, 감광막을 식각마스크로 제1층간절연막(12)을 식각하여 콘택 홀(13)을 형성한 후, 산소 플라즈마로 감광막을 제거한다.
이어서, 콘택 홀(13)을 매립할때까지 도전물질을 형성하고, 제1층간절연막 (12)을 타겟으로 평탄화하여 콘택플러그(14)를 형성한다. 여기서, 콘택플러그(14)는 텅스텐으로 형성할 수 있고, Ti/TiN막을 포함한다.
이어서, 제1확산방지막(15)을 형성한다. 여기서, 확산방지막은 SiC 또는 SiN으로 형성할 수 있다.
이어서, 포밍가스 어닐(forming gas anneal)공정을 실시한다. 여기서, 포밍가스 어닐공정은 H2와 N2의 혼합가스로 실시하되, H2/N2의 비율을 3％∼30％분위기에서 실시할 수 있다. 또한, 어닐공정은 400℃∼600℃의 고온에서 10분에서 3시간동안 실시한다.
이러한, 패드 어닐(pad anneal)공정은 후속 MIM 캐패시터(capacitor) 공정시 발생할 수 있는 결함을 미리 제거함으로써 MIM 캐패시터의 신뢰성 향상과 소자 신뢰성 향상을 극대화 시킬 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 제1확산방지막(15) 상에 제2층간절연막(16)을 형성한다. 여기서, 제2층간절연막(16)은 질소가 함유된 FSG(Fluorinated Silicate Glass)막으로 형성한다. 질소가 함유된 FSG막은 박막내 N-H 함유로 높은 H농도(Do)로 인한 암전류 특성이 개선된다. 이러한 특성은 아래 반응식에서 확인할 수 있다.
SiH4 ＋ SiF4 ＋ CO2 ⇒ SiOF(C)
상기 반응식 1에 의해 형성된 절연막 종류에 따른 암전류 특성을 표 1에 정 리하였다.
| 절연막 | 암전류 |
| SiOF(N, NH) | 1∼20code |
| SiOF(C) | 15∼100code |
표 1을 참조하면, N과 NH가 함유된 절연막은 암전류가 1∼20code, C가 함유된 절연막은 암전류가 15∼100code로 N과 NH가 함유된 절연막의 암전류가 월등히 낮은것을 알 수 있다.
N과 NH가 함유된 제2층간절연막(16)을 형성하기 위해 상기 반응식 1과 같이 N2, SiH4, N2O와 SiF4를 혼합하여 실시하는데, 이때 N2를 300sccm∼3000sccm, N2O를 400sccm∼2000sccm, SiH4를 100sccm∼800sccm, SiF4를 300sccm∼1000sccm의 유량으로 플로우 하고, 0.1∼10Torr의 압력을 인가하여 실시할 수 있다.
이어서, 도시되지는 않았지만 후속 금속배선 형성을 위한 트렌치 형성을 위한 노광시 제2층간절연막(16) 내 질소함유로 인한 문제점 해결을 위해 실리콘이 다량함유된 산화막(Silicon Rich Oxide)을 추가로 형성할 수 있다. 이때, 실리콘이 다량 함유된 산화막은 500Å∼2000Å의 두께로 형성한다.
이어서, 제2층간절연막(16)을 선택적으로 식각하여 제1트렌치(17)를 형성한다. 이를 위해, 도시되지는 않았지만 제2층간절연막(16) 상에 감광막을 형성하고 노광 및 현상으로 제1트렌치(17) 예정지역을 오픈시킨다. 이어서, 감광막을 식각마스크로 제2층간절연막(16)과 확산방지막(15)을 식각하여 콘택플러그(14)의 표면을 오픈시키는 제1트렌치(17)를 형성하고, 산소 플라즈마로 감광막을 제거한다.
이어서, 제1트렌치(17)를 매립할때까지 도전물질층을 형성하고, 제2층간절연막(16)을 타겟으로 평탄화하여 콘택플러그(14)와 전기적으로 접속되는 제1금속배선막(18)을 형성한다. 여기서, 제1금속배선막(18)은 구리배선막으로 형성하고, 구리배선막 형성전에 구리확산방지막, 예컨대 구리확산방지막은 Ti/TiN막으로 형성한다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 제1금속배선막(18)을 포함한 제2층간절연막(16) 상에 제2확산방지막(19)을 형성한다. 여기서, 제2확산방지막(19)은 상기 제1확산방지막(15)과 같이 SiC 또는 SiN으로 형성할 수 있다.
이어서, 제2확산방지막(19) 상에 제3층간절연막(20)을 형성한다. 여기서, 제3층간절연막(20)은 상기 제2층간절연막(16)과 같이 질소가 함유된 FSG막으로 형성한다. 이를 위해, N2, SiH4, N2O와 SiF4를 혼합하여 실시하는데, 이때 N2를 300sccm∼3000sccm, N2O를 400sccm∼2000sccm, SiH4를 100sccm∼800sccm, SiF4를 300sccm∼1000sccm의 유량으로 플로우 하고, 0.1∼10Torr의 압력을 인가하여 실시할 수 있다.
도 1d에 도시된 바와 같이, 제3층간절연막(20)을 듀얼다마신(dual damascene)공정으로 제2트렌치(21)를 형성한다.
이어서, 제2트렌치(21)를 매립할때까지 도전물질층을 형성하고 제3층간절연막(30)을 타겟으로 평탄화하여 비아(via)와 제2금속배선막(22)을 형성한다. 여기서, 제2금속배선막(22)은 구리배선막으로 형성하되, 구리배선막 형성 전에 제2트렌치(21) 상에 구리확산방지막을 형성한다.
상기한 본 발명은 콘택플러그 형성 후 SiC 또는 SiN으로 확산방지막을 형성하고 어닐 공정을 수행하여 후속 금속배선의 열안정성을 확보할 수 있고, 질소가 함유된 FSG막을 형성하여 암전류 특성을 개선할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시에는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은 금속배선 공정 전에 확산방지막을 형성한 후 어닐 공정을 실시하여 금속배선의 열안정성을 확보하고 이미지 센서의 암전류특성을 개선시켜 금속배선 신뢰성 향상과 소자의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
Claims (15)
- 반도체 기판 상부에 텅스텐 플러그를 포함하는 제1층간절연막을 형성하는 단계;상기 텅스텐 플러그를 포함하는 상기 제1층간절연막 상에 확산방지막을 형성하는 단계;암전류를 감소시키기 위하여 H2와 N2 가스의 혼합가스를 이용한 어닐공정을 실시하는 단계;상기 확산방지막 상에 제2층간절연막을 형성하는 단계;상기 제2층간절연막과 상기 확산방지막을 선택적으로 식각하여 상기 텅스텐 플러그가 노출되는 트렌치를 형성하는 단계; 및상기 트렌치가 매립되도록 구리 금속배선을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 금속배선 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 확산방지막은 SiC 또는 SiN으로 형성하는 이미지 센서의 금속배선 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 혼합가스는 N2에 대한 H2의 혼합비율이 3％∼30％인 이미지 센서의 금속배선 형성방법.
- 제3항에 있어서,상기 어닐공정은 400℃∼600℃의 온도에서 10분 내지 3시간 동안 실시하는 이미지 센서의 금속배선 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2층간절연막은 다층구조로 형성하는 이미지 센서의 금속배선 형성방법.
- 제5항에 있어서,상기 제2층간절연막은 질소가 함유된 FSG막으로 형성하는 이미지 센서의 금속배선 형성방법.
- 제6항에 있어서,상기 FSG막은 N2 또는 N2O로 형성하는 이미지 센서의 금속배선 형성방법.
- 제6항에 있어서,상기 FSG막은 N2를 300sccm∼3000sccm, N2O를 400sccm∼2000sccm, SiH4를 100sccm∼800sccm, SiF4를 300sccm∼1000sccm의 유량으로 플로우시켜 형성하는 이미지 센서의 금속배선 형성방법.
- 제8항에 있어서,상기 FSG막은 0.1T∼10T의 압력으로 형성하는 이미지 센서의 금속배선 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2층간절연막 상에 실리콘이 함유된 산화막(Silicon Rich Oixde)을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 금속배선 형성방법.
- 제10항에 있어서,상기 실리콘이 함유된 산화막은 500Å∼2000Å의 두께로 형성하는 이미지 센서의 금속배선 형성방법.
- 제1항에 있어서,상기 트렌치는 듀얼다마신공정으로 형성하는 이미지 센서의 금속배선 형성방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 구리 금속배선을 형성하는 단계 전, 상기 트렌치 내에 Ti/TiN막을 적층 구조로 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 금속배선 형성방법.
- 삭제
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