KR20070008914A - Cmos image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서의 광학적 누화 현상을 설명하는 단면도;1 is a cross-sectional view illustrating an optical crosstalk phenomenon of a CMOS image sensor according to the prior art;
도 2는 반사 방지막의 이상적인 조건을 설명하기 위한 이중막 단면도;2 is a cross-sectional view of a double film for explaining ideal conditions of the anti-reflection film;
도 3a 내지 도 3i는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들;3A to 3I are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention;
도 4a 및 도 4b는 종래기술과 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서의 금속 배선을 덮는 확산 방지막의 굴절 지수와 흡수 계수를 보여주는 그래프들.4A and 4B are graphs showing the refractive index and the absorption coefficient of the diffusion barrier covering the metal wiring of the CMOS image sensor according to the prior art and the present invention.
본 발명은 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 금속 배선을 포함하는 씨모스 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor : CIS)는 씨모스 제조기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신호로 변환시키는 소자이다. 최근에는 디지털 스틸 카메라, 휴대폰의 카메라 및 도어폰의 카메라 등 이미지 센서에 대한 수요가 폭발적으로 늘어나면서, 씨모스 이미지 센서 장치에 대한 수요도 기하급수적으로 늘어나 고 있다.CMOS Image Sensor (CIS) is a device that converts optical images into electrical signals using CMOS manufacturing technology. Recently, demand for image sensors such as digital still cameras, mobile phone cameras, and door phone cameras has exploded, and demand for CMOS image sensor devices has also increased exponentially.
씨모스 이미지 센서는 트랜지스터, 저항 및 커패시터 등으로 구성되며, 이러한 씨모스 이미지 센서를 반도체 기판 상에 구현하는데 있어서 배선은 필수적으로 요구된다. 배선은 전기적인 신호를 전송시키는 역할을 하므로 전기적인 저항이 낮고 경제적이며 신뢰성이 높아야 한다.The CMOS image sensor is composed of a transistor, a resistor, a capacitor, and the like, and wiring is indispensable for implementing the CMOS image sensor on a semiconductor substrate. Because wiring plays a role in transmitting electrical signals, electrical resistance must be low, economical and reliable.
씨모스 이미지 센서가 고집적화됨에 따라, 배선의 폭 및 두께는 점점 얇아지고, 콘택홀(contact hole)의 크기도 작아진다. 이러한 소자의 미세화에 따라 금속 배선 저항은 증가하게 된다. 0.13μm 이하의 작은 패턴을 갖는 씨모스 이미지 센서 장치는 알루미늄(Al)을 이용한 금속 배선을 형성하기 어렵다. 따라서, 금속 배선 물질로 알루미늄에 비해 상대적으로 비저항이 낮고 전자이동(electromigration) 특성이 양호한 구리(Cu)를 이용하는 것이 바람직하다.As CMOS image sensors become more integrated, the width and thickness of wiring become thinner and the size of contact holes becomes smaller. As the size of the device becomes smaller, the metal wiring resistance increases. In the CMOS image sensor device having a small pattern of 0.13 μm or less, it is difficult to form a metal wiring using aluminum (Al). Therefore, it is preferable to use copper (Cu) having a relatively low resistivity and good electromigration characteristics as the metal wiring material.
한편, 구리는 실리콘(Si) 및 산화 실리콘(SiO2)에 대하여 매우 빠르게 확산하기 때문에, 구리 패턴의 표면에는 구리의 확산을 방지하기 위한 배리어(barrier) 금속막 및 확산 방지막이 형성되어야 한다. 구리 패턴의 측면 및 저면에는 배리어 금속막이 형성되고, 구리 패턴의 상부면에는 확산 방지막이 형성되는 것이 바람직하다.On the other hand, since copper diffuses very quickly with respect to silicon (Si) and silicon oxide (SiO 2 ), a barrier metal film and a diffusion barrier layer for preventing copper diffusion should be formed on the surface of the copper pattern. The barrier metal film is formed on the side and bottom of the copper pattern, and the diffusion barrier film is formed on the upper surface of the copper pattern.
도 1은 일반적인 씨모스 이미지 센서에 입사된 빛이 다중 반사로 인해 광학적 누화를 일으키는 현상을 설명하는 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a phenomenon in which light incident on a general CMOS image sensor causes optical crosstalk due to multiple reflections.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(100)에 포토다이오드(110a, 110b), 부유 확산 영역(111), 게이트 산화막(112) 및 트랜스퍼 게이트(114)가 배치된다. 반도체 기판(100) 전체를 덮는 하부 절연막(120)이 배치되고, 하부 절연막(120) 상에 제 1 확산 방지막(134)이 배치된다. 트랜스퍼 게이트(114)와 제 1 구리 배선 패턴(150a) 사이에는 전기적 연결을 위한 콘택(미도시)이 배치된다.Referring to FIG. 1,
제 1 확산 방지막(134) 상에 콘택과 전기적으로 연결하기 위한 제 1 트렌치(trench)를 가지는 제 1 절연막 패턴(140a)이 배치되고, 제 1 트렌치의 내부면의 프로파일(profile)을 따라 제 1 배리어 금속막 패턴(144a)이 배치된다. 제 1 구리 배선 패턴(150a)은 제 1 배리어 금속막 패턴(144a) 내에 배치된다.A first
제 1 절연막 패턴(140a) 및 제 1 구리 배선 패턴(150a) 상에 제 2 확산 방지막(164) 및 층간 절연막(170)이 순차적으로 배치되고, 층간 절연막(170) 상에 식각 저지막(172)이 배치된다. 제 1 구리 배선 패턴(150a)과 제 2 구리 배선 패턴(190a) 사이에는 전기적 연결을 위한 비아(via) 콘택(미도시)이 배치된다.The
식각 저지막(172) 상에 트렌치를 가지는 제 2 절연막 패턴(180a)이 배치되고, 제 2 트렌치의 내부면의 프로파일을 따라 제 2 배리어 금속막 패턴(184a)이 배치된다. 제 2 구리 배선 패턴(190a)은 제 2 배리어 금속막 패턴(184a) 내에 배치된다.The second
제 2 확산 방지막(164) 및 식각 저지막(172)은 제 1 절연막 패턴(140a), 층간 절연막(170) 및 제 2 절연막 패턴(180a)과의 식각 선택비가 높고, 구리의 확산을 방지할 수 있는 실리콘 질화물(SiN)로 이루어진다. 실리콘 질화물로 이루어지는 제 2 확산 방지막(164) 및 식각 저지막(172)은 구리가 확산하는 것을 방지함과 동 시에 식각 저지막으로서의 기능을 정상적으로 수행하기 위해서, 300 내지 1000Å 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.The
그런데 실리콘 질화물은 식각 저지막으로서는 좋은 편이나, 광학적으로는 흡수율이 낮고 빛을 잘 투과시키는 못하는 특성이 있기 때문에, 빛이 제 1 구리 배선 패턴(150a)과 제 2 구리 배선 패턴(190a) 사이로 입사하게 되면 제 2 확산 방지막(164)과 식각 저지막(172)에 의한 다중 반사를 통하여 이웃하는 포토다이오드(110b)로 들어가게 된다. 이러한 다중 반사에 의한 광학적 누화(crosstalk)가 일어남에 따라, 씨모스 이미지 센서에 의한 광학적 영상의 재현에 혼란을 초래하게 된다.However, since silicon nitride is good as an etch stopper film, but optically has low absorption rate and does not transmit light well, light enters between the first
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광학적 누화를 최소화시킬 수 있는 금속 배선, 그 형성 방법 및 씨모스 이미지 센서, 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a metal wiring, a method of forming the same, a CMOS image sensor, and a method of manufacturing the same, which can minimize optical crosstalk.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 금속 배선을 제공한다. 이 금속 배선은 기판 상에 형성되는 하부 절연막, 하부 절연막 상에 형성되며 적어도 하나의 제 1 요부를 갖는 제 1 절연막 패턴, 제 1 요부를 채우는 제 1 금속 배선 패턴, 제 1 절연막 패턴 및 제 1 금속 배선 패턴 상에 형성되며 제 1 금속 배선 패턴의 금속 물질의 확산을 방지하는 확산 방지막, 확산 방지막 상에 형성되는 층간 절연막, 층간 절연막 상에 형성되는 식각 저지막, 식각 저지막 상에 형성되며 식각 저지막의 상부면을 노출하는 제 2 요부를 갖는 제 2 절연막 패턴, 및 제 2 요부를 채우는 제 2 금속 배선 패턴을 포함하여 구성된다. 확산 방지막 또는 식각 저지막은 실리콘 산화 질화막일 수 있다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a metal wiring. The metal wiring is formed on a lower insulating film formed on a substrate, a first insulating film pattern formed on the lower insulating film, and having at least one first recessed portion, a first metal wiring pattern filling the first recessed portion, a first insulating film pattern, and a first metal. A diffusion barrier layer formed on the interconnection pattern to prevent diffusion of the metal material of the first metal interconnection pattern, an interlayer insulating layer formed on the diffusion barrier layer, an etch stop layer formed on the interlayer insulation layer, and an etch stop layer formed on the etch stop layer And a second insulating film pattern having a second recessed portion exposing the top surface of the film, and a second metal wiring pattern filling the second recessed portion. The diffusion barrier or etch stop layer may be a silicon oxynitride layer.
제 1 및 제 2 금속 배선 패턴은 구리로 이루어질 수 있으며, 식각 저지 및 확산 방지를 위한 확산 방지막 및 식각 저지막을 포함한다. 확산 방지막 및 식각 저지막은 200 내지 1100Å의 두께로 형성될 수 있다.The first and second metal interconnection patterns may be made of copper, and include a diffusion barrier layer and an etch stop layer for etching prevention and diffusion prevention. The diffusion barrier and the etch stop layer may be formed to a thickness of 200 to 1100 kPa.
본 발명은 씨모스 이미지 센서를 제공한다. 이 씨모스 이미지 센서는 광소자를 포함하는 반도체 소자들이 형성된 기판, 기판 상에 형성되고 적어도 하나의 제 1 요부를 갖는 제 1 절연막 패턴, 제 1 요부를 채우는 제 1 금속 배선 패턴, 제 1 금속 배선 패턴 상에 형성된 층간 절연막, 층간 절연막 상에 형성되고 적어도 하나의 제 2 요부를 갖는 제 2 절연막 패턴, 제 2 요부를 채우는 제 2 금속 배선 패턴, 및 제 1 금속 배선 패턴의 상부면과 층간 절연막 하부면 사이의 계면에 형성되며, 실리콘 산화 질화물로 이루어진 확산 방지막을 포함할 수 있다.The present invention provides a CMOS image sensor. The CMOS image sensor comprises a substrate on which semiconductor elements including optical elements are formed, a first insulating film pattern formed on the substrate and having at least one first recess, a first metal wiring pattern filling the first recess, and a first metal wiring pattern An interlayer insulating film formed on the interlayer insulating film, a second insulating film pattern formed on the interlayer insulating film, and having at least one second recessed portion, a second metal wiring pattern filling the second recessed portion, and an upper surface of the first metal wiring pattern and a lower surface of the interlayer insulating film It is formed at the interface between, and may include a diffusion barrier film made of silicon oxynitride.
제 1 및 제 2 금속 배선 패턴은 구리로 이루어질 수 있으며, 제 2 금속 배선 패턴 하부면과 층간 절연막 상부면 사이의 계면에 형성된 식각 저지막을 더 포함할 수 있다. 식각 저지막은 실리콘 산화 질화물로 이루어질 수 있다.The first and second metal wiring patterns may be made of copper, and may further include an etch stop layer formed at an interface between the bottom surface of the second metal wiring pattern and the top surface of the interlayer insulating layer. The etch stop layer may be made of silicon oxynitride.
본 발명은 금속 배선을 형성하는 방법을 제공한다. 이 방법은 반도체 기판 상에 하부 절연막을 형성하는 단계, 하부 절연막 상에 제 1 요부를 갖는 제 1 절연막을 형성하는 단계, 제 1 요부를 채우는 제 1 금속 배선 패턴을 형성하는 단계, 제 1 금속 배선 패턴 및 제 1 절연막 패턴 상에 확산 방지막을 형성하는 단계, 확 산 방지막 상에 층간 절연막을 형성하는 단계, 층간 절연막 상에 식각 저지막을 형성하는 단계, 식각 저지막 상에 식각 저지막 상부면을 노출하는 제 2 요부를 갖는 제 2 절연막을 형성하는 단계, 및 제 2 요부를 채우는 제 2 금속 배선 패턴을 형성하는 단계를 포함한다. 확산 방지막 또는 식각 저지막은 실리콘 산화 질화막일 수 있다.The present invention provides a method of forming a metal wiring. The method includes forming a lower insulating film on a semiconductor substrate, forming a first insulating film having a first recessed portion on the lower insulating film, forming a first metal wiring pattern filling the first recessed portion, and first metal wiring. Forming a diffusion barrier layer on the pattern and the first insulating layer pattern, forming an interlayer dielectric layer on the diffusion barrier layer, forming an etch stop layer on the interlayer dielectric layer, exposing an etch stop layer upper surface on the etch stop layer Forming a second insulating film having a second recessed portion, and forming a second metal wiring pattern filling the second recessed portion. The diffusion barrier or etch stop layer may be a silicon oxynitride layer.
제 1 및 제 2 금속 배선 패턴은 구리로 이루어질 수 있다.The first and second metal wiring patterns may be made of copper.
본 발명은 씨모스 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 반도체 기판 상에 광소자를 포함하는 반도체 소자를 형성하는 단계, 반도체 기판 상에 적어도 하나의 제 1 요부를 갖는 제 1 절연막을 형성하는 단계, 제 1 요부를 채우는 제 1 금속 배선 패턴을 형성하는 단계, 제 1 금속 배선 패턴 상에 층간 절연막을 형성하는 단계, 층간 절연막 상에 적어도 하나의 제 2 요부를 갖는 제 2 절연막을 형성하는 단계, 및 제 2 요부를 채우는 제 2 금속 배선 패턴을 형성하는 단계를 포함하되, 제 1 금속 배선 패턴의 상부면과 층간 절연막 하부면 사이의 계면에 형성되며, 층간 절연막과 식각 선택비를 갖는 확산 방지막을 형성하는 단계를 포함한다. 확산 방지막은 실리콘 산화 질화막일 수 있다.The present invention provides a method of manufacturing a CMOS image sensor. The method comprises the steps of: forming a semiconductor device comprising an optical element on a semiconductor substrate; forming a first insulating film having at least one first recess on the semiconductor substrate; forming a first metal wiring pattern filling the first recess; Forming an interlayer insulating film on the first metal wiring pattern, forming a second insulating film having at least one second recessed portion on the interlayer insulating film, and forming a second metal wiring pattern filling the second recessed portion. And forming a diffusion barrier layer formed at an interface between an upper surface of the first metal wiring pattern and a lower surface of the interlayer insulating layer, the diffusion barrier layer having an etch selectivity with the interlayer insulating layer. The diffusion barrier layer may be a silicon oxynitride layer.
제 1 및 제 2 금속 배선 패턴은 구리로 이루어질 수 있다.The first and second metal wiring patterns may be made of copper.
실리콘 산화 질화물로 이루어지는 확산 방지막은 빛 흡수 계수가 높아 외부의 빛이 확산 방지막에 의해 다중 반사되는 것을 최소화하여 씨모스 이미지 센서에서의 광학적 누화를 감소시킬 수 있다.The diffusion barrier layer made of silicon oxynitride has a high light absorption coefficient, thereby minimizing the multiple reflection of external light by the diffusion barrier layer to reduce optical crosstalk in the CMOS image sensor.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명 하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for clarity. Also, if it is mentioned that the film is on another film or substrate, it may be formed directly on the other film or substrate or a third film may be interposed therebetween.
도 2는 반사 방지막 조건을 설명하기 위한 이중막 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a double film for explaining the antireflection film conditions.
도 2를 참조하면, 공기 중에서의 빛(50)이 제 1 막질(52)과 제 2 막질(54)이 접합된 이중막에 입사되는 경우, 제 1 막질(52)이 반사 방지막 역할을 하기 위해서는 아래 [식 1]과 [식 2]를 만족해야 한다.Referring to FIG. 2, when
[식 1][Equation 1]
n1d = 1/4 λn 1 d = 1/4 λ
[식 2][Equation 2]
n1 = (n2)1/2 n 1 = (n 2 ) 1/2
[식 1]은 입사되는 빛(50)에 대한 반사 방지막인 제 1 막질(52)의 두께를 구하기 위한 것이고, [식 2]는 제 1 막질(52)의 적당한 굴절률을 구하기 위한 것이다. n1은 제 1 막질(52)의 굴절률, n2는 제 2 막질(54)의 굴절률, d는 제 1 막질(52)의 두께 그리고 λ는 입사되는 빛(50)의 파장이다.[Equation 1] is for obtaining the thickness of the
상기의 식들에 의해 제 2 막질(54)에 코팅(coating)되는 제 1 막질(52)의 굴절률은 하층에 있는 제 2 막질(54)의 굴절률에 제곱근을 취한 값의 근사치일 때가 이상적인 굴절률이다. 제 1 막질(52)의 두께는 입사되는 빛(50)의 파장에 대하여 1/4에 해당하는 값에 제 1 막질(52)의 굴절률을 나누어 준 값으로, [식 1]에서 알 수 있듯이 입사되는 빛(50)의 파장에 따라 변하게 된다.The refractive index of the
가시광선의 파장 범위는 사람에 따라 차이가 있으나, 대체로 380~770nm이다. 본 발명의 실시예에서는 입사되는 빛(50)의 파장을 가시광선보다 조금 넓은 250~850nm로 정하였다. 제 2 막질(54)은 구리로서, 굴절률 n2는 0.14이다.The wavelength range of visible light varies depending on the person, but is generally 380 to 770 nm. In the embodiment of the present invention, the wavelength of
제 2 막질(54)로 구리를 사용하는 경우, 가시광선에 대하여 이상적인 제 1 막질(52)의 굴절률 및 두께는 각각 0.37 및 2,568~5,203Å이다. 그러나 이 두께는 반도체 소자에 적용하기에는 너무 두꺼운 문제가 있다.When copper is used as the
다만, 제 1 막질(52)이 적당한 두께를 가지며, 이상적인 굴절률을 가지는 막질로 대체된다면 종래기술의 문제점인 광학적 누화를 완전히 제거할 수 있을 것이다. 한편, 제 1 막질(52)은 광학적 누화를 해결함과 동시에, 실리콘 질화물처럼 식각 저지막으로서의 역할을 하게 하는 질소(nitride)를 포함하는 막질이어야 한다. 따라서, 실리콘 질화막을 대체할 수 있는 제 1 막질(52)로 250~850nm 파장 영역에서의 굴절률 n1이 1.89~2.46인 실리콘 산화 질화막이 고려될 수 있다.However, if the
본 발명의 실시예에서 제 1 막질(52)로 사용된 실리콘 산화 질화물의 굴절률은 이상적인 굴절률에 비해 매우 큰 편이지만, 250~850nm 파장 영역의 빛에 대해 서는 254~1,124Å 정도의 두께를 가지므로 적절한 편이다. 즉, 실리콘 산화 질화물로 제 2 막질인 구리 금속 배선을 덮음으로써, 입사된 빛(50)이 반사되는 것을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 씨모스 이미지 센서의 광학적 누화를 억제할 수 있다.In the embodiment of the present invention, the refractive index of the silicon oxynitride used as the
도 3a 내지 도 3i는 본 발명의 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 금속 배선 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.3A to 3I are cross-sectional views illustrating a metal wiring forming method of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3a를 참조하면, 반도체 기판(200)에 소자분리막(미도시)을 형성하여 활성 영역을 한정한다. 활성 영역의 표면 소정 부위에 포토다이오드(210)와 부유 확산영역(211)을 형성하고, 포토다이오드(210) 및 부유 확산영역(211)의 사이의 반도체 기판(200) 상에 트랜지스터를 형성한다. 트랜지스터는 반도체 기판(200) 상에 형성된 게이트 산화막(212)과 트랜스퍼 게이트(214)를 포함한다.Referring to FIG. 3A, an isolation layer (not shown) is formed on the
도 3b를 참조하면, 트랜지스터가 형성된 반도체 기판(200)을 덮도록 하부 절연막(220)을 형성한다. 하부 절연막(220)은 투명한 재질로 형성하는 것이 바람직하다. 하부 절연막(220)에 사용할 수 있는 투명한 물질로서는 산화 실리콘계 물질 등을 들 수 있다.Referring to FIG. 3B, a lower insulating
한편, 하부 절연막(220)에 일반적인 포토레지스트(PhotoResist : PR) 공정으로 트랜지스터의 트랜스퍼 게이트(214)의 상부 표면 부위를 노출하는 콘택홀(미도시)을 형성한다. 콘택홀의 측면과 저면 및 하부 절연막(220) 상부면의 프로파일을 따라 하부 배리어 금속막(미도시)을 100 내지 500Å의 두께로 형성한다. 하부 배리어 금속막은 이후에 금속 증착 공정시 금속이 하부 절연막(220) 내로 확산하는 것을 방지하기 위해 형성되는 막이다. 하부 배리어 금속막은 예를 들면, 탄탈륨 질화 막(TaN) 또는 티타늄 질화막(TiN)으로 형성할 수 있다.Meanwhile, a contact hole (not shown) is formed in the lower insulating
콘택홀을 채우도록 하부 배리어 금속막 상에 티타늄(Ti)이나 텅스텐(W)을 증착하여 하부 금속층을 형성한다. 티타늄이나 텅스텐은 화학 기상 증착 방법이나, 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 형성할 수 있다.The lower metal layer is formed by depositing titanium (Ti) or tungsten (W) on the lower barrier metal layer to fill the contact hole. Titanium or tungsten can be formed using a chemical vapor deposition method or a sputtering method.
하부 금속층 및 하부 배리어 금속막을 하부 절연막(220)의 표면이 노출될 때까지 화학적 기계적 연마 방법으로 연마하여 콘택홀을 채우는 하부 콘택(미도시)을 형성한다.The lower metal layer and the lower barrier metal film are polished by a chemical mechanical polishing method until the surface of the lower insulating
도 3c를 참조하면, 하부 절연막(220) 상에 제 1 금속 산화 방지막(232)을 형성한다. 제 1 금속 산화 방지막(232)은 예를 들면 실리콘 질화물 또는 실리콘 탄화물(SiC)로 형성할 수 있다. 제 1 금속 산화 방지막(232)은 후속의 산소(O2) 유입 공정시에 하부 콘택의 상부면이 산화되는 것을 방지하기 위해 형성되는 막이다. 제 1 금속 산화 방지막(232)은 30Å 이하로 얇게 형성하는 것이 바람직하다. 제 1 금속 산화 방지막(232)은 빛 투과도가 낮은 물질로 형성되기 때문에, 너무 두껍게 형성하면 반도체 기판(200)에 개재되어 있는 포토다이오드(210)로 빛이 도달하기가 어려워 이미지 센서 소자의 성능이 나빠진다.Referring to FIG. 3C, a first
제 1 금속 산화 방지막(232) 상에 후속 식각 공정에서 식각 저지막으로 사용되고 금속이 층간 절연막 내로 확산하는 것을 방지하기 위한 제 1 확산 방지막(234)을 형성할 수 있다. 제 1 확산 방지막(234)은 실리콘 산화 질화물일 수 있다. 제 1 확산 방지막(234)은 200 내지 1,100Å 정도의 두께로 증착한다. 더욱 바람직 하게는, 제 1 확산 방지막(234)은 500 내지 700Å의 두께로 증착한다.A
종래에는 확산 방지 및 식각 저지의 목적으로 실리콘 질화막을 사용하였으며, 이때, 실리콘 질화막은 약 1,000Å 이상으로 증착하여야 한다. 그러나 본 발명에서는 실리콘 산화 질화막은 실리콘 질화막에 비해 약 60% 정도의 두께(즉, 600Å 정도)로 증착하여도 확산 방지 및 식각 저지의 목적을 동일하게 달성할 수 있다.Conventionally, a silicon nitride film is used for the purpose of diffusion prevention and etch stop, and at this time, the silicon nitride film should be deposited at about 1,000 GPa or more. However, in the present invention, even when the silicon oxynitride film is deposited with a thickness of about 60% (that is, about 600 GPa) than the silicon nitride film, the purpose of diffusion prevention and etching prevention can be achieved in the same manner.
도 2에서 상술한 바와 같이, 실리콘 산화 질화막은 빛 흡수 계수가 높은 물질이다. 그런데 실리콘 산화 질화막의 빛 흡수 계수는 막의 두께에 따라 달라질 뿐 아니라, 막질과도 밀접한 관계가 있다. 즉, 동일한 두께로 실리콘 산화 질화막을 형성하는 경우, 화학조성비가 잘 맞고 불순물(Carbon, Hydrogen 등)의 함량이 적은 실리콘 산화 질화막일수록 반사가 적게 일어나 높은 흡수 계수를 가지게 된다.As described above in FIG. 2, the silicon oxynitride film is a material having a high light absorption coefficient. However, the light absorption coefficient of the silicon oxynitride film is not only dependent on the thickness of the film, but also closely related to the film quality. That is, in the case of forming the silicon oxynitride film with the same thickness, the silicon oxynitride film having a good chemical composition ratio and having a low content of impurities (Carbon, Hydrogen, etc.) has less reflection and has a high absorption coefficient.
한편, 실리콘 산화 질화물은 종래의 식각 저지막으로 사용되는 실리콘 질화물보다 낮은 두께로 형성되므로, 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)의 감소 효과도 있다. 또한, 빛의 대부분이 흡수되므로, 다중 반사를 통한 이웃하는 포토다이오드로 도달하는 광학적 누화도 감소시키는 효과가 있다. 따라서, 씨모스 이미지 센서의 성능이 향상된다.On the other hand, since the silicon oxynitride is formed to a lower thickness than the silicon nitride used as a conventional etch stop film, there is also an effect of reducing parasitic capacitance (parasitic capacitance). In addition, since most of the light is absorbed, optical crosstalk reaching neighboring photodiodes through multiple reflections is also reduced. Thus, the performance of the CMOS image sensor is improved.
제 1 확산 방지막(234) 상에 제 1 절연막(미도시)을 형성한다. 제 1 절연막은 실리콘 산화물계 물질로 형성할 수 있다. 제 1 절연막, 제 1 확산 방지막(234) 및 제 1 금속 산화 방지막(232)의 소정 부위를 식각하여 하부 콘택(미도시)의 상부면을 노출하는 제 1 트렌치(242)를 형성한다.A first insulating film (not shown) is formed on the first
제 1 트렌치(242)의 내부면 및 제 1 절연막 패턴(240a)의 상부면의 프로파일 을 따라 제 1 배리어 금속막(244)을 100 내지 500Å의 두께로 형성한다. 제 1 배리어 금속막(244)은 이후에 구리 증착 공정시 구리 성분이 제 1 절연막 패턴(240a) 내로 확산하는 것을 방지하기 위해 형성되는 막이다.A first
도 3d를 참조하면, 제 1 트렌치(242)를 채우기 위해 제 1 배리어 금속막(244) 상에 제 1 구리층(250)을 형성한다. 제 1 구리층(250)은 먼저 구리 시드(seed)를 스퍼터링 방법에 의해 증착한 후, 전기 도금법에 의해 형성할 수 있다. 또는, 무전해 도금법으로 형성할 수도 있다.Referring to FIG. 3D, a
도 3e를 참조하면, 제 1 절연막 패턴(240a)의 상부면이 노출되도록, 제 1 구리층(250) 및 제 1 절연막 패턴(240a)의 상부 표면 상에 존재하는 제 1 배리어 금속막(244)을 화학적 기계적 연마 방법으로 연마하여, 하부 콘택과 전기적으로 연결되는 제 1 구리 배선 패턴(250a)을 형성한다. 이때, 제 1 트렌치(242)의 측벽들 및 저면 상에는 제 1 배리어 금속막(244)이 잔류하여 제 1 배리어 금속막 패턴(244a)이 형성된다. 즉, 제 1 구리 배선 패턴(250a)과 제 1 절연막 패턴(240a)의 사이에 제 1 배리어 금속막 패턴(244a)이 형성되어 있으므로, 제 1 구리 배선 패턴(250a)으로 사용되는 구리가 제 1 절연막 패턴(240a)으로 확산하는 것을 방지할 수 있다.Referring to FIG. 3E, the first
제 1 절연막 패턴(240a) 및 제 1 구리 배선 패턴(250a) 상에 제 2 금속 산화 방지막(262) 및 제 2 확산 방지막(264)을 순차적으로 형성한다. 제 2 금속 산화 방지막(262)은 제 1 구리 배선 패턴(250a)의 표면이 산화되는 것을 방지하기 위해 형성된다. 제 2 금속 산화 방지막(262)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 탄화물을 30Å 이하의 두께로 증착하여 형성한다. 또한, 제 2 확산 방지막(264)은 실리콘 산화 질 화물을 200 내지 1,100Å의 두께로 증착하여 형성한다. 바람직하게는, 500 내지 700Å의 두께로 증착하여 형성한다.A second
도 3f를 참조하면, 제 2 확산 방지막(264) 상에 층간 절연막(270)을 형성한다. 층간 절연막(270)은 실리콘 산화물계 물질로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 3F, an
층간 절연막(270) 상에 식각 저지막(272)을 형성한다. 식각 저지막(272)은 실리콘 산화 질화막으로 형성할 수 있다. 식각 저지막(272)은 300 내지 1,000Å의 두께, 바람직하게는, 500 내지 700Å의 두께로 형성한다. 식각 저지막(272) 상에 제 2 절연막(280)을 형성한다. 제 2 절연막(280)은 실리콘 산화물계 물질로 형성할 수 있다.An
도 3g를 참조하면, 일반적인 포토레지스트 공정으로 제 2 절연막(280), 식각 저지막(272) 및 층간 절연막(270)의 소정 부분을 계속 식각하여 제 2 확산 방지막(264)이 노출되는 제 1 예비 비아홀(via hole, 미도시)을 형성한다.Referring to FIG. 3G, a first preliminary portion in which the second
제 2 절연막(280)을 식각 저지막이(272) 노출되도록 식각하여 제 1 예비 비아홀을 경유하는 제 2 예비 트렌치(미도시)와 제 2 절연막 패턴(280a)을 패터닝(patterning)한다. 제 2 예비 트렌치 및 제 1 예비 비아홀의 저면에 각각 노출되어 있는 식각 저지막(272) 및 제 2 확산 방지막(264)을 식각하고, 이어서 제 2 금속 산화 방지막(262)을 식각한다. 이러한 식각 공정에 의해, 제 1 구리 배선 패턴(250a)의 상부면을 일부 노출하는 제 1 비아홀(미도시) 및 제 1 비아홀을 경유하는 제 1 트렌치(282)를 형성한다.The second
본 실시예에서는, 비아 퍼스트 다마신(via first damascene) 공정을 예로 들 어 설명하였지만, 일반적으로 제 1 비아홀과 제 2 트렌치(282)를 형성하는 공정이라면 본 실시예에 포함될 수 있다.In the present embodiment, a via first damascene process has been described as an example, but generally, a process of forming the first via hole and the
도 3h를 참조하면, 제 1 비아홀, 제 2 트렌치(282) 및 제 2 절연막 패턴(280a)의 프로파일을 따라 제 2 배리어 금속막(284)을 형성한다. 제 2 배리어 금속막(284)은 이후의 구리 증착 공정시에 구리 성분이 제 2 절연막 패턴(280a) 및 층간 절연막(270)으로 확산하는 것을 방지하기 위한 막이다. 제 2 배리어 금속막(284)은 예를 들면, 탄탈륨막(Ta), 질화 탄탈륨막 또는 탄탈륨막 상에 질화 탄탈륨막이 증착된 복합막으로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 3H, a second
제 2 트렌치(282) 및 제 1 비아홀을 채우도록 구리를 증착시켜 제 2 구리층(290)을 형성한다. 제 2 구리층(290)은 먼저 구리 시드를 스퍼터링 방법에 의해 증착한 후, 전기 도금법에 의해 형성할 수 있다.Copper is deposited to fill the
도 3i를 참조하면, 제 2 구리층(290) 및 제 2 배리어 금속막(284)을 제 2 절연막 패턴(280a)의 상부 표면이 노출될 때까지 화학적 기계적 연마방법으로 연마하여, 제 2 트렌치(282)와 제 1 비아홀 내에만 구리가 채워진 구리 배선(미도시)이 형성된다. 즉, 구리 배선은 제 1 구리 배선 패턴(250a)과 전기적으로 연결되는 제 1 비아 콘택(미도시)과 제 1 비아 콘택을 서로 연결하는 제 2 구리 배선 패턴(290a)으로 구성된다.Referring to FIG. 3I, the
이때, 제 2 트렌치(282)의 측벽들 및 저면 상에는 제 2 배리어 금속막(284)이 잔류하여 제 2 배리어 금속막 패턴(284a)이 형성된다. 즉, 제 2 구리 배선 패턴(290a), 제 2 절연막 패턴(280a) 및 층간 절연막(270)의 사이에 제 2 배리어 금속 막 패턴(284a)이 형성되어 있으므로, 제 2 구리 배선 패턴(290a)으로 사용되는 구리 물질이 제 2 절연막 패턴(280a) 및 층간 절연막(270)으로 확산하는 것을 방지할 수 있다.In this case, the second
도 3e 내지 도 3i의 공정들을 반복 수행하여 콘택 및 배선으로 이루어지는 다층 구리 배선 구조물을 가지는 씨모스 이미지 센서를 제조한다.The processes of FIGS. 3E to 3I are repeatedly performed to fabricate a CMOS image sensor having a multilayer copper interconnection structure consisting of contacts and interconnections.
도 4a 및 도 4b는 종래기술과 본 발명의 실시예에 따라 제조된 씨모스 이미지 센서의 구리 배선 상부를 덮고 있는 제 2 확산 방지막(264)의 굴절 지수와 흡수 계수를 보여주는 그래프들이다. 종래 막의 물질인 PE(Plasma Enhanced)-실리콘 질화물의 두께는 900Å이고, 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 산화 질화물의 두께는 600Å이다.4A and 4B are graphs showing refractive indexes and absorption coefficients of a second
도 4a를 참조하면, PE-실리콘 질화물과 실리콘 산화 질화물에 입사된 빛(도 2의 50)의 파장에 따른 굴절 지수를 보여주고 있다. 두 막의 물질을 비교해보면 실리콘 산화 질화물의 굴절 지수가 PE-실리콘 질화물에 비해서 입사된 빛의 전파장에 걸쳐서 낮음을 알 수 있다. 이에 따라 실리콘 산화 질화물을 사용하면 PE-실리콘 질화물을 사용하는 경우보다 입사된 빛의 굴절되는 정도가 줄어듦에 따라 입사된 빛에 의한 다중 반사가 일어날 확률이 줄어들게 된다.Referring to FIG. 4A, the refractive index of the light incident on PE-silicon nitride and silicon oxynitride (50 in FIG. 2) is shown. Comparing the materials of the two films, the refractive index of silicon oxynitride is lower than that of PE-silicon nitride over the full wavelength of incident light. Accordingly, the use of silicon oxynitride reduces the degree of refraction of incident light than that of PE-silicon nitride, thereby reducing the probability of multiple reflections by the incident light.
도 4b를 참조하면, PE-실리콘 질화물과 실리콘 산화 질화물에 입사된 빛(도 2의 50)의 파장에 따른 흡수 계수를 보여주고 있다. 두 막의 물질을 비교해보면 실리콘 산화 질화물의 흡수 계수가 PE-실리콘 질화물에 비해서 입사된 빛의 전파장에 걸쳐서 높음을 알 수 있다. 이에 따라 실리콘 산화 질화물을 사용하면 PE-실리콘 질화물을 사용하는 경우보다 입사된 빛을 많이 흡수함에 따라 입사된 빛에 의한 다중 반사가 일어날 확률이 줄어들게 된다.Referring to FIG. 4B, absorption coefficients according to wavelengths of light (50 in FIG. 2) incident on PE-silicon nitride and silicon oxynitride are illustrated. Comparing the materials of the two films, it can be seen that the absorption coefficient of silicon oxynitride is higher over the propagation field of incident light compared to PE-silicon nitride. Accordingly, the use of silicon oxynitride reduces the probability of multiple reflections by the incident light as it absorbs more incident light than using PE-silicon nitride.
상술한 것과 같이, 본 발명에 따르면 씨모스 이미지 센서의 금속 배선의 아랫면과 윗면을 덮는 막의 물질을 빛에 의한 다중 반사가 적게 일어나는 물질로 대체함으로써, 광학적 누화를 감소시키는 특성을 갖는 씨모스 이미지 센서를 제공할 수 있다.As described above, according to the present invention, the CMOS image sensor having a characteristic of reducing optical crosstalk by replacing a material of a film covering the lower and upper surfaces of the metal wiring of the CMOS image sensor with a material that is less likely to reflect multiple reflections by light. Can be provided.
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2005
- 2005-07-12 KR KR1020050062810A patent/KR20070008914A/en not_active Application Discontinuation
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