JP2009010387A - 垂直型シーモスイメージセンサーの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体素子において、特に垂直型シーモスイメージセンサー（ＣＭＯＳ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ）を製造する方法を提供する。
【解決手段】暗漏れ特性（ｄａｒｋ ｌｅａｋａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）の他、誘電物質にひびが入るサーキュラ欠陥（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｄｅｆｅｃｔ）も改善するために、高温ダブルアニール（ｄｏｕｂｌｅ−ａｎｎｅａｌ）工程と追加的な他の保護窒化膜（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ）を選択的に適用し、垂直型ＣＭＯＳイメージセンサーの品質と信頼性を保障する。
【選択図】図３Ｂ
【解決手段】暗漏れ特性（ｄａｒｋ ｌｅａｋａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）の他、誘電物質にひびが入るサーキュラ欠陥（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｄｅｆｅｃｔ）も改善するために、高温ダブルアニール（ｄｏｕｂｌｅ−ａｎｎｅａｌ）工程と追加的な他の保護窒化膜（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ）を選択的に適用し、垂直型ＣＭＯＳイメージセンサーの品質と信頼性を保障する。
【選択図】図３Ｂ
Description
本発明は、半導体素子に係り、特に、垂直型シーモス（ＣＭＯＳ：Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）メージセンサーを製造する方法に関する。
一般に、イメージセンサーは、光学的画像（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｅ）を電気的信号に変換する半導体素子で、電荷結合素子（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）とＣＭＯＳイメージセンサーとに大別される。
ＣＣＤは、駆動方式が複雑で、電力消費が大きい他、多段階のフォト工程が要求されるので、製造工程が複雑であるという欠点を有する。また、ＣＣＤは、制御回路、信号処理回路、アナログ／デジタル変換回路（Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）などをチップに集積させ難いため、製品の小型化が困難であるという欠点を有する。
最近では、ＣＣＤの欠点を克服するための次世代イメージセンサーとしてＣＭＯＳイメージセンサーが注目を浴びている。
一般的なＣＭＯＳ工程によって製造されるＣＭＯＳイメージセンサーは、低い電力消費、単純な製造工程、低コスト及び高集積といった利点を有する。
上記の従来のＣＭＯＳイメージセンサーは、下記の積層構造で形成される。
まず、ＣＭＯＳイメージセンサーは、フォトダイオードとトランジスタとで構成される。
このため、シリコンエピ層を形成した後に、ＲＧＢカラーフォトダイオードを形成し、以降、トランジスタを形成する。
また、金属ライン（Ｍｅｔａｌ ｌｉｎｅ）とビアホール（ｖｉａ ｈｏｌｅ）を形成する。
続いて、上部金属層のエッチング後に保護酸化膜（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｏｘｉｄｅ）と保護窒化膜を順に積層する。
このような構造の積層が完了した後に、通常、４００℃でアニールを実施する。
上記のような従来のＣＭＯＳイメージセンサーに対して、現在技術水準で報告された暗漏れ特性（ｄａｒｋ ｌｅａｋａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）は依然として問題として残っている。すなわち、ＣＭＯＳイメージセンサーの暗信号レベル（ｄａｒｋ ｓｉｇｎａｌ ｌｅｖｅｌｓ）は、最適の製造工程を支援するＣＣＤに比べて依然として大きい規模となっている。
そこで、暗電流（ｄａｒｋｃｕｒｒｅｎｔ）を減らすための研究が続いている。
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、その目的は、暗漏れ特性の他、誘電物質にひびが入るサーキュラ欠陥（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｄｅｆｅｃｔ）を改善することができる垂直型ＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、より向上したアニールによってサーキュラ欠陥無しで暗漏れ特性を改善することができる垂直型ＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、より向上した水素アニール（ｈｙｄｒｏｇｅｎ ａｎｎｅａｌ）によって暗漏れ特性の他、サーキュラ欠陥を改善することができる垂直型ＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法を提供することにある。
上記の目的を達成するための本発明に係る垂直型ＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法の一特徴は、シリコンエピ層に少なくとも一つのカラーフォトダイオードを形成する段階と、前記カラーフォトダイオードが形成されたエピ層にトランジスタを形成する段階と、前記形成されたトランジスタの上部に少なくとも一つの金属ラインを形成する段階と、前記形成された金属ラインのうち最上位金属層まで形成された後に保護膜を形成する段階と、前記保護膜の形成後に高温でアニールする段階と、前記保護膜上に最上位保護膜を形成する段階とを含む。
好ましくは、前記保護膜は、保護酸化膜（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｏｘｉｄｅ）である。
好ましくは、前記アニールは、４００乃至４３５℃の温度を維持しながら実施する。
好ましくは、前記最上位保護膜の形成後に高温で最終アニーする段階をさらに含む。ここで、前記最終アニールは、４３５乃至４５０℃の温度を維持しながら実施する。
好ましくは、前記最上位保護膜は保護窒化膜である。
好ましくは、前記最上位保護膜はＳｉＯＮ保護膜である。
好ましくは、前記最上位保護膜はＳｉＮ保護膜である。
本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付の図面に基づく実施例の詳細な説明から明らかになることができる。
本発明によれば、アニール温度を上昇させて暗漏れ特性を改善しながらも、高温ダブルアニール（ｄｏｕｂｌｅ−ａｎｎｅａｌ）工程と追加的な他の保護窒化膜、すなわち、ＳｉＯＮを選択的に適用し、サーキュラ欠陥（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｄｅｆｅｃｔ）まで除去するので、垂直型ＣＭＯＳイメージセンサーの品質と信頼性を保障することが可能になる。
また、本発明によれば、ダブルアニールを実施することによって、サーキュラ欠陥無しで暗漏れ特性を改善することが可能になる。
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例についての構成及びその作用を説明する。ただし、図面に図示され且つこれに基づいて説明される本発明の構成と作用は、少なくとも一つの実施例として説明されるもので、これによって本発明の技術的思想とその核心構成及び作用が制限されることはない。
本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーは、垂直３層の構造を有する。
以下では、３．３ｕｍ×３．３ｕｍ大きさの単位画素を有し、２．８Ｖの動作電圧を有するダイレクトＣＭＯＳ（ｄｉｒｅｃｔ ＣＭＯＳ）イメージセンサーを取り上げて説明する。
このダイレクトＣＭＯＳイメージセンサーは、シングルポリ−５メタル（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｙ−５ ｍｅｔａｌ）工程で０．１８ｕｍＣＭＯＳロジック技術を用いて製作する。
本発明では、ＣＭＯＳイメージセンサーの暗漏れ（Ｄａｒｋ ｌｅａｋａｇｅ）特性を改善するために、アニール温度を一定水準に上昇させる。ここで、アニールは、水素アニール（ｈｙｄｒｏｇｅｎ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）とすれば良い。
本発明では、アニール温度を通常の４００℃から４３５℃乃至４５０℃まで上げる。このようなアニール温度の上昇によってイメージセンサーの暗漏れ特性を改善する。ちなみに、このアニール温度の上昇によって様々な現象が発生可能である。
このアニール温度の上昇による現象は、金属層、ＩＭＤ（ｉｎｔｅｒ−ｍｅｔａｌ−ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）物質などと関連して発生するが、その一つが、ＩＭＤ層の誘電物質にひびが入るサーキュラ欠陥（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｄｅｆｅｃｔ）である。このサーキュラ欠陥は、ＩＭＤの金属と誘電物質間における温度膨脹係数（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）の差によって発生する。
したがって、本発明では、アニール温度を上昇させ、暗漏れ特性を改善しながらも、そのアニール温度上昇によるサーキュラ欠陥も除去するために、高温ダブルアニール（ｄｏｕｂｌｅ−ａｎｎｅａｌ）工程と既存と異なる保護窒化膜（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ）を適用する。
ダイレクトＣＭＯＳイメージセンサーに備えられる赤色と緑色のフォトダイオードは、モートパターン（ｍｏａｔ ｐａｔｔｅｒｎ）以前に、３エピ工程（ｔｈｒｅｅ ｅｐｉｔａｘｙ ｐｒｏｃｅｓｓ）によって形成される。そして、青色フォトダイオードは、ゲート−エッチング工程以降に形成される。
上記のフォトダイオードの形成が完了した以降の後続工程は、０．１８μｍのＣＭＯＳロジック技術に基盤した工程である。
図１Ａ乃至図１Ｃは、Ｈ２アニールにおいて温度別カラーフォトダイオードの暗漏れ不均一を示すグラフである。
一般に、水素アニールは、シリコン表面、素子分離膜（ＳＴＩ：Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）の縁部、ＩＭＤ（ｉｎｔｅｒ−ｍｅｔａｌ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）などの欠陥を治癒する。
図１Ａ乃至図１Ｃは、イメージセンサー上で発揮される水素アニールの様々な効果を示すもので、高温で実施される水素アニールによって欠陥が治癒されることを示している。
したがって、高温アニールは、イメージセンサーの暗漏れ特性をより改善させる効果を発揮する。そして、ブルーフォトダイオードは、他のフォトダイオードに比べてシリコン表面のより近くに位置するので、その高温アニールは、３番目のエピ層（３ｒｄ ｅｐｉｔａｘｙ ｌａｙｅｒ）上のブルーフォトダイオードにさらに顕著な効果を発揮する。
結果として、水素アニールは、シリコン表面の損傷により誘発される暗漏れを減少させることができる。したがって、高温に上昇させた温度でアニールを行うと、イメージセンサーの品質をより効果的に向上させることができる。
図２Ａ及び図２Ｂは、金属層上におけるＨ２アニール温度の影響を示すグラフで、金属層の面抵抗（Ｒｓ＝ｓｈｅｅｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、Ω／ｓｑ）と温度との関係を示している。
増加した温度によって、下部金属層の面抵抗は上部金属層の面抵抗に比べて顕著に変化する。これは、水素アニールの間に、薄い下部金属層に対して生成されるチタニウムアルミナイドの部分が、上部金属層のチタニウムアルミナイドの部分よりも高くなるようにする。下部金属層は、水素アニールで温度によってより大きく膨脹する。
その結果、下部金属ラインにおいて誘電物質に優先してひび割れができる可能性がより高い。すなわち、ＩＭＤ層の誘電物質にひびが入るサーキュラ欠陥（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｄｅｆｅｃｔ）が生じることができる。
このサーキュラ欠陥は、金属と誘電物質間の温度膨脹係数の差から発生し、これは誘電膜と金属層の信頼性にも影響を及ぼす。
通常、誘電物質の温度膨脹係数は金属よりも小さい。水素アニールの間に、金属は、誘電物質に比べてより多く膨脹する。このため、金属のコーナーに在る誘電物質は、引き伸ばせる（ｔｅｎｓｉｌｅ）残存応力（ｒｅｓｉｄｕａｌ−ｓｔｒｅｓｓ）を受けなから、金属のコーナーからひびが入り始め、冷却中にひびが益々広がることとなる。
図３Ａは、アニール条件を示すテーブルであり、図３Ｂは、それぞれの温度における欠陥発生度合を示すテーブルである。
図３Ａ及び図３Ｂは、アニール以前の最上位の保護膜蒸着まで完了し、全ての積層構造を形成した後に、水素アニールの増加した温度によって増える欠陥個数を示すものである。
この温度上昇による欠陥を除去するために、本発明では、ダブルアニール工程（ｄｏｕｂｌｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）を実施する。ダブルアニール工程のうち、１番目のアニールは保護窒化膜（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ）の蒸着以前に実施し、２番面のアニールは、最上位の保護膜蒸着（保護酸化膜）まで完了した後に実施する。
また、本発明では、保護窒化膜を状況に応じて選択的に使用する。ここで、保護窒化膜としては、シリコンオキシナイトライド（ＳｉＯＮ：ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｘｙ ｎｉｔｒｉｄｅ）を使用することができる。
このようにダブルアニールとシリコンオキシナイトライド（ＳｉＯＮ）を用いて前述の温度上昇による欠陥を效果的に除去することができる。
まず、ダブルアニールについて説明すると、保護窒化膜を形成する以前に実施される最初のアニールは、ＩＭＤ物質上への応力を和らげる。これにより、最終アニール以降においても結果として欠陥は生じない。
なお、通常、ＳｉＯＮはシリコンナイトライド（ＳｉＮ）に比べて温度膨脹係数が低い。これは、シリコンとナイトライト間の強い共有結合に起因する。したがって、ＳｉＮは、反復的熱処理によってひびが入りやすく、よって、ＳｉＯＮに比べて著しく壊れやすい。
特に、ＳｉＯＮ中の酸素成分が、応力を和らげる役割を果たす。
要するに、金属の温度膨脹は温度の増加によって増加し、欠陥は金属ラインと保護窒化膜が温度的に適切に合わないことに起因する。
図４Ａ及び図４Ｂは、金属層上におけるそれぞれ異なるアニール条件による影響を示すグラフで、金属層の面抵抗（Ｒｓ、Ω／ｓｑ）と温度との関係を示している。
図４Ａ及び図４Ｂは、金属層の面抵抗に対してサーキュラ欠陥を除去するための効果を示すものである。
ダブルアニール工程はより多くのチタニウムアルミナイドを形成する。これは、金属層の面抵抗が単に最終的に形成される膜に比べてより高いためである。
しかし、サーキュラ欠陥は、ダブルアニール工程で生じない。これは、保護窒化膜の蒸着以前に実施される１番目のアニールが応力を緩和させる役割を果たすためである。
図５Ａ乃至図５Ｃは、アニールにおいて、本発明による上昇した温度を適用したそれぞれ異なる温度別カラーフォトダイオードの暗漏れ不均一を示すグラフである。
図５Ａ乃至図５Ｃは、暗漏れ特性に対する様々な結果を示すものである。
本発明によるダブルアニール工程（Ｄｏｕｂｌｅ−ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）は、最終積層後に実施される４００℃水素アニールよりもさらに暗漏れ特性を改善する。
したがって、ダブルアニール工程は、暗漏れ特性を改善する他、サーキュラ欠陥も除去するのに有効である。
ＳｉＯＮ保護膜の使用によってサーキュラ欠陥が除去されるにもかかわらず、ＳｉＮの使用より好ましくない場合がある。これは、屈折率が変化するかのように見えるためである。ＳｉＯＮ（１．６９）の屈折率は、ＳｉＮ（２．１）より低い。
光に対してＳｉＯＮはＳｉＮよりも深い透過深さを有する。これは、ＳｉＯＮのシリコン表面上に焦点が形成されない結果を招く。
本発明で、サーキュラ欠陥を除去するためにＳｉＯＮを保護膜としてさらに使用するのは、視覚的利得と垂直型ＣＭＯＳイメージセンサーのための必要性を共に考慮して選択的に決定する。したがって、本発明では、最上位に形成される保護窒化膜としてＳｉＯＮとＳｉＮのいずれか一つを選択的に使用することができる。
つまり、本発明では、暗漏れ特性を改善するために、増加した温度を水素アニールに適用する。特に、暗漏れ特性の向上のために、上位保護膜までの最終積層後に、増加した温度を使用する水素アニールを適用する。
本発明の高温アニールは暗漏れ特性の向上には役立つが、素子の信頼性につながるサーキュラ欠陥を招くので、本発明ではそのサーキュラ欠陥までさらに除去するために、ダブルアニール工程と保護窒化膜としてＳｉＯＮを選択的に適用する。
図６は、本発明による垂直型ＣＭＯＳイメージセンサーの製造工程を説明するための積層構造を示す図である。
図６を参照すると、まず、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサーは、フォトダイオードとトランジスタとで構成される。
まず、シリコンエピ層１(例えば、３層構造)を形成した後に、このエピ層１にＲＧＢカラーフォトダイオード２を形成する。
その後、ソース／ドレイン３と素子分離膜（ＳＴＩ）４とゲート５を順次に形成し、トランジスタを形成する。
このトランジスタを形成した後、その上部にＩＭＤ６を蒸着し、このＩＭＤ６内にビアホール（ｖｉａ ｈｏｌｅ）７を形成する。該ビアホール７は、形成される金属ライン間を電気的に連結し、金属ラインとトランジスタ間を電気的に連結する。
続いて、上部に金属ライン（ｍｅｔａｌ ｌｉｎｅ）８，９を形成しながら、最上部の金属層１０まで形成する。
最上部の金属層１０を形成するためのエッチング工程を実施した後、酸化物を蒸着して保護酸化膜１１を形成する。
この保護酸化膜１１が形成された後に、ダブルアニールのうち１番目であるプリアニール（ｐｒｅａｎｎｅａｌ）を実施する。この時、アニール温度は、４００乃至４３５℃に維持することが好ましい。
上記のプリアニールを実施した後に、保護酸化膜１１の上部に窒化物を蒸着し、保護窒化膜１２を形成する。
保護窒化膜１２が形成された後に、ダブルアニールのうち２番目である最終アニール（ｆｉｎａｌ ａｎｎｅａｌ）を実施する。この時、アニール温度は、上記プリアニール時の温度よりも高く維持し、例えば、４３５乃至４５０℃に維持することが好ましい。
以上説明した内容に基づき、当業者なら、本発明の技術思想を離脱しない範囲で様々な変更及び修正が可能であることが理解できる。
したがって、本発明の技術的範囲は、実施例に記載された内容に限定されず、特許請求の範囲によって決められるべきである。
１ シリコンエピ層、２ ＲＧＢカラーフォトダイオード、３ ソース／ドレイン、４ 素子分離膜、５ ゲート、６ ＩＭＤ、７ ビアホール、８，９ 金属ライン、１０ 金属層、１１ 保護酸化膜、１２ 保護窒化膜
Claims (9)
- シリコンエピ層に少なくとも一つのカラーフォトダイオードを形成する段階と、
前記カラーフォトダイオードが形成されたエピ層にトランジスタを形成する段階と、
前記形成されたトランジスタの上部に少なくとも一つの金属ラインを形成する段階と、
前記形成された金属ラインのうち最上位金属層まで形成された後に保護膜を形成する段階と、
前記保護膜の形成後に高温でアニールする段階と、
前記保護膜上に最上位保護膜を形成する段階と、
を含むことを特徴とする垂直型シーモスイメージセンサーの製造方法。 - 前記保護膜は、保護酸化膜（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｏｘｉｄｅ）であることを特徴とする、請求項１に記載の垂直型シーモスイメージセンサーの製造方法。
- 前記アニールは、４００乃至４３５℃の温度を維持しながら実施することを特徴とする、請求項１に記載の垂直型シーモスイメージセンサーの製造方法。
- 前記最上位保護膜の形成後に高温で最終アニールする段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の垂直型シーモスイメージセンサーの製造方法。
- 前記最終アニールは、前記保護膜の形成後に実施されるアニールよりも高い温度で実施することを特徴とする、請求項４に記載の垂直型シーモスイメージセンサーの製造方法。
- 前記最終アニールは、４３５乃至４５０℃の温度を維持しながら実施することを特徴とする、請求項４に記載の垂直型シーモスイメージセンサーの製造方法。
- 前記最上位保護膜は、保護窒化膜であることを特徴とする、請求項１に記載の垂直型シーモスイメージセンサーの製造方法。
- 前記最上位保護膜は、ＳｉＯＮ保護膜であることを特徴とする、請求項１に記載の垂直型シーモスイメージセンサーの製造方法。
- 前記最上位保護膜は、ＳｉＮ保護膜であることを特徴とする、請求項１に記載の垂直型シーモスイメージセンサーの製造方法。
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