KR20070036528A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속배선을 포함한 이미지 센서의 노이즈를 제거하면서 금속배선을 이루는 물질의 확산을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명에서는 기판 상에 형성되고, 그 내부에 트렌치가 형성된 층간절연막과, 상기 트렌치의 내부면을 따라 형성된 제1 확산방지막과, 상기 트렌치가 매립되도록 형성된 금속배선과, 상기 금속배선과 상기 제1 확산방지막 간에 개재된 제2 확산방지막을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

이미지센서, 금속배선, 확산방지막, 탄탈륨 옥사이드, 노이즈.

Description

이미지 센서 및 그 제조방법{IMAGE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 종래 기술의 일실시예에 따른 이미지 센서의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 단면도.

도 2는 종래 기술의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 단면도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속배선을 구비한 이미지 센서를 도시한 단면도.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 금속배선 형성방법을 도시한 공정단면도.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

210 : 기판

211 : 제1 층간절연막

213 : 제1 확산방지막

215 : 산소 플라즈마 공정

216 : 제2 확산방지막

217 : 물리적 스퍼터링 공정

218 : 금속배선

219 : 메탈 캐핑층

220 : 제2 층간절연막

223 : 비아홀

224 : 트렌치

본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 구리 금속배선을 구비한 이미지 센서 및 이미지 센서의 금속배선 형성방법에 관한 것이다.

최근들어, 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.

그러나, 구리를 이용한 배선 형성은 일반적으로 다마신 공정을 이용하기 때문에 금속배선 형성시 식각정지막(Etch stop layer)을 개재시켜야 한다는 단점이 있다. 보통, 이러한 식각정지막은 층간절연막(Inter Metallic Dilectrics : IMD)과의 굴절율이 다른 물질을 이용하기 때문에, 이 또한 이미지 센서의 노이즈로 작용할 수 있다. 따라서, 최근에는 이러한 노이즈를 제거하기 위해서 식각정지막을 제거하는 방법이 제안되었다. 이와 같이, 식각정지막을 제거하는 방법은 대표적으로 두가지가 있다. 예컨대, ①식각정지막이 불필요한 부분의 식각정지막 형성을 생략하여 그 수를 최소화하는 것과, ②식각정지막을 완전히 제거하고 그 대신에 메탈 캐핑층(Metal Capping layer)을 사용하는 것이 있다.

도 1은 ①의 방법에 따른 이미지 센서의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 ②의 방법에 따른 이미지 센서의 금속배선 형성방법을 설명하기 위한 단면도이다. 이하에서는, 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 따른 이미지 센서의 금속배선 형성방법을 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 종래 기술의 일실시예에 따른 이미지 센서의 금속배선 형성방법은 다음과 같다. 먼저, 기판(10) 상에 하부 금속배선(13)을 개재한 제1 층간절연막(11)을 형성한 후, 하부 금속배선(13)을 포함한 제1 층간절연막(11) 상에 식각정지막(14)을 증착한다. 그런 다음, 식각정지막(14) 상에 제2 층간절연막(15)을 증착한 후, 듀얼 다마신 공정을 통해 형성된 비아홀(미도시)과 트렌치(미도시) 내에 상부 금속배선(19)을 매립한다. 이때, 하부 금속배선(13)은 제1 층간절연막(11)에 형성된 트렌치(미도시)의 내부면을 따라 먼저 증착된 확산방지막(12) 상에 트렌치가 매립되도록 형성된다. 또한, 상부 금속배선(19)은 제2 층간절연막(15)에 형성된 비아홀 및 트렌치의 내부면을 따라 먼저 증착된 확산방지막(18) 상에 비아홀 및 트렌치가 매립되도록 형성된다.

그러나, 도 1에서와 같이 ①의 방법에 따르면, 식각정지막의 수를 감소시켰다고는 하나 여전히 식각정지막이 존재하므로 노이즈를 완벽하게 제거할 수는 없다는 문제점이 있다.

도 2를 참조하면, 종래 기술의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 금속배선 형성방법은 다음과 같다. 먼저, 기판(20) 상에 하부 금속배선(23)을 개재한 제1 층간절연막(21)을 형성한 후, 하부 금속배선(23) 상에 메탈 캐핑층(24)을 형성한다. 그런 다음, 메탈 캐핑층(24)을 덮도록 제1 층간절연막(21) 상에 식각정지막이 개재되지 않은 제2 층간절연막(25)을 증착한 후, 듀얼 다마신 공정을 통해 형성된 비아홀(27)과 트렌치(28)를 형성한다. 이때, 하부 금속배선(23)은 제1 층간절연막(21)에 형성된 트렌치(미도시)의 내부면을 따라 먼저 증착된 확산방지막(22) 상에 트렌치가 매립되도록 형성된다.

그러나, 도 2에서와 같이 ②의 방법에 따르면, 식각정지막이 존재하지 않기 때문에 비아홀(27)이 하부 금속배선(23)과 미스 얼라인(mis-align)되어 형성될 확률이 현저히 높다. 이처럼, 미스 얼라인된 부위에서는 비아홀(27) 저부의 제1 층간절연막(21)에 데미지(damage, 'A' 부위 참조)를 입힘과 동시에, 하부 금속배선(23)의 양측벽에 형성된 확산방지막(22)에도 데미지('A' 부위 참조)를 입혀 하부 금속배선(23)을 이루는 구리의 확산을 불러일으키는 원인이 된다. 특히, 종래의 확산방지막(22)은 Ta 또는 TaN으로 이루어져 층간절연막의 식각시 이용되는 불화가스에 의해 쉽게 식각되는 특성이 있어 데미지를 쉽게 입을 수 있다.

이와 같은 구리의 확산은 이미지 센서를 포함한 반도체 소자에 누설전류를 포함한 치명적인 문제를 불러일으키는 원인이 된다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 금속배선을 포함한 이미지 센서의 노이즈를 제거하면서 금속배선을 이루는 물질의 확산을 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 기판 상에 형성되고, 그 내부에 트렌치가 형성된 층간절연막과, 상기 트렌치의 내부면을 따라 형성된 제1 확산방지막과, 상기 트렌치가 매립되도록 형성된 금속배선과, 상기 금속배선과 상기 제1 확산방지막 간에 개재된 제2 확산방지막을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

또한 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 기판 상에 증착된 층간절연막의 일부를 식각하여 트렌치를 형성하는 단계와, 상기 트렌치를 포함한 상기 층간절연막 상부의 단차를 따라 제1 확산방지막을 증착하는 단계와, 상기 제1 확산방지막의 표면 상에 제2 확산방지막을 형성하는 단계와, 상기 제1 확산방지막의 내측벽에만 상기 제2 확산방지막이 잔류하도록 상기 트렌치의 저면에 형성된 상기 제2 확산방지막을 제거하는 단계와, 상기 트렌치가 매립되는 금속배선 을 증착하는 단계와, 상기 층간절연막과의 단차가 제거되도록 상기 금속배선을 평탄화하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법을 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 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호는 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

실시예

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속배선을 구비한 이미지 센서를 도시한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서는 기판(210) 상에 형성되고, 트렌치(미도시)가 형성된 층간절연막(211)과, 트렌치의 내부면을 따라 형성된 제1 확산방지막(213)과, 트렌치가 매립되도록 형성된 금속배선(218)과, 금속배선(218)과 제1 확산방지막(213) 간에 개재된 제2 확산방지막(216)을 포함한다. 또한, 금속배선(218) 상에 형성된 메탈 캐핑층(219)을 더 포함할 수 있다. 보통, 메탈 캐핑층(219)은 텅스텐(W) 또는 코발트(Co)로 형성되고, 금속배선 (218)은 구리로 형성된다.

여기서, 제1 확산방지막(213)은 Ta, TaN 단일막 및 Ta/TaN 적층막 중 어느 하나로 형성되고, 제2 확산방지막(216)은 이들을 산화시켜 형성된 탄탈륨 옥사이드로 이루어진다. 바람직하게는, 제2 확산방지막(216)은 제1 확산방지막(213)의 내측벽에만 각각 형성된다. 이는, 제2 확산방지막(216)을 이루는 탄탈륨 옥사이드의 비저항 값이 매우 높으므로 제2 확산방지막(216)이 제1 확산방지막(213) 상부, 즉 트렌치 저부에 존재하게 되면 금속배선(218)의 컨택저항을 증가시키기 때문이다. 이에 따라, 트렌치 저부의 제2 확산방지막(216)은 제거된 것이다.

또한, 제2 확산방지막(216)은 1~10㎚의 두께로 형성된다.

즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 금속배선(218)을 이루는 물질, 바람직하게는 구리의 확산을 방지하기 위해 Ta, TaN 단일막 및 Ta/TaN 적층막 중 어느 하나로 형성된 제1 확산방지막(213)과 금속배선(218) 간에 탄탈륨 옥사이드로 이루어진 제2 확산방지막(216)을 개재시킴으로써, 금속배선(218)과 미스 얼라인된 영역의 비아홀 저부의 제1 확산방지막(213)이 데미지를 입더라도 금속배선(218) 물질의 확산을 완벽히 방지할 수 있게 된다. 이는, 탄탈륨 옥사이드로 이루어진 제2 확산방지막(216)이 Ta 또는 TaN에 비하여 식각률이 낮은 특성과 구리의 확산 방지율이 높은 특성이 있기 때문이다.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지 센서의 금속배선 형성방법을 도시한 공정단면도이다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 기판(210) 상에 층간절연막(211; 이하, 제 1 층간절연막이라 함)을 증착한다. 이때, 제1 층간절연막(211)은 산화막 계열의 물질로 형성한다. 예컨대, 제1 층간 절연막(211)은 HDP(High Density Plasma) 산화막, BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)막, PSG(Phosphorus Silicate Glass)막, PETEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyle Ortho Silicate)막, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)막, USG(Un-doped Silicate Glass)막, FSG(Fluorinated Silicate Glass)막, CDO(Carbon Doped Oxide)막 및 OSG(Organic Silicate Glass)막 중 어느 하나를 이용하여 단층막 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성한다.

이어서, 마스크 공정 및 식각공정을 실시하여 제1 층간절연막(211)의 일부를 식각함으로써, 트렌치(미도시)를 형성한다. 그런 다음, 트렌치를 포함한 제1 층간절연막(211) 상부의 단차를 따라 제1 확산방지막(213)을 증착한다. 예컨대, 제1 확산방지막(213)은 Ta, TaN 단일막 및 Ta/TaN 적층막 중 어느 하나의 형태로 증착한다.

이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 확산방지막(213)이 증착된 전체 구조 상부에 산소(O₂) 플라즈마 공정(215)을 실시하여 제1 확산방지막(213)의 표면을 산화시킨다. 이로써, 제1 확산방지막(213)의 표면 상에 제2 확산방지막(216)으로 탄탈륨 옥사이드가 형성된다. 탄탈륨 옥사이드는 제1 층간절연막(211)을 이루는 물질, 예컨대 실리콘 산화물의 식각시 사용되는 불화가스에 쉽게 식각되지 않는 특성을 가지고 있다. 이에 따라, 후속 공정을 통해 미스 얼라인되어 형성된 비아홀 (223, 도 4e 참조) 저부의 제1 확산방지막(213)이 데미지를 입더라도 금속배선(218) 물질의 확산을 완벽히 방지할 수 있게 된다.

이어서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 물리적 스퍼터링(Physical sputtering) 공정(217)을 실시하여 트렌치(미도시) 저부의 제2 확산방지막(216)을 제거한다. 이로써, 트렌치 저부에는 제1 확산방지막(213)만이 잔류한다. 이는, 후속으로 트렌치에 매립될 금속배선(218, 도 4d 참조)의 컨택저항을 감소시키기 위함이다.

이어서, 도 4d에 도시된 바와 같이, 트렌치(미도시)가 매립되도록 금속배선(218)을 증착한다. 바람직하게는, 구리를 증착한다.

이어서, 제1 층간절연막(211) 상부에 돌출된 제1 및 제2 확산방지막(213, 216; 도 4c 참조)과 금속배선(218)이 제거되도록 제1 층간절연막(211)을 평탄화 정지막으로 한 평탄화공정을 실시한다. 바람직하게는, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 실시하여 트렌치에만 매립되는 금속배선(218)을 형성한다.

이어서, 도 4e에 도시된 바와 같이, 금속배선(218)을 포함한 제1 층간절연막(211) 상에 메탈을 증착한 후, 이를 패터닝하여 금속배선(218) 상부에 메탈 캐핑층(219)을 형성한다. 예컨대, 메탈 캐핑층(219)은 코발트 또는 텅스텐으로 형성한다.

이어서, 메탈 캐핑층(219)을 덮도록 제1 층간절연막(211) 상에 제2 층간절연막(220)을 증착한다. 이때, 제2 층간절연막(220) 또한 제1 층간절연막(211)과 동일한 물질로 형성한다.

이어서, 듀얼 다마신 공정을 실시하여 제2 층간절연막(220) 내에 비아홀(223) 및 트렌치(224)를 형성한다.

이어서, 도면에 도시되진 않았지만, 앞서 언급한 종래기술에서와 같이 비아홀(223) 및 트렌치(224)를 매립하는 금속배선을 형성한다. 이때, 금속배선을 형성하기 전에 비아홀(223) 및 트렌치(224)의 내부면을 따라 확산방지막을 증착할 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 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.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 이미지 센서의 금속배선을 이루는 물질, 바람직하게는 구리의 확산을 방지하기 위해 Ta, TaN 단일막 및 Ta/TaN 적층막 중 어느 하나로 형성된 제1 확산방지막과 금속배선 간에 탄탈륨 옥사이드로 이루어진 제2 확산방지막을 개재시킴으로써, 금속배선과 미스 얼라인된 영역의 비아홀 저부의 제1 확산방지막이 데미지를 입더라도 금속배선 물질의 확산을 완벽히 방지할 수 있게 된다.

또한, 금속배선을 포함한 이미지 센서에서 노이즈로 작용할 수 있는 식각정지막을 필요로 하지 않기 때문에 이미지 센서의 노이즈를 제거할 수 있다.

따라서, 금속배선을 포함한 이미지 센서의 노이즈를 제거하는 동시에 금속배선을 이루는 물질의 확산을 방지하는 효과가 있다.

Claims (14)

1. 기판 상에 형성되고, 그 내부에 트렌치가 형성된 층간절연막;

   상기 트렌치의 내부면을 따라 형성된 제1 확산방지막;

   상기 트렌치가 매립되도록 형성된 금속배선; 및

   상기 금속배선과 상기 제1 확산방지막 간에 개재된 제2 확산방지막

   을 포함하는 이미지 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 확산방지막은 상기 제1 확산방지막의 내측벽에 각각 형성된 이미지 센서.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 확산방지막은 Ta, TaN 단일막 및 Ta/TaN 적층막 중 어느 하나로 형성된 이미지 센서.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제2 확산방지막은 탄탈륨 옥사이드로 형성된 이미지 센서.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제2 확산방지막은 1~100㎚의 두께로 형성된 이미지 센서.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 금속배선 상에 형성된 금속 캐핑층을 더 포함하는 이미지 센서.
7. 기판 상에 증착된 층간절연막의 일부를 식각하여 트렌치를 형성하는 단계;

   상기 트렌치를 포함한 상기 층간절연막 상부의 단차를 따라 제1 확산방지막을 증착하는 단계;

   상기 제1 확산방지막의 표면 상에 제2 확산방지막을 형성하는 단계;

   상기 제1 확산방지막의 내측벽에만 상기 제2 확산방지막이 잔류하도록 상기 트렌치의 저면에 형성된 상기 제2 확산방지막을 제거하는 단계;

   상기 트렌치가 매립되는 금속배선을 증착하는 단계; 및

   상기 층간절연막과의 단차가 제거되도록 상기 금속배선을 평탄화하는 단계

   를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제2 확산방지막을 형성하는 단계는 산소 플라즈마 공정을 이용하는 이미지 센서 제조방법..
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 산소 플라즈마 공정은 100~600℃ 온도의 O₂ 플라즈마 내에서 10~30초간 실시하는 이미지 센서 제조방법.
10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,

    상기 제1 확산방지막은 Ta, TaN 단일막 및 Ta/TaN 적층막 중 어느 하나로 형성하는 이미지 센서 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 제2 확산방지막은 탄탈륨 옥사이드로 형성하는 이미지 센서 제조방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 탄탈륨 옥사이드는 1~100㎚의 두께로 형성하는 이미지 센서 제조방법.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 트렌치의 저면에 형성된 상기 제2 확산방지막을 제거하는 단계는 물리적 스퍼터링 공정을 이용하는 이미지 센서 제조방법.
14. 제 11 항에 있어서,

    상기 금속배선 상에 금속 캐핑층을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서 제조방법.

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