(57)【要約】【課題】実施例は、トランジスター回路とフォトダイオードの新しい集積を有するイメージセンサー及びその製造方法を提供する。【解決手段】実施例のイメージセンサーは、シーモス回路が形成された半導体基板と、該半導体基板上に形成されたトレンチを含む層間絶縁膜と、該層間絶縁膜のトレンチ内部に形成された金属配線及び第１導電型伝導層と、該第１導電型伝導層及び層間絶縁膜を含む半導体基板上に形成された真性層と、及び前記真性層上に形成された第２導電型伝導層を含む。【選択図】図８
2008288550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シーモス回路が形成された半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたトレンチを含む層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜のトレンチ内部に形成された金属配線及び第１導電型伝導層と、
前記第１導電型伝導層及び層間絶縁膜を含む半導体基板上に形成された真性層と、
前記真性層上に形成された第２導電型伝導層と、
を含むイメージセンサー。
【請求項２】
前記金属配線と第１導電型伝導層との間には伝導性バリア膜が形成されたことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
【請求項３】
前記金属配線は、銅で形成されたことを含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
【請求項４】
前記金属配線、伝導性バリア膜及び第１導電型伝導層は、前記層間絶縁膜の内部に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
【請求項５】
前記第１導電型伝導層と前記層間絶縁膜の上部表面は等しい高さで形成されたことを特徴とする請求項１または４に記載のイメージセンサー。
【請求項６】
前記伝導性バリア膜はTa、TaN及びTiSiNのうちで少なくともいずれか一つで形成されたことを含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
【請求項７】
シーモス回路が形成された半導体基板上にトレンチを含む層間絶縁膜を形成する段階と、
前記層間絶縁膜のトレンチ内部に金属配線及び第１導電型伝導層を形成する段階と、
前記第１導電型伝導層及び層間絶縁膜を含む半導体基板上に真性層を形成する段階と、
前記真性層上に第２導電型伝導層を形成する段階と、を含むイメージセンサーの製造方法。
【請求項８】
前記金属配線上に伝導性バリア膜を形成する段階を含むことを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項９】
前記金属配線を形成する段階は、
前記層間絶縁膜のトレンチに銅層を蒸着する段階と、
前記銅層を湿式蝕刻工程でリセスさせる段階と、
を含むことを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１０】
前記金属配線を形成する段階は、
前記層間絶縁膜のトレンチに銅層を蒸着する段階と、
前記銅層をＣＭＰ工程で研いてリセスさせる段階と、
を含むことを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサー。
【請求項１１】
前記伝導性バリア膜及び第１導電型伝導層を形成する段階は、
前記金属配線が形成された層間絶縁膜上に伝導性バリア膜物質を蒸着する段階と、
前記伝導性バリア膜物質上に第１導電型伝導層物質を蒸着する段階と、
前記層間絶縁膜の表面が露出するように前記伝導性バリア膜物質及び第１導電型伝導層物質を蝕刻する段階と、
を含むことを特徴とする請求項９または１０に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１２】
前記伝導性バリア膜及び第１導電型伝導層を含む層間絶縁膜に対して洗浄する段階を含むことを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサーの製造方法。
【請求項１３】
前記層間絶縁膜の洗浄はプラズマガスまたは洗浄液によって洗浄されることを含むことを特徴とする請求項１２に記載のイメージセンサーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施例では、イメージセンサー及びその製造方法が開示される。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサーは、光学的映像(Optical Image)を電気信号に変換させる半導体素子であり、大きく電荷結合素子(charge coupled device：ＣＣＤ)イメージセンサーとシーモス(Complementary Metal Oxide Silicon：ＣＭＯＳ)イメージセンサー(ＣＩＳ)で区分される。
【０００３】
シーモスイメージセンサーは、単位画素内にフォトダイオードとモストランジスタを形成させることで、スイッチング方式で各単位画素の電気的信号を順次に検出して映像を具現する。
【０００４】
シーモスイメージセンサーは、光信号を受けて電気信号に変えてくれるフォトダイオード(Photo diode)領域とこの電気信号を処理するトランジスター領域で区分することができる。
【０００５】
シーモスイメージセンサーはフォトダイオードとトランジスターが半導体基板に水平に配置される構造である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
水平型シーモスイメージセンサーによってＣＣＤイメージセンサーの短所が解決されたが、水平型シーモスイメージセンサーには相変らず問題点がある。
【０００７】
すなわち、水平型シーモスイメージセンサーによると、フォトダイオードとトランジスターが基板上に相互水平で隣接して形成される。これによって、フォトダイオード形成のための追加的な領域が要求されて、これによってフィルファクター(fill factor)領域を減少させてレゾリューション(Resolution)の可能性を制限する問題がある。
【０００８】
また、水平型シーモスイメージセンサーによるとフォトダイオードとトランジスターを同時に製造する工程に対する最適化を達成する点が非常に難しいという問題がある。すなわち、迅速なトランジスター工程では小さな面抵抗(low sheet resistance)のためにシャロージャンクション(shllow junction)が要求できるが、フォトダイオードにはこのようなシャロージャンクション(shllow junction)が適切ではないこともある。
【０００９】
また、水平型シーモスイメージセンサーによると追加的なオンチップ(on-chip)機能がイメージセンサーに付加されながら、単位画素の大きさがイメージセンサーのセンシティビティー(sensitivity)を維持するために増加されるか、または減少されなければならない。ところが、ピクセルサイズが増加されるとイメージセンサーのレゾリューション(Resolution)が減少するようになって、またフォトダイオードの面積がイメージセンサーのセンシティビティー(sensitivity)が減少する問題が発生する。
【００１０】
本発明の目的は、上述した問題を解決するため、トランジスター回路とフォトダイオードの新しい集積を有するイメージセンサー及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のある態様はイメージセンサである。当該イメージセンサーは、シーモス回路が形成された半導体基板と、該半導体基板上に形成されたビアホールを含む層間絶縁膜と、該層間絶縁膜のビアホール内部に形成された金属配線及び第１導電型伝導層と、該第１導電型伝導層及び層間絶縁膜を含む半導体基板上に形成された真性層と、及び前記真性層上に形成された第２導電型伝導層とを含む。
【００１２】
本発明の他の態様はイメージセンサの製造方法である。当該イメージセンサーの製造方法は、シーモス回路が形成された半導体基板上にトレンチを含む層間絶縁膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜のトレンチ内部に金属配線及び第１導電型伝導層を形成する段階と、前記第１導電型伝導層及び層間絶縁膜を含む半導体基板上に真性層を形成する段階と、及び前記真性層上に第２導電型伝導層を形成する段階が含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図８は、実施例によるイメージセンサーの断面図である。
【００１４】
実施例のイメージセンサーは、シーモス回路が形成された半導体基板１０と、該半導体基板１０上に形成されたトレンチ２３を含む層間絶縁膜２０と、層間絶縁膜２０のトレンチ２３内部に形成された金属配線４１及び伝導性バリア膜５１と、トレンチ２３内部の伝導性バリア膜５１上に形成された第１導電型伝導層６１と、該第１導電型伝導層６１及び層間絶縁膜２０を含む半導体基板１０上に形成された真性層７０と、及び真性層７０上に形成された第２導電型伝導層８０が含まれる。
【００１５】
金属配線４１は銅で形成されて、最終配線であることもあり、または下部電極として使用されることもある。
【００１６】
金属配線４１、伝導性バリア膜５１及び第１導電型伝導層６１は層間絶縁膜２０のトレンチ２３内部に形成されて、第１導電型伝導層６１と層間絶縁膜２０の上部表面は等しい高さで形成されて、金属配線４１及び第１導電型伝導層６１は単位ピクセル別に分離した状態になる。
【００１７】
伝導性バリア膜５１はTa、TaN、TiSiN、TiW、TaW及びTaSiNのうちで少なくともいずれか一つで形成されることができる。よって、伝導性バリア膜５１下部の金属配線４１をなす銅が第１導電型伝導層６１に拡散することを防止することができる。
【００１８】
以下、図１ないし図８を参照して実施例によるイメージセンサーの製造方法を説明する。
【００１９】
図１を参照して、回路領域(図示せず)が形成された半導体基板１０上に金属配線３１、４１を含む層間絶縁膜２０が形成されている。
【００２０】
図示されなかったが、半導体基板１０にはアクティブ領域及びフィールド領域を定義する素子分離膜(図示せず)が形成されているし、単位画素を形成するために後述されるフォトダイオードに連結されて、受光された光電荷を電気信号を変換するトランスファートランジスター、リセットトランジスター、ドライブトランジスター及びセレクトトランジスターなどでなされたシーモス回路(図示せず)が形成されていることもある。
【００２１】
前記のようにトランジスター構造物でなされたシーモス回路が形成された半導体基板１０上部には電源ラインまたは信号ラインとの接続のために複数の層でなされる層間絶縁膜２０が形成されている。
【００２２】
層間絶縁膜２０は、複数の層で形成されることができるし、層間絶縁膜２０には複数個の金属配線３１、４１が形成されることができる。
【００２３】
金属配線３１、４１は単位ピクセル別に配置されてシーモス回路とフォトダイオードを連結するように形成される。
【００２４】
金属配線３１、４１は金属、合金またはシリサイドを含んだ多様な伝導性物質で形成されることができる。例えば、金属配線３１、４１はアルミニウム、銅、コバルトまたはタングステン等で形成することができる。
【００２５】
層間絶縁膜２０上に最終的に形成される金属配線４１は銅で形成されることができる。特に、金属配線４１は下部電極で使用されることもできて、または金属配線４１上に下部電極が別に形成されることもできる。
【００２６】
金属配線４１は、電気メッキ工程を利用して銅を層間絶縁膜２０のトレンチ２３にギャップフィルして形成されることができる。
【００２７】
そうすると、金属配線４１は下部に位置した金属配線３１と電気的に連結される。
【００２８】
図示されなかったが、トレンチ２３内に銅層をギャップフィルする前に銅の拡散を防止するためのバリアメタル層及び銅のギャップフィルが容易になされるように銅シード層が順次に形成されることができる。
【００２９】
図２を参照して、金属配線４１が形成されたトレンチ２３にリセス溝２５が形成される。
【００３０】
リセス溝２５はトレンチ２３内部の金属配線４１に対するリセス(Recess)工程によって金属配線４１は層間絶縁膜２０より低い高さで形成される。
【００３１】
すなわち、金属配線４１は所定の深さで蝕刻されて、層間絶縁膜２０の表面と金属配線４１の表面は段差を有するようになるので、金属配線４１が形成された層間絶縁膜２０のトレンチ２３にはリセス溝２５が形成される。
【００３２】
金属配線４１に対するリセス工程は湿式蝕刻工程で進行されることができる。例えば、金属配線４１はH２O２とH２SO４が混合した蝕刻溶液によって蝕刻されて、層間絶縁膜２０の上部表面との段差は５００〜１，５００Å程度に形成されることができる。
【００３３】
または金属配線４１に対するリセス工程はＣＭＰ工程で進行されることができる。例えば、金属配線４１に対するＣＭＰ工程進行時に蝕刻停止膜で層間絶縁膜２０が使用されて、ＣＭＰ工程のコントロールによってトレンチ２３に形成された銅層が層間絶縁膜２０より過度に研磨されて、層間絶縁膜２０の上部表面との段差は５００〜１，５００Å程度で形成されることができる。
【００３４】
前記工程を通じて金属配線４１が形成された層間絶縁膜２０のトレンチ２３内部にはリセス溝２５が形成される。
【００３５】
図３aを参照して、リセス溝２５が形成された層間絶縁膜２０上に伝導性バリア膜５０が形成される。
【００３６】
伝導性バリア膜５０は、金属配線４１をなす銅層が拡散することを防止するためのものであり、層間絶縁膜２０の段差に沿って金属配線４１をすべて覆うように形成される。例えば、伝導性バリア膜５０はＰＶＤ、ＣＶＤまたはＡＬＤ方法を利用してTa、TaN、TiSiN、TiW、TaW及びTaSiNグループのうちで選択されたいずれか一つの物質を５０〜２００Å蒸着することで形成されることができる。
【００３７】
層間絶縁膜２０上に伝導性バリア膜５０が形成されても伝導性バリア膜５０は薄い厚さで形成されたから、層間絶縁膜２０のトレンチ２３にはリセス溝２７が形成される。
【００３８】
図３bを参照して、伝導性バリア膜５０を形成した後に層間絶縁膜２０上に下部電極層６５が形成されることができる。例えば、下部電極層６５はCr、Ti、TiW及びTaのような金属で形成することができる。勿論、下部電極層６５は形成されないこともある。
【００３９】
伝導性バリア膜５０上に下部電極層６５が形成されても伝導性バリア膜５０と下部電極層５は薄い厚さで形成されたから層間絶縁膜２０のトレンチ２３にはリセス溝２７が形成される。
【００４０】
以下の実施例の説明において、下部電極層６５が形成されないものを例にして説明する。
【００４１】
図４を参照して、伝導性バリア膜５０を含む層間絶縁膜２０上にフォトダイオードの第１導電型伝導層６０が形成される。
【００４２】
前記フォトダイオードは、層間絶縁膜２０上部に形成されて外部から入射される光を受けて電気的形態に転換及び保管するためのものであり、実施例ではＰＩＮダイオード(PIN diode)を使用する。
【００４３】
前記ＰＩＮダイオードは、ｎ型非晶質シリコン層(n-type amorphous silicon)、真性非晶質シリコン層(intrinsic amorphous silicon)、ｐ型非晶質シリコン層(p-type amorphous silicon)が接合された構造で形成されるものである。フォトダイオードの性能は外部の光を受けて電気的形態で転換する效率と総保管可能電気量(charge capacitance)によって決まるものであり、既存のフォトダイオードはP-N、N-P、N-P-N、P-N-Pなどの異種接合時に生成される空乏領域(Depletion region)に電荷を生成及び保管したが、前記ＰＩＮダイオードはｐ型シリコン層とｎ型シリコン層との間に純粋な半導体である真性非晶質シリコン層が接合された構造の光ダイオードであり、前記ｐ型とｎ型との間に形成される真性非晶質シリコン層がすべて空乏領域になって電荷の生成及び保管に有利になる。
【００４４】
このように実施例ではフォトダイオードとしてＰＩＮダイオードを使いながらＰＩＮダイオードの構造はP-I-NまたはN-I-P、I-Pなどの構造で形成されることができる。特に、実施例ではP-I-N構造のＰＩＮダイオードが使用されることを例にして、前記ｎ型非晶質シリコン層(n-type amorphous silicon)は第１導電型伝導層、前記真性非晶質シリコン層(intrinsic amorphous silicon)は真性層、前記ｐ型非晶質シリコン層(p-type amorphous silicon)は第２導電型伝導層と称するようにする。
【００４５】
前記のように伝導性バリア膜５０を含む層間絶縁膜２０上に第１導電型伝導層６０が形成される。
【００４６】
第１導電型伝導層６０は実施例で採用するP-I-NダイオードのN層の役割をすることができる。すなわち、第１導電型伝導層６０はNタイプ導電型伝導層であることがあるが、これに限定されるものではない。
【００４７】
第１導電型伝導層６０はＮドーピングされた非晶質シリコーン(n-doped amorphous silicon)を利用して形成されることができるが、これに限定されるものではない。
【００４８】
すなわち、第１導電型伝導層６０は非晶質シリコーンにゲルマニウム、炭素、窒素または酸素などを添加してa-Si：H、a-SiGe：H、a-SiC、a-SiN：Ha-SiO：H などで形成されることもできる。
【００４９】
第１導電型伝導層６０は化学気相蒸着(ＣＶＤ)、特に、ＰＥＣＶＤによって形成されることができる。例えば、第１導電型伝導層６０はシランガス(SiH４)にPH３、P２H５程度を混合してＰＥＣＶＤによって約１００〜４００℃で蒸着してＮドーピングされた非晶質シリコーンで形成されることができる。
【００５０】
金属配線４１を含む層間絶縁膜２０の上部には伝導性バリア膜５０及び第１導電型伝導層６０が積層された状態になる。
【００５１】
図５を参照して、層間絶縁膜２０のトレンチ２３内部に金属配線４１、伝導性バリア膜５１及び第１導電型伝導層６１が形成される。
【００５２】
層間絶縁膜２０の上部に積層された伝導性バリア膜５０及び第１導電型伝導層６０は層間絶縁膜２０の上部表面が露出するまでＣＭＰ工程によって研磨される。
【００５３】
そうすると、層間絶縁膜２０の上部表面に形成された伝導性バリア膜５０及び第１導電型伝導層６０は除去されて、トレンチ２３の内部に積層された伝導性バリア膜５０及び第１導電型伝導層６０は残っているようになる。
【００５４】
したがって、金属配線４１上のみに伝導性バリア膜５１及び第１導電型伝導層６１が積層された状態になる。
【００５５】
特に、第１導電型伝導層６１は層間絶縁膜２０のトレンチ２３内部の金属配線４１上の伝導性バリア膜５１上のみに形成されて単位ピクセル別に分離して相互絶縁された状態になる。
【００５６】
また、伝導性バリア膜５１は金属配線４１の上部表面とトレンチ２３の側壁を囲んだ構造で形成されて第１導電型伝導層６１は、伝導性バリア膜５１上のみに形成される。よって、金属配線４１の銅が第１導電型伝導層６１に拡散が防止されるので、素子の信頼性を確保することができる。
【００５７】
そして、層間絶縁膜２０のトレンチ２３内部に金属配線４１、伝導性バリア膜５１及び第１導電型伝導層６１が形成された後、洗浄工程が進行されることができる。
【００５８】
前記洗浄工程はプラズマガスまたは洗浄液によって洗浄されることができる。
【００５９】
図６を参照して、第１導電型伝導層６１を含む層間絶縁膜２０上に真性層(intrinsic layer)７０が形成される。真性層７０は実施例で採用するＩ層の役割をすることができる。
【００６０】
真性層７０は非晶質シリコーン(intrinsic amorphous silicon)を利用して形成されることができる。真性層７０は化学気相蒸着(ＣＶＤ)、特に、ＰＥＣＶＤなどによって形成されることができる。例えば、真性層７０はシランガス(SiH４)などを利用してＰＥＣＶＤによって非晶質シリコーンで形成されることができる。
【００６１】
ここで、真性層７０は第１導電型伝導層６１の厚さの約１０〜１，０００倍程度の厚さで形成されることができる。これは真性層７０の厚さが厚いほどＰＩＮダイオードの空乏領域が増えて多くの量の光電荷を保管及び生成するのに有利であるためである。
【００６２】
図７を参照して真性層７０が形成された半導体基板１０上に第２導電型伝導層８０が形成される。
【００６３】
第２導電型伝導層８０は、実施例で採用するP-I-NダイオードのP層の役割をすることができる。すなわち、第２導電型伝導層８０はＰタイプの導電型伝導層であることができるが、これに限定されるものではない。
【００６４】
例えば、第２導電型伝導層８０はＰドーピングされた非晶質シリコーン(p-doped amorphous silicon)を利用して形成されることができるが、これに限定されるものではない。
【００６５】
第２導電型伝導層８０は化学気相蒸着(ＣＶＤ)、特に、ＰＥＣＶＤなどによって形成されることができる。例えば、第２導電型伝導層８０はシランガス(SiH４)にBH３またはB２H６程度のガスを混合してＰＥＣＶＤによってＰドーピングされた非晶質シリコーンで形成されることができる。
【００６６】
前記のように第１導電型伝導層６１、真性層７０及び第２導電型伝導層８０でなされるフォトダイオードは第１導電型伝導層６１が層間絶縁膜２０のトレンチ２３内部に形成されて単位ピクセル別に分離して金属配線４１も単位ピクセル別にパターニングされた状態になる。
【００６７】
図８を参照して、前記フォトダイオードが形成された半導体基板１０上部に上部電極９０が形成される。
【００６８】
上部電極９０は光の透過性が良くて、伝導性が高い透明電極で形成されることができる。例えば、上部電極９０はＩＴＯ(indium tin oxide)、ＣＴＯ(cardium tin oxide)、ZnO２のうちいずれか一つで形成されることができる。
【００６９】
以後、追加的にカラーフィルター工程及びマイクローレンズ工程が進行されることもできる。
【００７０】
したがって、実施例のようにP-I-N構造のフォトダイオードを半導体基板上に形成することでトランジスター回路とフォトダイオードの垂直型集積を提供することができる。
【００７１】
また、トランジスター回路とフォトダイオードの垂直型集積によってフィルファクター(fill factor)を１００％に近接させることができる。
【００７２】
また、垂直型集積によって水平型シーモスイメージセンサーより、同じピクセルサイズで高いセンシティビティー(sensitivity)を提供することができる。
【００７３】
また、各単位ピクセルはセンシティビティー(sensitivity)の減少なしにより複雑な回路を具現することができる。
【００７４】
また、前記フォトダイオードの第１導電型伝導層が層間絶縁膜のトレンチ内部に形成されて単位ピクセル別に分離して単位ピクセルの間の絶縁性を確保することで、ピクセル間のクロストークなどを防止してイメージセンサーの信頼性を向上させることができる。
【００７５】
また、前記フォトダイオードを単位ピクセル別に分離するための別途の素子分離膜工程が省略されるので、工程を単純化させることができる。
【００７６】
以上では本発明を実施例によって詳細に説明したが、本発明は実施例によって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであると、本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】実施例によるイメージセンサーの製造工程を示す図面である。
【図２】実施例によるイメージセンサーの製造工程を示す図面である。
【図３ａ】図３ａは、実施例によるイメージセンサーの製造工程を示す図面である。
【図３ｂ】図３ｂは、実施例によるイメージセンサーの製造工程を示す図面である。
【図４】実施例によるイメージセンサーの製造工程を示す図面である。
【図５】実施例によるイメージセンサーの製造工程を示す図面である。
【図６】実施例によるイメージセンサーの製造工程を示す図面である。
【図７】実施例によるイメージセンサーの製造工程を示す図面である。
【図８】実施例によるイメージセンサーの製造工程を示す図面である。
【符号の説明】
【００７８】
１０  半導体基板
２０  層間絶縁膜
２３  トレンチ
４１  金属配線
５１  伝導性バリア膜
６１  第１導電型伝導層
７０  真性層
８０  第２導電型伝導層
【図１】
2008288550.tif 000003
【図２】
2008288550.tif 000004
【図３ａ】
2008288550.tif 000005
【図３ｂ】
2008288550.tif 000006
【図４】
2008288550.tif 000007
【図５】
2008288550.tif 000008
【図６】
2008288550.tif 000009
【図７】
2008288550.tif 000010
【図８】
2008288550.tif 000011