JP2009164599A - イメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、回路とフォトダイオードの新しい集積を提供することができるイメージセンサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明によるイメージセンサは、配線を含む回路が形成された第１基板と、前記配線と選択的に接触するように前記第１基板上に形成された非晶質層と、及び前記非晶質層と接触しながら前記第１基板とボンディングされて、前記配線と電気的に繋がるように結晶型半導体層に形成されたフォトダイオードを含むことを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、イメージセンサ及びその製造方法に関するものである。
一般的に、イメージセンサは、光学的映像を電気的信号に変換させる半導体素子として、大きくＣＣＤイメージセンサとＣＭＯＳイメージセンサに分けられる。
ＣＭＯＳイメージセンサは、単位画素内にフォトダイオードとＭＯＳトランジスタを形成させることによって、スイッチング方式により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。
一方、従来技術によるＣＭＯＳイメージセンサは、フォトダイオードがトランジスタと水平に配置される仕組みである。
もちろん、従来技術による水平型ＣＭＯＳイメージセンサによりＣＣＤイメージセンサの短所が解決されてはいるものの、従来技術による水平型ＣＭＯＳイメージセンサには相変わらず問題点が存在する。
即ち、従来技術による水平型ＣＭＯＳイメージセンサによれば、フォトダイオードとトランジスタが基板上に相互水平に隣接して製造される。したがって、フォトダイオードのための更なる領域が要求され、結果的にフィルファクター（fill factor）の領域を減少させ、また解像度の可能性を制限する問題がある。
また、従来技術による水平型ＣＭＯＳイメージセンサによれば、フォトダイオードとトランジスタを同時に製造する工程において、その最適化を達成すること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工程では面抵抗を小さくするために極浅接合（shallow junction）が要求されるが、フォトダイオードには、このような極浅接合が必ずしも適切ではないこともある。
また、従来技術による水平型のシーモスイメージセンサによれば、追加的なオンチップ（on-chip）機能がイメージセンサに付加されることによって、イメージセンサの感度（sensitivity）を維持するために、単位画素のサイズを増加させるか、ピクセルサイズを維持するために、フォトダイオードのための面積を減少させなければならない。ところが、ピクセルサイズが増加されればイメージセンサの解像度が低下するようになり、また、フォトダイオードの面積が減少されればイメージセンサの感度が低下する問題が発生する。
本発明は、回路とフォトダイオードの新しい集積を提供することができるイメージセンサ及びその製造方法を提供しようとする。
また、本発明は、解像度と感度を共に改善することができるイメージセンサ及びその製造方法を提供しようとする。
また、本発明は、垂直型のフォトダイオードを採用しながら、フォトダイオードと回路の間の物理的、電気的接触力が優れたイメージセンサ及びその製造方法を提供しようとする。
また、本発明は、垂直型のフォトダイオードを採用しながら、フォトダイオード内のディフェクトを防止することができるイメージセンサ及びその製造方法を提供しようとする。
本発明のある態様に係るイメージセンサは、配線を含む回路が形成された第１基板と、前記配線と選択的に接触するように前記第１基板上に形成された非晶質層と、及び前記非晶質層と接触しながら前記第１基板とボンディングされて、前記配線と電気的に繋がるように結晶型半導体層に形成されたフォトダイオードを含むことを特徴とする。
また、本発明の他の態様に係るイメージセンサの製造方法は、配線を含む回路が形成された第１基板を準備する段階と、前記第１基板上に前記配線と選択的に接触するように非晶質層を形成する段階と、フォトダイオードが形成された第２基板を準備する段階と、前記フォトダイオードと前記非晶質層が接触するように前記第１基板と前記第２基板をボンディングする段階と、及び前記ボンディングされた第２基板の下側を除去してフォトダイオードを露出させる段階を含むことを特徴とする。
本発明によるイメージセンサの製造方法によれば、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。
また、本発明によれば、垂直型のフォトダイオードを採用しながら、フォトダイオードと回路の間に、フォトダイオードを構成する元素と同じ元素の非晶質を挿入することで、フォトダイオードと回路の間の物理的、電気的接触力を向上させることができる。
また、本発明によれば、回路の上側に位置する垂直型のフォトダイオードを採用しながら、フォトダイオードを結晶型半導体層内に形成することで、フォトダイオード内のディフェクトを防止することができる。
以下、実施例によるイメージセンサ及びその製造方法を添付された図面を参照して説明する。
＜実施例＞
図１は、実施例によるイメージセンサの断面図である。
実施例によるイメージセンサは、配線１１０を含む回路（未図示）が形成された第１基板１００と、前記配線１１０と選択的に接触するように前記第１基板１００上に形成された非晶質層１２０と、及び前記非晶質層１２０と接触しながら前記第１基板１００とボンディングされて、前記配線１１０と電気的に繋がるように形成されたフォトダイオード２１０を含むことができる。
また、前記非晶質層１２０は、前記フォトダイオード２１０が形成される結晶型半導体層２１０ａ（図４参照）を構成する元素と同じ元素を含むことで、結果的に、垂直型のフォトダイオードを採用しながら、フォトダイオードと回路の間にフォトダイオードを構成する元素と同じ元素の非晶質層が介在されて、フォトダイオードと回路の間の物理的、電気的接触力を向上させることができる。
例えば、前記フォトダイオードが形成される結晶型半導体層がシリコン結晶質であり、前記非晶質層が非晶質シリコンである場合、Ｓｉ−Ｓｉ結合によって第１基板１００と第２基板２００の結合力を高めることができる。
また、実施例において、前記非晶質層１２０が高濃度の第１導電型非晶質層に導電されることができる。例えば、前記非晶質層１２０が高濃度のＮ＋に導電されることで、第１基板１００と第２基板２００（図４参照）の結合力を高めると同時に、電気的な接触でオーミックコンタクトを達成することができる。
実施例において、前記非晶質層１２０は、約１００Å〜１,０００Åの厚さで形成されることで、第１基板１００と第２基板２００の結合層としての役割、及びオーミックコンタクト層としての役割を適切に果たすことができる。
実施例において、前記結晶型半導体層２１０ａは、単結晶半導体層であることがあるがこれに限定されるのではなく、多結晶半導体層であることもある。
前記第１基板１００の回路は図示されてはないが、ＣＩＳの場合、回路が四つのトランジスタ（４ Ｔｒ ＣＩＳ）の形態に限られているのではなく、１ Ｔｒ ＣＩＳ、３ Ｔｒ ＣＩＳ、５ Ｔｒ ＣＩＳ又は、１.５ Ｔｒ ＣＩＳ（トランジスタの共有ＣＩＳ）等にも適用が可能である。
また、第１基板１００に形成された配線１１０は、メタル（未図示）とプラグ（未図示）を含むことができる。前記配線１１０の内、最上部がフォトダイオードの下部電極の役割をすることができる。
次に、前記フォトダイオード２１０は、結晶型半導体層２１０ａ（図４参照）内に形成された第１導電型伝導層２１４、及び前記第１導電型伝導層２１４上の前記結晶型半導体層内に形成された第２導電型伝導層２１６を含むことができる。例えば、前記フォトダイオード２１０は、前記結晶型半導体層２１０ａ内に形成された低濃度のＮ型伝導層２１４、及び前記低濃度のＮ型伝導層２１４上の前記結晶型半導体層内に形成された高濃度のＰ型伝導層２１６を含むことができるが、これに限定されるのではない。すなわち、第１導電型は、Ｎ型に限定されるのではなくＰ型であることもある。
実施例は、前記フォトダイオード２１０上にトップメタル（未図示）とカラーフィルター（未図示）も更に形成することができる。
実施例において、前記フォトダイオード２１０は、絶縁層（未図示）によってピクセル毎に分離されることができる。
図２ないし図９は、実施例によるイメージセンサの製造方法の工程断面図である。
まず、図２のように配線１１０と回路（未図示）が形成された第１基板１００を準備する。前記第１基板１００の回路は図示されてはないが、ＣＩＳの場合、回路が四つのトランジスタ（４ Ｔｒ ＣＩＳ）の形態に限定されるのではない。
また、第１基板１００に形成された配線１１０は、メタル（未図示）とプラグ（未図示）を含むことができる。
次に、前記第１基板１００上に前記配線１１０と選択的に接触するように、非晶質層１２０を形成する。
この時、実施例において、前記非晶質層１２０は、前記フォトダイオード２１０が形成される結晶型半導体層２１０ａ（図４参照）を構成する元素と同じ元素を含むことで、結果的に、垂直型のフォトダイオードを採用しながら、フォトダイオードと回路の間にフォトダイオードを構成する元素と同じ元素の非晶質層が介在されて、フォトダイオードと回路の間の物理的、電気的接触力を向上させることができる。
例えば、前記フォトダイオードが形成される結晶型半導体層がシリコン結晶質であり、前記非晶質層が非晶質シリコンである場合、Ｓｉ−Ｓｉ結合によって第１基板１００と第２基板２００の結合力を高めることができる。
また、実施例において、前記非晶質層１２０は、高濃度の第１導電型イオンを一緒に注入して、高濃度の第１導電型非晶質層を形成することができる。例えば、前記非晶質層１２０の形成時、高濃度のＮ＋型イオンを一緒にドーピングして、高濃度のＮ＋非晶質層１２０を形成することで、前記第１基板１００と第２基板２００の結合力を高めると同時に、電気的な接触でオーミックコンタクトを達成することができる。
実施例において、前記非晶質層１２０は、約１００Å〜１,０００Åの厚さで形成されることで、第１基板１００と第２基板２００の結合層としての役割、及びオーミックコンタクト層としての役割を適切に果たすことができる。
次に、図４のように、第２基板２００上に結晶型半導体層２１０ａを形成する。このような結晶型半導体層２１０ａにフォトダイオードが形成されることで、フォトダイオード内のディフェクトを防止することができる。
例えば、前記第２基板２００上に、エピタキシャルによって結晶型半導体層２１０ａを形成する。以後、第２基板２００と結晶型半導体層２１０ａの境界に水素イオンを注入して、水素イオン注入層２０７ａを形成する。
次に、図５のように、結晶型半導体層２１０ａにイオン注入によってフォトダイオード２１０を形成する。
例えば、前記結晶型半導体層２１０ａの下部に第２導電型伝導層２１６を形成する。例えば、前記結晶型半導体層２１０ａの下部にマスクなしにブランケットで第２基板２００の全面にイオン注入して、高濃度のＰ型伝導層２１６を形成することができる。例えば、前記第２導電型伝導層２１６は、約０.５μｍ以内のジャンクションデプス（junction depth）に形成されることができる。
以後、前記第２導電型伝導層２１６の上部に第１導電型伝導層２１４を形成する。例えば、前記２導電型伝導層２１６の上部にマスクなしにブランケットで第２基板２００全面にイオン注入して、低濃度のＮ型伝導層２１４を形成することができる。例えば、前記低濃度の第１導電型伝導層２１４は、約１.０〜２.０μｍのジャンクションデプスに形成されることができる。
その次に、図６のように、前記フォトダイオード２１０と前記絶縁層１２０が接触するように、前記第１基板１００と前記第２基板２００をボンディングする。例えば、前記第１基板１００と第２基板２００をボンディングする前に、プラズマの活性化（activation）によってボンディングされる面の表面エネルギーを向上させることで、ボンディングを行うことが出来る。
次に、図７のように、第２基板２００に熱処理をすることを通じて、水素イオン注入層２０７ａが水素気体層２０７に変わるようにすることができる。
次に、図８のように、水素気体層２０７を基準に、第２基板２００を、フォトダイオード２１０が残された状態で除去して、フォトダイオード２１０が露出するようにすることができる。
次に、図９のように、フォトダイオード２１０をピクセル毎に分離する蝕刻を行って、絶縁層（未図示）に蝕刻された部分を充填することができる。
以後、上部電極（不図示）、カラーフィルター（不図示）などの工程を行うことができる。
実施例によるイメージセンサの断面図。 実施例によるイメージセンサの製造方法の工程断面図。 実施例によるイメージセンサの製造方法の工程断面図。 実施例によるイメージセンサの製造方法の工程断面図。 実施例によるイメージセンサの製造方法の工程断面図。 実施例によるイメージセンサの製造方法の工程断面図。 実施例によるイメージセンサの製造方法の工程断面図。 実施例によるイメージセンサの製造方法の工程断面図。 実施例によるイメージセンサの製造方法の工程断面図。
符号の説明
１００ 第１基板、 １１０ 配線、 １２０ 非晶質層、 ２００ 第２基板、 ２０７ 水素気体層、 ２０７ａ 水素イオン注入層、 ２１０ フォトダイオード、 ２１０ａ 結晶型半導体層、 ２１４ 第１導電型伝導層、 ２１６ 第２導電型伝導層。

Claims (8)

  1. 配線を含む回路が形成された第１基板と、
    前記配線と接触するように前記第１基板上に形成された非晶質層と、
    及び前記非晶質層と接触しながら前記第１基板とボンディングされて、前記配線と電気的に繋がるように結晶型半導体層に形成されたフォトダイオードを含むことを特徴とするイメージセンサ。
  2. 前記非晶質層は、前記フォトダイオードが形成される結晶型半導体層を構成する元素と同じ元素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。
  3. 前記非晶質層は、第１導電型非晶質層であることを特徴とする請求項１または２に記載のイメージセンサ。
  4. 前記非晶質層は、１００Å〜１,０００Åの厚さで形成されたことを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
  5. 配線を含む回路が形成された第１基板を準備する段階と、
    前記第１基板上に前記配線と接触するように非晶質層を形成する段階と、
    フォトダイオードが形成された第２基板を準備する段階と、
    前記フォトダイオードと前記非晶質層が接触するように前記第１基板と前記第２基板をボンディングする段階と、
    及び前記ボンディングされた第２基板の下側を除去してフォトダイオードを露出させる段階を含むことを特徴とするイメージセンサの製造方法。
  6. 前記第１基板上に非晶質層を形成する段階は、前記フォトダイオードが形成される結晶型半導体層を構成する元素と同じ元素を含む非晶質層であることを特徴とする請求項５に記載のイメージセンサの製造方法。
  7. 前記第１基板上に非晶質層を形成する段階は、第１導電型イオンを一緒に注入して、第１導電型非晶質層を形成することを特徴とする請求項５または６に記載のイメージセンサの製造方法。
  8. 前記第１基板上に非晶質層を形成する段階は、１００Å〜１,０００Åの厚さで形成されることを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサの製造方法。
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