JP2009188380A - イメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】イメージセンサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】実施の形態に係るイメージセンサは、第1基板100に形成された読み出し回路120と、読み出し回路120と電気的に連結されて第1基板100に形成された電気接合領域140と、電気接合領域140と電気的に連結されて形成された配線150と、配線150上に形成されたイメージ感知部210と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、イメージセンサ及びその製造方法に関する。
イメージセンサ(image sensor)は、光学映像(optical image)を電気信号に変換する半導体素子であって、電荷結合素子(CCD:Charge Coupled Device)とCMOSイメージセンサ(CIS:Complementary Metal Oxide Silicon Image Sensor)とに区分される。
従来技術では、基板にフォトダイオード(Photodiode)をイオン注入法により形成する。しかしながら、チップサイズ(Chip Size)を増加させずピクセル(Pixel)数を増加させるためにフォトダイオードのサイズが次第に減少するにつれ、受光部の面積が縮小して画像特性(Image Quality)が低下する傾向にある。
また、受光部面積の縮小に応じて積層高さ(Stack Height)が減少しないことから、エアリーディスク(Airy Disk)と呼ばれる光の回折現象により受光部に入射する光子(Photon)の数も減少する傾向にある。
これを解決するための代案の一つとして、フォトダイオードを非晶質シリコン(amorphous Si)で蒸着するか、ウェハ対ウェハボンディング(Wafer−to−Wafer Bonding)などの方法により読み出し回路(Readout Circuitry)はシリコン基板(Si Substrate)に形成し、フォトダイオードは読み出し回路の上部に形成する試み(以下、「3次元イメージセンサ」と称する)がなされている。フォトダイオードと読み出し回路は配線(Metal Line)を介して互いに連結される。
一方、従来技術では、トランスファトランジスタの両端のソース及びドレインの両方が高濃度N型にドーピング(Doping)されているため、電荷共有(Charge Sharing)現象が発生する問題がある。電荷共有現象が発生すれば出力画像の感度が低下し、画像エラーを引き起こす可能性もある。
また、従来技術では、フォトダイオードと読み出し回路との間に光電荷(Photo Charge)が円滑に移動できなくなって暗電流が発生したり、サチュレーション(Saturation)及び感度の低下が発生する。
本発明は、フィルファクタを高めつつ、電荷共有現象を発生させないイメージセンサ及びその製造方法を提供する。
また、本発明は、フォトダイオードと読み出し回路の間に光電荷の円滑な移動経路を形成することで暗電流を最小化し、サチュレーション及び感度の低下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する。
本発明によるイメージセンサは、第1基板に形成された読み出し回路と、前記読み出し回路と電気的に連結されて前記第1基板に形成された電気接合領域と、前記電気接合領域と電気的に連結されて形成された配線と、前記配線上に形成されたイメージ感知部と、を含むことを特徴とする。
また、本発明によるイメージセンサの製造方法は、第1基板に読み出し回路を形成するステップと、前記読み出し回路と電気的に連結されるように前記第1基板に電気接合領域を形成するステップと、前記電気接合領域と電気的に連結されるように第1基板上に配線を形成するステップと、前記配線上にイメージ感知部を形成するステップと、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、イメージセンサ及びその製造方法によれば、トランスファトランジスタ(Tx)の両端のソース/ドレイン間に電位差が生じるように素子を設計して、光電荷の完全なダンプが可能となる。
また、本発明によれば、フォトダイオードと読み出し回路120との間に電荷連結領域を形成して光電荷の円滑な移動経路を形成することによって、暗電流ソースを最小化し、サチュレーション及び感度の低下を防止することができる。
また、本発明によれば、ノイズ除去回路を追加して、感度を向上させることができる。
以下、本発明によるイメージセンサ及びその製造方法を添付図面に基づき詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
本発明は、CMOSイメージセンサに限定されず、フォトダイオードが必要なイメージセンサに適用可能である。
図1は、第1の実施の形態に係るイメージセンサの断面図である。
第1の実施の形態に係るイメージセンサは、第1基板100に形成された読み出し回路(Readout Circuitry)120と、読み出し回路120と電気的に連結され、第1基板100に形成された電気接合領域140と、電気接合領域140と電気的に連結されて形成された配線150と、配線150上に形成されたイメージ感知部(Image Sensing Device)210とを含む。
イメージ感知部210は、フォトダイオード210であってもよいが、これに限定されず、フォトゲート、フォトダイオードとフォトゲートとの結合形態などでも良い。一方、本実施の形態は、フォトダイオード210が結晶半導体層に形成された例を挙げているが、これに限定されず、非晶質半導体層に形成されたものを含む。
図1の参照符号のうち説明していない参照符号は、以下の製造方法で説明する。
以下、図2乃至図7を参照して本実施の形態に係るイメージセンサの製造方法について説明する。
先ず、図2に示すように、配線150と読み出し回路120が形成された第1基板を用意する。例えば、第2導電型第1基板100に素子分離膜110を形成して活性領域を定義し、活性領域にトランジスタを含む読み出し回路120を形成する。例えば、読み出し回路120はトランスファトランジスタ(Tx)121、リセットトランジスタ(Rx)123、ドライブトランジスタ(Dx)125及びセレクトトランジスタ(Sx)127を含んで形成される。その後、フローティングディフュージョン(FD)領域131及び各トランジスタに対するソース/ドレイン領域133、135、137を含むイオン注入領域130が形成される。また、本実施の形態によれば、ノイズ除去回路(図示せず)を追加して感度を向上させることができる。
第1基板100に読み出し回路120を形成するステップは、第1基板100に電気接合領域140を形成するステップ、及び電気接合領域140の上部に配線150と連結される第1導電型連結領域147を形成するステップを含んでもよい。
例えば、電気接合領域140はPN接合140であってもよいが、これに限定されるものではない。例えば、電気接合領域140は第2導電型ウェル141又は第2導電型エピ層上に形成された第1導電型イオン注入層143、及び第1導電型イオン注入層143上に形成された第2導電型イオン注入層145を含んでもよい。例えば、PN接合140は、図2に示すように、P0145/N−143/P−141接合であってもよいが、これに限定されない。第1基板100は第2導電型に形成されるが、これに限定されない。
本実施の形態によれば、トランスファトランジスタの両端のソース/ドレイン間に電位差があるように素子を設計して、光電荷の完全なダンプ(Fully Dumping)を可能とすることができる。それにより、フォトダイオードで発生した光電荷がフローティングディフュージョン領域にダンプされることで、出力画像の感度を向上させることができる。
即ち、本実施の形態によれば、図2のように、読み出し回路120が形成された第1基板100に電気接合領域140を形成して、トランスファトランジスタ121の両端のソース/ドレイン間に電位差を生じさせることにより、光電荷の完全なダンプが可能となる。
以下、本実施の形態の光電荷のダンプ構造について具体的に説明する。
本実施の形態において、N+接合であるフローティングディフュージョン(FD)131ノード(Node)と異なり、電気接合領域140であるPNP接合140は印加電圧がすべて伝達されず、所定電圧でピンチオフ(Pinch−off)される。この電圧をピニング電圧(Pinning Voltage)と呼び、ピニング電圧はP0145及びN−143のドーピング濃度に依存する。
具体的には、フォトダイオード210で生成された電子はPNP接合140に移動し、トランスファトランジスタ121がターンオンされると、FD131ノードに伝達されて電圧に変換される。
P0/N−/P−接合140の最大電圧値はピニング電圧となり、FD131ノードの最大電圧値はVdd−RxのVthとなるので、トランスファトランジスタ121の両端間の電位差により電荷共有現象が発生せず、チップ(Chip)上部のフォトダイオード210で発生した電子がFD131ノードに完全にダンプされる。
即ち、本実施の形態によれば、第1基板100であるシリコン基板(Si Substrate)にN+/Pウェル接合でなくP0/N−/Pウェル接合を形成した理由は、4−Tr APS(Active Pixel Sensor)リセット動作時、P0/N−/Pウェル接合のN−143に+電圧が印加され、P0145及びPウェル141には接地電圧が印加されるので、所定電圧以上ではバイポーラ接合トランジスタ(BJT)構造の場合と同様にP0/N−/Pウェル二重接合(double junction)にピンチオフが発生する。これをピニング電圧と称する。従って、トランスファトランジスタ121の両端のソース/ドレイン間に電位差が生じ、トランスファトランジスタのオン/オフ動作時における電荷共有現象を防止できる。
従って、従来技術のように単にフォトダイオードがN+接合に連結される場合と異なり、本実施の形態によれば、サチュレーション及び感度の低下などの問題を回避できる。
次に、本実施の形態によれば、フォトダイオードと読み出し回路の間に第1導電型連結領域147を形成して光電荷の円滑な移動経路を形成することによって、暗電流ソースを最小化し、サチュレーション及び感度の低下を防止することができる。
そのために、第1の実施の形態では、P0/N−/P−接合140の表面にオーミックコンタクト(Ohmic Contact)のための第1導電型連結領域147を形成できる。N+領域147は、P0145を貫通してN−143に接触するように形成できる。
一方、このような第1導電型連結領域147が漏れソース(Leakage Source)となることを最小化するために、第1導電型連結領域147の幅を最小化することができる。そのために、本実施の形態では、第1メタルコンタクト151aをエッチング(Etch)した後、プラグインプラント(Plug Implant)を行うことができるが、これに限定されるものではない。例えば、イオン注入パターン(図示せず)を形成し、これをイオン注入マスクとして第1導電型連結領域147を形成することもできる。
即ち、第1の実施の形態のようにコンタクト(Contact)形成部のみに局所的にN+ドーピングをした理由は、暗信号(Dark Signal)を最小化しながらオーミックコンタクトを円滑に形成するためである。従来技術のようにトランスファトランジスタソース(Tx Source)部全体をN+ドーピングする場合、基板表面のダングリングボンド(Si Surface Dangling Bond)によって暗信号が増加し得る。
次に、第1基板100上に層間絶縁層160を形成し、配線150を形成することができる。配線150は、第1メタルコンタクト151a、第1メタル151、第2メタル152、第3メタル153, 第4メタルコンタクト154a を含んでもよいが、これに限定されるものではない。
次に、図3に示すように、第2基板200上に結晶半導体層(crystalline semiconductor layer)210aを形成する。第1の実施の形態では、フォトダイオード210が結晶半導体層210aに形成された例を挙げている。これにより、第1の実施の形態によれば、イメージ感知部が読み出し回路の上側に位置する3次元イメージセンサを採用してフィルファクタを高めつつ、イメージ感知部を結晶半導体層内に形成することで、イメージ感知部内の欠陥を防止することができる。
例えば、第2基板200上にエピタキシーにより結晶半導体層210aを形成する。その後、第2基板200と結晶半導体層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。水素イオンの注入は、フォトダイオード210の形成のためのイオン注入の後に行われても良い。
次に、図4に示すように、結晶半導体層210aにイオン注入によりフォトダイオード210を形成する。例えば、結晶半導体層210a下部に第2導電型伝導層216を形成する。例えば、結晶半導体層210a下部にマスクなしでブランケットで第2基板200全面にイオン注入して、高濃度P型伝導層216を形成することができる。
その後、第2導電型伝導層216上に第1導電型伝導層214を形成する。たとえば、第2導電型伝導層216上にマスクなしでブランケットで第2基板200全面にイオン注入して低濃度N型伝導層214を形成することができる。
その後、第1の実施の形態は、第1導電型伝導層214上に高濃度第1導電型伝導層212を形成するステップをさらに含んでもよい。例えば、第1導電型伝導層214の上にマスクなしでブランケットで第2基板全面にイオン注入して高濃度N+型伝導層212をさらに形成することで、オーミックコンタクトに寄与することができる。
次に、図5に示すように、フォトダイオード210と配線150が接触するように、第1基板100と第2基板200とをボンディング(bonding)する。この時、第1基板100と第2基板20をボンディングする前にプラズマ活性化によってボンディングされる面の表面エネルギーを高めて、ボンディングを行うことができる。一方、ボンディング力を向上させるためにボンディング界面に絶縁層または金属層などを介在させてボンディングを行うことができる。
その後、図6に示すように、第2基板200に熱処理を行って水素イオン注入層207aを水素気体層(図示せず)に変化させることができる。その後、水素気体層を基準にフォトダイオード210を残して第2基板200の一部をブレードなどで除去してフォトダイオード210を露出させることができる。
その後、フォトダイオード210をピクセル別に分離するエッチングを行うことができる。そして、ピクセル間絶縁層(図示せず)でエッチングされた部分を満たすことができる。
次に、図7に示すように、上部電極240、カラーフィルタ(図示せず)を形成する工程などを行うことができる。
本実施の形態に係るイメージセンサ及びその製造方法によれば、トランスファトランジスタ(Tx)の両端のソース/ドレイン間に電位差が生じるように素子を設計して、光電荷の完全なダンプが可能となる。
また、本実施の形態によれば、フォトダイオードと読み出し回路120との間に電荷連結領域を形成して光電荷の円滑な移動経路を形成することによって、暗電流ソースを最小化し、サチュレーション及び感度の低下を防止することができる。
また、本実施の形態によれば、ノイズ除去回路を追加して、感度を向上させることができる。
(第2の実施の形態)
図8は、第2の実施の形態に係るイメージセンサの断面図であって、配線150が形成された第1基板の詳細図である。
第2の実施の形態に係るイメージセンサは、第1基板100に形成された読み出し回路(Readout Circuitry)120と、読み出し回路120と電気的に連結され、第1基板100に形成された電気接合領域140と、電気接合領域140と電気的に連結されて形成された配線150と、配線150上に形成されたイメージ感知部(Image Sensing Device)210とを含む。
第2の実施の形態は、第1の実施の形態の技術的な特徴を採用することができる。
例えば、第2の実施の形態によれば、トランスファトランジスタ(Tx)の両端のソース/ドレイン間に電位差が生じるように素子を設計して、光電荷の完全なダンプが可能となる。
また、本実施の形態によれば、フォトダイオードと読み出し回路120との間に電荷連結領域を形成して光電荷の円滑な移動経路を形成することによって、暗電流ソースを最小化し、サチュレーション及び感度の低下を防止することができる。
一方、第2の実施の形態は、第1の実施の形態と異なり、電気接合領域140の一側に第1導電型連結領域148が形成された例である。
本実施の形態によれば、P0/N−/P−接合140にオーミックコンタクトのためのN+連結領域148を形成できるが、この時、N+連結領域148及び第1メタルコンタクト151aを形成する工程は、漏れソースとなる可能性がある。なぜなら、P0/N−/P−接合140に逆方向バイアスが印加されたまま動作するので、基板表面に電界(EF)が発生する可能性があるからである。このような電界の内部でコンタクト形成工程中に発生する結晶欠陷は漏れソースとなる。
また、N+連結領域148をP0/N−/P−接合140表面に形成する場合、N+/P0接合148/145による電界が加えられるので、これも漏れソースとなる可能性がある。
従って、第2の実施の形態では、P0層にドーピングされず、N+連結領域148からなる活性領域に第1コンタクトプラグ151aを形成して、これをN−接合143と連結するレイアウトを提示する。
第2の実施の形態によれば、Si表面の電界が発生しなくなり、これは、3次元集積CISの暗電流の減少に寄与することができる。
(第3の実施の形態)
図9は、第3の実施の形態に係るイメージセンサの断面図であって、配線150が形成された第1基板の詳細図である。
第3の実施の形態に係るイメージセンサは、第1基板100に形成された読み出し回路(Readout Circuitry)120と、読み出し回路120と電気的に連結され、第1基板100に形成された電気接合領域140と、電気接合領域140と電気的に連結されて形成された配線150と、配線150上に形成されたイメージ感知部(Image Sensing Device)210とを含む。
第3の実施の形態は、第1の実施の形態の技術的な特徴を採用することができる。
例えば、第3の実施の形態によれば、トランスファトランジスタ(Tx)の両端のソース/ドレイン間に電位差が生じるように素子を設計して、光電荷の完全なダンプが可能となる。
また、本実施の形態によれば、フォトダイオードと読み出し回路120との間に電荷連結領域を形成して光電荷の円滑な移動経路を形成することによって、暗電流ソースを最小化し、サチュレーション及び感度の低下を防止することができる。
一方、第3の実施の形態では、第1基板100に読み出し回路120を形成するステップをより具体的に説明する。
先ず、第1基板100に第1トランジスタ121aと第2トランジスタ121bを形成する。例えば、第1トランジスタ121aと第2トランジスタ121bはそれぞれ第1トランスファトランジスタ121a、第2トランスファトランジスタ121bであってもよいが、これに限定されるものではない。第1トランジスタ121aと第2トランジスタ121bは同時にまたは順次に形成できる。
その後、第1トランジスタ121aと第2トランジスタ121bの間に電気接合領域140を形成する。例えば、電気接合領域140は、PN接合(junction)140であってもよいが、これに限定されるものではない。
例えば、本実施の形態のPN接合140は、第2導電型エピ(またはウェル)141上に形成された第1導電型イオン注入層143、第1導電型イオン注入層143上に形成された第2導電型イオン注入層145を含んでもよい。
例えば、PN接合140は、図2のようにP0145/N−143/P−141接合であってもよいが、これに限定されるものではない。
その後、第2トランジスタ121bの一側に配線と連結される高濃度第1導電型連結領域131bを形成する。高濃度第1導電型連結領域131bは高濃度N+イオン注入領域(N+ Junction)であって第2フローティングディフュージョン領域(FD2)131bの役割をすることができるが、これに限定されるものではない。
本実施の形態における読み出し回路は、チップ上部のフォトダイオードで生成された電子を回路が形成された基板のN+接合131bに移動させるための部分と、N+接合131bの電子をまたN−接合143に移動させるための部分とを含めて4Tr動作をすることができる。
第3の実施の形態で、図9のようにP0/N−/P−接合140とN+接合131bを分離して形成した理由は次の通りである。
例えば、P0/N−/P−エピ140のP/N/P接合140にN+ドーピング及びコンタクトを形成すれば、N+接合131b及びコンタクトエッチング(Contact Etch)損傷(Damage)により暗電流が発生するので、これを防止するためにコンタクト形成部であるN+接合131bをP/N/P接合140と分離した。
即ち、P/N/P接合140の表面にN+ドーピング及びコンタクトエッチングが行われると、漏れソース(Leakage Source)となるので、これを防止するためにN+/P−エピ接合131bにコンタクトを形成したのである。
信号読み出し(Signal Readout)時には、第2トランジスタ(Tx2)121bのゲートがターンオンされるので、チップ上部のフォトダイオード210で生成された電子がP0/N−/P−エピ接合部140を経て第1フローティングディフュージョン領域(FD1)131aノードに移動するので、CDS(Correlated Double Sampling)が可能となる。
上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。
第1の実施の形態に係るイメージセンサの断面図である。 第1実施の形態に係るイメージセンサの製造方法を示す工程断面図である。 第1実施の形態に係るイメージセンサの製造方法を示す工程断面図である。 第1実施の形態に係るイメージセンサの製造方法を示す工程断面図である。 第1実施の形態に係るイメージセンサの製造方法を示す工程断面図である。 第1実施の形態に係るイメージセンサの製造方法を示す工程断面図である。 第1実施の形態に係るイメージセンサの製造方法を示す工程断面図である。 第2の実施の形態に係るイメージセンサの断面図であって、配線が形成された第1基板の詳細図である。 第3の実施の形態に係るイメージセンサの断面図であって、配線が形成された第1基板の詳細図である。
符号の説明
100 第1基板、 110 第1素子分離膜、 120 読み出し回路、 130 イオン注入領域、 140 電気接合領域、 147 第1導電型連結領域、 150 配線、 160 絶縁層、 210 イメージ感知部。

Claims (19)

  1. 第1基板に形成された読み出し回路と、
    前記読み出し回路と電気的に連結されて前記第1基板に形成された電気接合領域と、
    前記電気接合領域と電気的に連結されて形成された配線と、
    前記配線上に形成されたイメージ感知部と、を含むことを特徴とするイメージセンサ。
  2. 前記電気接合領域と前記配線との間に形成された第1導電型連結領域をさらに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. 前記電気接合領域は、
    前記第1基板に形成された第1導電型イオン注入領域と、
    前記第1導電型イオン注入領域上に形成された第2導電型イオン注入領域と、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。
  4. 前記第1導電型連結領域は、前記電気接合領域の上部に前記配線と電気的に連結されて形成されたことを特徴とする請求項2に記載のイメージセンサ。
  5. 前記第1導電型連結領域は、前記電気接合領域の一側に前記配線と電気的に連結されて形成されたことを特徴とする請求項2に記載のイメージセンサ。
  6. 前記読み出し回路は、トランジスタの両端のソース及びドレインに電位差(Potential Difference)があることを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサ。
  7. 前記トランジスタはトランスファトランジスタであり、前記トランジスタソースのイオン注入濃度がフローティングディフュージョン領域のイオン注入濃度より低いことを特徴とする請求項6に記載のイメージセンサ。
  8. 前記第1基板の読み出し回路は、前記第1基板に形成された第1トランジスタと第2トランジスタを含み、
    前記電気接合領域は、前記第1トランジスタと前記第2トランジスタの間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。
  9. 前記第2トランジスタの一側に前記配線と連結されるように形成された第1導電型の第2連結領域をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載のイメージセンサ。
  10. 前記電気接合領域はPN接合(junction)であることを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサ。
  11. 第1基板に読み出し回路を形成するステップと、
    前記読み出し回路と電気的に連結されるように前記第1基板に電気接合領域を形成するステップと、
    前記電気接合領域と電気的に連結されるように第1基板上に配線を形成するステップと、
    前記配線上にイメージ感知部を形成するステップと、を含むことを特徴とするイメージセンサの製造方法。
  12. 前記電気接合領域と前記配線の間に第1導電型連結領域を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項11に記載のイメージセンサの製造方法。
  13. 前記電気接合領域を形成するステップは、
    前記第1基板に第1導電型イオン注入領域を形成するステップと、
    前記第1導電型イオン注入領域上に第2導電型イオン注入領域を形成するステップと、を含むことを特徴とする請求項11に記載のイメージセンサの製造方法。
  14. 前記第1導電型連結領域は、前記電気接合領域の上部に前記配線と電気的に連結されて形成されることを特徴とする請求項12に記載のイメージセンサの製造方法。
  15. 前記第1導電型連結領域を形成するステップは、前記配線に対するコンタクトエッチングの後に行われることを特徴とする請求項14に記載のイメージセンサの製造方法。
  16. 前記第1導電型連結領域は、前記電気接合領域の一側に前記配線と電気的に連結されて形成されることを特徴とする請求項12に記載のイメージセンサの製造方法。
  17. 前記電気接合領域のイオン注入濃度がフローティングディフュージョン領域のイオン注入濃度より低いことを特徴とする請求項11に記載のイメージセンサの製造方法。
  18. 前記第1基板の読み出し回路は、前記第1基板に形成された第1トランジスタと第2トランジスタを含み、
    前記電気接合領域は、前記第1トランジスタと前記第2トランジスタの間に形成されたことを特徴とする請求項11に記載のイメージセンサの製造方法。
  19. 前記第2トランジスタの一側に前記配線と連結されるように第1導電型の第2連結領域を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項18に記載のイメージセンサの製造方法。
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