JP2010157713A - 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こと。
【解決手段】イメージセンサは、単位ピクセル別にリードアウト回路120の形成された半導体基板100と、前記半導体基板100上に形成された層間絶縁層160と、前記リードアウト回路120にそれぞれ接続されるように、前記層間絶縁層160を貫通して形成された配線150と、前記配線150にそれぞれ接続されるように、前記層間絶縁層160上に形成された第1金属パターンと、前記第1金属パターン上に形成された第2金属パターンと、前記第2金属パターン上に形成されたフォトダイオードパターンとを含む。
【選択図】図1

Description

実施の形態は、イメージセンサに関する。
イメージセンサは、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って、大きく電荷結合素子(charge coupled device;CCD)イメージセンサとCMOS(Complementary Metal Oxide Silicon)イメージセンサ(CIS)とに大別される。
CMOSイメージセンサは、光信号を受けて電気信号に変え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領域とが水平に配置される構造である。
前記のような水平型イメージセンサは、フォトダイオード領域とトランジスタ領域とが半導体基板に水平に配置されて、制限された面積下で光感知部分(これを通常「Fill Factor」とする)を拡張させるのに限界がある。
これを克服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、又はウエハに対してウエハボンディング(Wafer−to−Wafer Bonding)などの方法により、回路領域は、シリコン基板に形成させ、フォトダイオードは、リードアウトサーキットの上部に形成させる試み(以下、3次元イメージセンサとする)が行われている。フォトダイオードと回路領域とは、配線を介して接続される。
しかしながら、ウエハに対してウエハボンディングの場合、ウエハのボンディング面が均一でないから、ボンディング力が低下しうる。これは、回路と配線とが形成されたウエハの場合、半導体工程を繰り返しつつウエハの表面上に位置別に微細な段差が現れるためである。すなわち、回路と配線とが形成されているウエハとフォトダイオードの形成されたウエハとをボンディングすると、 相互ボンディング力が低下してピーリング(peeling)現象が発生するという問題がある。
実施の形態では、垂直型イメージ感知部を採用しつつ、前記イメージ感知部と層間絶縁層とのボンディング面に金属層を形成してボンディング力を向上させることのできるイメージセンサ及びその製造方法を提供する。
実施の形態によるイメージセンサは、単位ピクセル別にリードアウト回路の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層間絶縁層と、前記リードアウト回路にそれぞれ接続されるように、前記層間絶縁層を貫通して形成された配線と、前記配線にそれぞれ接続されるように、前記層間絶縁層上に形成された第1金属パターンと、前記第1金属パターン上に形成された第2金属パターンと、前記第2金属パターン上に形成されたフォトダイオードパターンとを含む。
実施の形態によるイメージセンサの製造方法は、半導体基板に単位ピクセル別にリードアウト回路を形成するステップと、前記半導体基板上に層間絶縁層を形成するステップと、前記リードアウト回路にそれぞれ接続されるように、前記層間絶縁層を貫通する配線を形成するステップと、前記層間絶縁層上に第1金属層を形成するステップと、キャリアウエハにイオン注入工程を行って、イメージ感知部を形成するステップと、前記イメージ感知部の表面に第2金属層を形成するステップと、前記第1金属層と第2金属層に対するボンディング工程を行って、前記半導体基板と前記イメージ感知部とをボンディングするステップと、前記イメージ感知部の表面が露出するように、前記イメージ感知部と前記キャリアウエハとを分離するステップと、前記イメージ感知部がピクセル別に分離されるように、前記イメージ感知部、第2金属層及び第1金属層を貫通するピクセル分離膜を形成するステップとを含む。
実施の形態によるイメージセンサの製造工程を示す断面図である。 実施の形態によるイメージセンサの製造工程を説明する図である。 実施の形態によるイメージセンサの製造工程を示す断面図である。 実施の形態によるイメージセンサの製造工程を示す断面図である。 実施の形態によるイメージセンサの製造工程を示す断面図である。 実施の形態によるイメージセンサの製造工程を示す断面図である。 実施の形態によるイメージセンサの製造工程を示す断面図である。 実施の形態によるイメージセンサの製造工程を示す断面図である。 実施の形態によるイメージセンサの製造工程を示す断面図である。
実施の形態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詳細に説明する。
実施の形態は、CMOSイメージセンサに限定されるものでなく、CCDイメージセンサなどフォトダイオードが必要なすべてのイメージセンサに適用可能である。
図9は、実施の形態によるイメージセンサを示した断面図である。
実施の形態によるイメージセンサは、単位ピクセル別にリードアウト回路120の形成された半導体基板100と、前記半導体基板100上に形成された層間絶縁層160と、リードアウト回路120にそれぞれ接続されるように前記層間絶縁層160を貫通して形成された配線150と、前記配線150にそれぞれ接続されるように前記層間絶縁層160上に形成された第1金属パターン175と、前記第1金属パターン175上に形成された第2金属パターン245と、前記第2金属パターン245上に形成されたフォトダイオードパターン205とを備える。
例えば、前記第1金属パターン175及び第2金属パターン245は、Ti、Ta、Co、Al、Sn、Cu、Pb及びAgのうちの何れか一つからなることができる。又は前記第1及び第2金属パターン175、245は、前記材料のうちの少なくとも2つ以上が結合された化合物から形成されることができる。
前記第1及び第2金属パターン175、245は、前記層間絶縁層160と前記フォトダイオードパターン205とのボンディング層として用いられて、前記層間絶縁層160とフォトダイオードパターン205との物理的、電気的結合力を向上させることができる。
また、前記第1及び第2金属パターン175、245がフォトダイオードパターン205によって単位ピクセル別に分離されて、光電荷伝達効率を向上させることができる。
前記フォトダイオードパターン205は、n型不純物の第1ドーピング層210とp型不純物の第2ドーピング層220とが接合された構造からなることができる。
前記フォトダイオードパターン205がピクセル別に分離されるように、前記第1金属パターン175及びフォトダイオードパターン205の側壁に形成されたピクセル分離膜260が形成されている。したがって、前記フォトダイオードパターン205、第1及び第2金属パターン175、245は、単位ピクセル別に分離されうる。
図9の図面符号のうち、説明していない符号は、以下の製造方法で説明する。
以下、図1〜図9を参照して、実施の形態によるイメージセンサの製造方法を説明する。
図1に示すように、リードアウト回路120を含む半導体基板100上に配線150及び層間絶縁層160が形成される。
前記半導体基板100は、単結晶又は多結晶のシリコン基板であり、p型不純物又はn型不純物のドーピングされた基板でありうる。前記半導体基板100に素子分離膜110が形成されて、アクティブ領域が画定され、前記アクティブ領域にトランジスタを含むリードアウト回路120が形成される。例えば、リードアウト回路120は、トランスファートランジスタTx121、リセットトランジスタRx123、ドライブトランジスタDx125、セレクトトランジスタSx127を含んで形成できる。以後、フローティングディフュージョン領域FD131、前記各トランジスタに対するソース/ドレン領域133、135、137を含むイオン注入領域130を形成することができる。一方、前記リードアウト回路120は、3Tr又は5Tr構造にも適用可能である。
前記半導体基板100にリードアウト回路120を形成するステップは、前記半導体基板100に電気接合領域140を形成するステップ、及び前記電気接合領域140の上部に前記配線150に接続する第1導電型接続領域147を形成するステップを含むことができる。
例えば、前記電気接合領域140は、PNジャンクション(junction)140でありうるが、これに限定されるものではない。例えば、前記電気接合領域140は、第2導電型ウェル141又は第2導電型エピタキシャル層上に形成された第1導電型イオン注入層143、前記第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を含むことができる。例えば、前記PNジャンクション140は、図1のようにP0145/N−143/P−141ジャンクションでありうるが、これに限定されるものではない。また、前記半導体基板100は、第2導電型に導電されうるが、これに限定されるものではない。
実施の形態によれば、トランスファートランジスタTx121の両端のソース/ドレン間に電圧差があるように素子設計して、フォトチャージ(Photo Charge)の完全なダンピング(Fully Dumping)が可能になることができる。これにより、フォトダイオードから発生したフォトチャージがフローティングディフュージョン領域にダンピングされることによって、出力イメージの感度を高めることができる。
すなわち、前記リードアウト回路120の形成された前記半導体基板100に電気接合領域140を形成させることによって、トランスファートランジスタTx121の両端のソース/ドレン間に電圧差があるようにして、フォトチャージの完全なダンピングが可能になりうる(図2参照)。
したがって、一般的な技術において単純にフォトダイオードがN+ジャンクションに接続された場合とは異なり、実施の形態によれば、サチュレイション(Saturation)の低下及び感度の下落などの問題を避けることができる。
次に、実施の形態によれば、フォトダイオードとリードアウト回路120との間に第1導電型接続領域147を形成して、フォトチャージの円滑な移動通路を作ることによって、暗電流ソースを最小化し、サチュレイションの低下及び感度の下落が防止できる。
このために、実施の形態は、P0/N−/P−ジャンクション140の表面にオームコンタクト(Ohmic Contact)のための第1導電型接続領域147としてN+ドーピング領域を形成することができる。前記N+接続領域147は、前記P0145を貫通してN−143に接触するよう形成できる。
一方、このような第1導電型接続領域147が漏れソース(Leakage Source)になるのを最小化するために、第1導電型接続領域147の幅を最小化できる。
このために、実施の形態は、第1メタルコンタクト151aをエッチ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導電型接続領域147を形成することもできる。
すなわち、実施の形態のように、コンタクト形成部にのみ局部的にN+ドーピングをした理由は、ダークシグナル(Dark Signal)を最小化しつつオームコンタクトの形成を円滑にするためである。従来の技術のように、全Txソース部をN+ドーピングする場合、基板の表面ダングリングボンド(Si Surface Dangling Bond)によりダークシグナルが増加できる。
図3は、リードアウト回路に対する他の構造を示したものである。図3に示すように、前記電気接合領域140の一側に第1導電型接続領域148が形成されることができる。
図3に示すように、P0/N−/P−ジャンクション140にオームコンタクトのためのN+接続領域148を形成することができるが、このとき、N+接続領域148及び第1メタルコンタクト151aの形成工程は、漏れソースになることができる。それは、P0/N−/P−ジャンクション140に逆バイアスが印加されたままで動作するので、基板の表面(Si Surface)に電場(EF)が発生できるためである。このような電場の内部においてコンタクト形成工程中に発生する結晶欠陥は、漏れソースとなる。
また、N+接続領域148をP0/N−/P−ジャンクション140の表面に形成させる場合、N+/P0ジャンクション148/145による電場が追加されるので、これも漏れソースになりうる。
すなわち、P0層にドーピングされずにN+接続領域148からなる活性(Active)領域に第1メタルコンタクト151aを形成し、これをN−ジャンクション143に接続させるレイアウトを提示する。
すると、前記半導体基板100の表面の電場が発生しなくなり、これは3次元集積(3−D Integrated)CISの暗電流の減少に寄与できる。
再度、図1を参照して、前記半導体基板100上に層間絶縁層160及び配線150を形成することができる。前記配線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を含むことができるが、これに限定されるものではない。 実施の形態では、前記配線150は、単位ピクセル別に形成されて、リードアウト回路120とそれぞれ電気的に接続されることができる。
前記配線150のうち、最終配線である第4メタルコンタクト154aを形成した後CMP工程を行って、前記層間絶縁層160と配線150とを平坦化させることができる。このとき、前記第4メタルコンタクト154aと前記層間絶縁層160との選択比によって、ディッシング現象が発生できる。
図4に示すように、前記層間絶縁層160上に第1金属層170が形成される。前記第1金属層170は、フォトダイオードを前記層間絶縁層160上にボンディングする時に接合層として機能する。一方、説明の便宜のために、前記半導体基板100及びリードアウト回路120は、図から省略した。
例えば、前記第1金属層170は、Ti、Ta、Co、Al、Sn、Au、Cu、Pb、Agのうちの何れか一つからなることができる。又は前記第1金属層170は、前記材料のうち、少なくとも2種類以上が結合された化合物から形成されることができる。また、前記第1金属層170は、PVD、CVD、電解メッキ及び無電解メッキ法によって蒸着されうる。また、前記第1金属層170は、0.1μm〜2.0μmの厚さに形成されることができる。
前記第1金属層170が前記配線150を含む層間絶縁層160上に形成されるので、前記第1金属層170と前記第4メタルコンタクト154aとは、電気的に接続されることができる。すなわち、前記第4メタルコンタクト154aにディッシング現象が発生しても、前記第1金属層170が蒸着される際、前記第4メタルコンタクト154aの上部を満たしつつ形成されるので、前記第4メタルコンタクト154aのディッシング現象を復旧できるようになる。
図5に示すように、キャリア基板20にフォトダイオード200が形成される。前記キャリア基板20は、単結晶又は多結晶のシリコン基板であると、p型不純物又はn型不純物がドーピングされた基板でありうる。
前記フォトダイオード200は、第1ドーピング層210及び第2ドーピング層220からなって、pn接合を有することができる。前記フォトダイオード200は、前記キャリア基板20の深い領域にp型不純物をイオン注入して第2ドーピング層220を形成し、前記第2ドーピング層220と接するように前記キャリア基板20の内部にn型不純物をイオン注入して、第1ドーピング層210を形成することができる。一方、図示していないが、前記第1ドーピング層210と接するように、前記キャリア基板20の浅い領域に高濃度のn型不純物をイオン注入して、オームコンタクト層を形成することもできる。
実施の形態において、前記第1ドーピング層210は、前記第2ドーピング層220より広い領域を有するように形成されることができる。すると、空乏領域が拡張されて光電子の生成を増加させることができる。
次に、前記フォトダイオード200上に第2金属層240が形成される。前記第2金属層240は、前記第1金属層170と同じ材料及び同じ方法によって形成されることができる。一方、前記第2金属層240は形成されなくても良い。
次に、前記キャリア基板20と前記フォトダイオード200との境界面に水素イオンを注入して、水素層230が形成される。一方、前記水素層230は、前記フォトダイオード200が形成される前に、前記キャリア基板20に水素イオンを注入してフォトダイオード領域を画定することもできる。
例えば、前記水素層230は、前記キャリア基板20に2×1016〜1×1017atom/cmでイオン注入して形成されることができる。又は、前記水素層230は形成されなくても良い。
図6に示すように、前記フォトダイオード200の形成されたキャリア基板20と前記半導体基板100とをボンディングする。前記半導体基板100と前記キャリア基板20とのボンディングは、前記第1金属層170と前記第2金属層240とが対向するように位置させた後、ボンディングを行うことができる。すなわち、前記第2金属層240が下部に位置するように前記キャリア基板20を180゜回転させた後、前記半導体基板100の第1金属層170とボンディング工程を行うことができる。特に、前記第1金属層170と前記第2金属層240とは同じ物質から形成されて、前記半導体基板100とキャリア基板20とのボンディング力は向上することができる。
前記半導体基板100と前記キャリア基板20とは、サーマル−コンプレッションボンディング(Thermal−compression Bonding)で結合されることができる。例えば、前記半導体基板100と前記キャリア基板20とのボンディングは、1〜100kNのボンディング圧力の真空雰囲気で行われることができる。
前記半導体基板100とキャリア基板20とは、前記第1及び第2金属層170、240を接着層として使用してボンディングされるので、ボンディング面の電気的、物理的結合力が向上してボンディング不良及びボンディング以後のピーリング(Peeling)現象を防止することができる。
図7に示すように、前記フォトダイオード200が露出するように前記キャリア基板20が除去される。前記キャリア基板20は、前記水素層230を基準に熱処理工程又は機械的工程によって前記フォトダイオード200から分離されうる。
例えば、前記キャリア基板20は、前記水素層230を基準に300〜600℃の熱処理工程によって前記フォトダイオード200から分離されうる。又は前記キャリア基板20は、前記水素層230を基準にブレードを利用したクリーブ工程(cleaving)によって、前記フォトダイオード200から分離されうる。
したがって、前記フォトダイオード200から前記キャリア基板20が除去されて、前記半導体基板100上には、フォトダイオード200が残っているようになる。
図8に示すように、前記フォトダイオード200がピクセル別に分離されるように、前記フォトダイオード200及び第1、第2金属層170、240を貫通するピクセル分離トレンチ250が形成される。前記ピクセル分離トレンチ250は、前記配線150と隣接する配線150の間に該当する前記層間絶縁層160の表面を露出させることができる。
例えば、前記ピクセル分離トレンチ250は、前記層間絶縁層160に対応する前記フォトダイオード200の表面が選択的に露出するように、酸化膜からなるハードマスク(図示せず)を形成し、前記ハードマスク(図示せず)をエッチングマスクとして使用して、前記フォトダイオード200、第1及び第2金属層170、240を乾式又は湿式エッチング工程によって選択的にエッチングする。すると、前記フォトダイオード200、第1及び第2金属層170、240を貫通して、前記層間絶縁層160の表面を選択的に露出させるピクセル分離トレンチ250が形成される。そして、前記ピクセル分離トレンチ250によって前記フォトダイオードパターン205、第1金属パターン175及び第2金属パターン245が単位ピクセル別に形成される。したがって、前記フォトダイオードパターン205、第1金属パターン175及び第2金属パターン245は、ピクセル別に形成された配線150にそれぞれ接続されて、単位ピクセル別に分離されうる。
また、前記フォトダイオードパターン205が第1及び第2金属パターン175、245を媒介として前記配線150に接続されるので、電子送信効率が向上することができる。すなわち、前記フォトダイオードパターン205並びに前記第1及び第2金属パターン175、245が同じ面積で形成されて、前記フォトダイオードパターン205から発生した光電荷収集が効果的に行われて、電荷送信効率を向上させることができる。
図9に示すように、前記ピクセル分離トレンチ250に絶縁膜をギャップフィルしてピクセル分離膜260を形成する。前記ピクセル分離膜260は、酸化膜又は窒化膜から形成されることができる。前記ピクセル分離トレンチ250に前記ピクセル分離膜260が形成されて、前記フォトダイオードパターン205は、単位ピクセル別に絶縁されうる。
図示していないが、前記フォトダイオードパターン205上に上部電極、カラーフィルター及びマイクロレンズがさらに形成されることができる。
20 キャリア基板
100 半導体基板
110 素子分離膜
120 リードアウト回路
121 トランスファートランジスタ(Tx)
123 リセットトランジスタ(Rx)
125 ドライブトランジスタ(Dx)
127 セレクトトランジスタ(Sx)
130 イオン注入領域
133、135、137 ソース/ドレン領域
140 電気接合領域(PNジャンクション)
141 第2導電型ウェル(P−ジャンクション)
143 第1導電型イオン注入層(N−ジャンクション)
145 第2導電型イオン注入層(P0ジャンクション)
147 第1導電型接続領域(N+接続領域、N+ドーピング領域)
148 第1導電型接続領域(N+接続領域)
150 配線
151 第1メタル(M1)
151a 第1メタルコンタクト
152 第2メタル(M2)
153 第3メタル(M3)
154a 第4メタルコンタクト
160 層間絶縁層
170 第1金属層
175 第1金属パターン
200 フォトダイオード
205 フォトダイオードパターン
210 第1ドーピング層
220 第2ドーピング層
230 水素層
240 第2金属層
245 第2金属パターン
250 ピクセル分離トレンチ
260 ピクセル分離膜

Claims (10)

  1. 単位ピクセル別にリードアウト回路の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層間絶縁層と、
    前記リードアウト回路にそれぞれ接続されるように、前記層間絶縁層を貫通して形成された配線と、
    前記配線にそれぞれ接続されるように、前記層間絶縁層上に形成された第1金属パターンと、
    前記第1金属パターン上に形成された第2金属パターンと、
    前記第2金属パターン上に形成されたフォトダイオードパターンとを含むイメージセンサ。
  2. 前記フォトダイオードパターンがピクセル別に分離されるように、前記第1金属パターン及びフォトダイオードパターンの側壁に形成されたピクセル分離膜を含む請求項1に記載のイメージセンサ。
  3. 前記第1金属パターン及び第2金属パターンは、Ti、Ta、Co、Al、Sn、Cu、Pb及びAgのうちの何れか一つからなるか、又は前記材料のうち少なくとも2つ以上が結合された化合物から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。
  4. 前記第1金属パターン及び第2金属パターンは、ボンディング層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。
  5. 前記フォトダイオードパターンは、第1ドーピング層及び第2ドーピング層が積層された構造であることを含む請求項1に記載のイメージセンサ。
  6. 半導体基板に単位ピクセル別にリードアウト回路を形成するステップと、
    前記半導体基板上に層間絶縁層を形成するステップと、
    前記リードアウト回路にそれぞれ接続されるように、前記層間絶縁層を貫通する配線を形成するステップと、
    前記層間絶縁層上に第1金属層を形成するステップと、
    キャリアウエハにイオン注入工程を行って、イメージ感知部を形成するステップと、
    前記イメージ感知部の表面に第2金属層を形成するステップと、
    前記第1金属層と第2金属層に対するボンディング工程を行って、前記半導体基板と前記イメージ感知部とをボンディングするステップと、
    前記イメージ感知部の表面が露出するように、前記イメージ感知部と前記キャリアウエハとを分離するステップと、
    前記イメージ感知部がピクセル別に分離されるように、前記イメージ感知部、第2金属層及び第1金属層を貫通するピクセル分離膜を形成するステップとを含むイメージセンサの製造方法。
  7. 前記第1金属層と第2金属層とのボンディングは、サーマル−コンプレッション(Thermal−compression)ボンディング工程であることを特徴とする請求項6に記載のイメージセンサの製造方法。
  8. 前記第1金属層及び第2金属層は、同じ導電性物質から形成される請求項6に記載のイメージセンサの製造方法。
  9. 前記第1金属層及び第2金属層は、Ti、Ta、Co、Al、Sn、Au、Cu、Pb及びAgのうちの何れか一つからなるか、又は前記材料のうち、少なくとも2つ以上が結合された化合物から形成されたことを特徴とする請求項6に記載のイメージセンサの製造方法。
  10. 前記第1及び第2金属層は、PVD、CVD、電解メッキ(Electroplating)及び無電解メッキ(Electroless plating)で形成されることを特徴とする請求項6に記載のイメージセンサの製造方法。
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