JP5066510B2 - イメージセンサーおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
実施例は、イメージセンサーおよびその製造方法に関するものである。
一般的に、イメージセンサーは、光学的映像を電気的信号に変換する半導体素子として、大きくＣＣＤイメージセンサーとＣＭＯＳイメージセンサー（ＣＩＳ）に分けられる。
ＣＭＯＳイメージセンサーは、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することによって、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化する。
一方、従来技術によるＣＭＯＳイメージセンサーは、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。
従来技術による水平型ＣＭＯＳイメージセンサーによりＣＣＤイメージセンサー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イメージセンサー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イメージセンサーによれば、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形成される。これによって、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イメージセンサーによれば、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ＣＭＯＳイメージセンサーによれば、追加的なオンチップ（ｏｎ−ｃｈｉｐ）機能がイメージセンサーに付加されることによって、イメージセンサーの感度（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すればイメージセンサー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すればイメージセンサーの感度が低下するという問題が発生する。
実施例は、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ーおよびその製造方法を提供する。
また、実施例は、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ーおよびその製造方法を提供する。
また、実施例は、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ーおよびその製造方法を提供する。
また、実施例は、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欠陥（ｄｅｆｅｃｔ）を防止することができるイメージセンサーおよびその製造方法を提供する。
実施例によるイメージセンサーは、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絶縁層と、前記絶縁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接続され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と、前記配線の上側が露出するようにフォトダイオードと絶縁層を一部除去して形成したビアホールに、伝導性金属が充填（ｆｉｌｌｉｎｇ）されて形成されたビアプラグと、を含むことを特徴とする。
また、実施例によるイメージセンサーの製造方法は、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接触するように絶縁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絶縁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、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と、前記配線の上側が露出するようにフォトダイオードと絶縁層を一部除去してビアホールを形成する段階と、前記ビアホールに伝導性金属を充填する段階と、前記伝導性金属を一部除去してビアプラグを形成する段階と、を含むことを特徴とする。
実施例によるイメージセンサー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、実施例によれば、フォトダイオードが形成された基板と回路が形成された基板の間に絶縁層を介在させることで、基板間の結合を堅固にすることができる。
また、実施例によれば、フォトダイオード内に回路の配線と接続されるように形成されたビアプラグをさらに含むことで、フォトダイオードで生成されたエリント（電子情報：ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ）を效率的に回路に伝達することができる。
また、実施例によれば、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欠陥（ｄｅｆｅｃｔ）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ーおよ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＞
＜実施例＞
図１は、実施例によるイメージセンサーの断面図であり、図２は、実施例によるイメージセンサーの平面図である。例えば、図１は図２のＩ−Ｉ’ラインに沿った断面図である。
実施例によるイメージセンサーは、配線１１０を含む回路（不図示）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上に形成された絶縁層１２０と、前記絶縁層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と電気的に接続されるように結晶型半導体層１２０ａ（図４参照）に形成されたフォトダイオード２１０と、前記配線１１０の上側が露出するようにフォトダイオード２１０と絶縁層１２０を選択的に除去して形成したビアホールに、伝導性金属が充填されて形成されたビアプラグ２２０と、を含み、前記フォトダイオード２１０は、高濃度第１導電型伝導層２１２、第１導電型伝導層２１４および第２導電型伝導層２１６を含み、前記ビアプラグ２２０は、前記フォトダイオードの高濃度第１導電型伝導層２１２、および第１導電型伝導層２１４と接触することを特徴とする。
実施例は、第１基板１００とフォトダイオード２１０の間に絶縁層１２０を介在させることで、基板間の結合力を高めることができる。例えば、前記絶縁層１２０はシリコン酸化膜であり得るが、これに限定されるものではない。
また、実施例は、前記フォトダイオード２１０内に前記配線１１０と接続されるように形成されたビアプラグ２２０をさらに含むことで、フォトダイオードで生成されたエリント（電子情報：ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ）を效率的に回路に伝達することができる。
例えば、前記ビアプラグ２２０は、前記配線１１０の上側が露出するように、フォトダイオード２１０と絶縁層１２０を選択的に除去して形成されたビアホールＨ（図９参照）に伝導性金属を充填することで形成され得る。
具体的に、前記フォトダイオード２１０は、高濃度第１導電型伝導層２１２、第１導電型伝導層２１４および第２導電型伝導層２１６を含み、前記ビアプラグ２２０は、前記高濃度第１導電型伝導層２１２、および第１導電型伝導層２１４と接触し、前記第２導電型伝導層２１６とは接触しないこともある。また、前記第２導電型伝導層２１６は接地されてもよい。
一方、実施例において、前記ビアプラグ２２０は、前記高濃度第１導電型伝導層２１２とのみ接触するように形成されてもよい。
また、前記フォトダイオード２１０は、ピクセル毎に分離され得る。例えば、前記フォトダイオード２１０は、第２絶縁層２３０によってピクセル毎に分離され得る。前記第２絶縁層２３０は、前記ビアプラグ２２０上にも形成され得る。前記第２絶縁層２３０は、酸化膜であり得るがこれに限定されるものではない。
実施例において、前記結晶型半導体層２１０ａ（図４参照）は単結晶半導体層であり得るが、これに限定されるものではなく、多結晶半導体層であってもよい。
前記第１基板１００の回路は図示されてはないが、ＣＩＳの場合、回路は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（不図示）とプラグ（不図示）を含み得る。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果たすことができる。
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、および前記第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を含み得る。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Ｎ型伝導層２１４、および前記低濃度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Ｐ型伝導層２１６を含み得るが、これに限定されるものではない。すなわち、第１導電型は、Ｎ型に限定されるものではなく、Ｐ型もあり得る。
また、フォトダイオード２１０には、前記第１導電型伝導層２１４の下側に形成された高濃度第１導電型伝導層２１２をさらに含むことができる。例えば、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。
実施例は、前記フォトダイオード２１０上にトップメタル（不図示）とカラーフィルター（不図示）もさら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はピクセル毎に分離され得る。
図３乃至図１３は、実施例によるイメージセンサーの製造方法の工程断面図である。
まず、図３のように、配線１１０と回路（不図示）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ものではない。
また、第１基板１００に形成された配線１１０は、メタル（不図示）とプラグ（不図示）を含み得る。
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絶縁層１２０を形成する。
すなわち、実施例は、第１基板１００とフォトダイオード２１０の間に絶縁層１２０を介在させることで、基板間の結合力を高めることができる。例えば、前記絶縁層１２０は、シリコン酸化膜であり得るがこれに限定されるものではない。
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２１０内の欠陥（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。その後、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。前記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後に行われ得る。
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０．５?以内のジャンクションデプス（ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ）に形成され得る。
その後、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、前記低濃度第１導電型伝導層２１４は、約１．０〜２．０?のジャンクションデプスに形成され得る。
その後、実施例は、前記第１導電型伝導層２１４の上側に、高濃度第１導電型伝導層２１２を形成する段階をさらに含むことができる。例えば、前記１導電型伝導層２１４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、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。
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できる。
次に、図７のように、第２基板２００に熱処理をすることで、水素イオン注入層２０７ａが水素気体層２０７に変わり得る。
次に、図８のように、水素気体層２０７を基準に、第２基板２００の下側をブレードなどを用いて除去し、フォトダイオード２１０が露出され得る。
次に、前記フォトダイオード２１０内に前記配線１１０と接続されるビアプラグ２２０を形成する。
例えば、図９のように、所定の感光膜パターン（不図示）をエッチングマスクにして、前記配線１１０の上側が露出するように、フォトダイオード２１０と絶縁層１２０を選択的に除去してビアホールＨを形成する。
その後、図１０のように、前記感光膜パターンを除去して、前記ビアホールＨに伝導性金属２２０ａを充填する。前記伝導性金属２２０ａは、タングステン（Ｗ）であり得るが、これに限定されるものではない。一方、前記感光膜パターンを除去せずに、ビアホールＨに伝導性金属２２０ａを充填することもできる。
その後、図１１のように、前記伝導性金属２２０ａを選択的に除去してビアプラグ２２０を形成する。例えば、前記伝導性金属２２０ａに対し、エッチバックプロセスを施してビアプラグ２２０を形成することができる。前記エッチバックプロセスの前に、ＣＭＰなどの平坦化工程がさらに行われ得る。前記エッチバックプロセスは、フォトダイオードの結晶型半導体層２１０ａと伝導層金属２２０ａの選択度（ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）が高い物質を用いることができる。
または、感光膜パターンが除去されていない状態では、前記感光膜パターンをマスクにして、前記伝導性金属２２０ａの上側をエッチングしてビアプラグ２２０を形成することができる。
実施例のビアプラグ２２０を形成する段階は、次のような特徴を持つことができる。すなわち、前記フォトダイオード２１０が高濃度第１導電型伝導層２１２、第１導電型伝導層２１４および第２導電型伝導層２１６を含む場合、前記ビアプラグ２２０は、前記高濃度第１導電型伝導層２１２、および第１導電型伝導層２１４と接触し、前記第２導電型伝導層２１６とは接触しないこともある。また、前記第２導電型伝導層２１６は接地され得る。
一方、他の実施例において、前記ビアプラグ２２０は、前記高濃度第１導電型伝導層２１２のみと接触するように形成され得る。
次に、図１２のように、前記ビアプラグ２２０が形成されたフォトダイオード２１０をピクセル毎に分離するエッチングを行うことができる。
例えば、ピクセル境界のフォトダイオード２１０を選択的に除去して、前記絶縁層１２０を露出させることができる。
次に、図１３のように、エッチングされた部分を第２絶縁層２３０で充填することができる。例えば、前記フォトダイオード２１０は、第２絶縁層２３０によってピクセル毎に分離され得る。この時、前記第２絶縁層２３０は、前記ビアプラグ２２０上にも形成され得る。前記第２絶縁層２３０は、酸化膜であり得るがこれに限定されるものではない。
その後、上部電極（不図示）、カラーフィルター（不図示）などを形成する工程を行うことができる。
１００ 第１基板、 １１０ 配線、 １２０ 絶縁層、 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、 ２１２ 高濃度第１導電型伝導層、 ２１４ 第１導電型伝導層、 ２１６ 第２導電型伝導層、 ２２０ ビアプラグ、 ２２０ａ 伝導性金属、 ２３０ 第２絶縁層。
Claims (7)
- 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絶縁層と、
前記絶縁層と接触しながら前記第１基板とボンディングされ、前記配線と電気的に接続されるように結晶型半導体層に形成される高濃度第１導電型伝導層、第１導電型伝導層および第２導電型伝導層を含むフォトダイオードと、を含み、
前記接続は、前記配線の上側が露出するように前記フォトダイオードと前記絶縁層を一部除去して形成されたビアホールに、伝導性金属を充填して形成したビアプラグを、前記高濃度第１導電型伝導層および前記第１導電型伝導層の前記ビアホール内に接触させる接続であり、
前記ビアプラグおよび前記フォトダイオードの第２導電型伝導層と接するように前記ビアホール内に形成された第２絶縁層をさらに含むことを特徴とするイメージセンサー。 - 前記絶縁層は、シリコン酸化膜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ー。
- 前記フォトダイオードは、ピクセル毎に分離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。
- 前記フォトダイオードの第２導電型伝導層は、接地されていることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
- 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絶縁層を形成する段階と、
前記絶縁層と接触しながら前記第１基板とボンディングされ、前記配線と電気的に接続されるように結晶型半導体層にフォトダイオードを形成する段階と、
前記配線の上側が露出するように、前記フォトダイオードと前記絶縁層を一部除去してビアホールを形成する段階と、
前記ビアホールに伝導性金属を充填してビアプラグを形成する段階と、
前記ビアプラグおよび前記フォトダイオードの第２導電型伝導層と接するように、前記ビアホール内に第２絶縁層を形成する段階と、を含み、
前記フォトダイオードを形成する段階は、第２基板の上部に第２導電型伝導層、第１導電型伝導層、高濃度第１導電型伝導層を形成する段階と、前記第１基板と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と、を含み、
前記ビアプラグを形成する段階は、前記ビアホール内の高濃度第１導電型伝導層と、第１導電型伝導層と接触するように前記ビアプラグを形成する段階を含むことを特徴とするイメージセンサーの製造方法。 - 前記絶縁層は、シリコン酸化膜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ーの製造方法。
- 前記ビアプラグを形成する段階の後に、前記フォトダイオードをピクセル毎に分離する段階をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のイメージセンサーの製造方法。
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