KR100723457B1 - A semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 적층형 포토다이오드 구조를 제공하여 파장대역별 광전 변환효율을 극대화시킬 수 있도록 하는 반도체에 관한 것이다. 본 발명은 상층에 복수층으로 적층되는 포토다이오드층을 형성하고, 그 하부에 전반사층을 형성하며, 전반사층 하부에 하층으로서 트랜지스터층을 형성하여 구성되며, 상층의 적층된 포토다이오드층 상부에 필터스택을 파장대역별로 분리형성하여 필터를 내부에 삽입한 구조로 구성될 수도 있고, 상기 필터스택을 무반사 코팅 또는 적외선 필터로 형성하고, 외부에 파장대역별로 분리되는 칼라필터를 설치하여 구성됨에 특징이 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor for providing a stacked photodiode structure to maximize photoelectric conversion efficiency for each wavelength band. The present invention is formed by forming a photodiode layer stacked in a plurality of layers on the upper layer, a total reflection layer below, and forming a transistor layer as a lower layer below the total reflection layer, and a filter on the upper stacked photodiode layer. The stack may be formed by separating the wavelength band, and the filter may be inserted therein. The filter stack may be formed as an anti-reflective coating or an infrared filter, and a color filter separated by the wavelength band may be installed outside. have.
영상소자, 포토다이오드, TDI, 적층형, 반도체 Imaging Device, Photodiode, TDI, Stacking Type, Semiconductor
Description
도 1은 반도체 기판내에서의 입사광의 파장별 투과 깊이를 보인 특성도이다.1 is a characteristic diagram showing a transmission depth for each wavelength of incident light in a semiconductor substrate.
도 2는 통상의 영상소자가 보여주는 입사되는 파장 대역에 대한 상대적인 반응 곡선이다.2 is a response curve relative to an incident wavelength band shown by a conventional imaging device.
도 3은 종래 기술에 의한 후방입사 영상소자의 구조도이다.3 is a structural diagram of a rear incident image device according to the prior art.
도 4a는 본 발명에 의한 적층형 반도체 소자의 구조를 보인 개략 단면도이다.4A is a schematic cross-sectional view showing the structure of a stacked semiconductor device according to the present invention.
도 4b는 본 발명에 의한 적층형 반도체 소자의 제조공정을 설명하기 위한 단면도이다.4B is a cross-sectional view for illustrating a manufacturing process of the stacked semiconductor device according to the present invention.
도 4c는 본 발명에 의한 적층형 반도체 소자의 매립형 구조 포토다이오드를 설명하기 위한 요부 단면도이다.4C is a sectional view showing the principal parts of a buried structure photodiode in a stacked semiconductor device according to the present invention.
도 5는 일반적인 영상소자의 광 검출 상황을 설명하기 위한 특성도이다.5 is a characteristic diagram illustrating a light detection situation of a general image device.
도 6은 본 발명에 의한 적층형 반도체 소자의 광 검출 상황을 설명하기 위한 특성도이다.6 is a characteristic diagram for explaining a light detection situation of a stacked semiconductor device according to the present invention.
도 7a는 본 발명에 의한 적층형 반도체 소자의 병렬 연결 구조를 보인 개략단면도이다.7A is a schematic cross-sectional view illustrating a parallel connection structure of a stacked semiconductor device according to the present invention.
도 7b는 본 발명에 의한 적층형 반도체 소자의 독립된 별도의 회로 연결 구조를 보인 개략 단면도이다.7B is a schematic cross-sectional view illustrating an independent separate circuit connection structure of a stacked semiconductor device according to the present invention.
도 8은 본 발명에 의한 적층형 구조의 타임 딜레이 집적(TDI) 영상소자의 동작원리 설명도이다.8 is an explanatory diagram illustrating a principle of operation of a time delay integrated (TDI) image device having a stacked structure according to the present invention.
도 9는 본 발명에 의한 적층형 반도체 소자의 내부 필터 삽입 구조의 구성도이다.9 is a configuration diagram of an internal filter insertion structure of a stacked semiconductor device according to the present invention.
도 10은 본 발명에 의한 적층형 반도체 소자의 외부 필터 삽입 구조의 구성도이다.10 is a configuration diagram of an external filter insertion structure of a stacked semiconductor device according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 빛을 감지하여 광전변환하는 반도체 소자에 있어서 파장 대역별 광전변환 효율을 극대화할 수 있도록 한 반도체 소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
빛을 감지하여 광전 변환 하는 반도체 소자는, CCD등과 같이 빛을 입사받아 영상신호로서 처리하는 것으로서, 실리콘등 반도체 기판을 기반으로 하는 영상소자는 입사하는 광입자가 반도체 기판 내의 격자 구조의 외곽 전자를 여기 시킴으로써 자유전자(free electron)와 홀(hole)의 쌍둥이를 만들어 낸다. 이때의 전자나 홀을 CCD나 CMOS PD기술을 통해 한곳에 가두어 둘 수 있게 되며, 이들 전자나 홀의 양은 입사하는 광의 세기와 에너지에 비례하게 된다.A semiconductor device that senses light and performs photoelectric conversion processes light as incident light, such as a CCD, and processes it as an image signal. An image device based on a semiconductor substrate such as silicon excites the electrons in the lattice structure in the semiconductor substrate. This creates twins of free electrons and holes. At this time, electrons or holes can be confined in one place through CCD or CMOS PD technology, and the amount of these electrons or holes is proportional to the intensity and energy of incident light.
또 한편, 입사되는 광입자는 반도체 기판 내부의 격자들과 상호 반응을 하게 되는데 그 투과 깊이가 파장별로 다른 확률을 가지게 된다.On the other hand, the incident light particles are mutually reacted with the gratings in the semiconductor substrate, the transmission depth has a different probability for each wavelength.
도 1은 반도체 기판내에서의 입사광의 파장별 투과 깊이를 보인 특성도이다. 즉, 도 1은 가시광선에서의 각 파장 대역별로 투과 깊이를 보여 준다. 즉 자외선(Violet)의 경우에는 실리콘 기판의 경우 약 1.5um 정도가 지나면 대부분의 입자가 실리콘 격자와 반응하여 전자와 홀을 생성하고 에너지를 잃게 된다. 파장이 길어지게 되면 격자와 상호 반응을 하는 확률이 그만큼 줄어들게 됨으로 훨씬 더 깊은 곳까지 침투해 들어갈 수 있게 된다.1 is a characteristic diagram showing a transmission depth for each wavelength of incident light in a semiconductor substrate. That is, Figure 1 shows the transmission depth for each wavelength band in the visible light. That is, in the case of ultraviolet light, after about 1.5 μm in the case of a silicon substrate, most particles react with the silicon lattice to generate electrons and holes, and lose energy. Longer wavelengths reduce the probability of interacting with the lattice, allowing them to penetrate even deeper.
고성능의 영상소자들은 대개 반도체 기판 표면의 불완전한 결합에서 생겨나는 누설 전류를 막기 위하여 포토 다이오드를 표면에서 떨어진 영역으로 매립(buried)하며, 대개 하나의 층(layer)으로 만들게 된다. 만약 이 포토 다이오드가 특정한 두께를 가지고 있다면 입사되는 광의 스펙트럼중 특정 파장에 특별하게 더 잘 반응하게 된다. 다시 말하면, 그 외의 파장 대역은 비교적 덜 반응하게 된다. 이와 같은 사실은 일반적인 영상 소자의 주파수 반응 특성을 보면 더 잘 알 수 있다.High-performance imaging devices usually embed a photodiode into areas away from the surface, usually in a single layer, to prevent leakage currents from incomplete coupling of the semiconductor substrate surface. If the photodiode has a certain thickness, it will respond particularly well to a particular wavelength in the incoming light spectrum. In other words, the other wavelength bands become relatively less responsive. This fact is better understood by looking at the frequency response of a typical imaging device.
도 2는 상용화된 특정 영상소자가 보여주는 입사되는 파장 대역에 대한 상대적인 반응 곡선이며, 이 소자는 경우에는 약 800nm 근처에서 변환효율이 제일 우수 하다.FIG. 2 is a response curve relative to an incident wavelength band exhibited by a specific commercialized image device, and the device has the best conversion efficiency in the case of about 800 nm.
일반적으로 고성능 영상 소자의 경우 kTC잡음을 제거하기 위하여 포토다이오드를 매립형(buried) 및 핀드(pinned) 형태로 만들게 되는데, 매립형은 P혹은 N이 다른 극을 감싸게 되어 있는 구조이며, 핀드형은, P와 N의 도핑 물질이 서로를 상계하여 N 도핑 영역이 완전하게 디플래션(depletion)되면서 이 영역에서의 캐패시턴스(Cpacitance)를 없애주는 방식이며, 도핑레벨과 구동 전압에 따라서 이 영역의 크기가 영향을 받게 된다.In general, in the case of a high-performance video device, photodiodes are buried and pinned to remove kTC noise. The buried type is a structure in which P or N surrounds another pole, and the pinned type is P. The doping materials of and N offset each other to completely deflate the N doped region, thus eliminating capacitance in this region. The size of this region is affected by the doping level and the driving voltage. Will receive.
반도체 공정특성과 영상 소자가 사용되는 상황을 고려할 때 사용할 수 있는 도핑레벨과 전압의 크기가 제한적이며, 포토 다이오드를 구동하는 구동전압 역시 무한정 커질 수 없으며, 포토 다이오드는 두께가 유한하다. 또한, 잡음 성능이 뛰어난 핀드(pinned)형태의 포토 다이오드는 두께가 더욱 제한적일 수 밖에 없다. 이로 인하여, 전 영역의 스펙트럼에 완벽한 감도를 가지는 영상소자를 만드는 것이 무척 어려운 상황이다.Considering the semiconductor process characteristics and the situation in which the image device is used, the doping level and the size of the voltage that can be used are limited, the driving voltage for driving the photodiode cannot be increased indefinitely, and the photodiode has a finite thickness. In addition, the pinned photodiode having excellent noise performance is more limited in thickness. For this reason, it is very difficult to make an image device having perfect sensitivity over the entire spectrum.
이와 같은 문제는 일반적인 전방 입사(front illumination) 형태의 소자들에서 더욱 심각한 문제가 되는데 그 이유는 폴리 실리콘 게이트(poly-silicon gate)등의 빛 투과 특성이 실리콘보다 더 좋지 않으며 빛을 가리기도 한다. 이런 문제를 해결하기 위하여 후방 입사(back-side illumination) 소자들이 개발되었으며 다음의 그림이 그와 같은 소자의 예를 보여준다.This problem becomes more serious in general front illumination devices, because the light transmission characteristics of poly-silicon gates and the like are worse than silicon, and they also cover light. To solve this problem, back-side illumination devices have been developed and the following figure shows an example of such a device.
도 3은 종래 기술에 의한 후방입사 영상소자의 구조도이다.3 is a structural diagram of a rear incident image device according to the prior art.
이에 도시된 바와 같이 웨이퍼(1)의 상면에 P에피텍셜층(2)이 형성되고, 그 상부에 P웰 및 N웰이 형성되어 포토다이오드층(3)이 형성되고, 그 포토다이오드층(3)의 상부에 트랜지스터층(4)이 형성되어 구성된다. 여기서 도면부호 5는 트랜지스터간의 연결선을 표시한다.As shown therein, a P
이와 같은 통상적인 후방입사 영상소자는, 후방 입사(Back-side illumination) 소자를 만들기 위해서는 웨이퍼(1)의 후면부를 깍아내야 하는데 현존하는 첨단의 기계적 그라인딩과 화학적 에칭 기법을 사용하더라도 그림에서의 예와 같이 수um의 간격이 필요하다. 이런 경우 심하게 도핑이 되어 있지 않은 실리콘이라고 하더라도 입사광이 포토다이오드 영역에 진입하기 전에 상당 부분의 손실이 발생되며 이는 광변환효율(Quantum efficiency)의 저하로 이어진다.Such a conventional back incident imager needs to be scraped off the backside of the
또한 후방입사를 위한 식각시에 에치 스탑(etch stop)이 없기 때문에 남겨야 하는 실리콘의 두께를 조절하기 어려워 수율이 매우 적은 단점도 함께 가진다. 이와 같이 수 um간격은 단파장 즉, 자외선이나 청색 파장등의 감도 저하에 주요한 영향을 미치게 된다. 또한 후방 입사 영상소자의 경우에 빛이 트랜지스터 게이트(gate)에 입사되므로 인한 잡음 특성이 나빠지는데 이를 방지하기 위한 국부적인 빛 가리개를 만들어주어야 하는 기술적인 문제가 있다.In addition, since there is no etch stop during etching for the back incident, it is difficult to control the thickness of silicon to be left. As such, a few um intervals have a major influence on the decrease in sensitivity such as short wavelengths, that is, ultraviolet rays or blue wavelengths. In addition, in the case of the rear incident image device, since the light is incident on the transistor gate, noise characteristics are deteriorated, and there is a technical problem of making a local light shield to prevent this.
따라서 본 발명은 빛을 입사받아 전기적 신호로 검출하는 반도체 소자에서 파장 대역별 광전변환 효율을 극대화할 수 있도록 한 반도체 소자를 제공하기 위한 것이다.Accordingly, an aspect of the present invention is to provide a semiconductor device capable of maximizing photoelectric conversion efficiency for each wavelength band in a semiconductor device that receives light and detects it as an electrical signal.
본 발명은 상층을 적층형 포토다이오드를 구성하고, 하층에 트랜지스터층을 구성하여 하나의 픽셀 영역에서 다파장의 빛을 감지할 수 있는 반도체 소자를 제공한다.The present invention provides a semiconductor device capable of sensing light having multiple wavelengths in one pixel region by forming a stacked photodiode on an upper layer and a transistor layer on a lower layer.
또한, 본 발명은 짧은 파장은 주로 상층부에서 긴 파장대역은 상층부에서 하층부로의 여러 포토다이오드에 의해 검출하도록 하여 파장대역별 광전 변환효율을 높이기 위한 것이다.In addition, the present invention is to improve the photoelectric conversion efficiency of each wavelength band by short wavelength is mainly detected in the upper wavelength portion and the long wavelength band by the various photodiodes from the upper layer portion to the lower layer portion.
또한, 본 발명은 후방입사 적층형 영상소자를 제조할 때 제거해야할 웨이퍼의 상면부에 식각 정지층을 형성하고, 그 상부에 다층의 포토다이오드 및 트랜지스터층을 형성하고, 소자 제조시에 상기 식각 정지층을 이용해 웨이퍼를 식각 함으로써 원하는 두께로 조절이 용이하고 수율을 높일 수 있도록 하기 위한 것이다.In addition, the present invention is to form an etch stop layer on the upper surface of the wafer to be removed when manufacturing the back-incidence stacked image device, to form a multi-layer photodiode and a transistor layer on top of the wafer, the etch stop layer at the time of device manufacturing By etching the wafer by using the desired thickness can be easily adjusted to increase the yield.
본 발명에 의한 반도체 소자는,The semiconductor device according to the present invention,
상층은 Upper floor 핀드Find 형과 매립형태의 Mold and landfill 포토다이오드를Photodiode 다층으로 적층하고, 하층에 Laminated in multiple layers, underneath 트랜지스터층을Transistor layer 배치하여 검출회로를 구성하되, 상기 다층의 Arranged to form a detection circuit, 적층형Stacked 포토다이오드는Photodiode 각 bracket 포토Photo 다이오드 층 사이에 필터층을 삽입하여 구성됨을 특징으로 하고 있다. The filter layer is interposed between the diode layers.
또한, 본 발명은 상기 반도체 소자의 제조방법에 있어서, 핸들 웨이퍼의 상면에 버퍼 산화막 및 식각 정지층을 형성하고, 그 상면에 포토 다이오드를 다층으로 적층하며, 최상층에 트랜지스터층을 형성하고, 상기 포토다이오드의 핀드구조형성과 화소분리 및 콘텍 공정을 수행한 후, 상기 복수의 포토다이오드층 및 트랜지 스터층 이 형성된 핸들웨이퍼를 뒤집어서 상기 식각 정치층까지 핸들웨이퍼의 실리콘을 식각하여 제거하는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, in the method of manufacturing the semiconductor device, a buffer oxide film and an etch stop layer are formed on an upper surface of the handle wafer, a photodiode is laminated in multiple layers on the upper surface of the handle wafer, and a transistor layer is formed on the uppermost layer. After performing the pinned structure formation of the diode, the pixel separation, and the contact process, the silicon wafer of the handle wafer is etched and removed to the etch stop layer by inverting the handle wafer on which the plurality of photodiode and transistor layers are formed. do.
또한, 본 발명의 반도체 소자는,In addition, the semiconductor device of the present invention,
상층으로 다층의 포토 다이오드층을 적층하고, 하층으로 트랜지스터층을 구성한 반도체 소자에에 있어서,In a semiconductor device in which a multilayer photodiode layer is laminated on an upper layer and a transistor layer is formed on a lower layer,
상기 트랜지스터층에서 상기 각 포토 다이오드층을 공통으로 연결하는 콘텍부를 형성하여 각 층의 포토 다이오드층을 병렬로 연결하고, 검출회로를 이용하여 합쳐진 영상정보를 읽어내는 것을 특징으로 한다.In the transistor layer, a contact portion for connecting the respective photodiode layers is formed in common, the photodiode layers of each layer are connected in parallel, and the combined image information is read using a detection circuit.
또한, 본 발명의 반도체 소자는, In addition, the semiconductor device of the present invention,
상층으로 다층의 포토 다이오드층을 적층하고, 하층으로 트랜지스터층을 구성한 반도체 소자에 있어서,In a semiconductor device in which a multilayer photodiode layer is laminated on an upper layer and a transistor layer is formed on a lower layer,
상기 트랜지스터층에서 상기 각각 포토 다이오드층과 분리되게 콘텍을 형성하여 각 포토 다이오드별로 별도의 회로로서 영상 신호를 읽어내고, 아날로그적 또는 디지털적으로 픽셀내 혹은 픽셀 밖에서 합쳐서 전체 영상 정보를 획득하도록 구성된 것을 특징으로 한다.Forming a contact in the transistor layer separately from the photodiode layer so as to read the image signal as a separate circuit for each photodiode, and to acquire the entire image information by combining analog or digitally in or out of the pixel. It features.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4a는 본 발명에 의한 반도체 소자의 구조를 보인 개략 단면도이다.4A is a schematic cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to the present invention.
이에 도시된 바와 같이, 상층으로 복수의 포토 다이오드 층이 적층되고, 하층으로 트랜지스터 층이 형성되어 후방 조사형 영상소자로서 구성된다.As shown in the drawing, a plurality of photodiode layers are stacked on the upper layer, and a transistor layer is formed on the lower layer to form a back-illuminated image device.
하부에서부터 메탈층(160), 뒤집어진 트랜지스터층(151), 열산화막(152), 전 반사층인 유전체층(143), 레드 다이오드층(141), 열산화막(142), AR코팅층(133), 그린 다이오드층(131), 열산화막(132), AR코팅층(123), 블루 다이오드층(121), 열산화막(122)이 차례로 적층되고, 그 상부에 AR코팅층(무반사 코팅;anti-reflection coating)(113)이 형성된 구조이다. 여기서 미설명부후 191은 포토다이오드와 트랜지스터간의 콘텍금속을 나타낸다. 162a는 화소분리용 트랜치 절연막을 나타내며 각각 화소별로 구분 지어 주도록 하는 역할을 한다.From below, the
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 반도체 소자의 제조방법은, 도 4b에 도시된 바와 같이,Method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention configured as described above, as shown in Figure 4b,
핸들 웨이퍼(110)의 상면에 산화막(111) 및 식각 정지층(112)을 형성하고, 그 상부에 필터 스택(AR)(113)을 형성한다.The
이어서, 도너 웨이퍼에 반도체 디바이스를 위한 반도체 층 및 산화막을 형성하고, 박막 전이를 위한 공정을 수행하여 도너 웨이퍼를 준비하고, 상기 도너 웨이퍼를 뒤집어서 상기 핸들 웨이퍼(110)의 상면에 접합시키고, 박막 전이에 의해 상기 산화막과 반도체층을 제외하고 나머지 분리되는 도너 웨이퍼의 실리콘층을 제거시키는 박막 전이공정을 수행한다. 이때 상기 반도체층은 포토다이오드층이고, 산화막은 각 포토 다이오드층을 구분하기 위한 산화막층이 된다.Subsequently, a semiconductor layer and an oxide film for a semiconductor device are formed on a donor wafer, a process for thin film transition is performed to prepare a donor wafer, the donor wafer is turned upside down and bonded to an upper surface of the
상기와 같은 박막 전이공정에 의해 도면에서와 같이 제1도너 열산화막(D r 1 Thermal Oxide)(122), 제1도너 트랜스퍼 Si(블루 포토 다이오드(Blue PD))(121)를 형성하고, 그 상면에 AR코팅층(123)을 형성한다.As described above, the first donor
동일한 방법으로 박막전이 공정과 AR코팅층 및 필터스택 형성공정을 반복하여 도면에서와 같이, 제2도너 열산화막(132), 제2도너 트랜스퍼 Si(Green PD)(131), AR코팅층(133), 제3도너 열산화막(142), 제3도너 트랜스퍼 Si(Red PD)(141), 필터스택(All reflect)(143), 제4도너 열산화막(152), 제4도너 트랜스퍼 Si(151)을 차례로 형성한다. 여기서, 제4 도너 트랜스퍼(151)는 트랜지스터층으로 형성한다.In the same manner, the thin film transition process, the AR coating layer, and the filter stack forming process are repeated, and as shown in the drawing, the second donor
이후, 트랜지스터층의 상면에 각 포토다이오드들과 회로를 연결하는 금속층(160)을 형성하고, 솔더범퍼(161)을 형성한다. 도면에서는 각 포토다이오드들과 트랜지스터의 화소분리 및 콘텍 구조는 상세히 도시하지 않았으며, 이는 설명을 생략한 것이다.Subsequently, the
이후에 상기 도면에서와 같은 구조의 작업기판을 뒤집에서 상기 식각 정지층(112)까지 핸들웨이퍼(110) 및 버퍼 산화막(111)을 식각하여 제거한 후, 상기 식각 정지층(112)을 제거한다.Thereafter, the work substrate having the structure as shown in the drawing is removed from the inverted side by etching the
그 결과 도 4a에 도시된 바와 같이 최상부에 필터 스택(AR)(113)이 형성된 구조의 반도체 소자가 제조된다. 상기 최상부의 필터스택(113)은 무반사 코팅층이 되며, 상기 도 4a에서의 트랜지스터층(151)의 상부에 형성되는 필터스택(143)은, 전반사(All reflect) 필터층으로서 형성한 것이다.As a result, as shown in FIG. 4A, a semiconductor device having a structure in which a filter stack (AR) 113 is formed on the top is manufactured. The
한편, 핀드(pinned) 및 매립형 구조의 포토 다이오드는, 상기 다층으로 적층된 구조에서 콘텍 및 화소분리를 위하여 트랜치홈을 형성하고, 그 트랜치 홈의 측 벽에 측벽 산화막(208)을 형성한다. 이어서 포토 다이오드를 이루는 "상"(204)-"중"(203)-"하"(202) 도핑층(P-N-P층 또는 N-P-N층)중에서 "상"(204)-"하"(202)층이 서로 연결되게 이온주입을 하여 측벽층(209)을 더 형성하여 매립 및 핀드 구조의 포토 다이오드를 형성한다.On the other hand, the pinned and buried photo diodes form trench grooves for contact and pixel separation in the multilayer stacked structure, and form
이와 같은 방식으로 적층구조에서 포토다이오드를 매립 구조로 형성할 수 있게 된다. 이렇게 PNP 혹은 NPN의 매립형 구조를 만들게 되면, 가운데의 P혹은 N을 중심으로 상하로 정션 디플레이션 영역이 형성되며, 이를 핀드 구조하고 하는데 도면에서는 나타나 있지 않다.In this manner, the photodiode in the stacked structure can be formed as a buried structure. Thus, when the buried structure of PNP or NPN is made, a junction deflation region is formed up and down about P or N in the center, and the pinned structure is not shown in the figure.
도 4a와 같이 다층의 핀드(pinned) 및 매립형 형태의 영상소자를 배치하고 하층에 트랜지스터 검출회로를 배치하면 입사하는 빛은 짧은 파장은 주로 상층부에 긴 파장대역은 상층부에서 하층부로의 여러 포토 다이오드에 걸쳐 검출되어 입사광의 손실을 최소화 할 수 있게 된다. 좁은 파장대역의 빛이 입사한다고 해도 하나의 포토다이오드인 경우에 비하여 훨씬 고효율의 검출이 얻어질 수 있다.As shown in FIG. 4A, when a multi-layered pinned and buried image device is disposed and a transistor detection circuit is disposed in a lower layer, incident light has a short wavelength mainly in the upper layer and a long wavelength band in a plurality of photo diodes from the upper layer to the lower layer. It can be detected over time to minimize the loss of incident light. Even when light of a narrow wavelength band is incident, a much higher efficiency of detection can be obtained than in the case of one photodiode.
예를 들어, 붉은색이나 근적외선 같이 파장이 긴 경우 실리콘의 진입부(표피)로부터 수마이크론(um) 이상 깊이까지 침투하기 때문에 이를 모두 검출해 내는 것은 상당히 어렵다. 청색이나 보라색등 파장이 짧은 것은 상대적으로 표피에 집중적으로 검출될 것이다. 다층 포토다이오드를 사용하여 여러 개의 포토다이오드에서 얻어진 전하를 합쳐서 읽어낼 수 있다면 넓은 파장대역에서의 검출 효율이 극대화된다.For example, long wavelengths, such as red or near-infrared, penetrate into the depths of more than a few microns (um) from the entrance of the silicon (epidermis), making it very difficult to detect them all. Shorter wavelengths, such as blue or purple, will be detected relatively in the epidermis. If multi-layer photodiodes can be used to read the charges from multiple photodiodes, detection efficiency over a wide wavelength range is maximized.
도 5는 일반적인 영상소자의 빛 검출 상태를 표시한 것으로써 장파장과 단파 장등 특정 대역에서의 검출 효율이 떨어진다. 즉, 그림에서 살펴보면, 포토다이오드의 감지영역(도면에서 점선으로 표시된 영역)에서 단파장인 파랑 색인 경우, 포토 다이오드의 표면 쪽에서만 감지가 이루어지며, 장파장인 경우 파장영역중 일부의 영역에서만 빛을 감지하게 되므로 검출 효율이 떨어진다.FIG. 5 shows a light detection state of a general image device, and the detection efficiency in a specific band such as a long wavelength and a short wavelength is inferior. That is, in the figure, in the case of the blue index of short wavelength in the sensing area of the photodiode (area indicated by dotted line in the figure), the detection is performed only on the surface side of the photodiode, and in the case of long wavelength, light is detected only in a part of the wavelength region. This reduces the detection efficiency.
반면, 도 6의 경우 여러 개의 영상소자 층을 배치하므로 입사광의 파장특성과 상관없이 고르게 고효율로 검출해 낼 수 있다. 즉, 그림에서 보는 바와 같이 예를들면, 각 파장 대역별로 제1,제2포토다이오드(PD1, PD2), 제1-제3포토다이오드(PD1-PD3), 제1-제4포토다이오드(PD1-PD4), 제1-제4포토다이오드(PD1-PD4)로 검출할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서 파장이 짧은 단파장에서도 충분히 포토다이오드가 빛을 감지할 수 있으며, 장파장 대역인 경우에는 전체의 빛 세기를 정확히 검출할 수 있게 되는 것이다. On the other hand, in FIG. 6, since the plurality of image device layers are disposed, the image elements may be detected with high efficiency evenly regardless of the wavelength characteristic of the incident light. For example, as shown in the figure, for example, the first and second photodiodes PD1 and PD2, the first and third photodiodes PD1-PD3, and the first and fourth photodiodes PD1 for each wavelength band. -PD4), it can be seen that the first-fourth photodiode (PD1-PD4) can be detected. Therefore, even if the wavelength is short, the photodiode can sufficiently detect light, and in the case of the long wavelength band, it is possible to accurately detect the entire light intensity.
따라서, 도 4a에 도시된 바와 같이 적층형 구조로 영상소자를 만드는 것이 입사광의 파장특성과 상관없이 고르게 고효율로 검출할 수 있다는 것을 알 수 있다.Thus, as shown in FIG. 4A, it can be seen that the fabrication of the image device in the stacked structure can be detected with high efficiency even irrespective of the wavelength characteristic of the incident light.
그리고, 후방 입사형 소자 구현시 에칭을 위한 에치스탑의 경우 본 발명의 예시도면인 도 4b에 도시된 바와 같이 핸들웨이퍼(작업 기판)에 질화막과 산화막등을 배치하여 적절한 에치스톱(etch stop)으로서 동작 하도록 하여 아주 정확하게 실리콘 상부의 산화막의 두께를 제어할 수 있다. 이렇게 함으로써 실리콘의 두께제어가 어려움으로써 발생되는 광감지 효율 저하(특히 단파장) 및 수율 저하 문제를 해결할 수 있다. 실제 에칭시에는 작업기판의 대부분의 두께는 기계적인 그라인 딩 작업을 통해 제거하고 기계적인 제어가 어려운 두께 이하는 에칭 기법으로 해결한다.In addition, in the case of an etch stop for etching a back incident type device, as shown in FIG. 4B, an nitride film and an oxide film are disposed on a handle wafer (work substrate) as an appropriate etch stop. By operating, the thickness of the oxide layer on the silicon can be controlled very accurately. By doing so, it is possible to solve the problem of lowering light sensing efficiency (particularly short wavelength) and lowering yield caused by difficulty in controlling thickness of silicon. In actual etching, most of the thickness of the working board is removed by mechanical grinding, and the etching technique is used to solve the thickness which is difficult to control mechanically.
빛을 감지한 영상정보를 읽어내는 회로는 도 7a와 같이 여러 개의 포토 다이오드를 병렬로 연결하여 하나의 검출 회로를 활용하여 읽어내는 방식과, 도 7b 와 같이 여러 개의 포토 다이오드를 별도의 회로로 읽어내고 이를 아날로그적 혹은 디지털적으로 픽셀 내 혹은 픽셀 밖에서 합치는 방식이 있다. 혹은 두 방식을 적절하게 혼합하는 방식이 있을 수 있다.The circuit for reading image information that senses light reads using a single detection circuit by connecting several photodiodes in parallel as shown in FIG. 7A, and reads a plurality of photodiodes as a separate circuit as shown in FIG. 7B. There are ways to combine and combine them analogly or digitally in or out of pixels. Or there may be a mix of the two.
도 7a는 본 발명에 의한 적층형 반도체 소자의 검출회로 개요를 보인 구조도이다. 이에 도시된 바와 같이,7A is a structural diagram showing an overview of a detection circuit of a stacked semiconductor device according to the present invention. As shown here,
상층으로서, 제1-제4포토다이오드층(310 -340)이 적층 형성되고, 제4포토 다이오드층(340)의 하부에 전반사 필터층(350)이 형성되며, 하층으로서 트랜지스터층(360)이 형성되어 적층형 반도체 소자로서 구성된다.As the upper layer, the first to fourth photodiode layers 310 to 340 are stacked, the total
이와 같이 구성되는 적층형 반도체 소자에 있어서 각 층의 포토 다이오드는 도 4c)에서 설명한 바와 같이 매립형(Buried) 및 핀드형(Pinned) 구조로서 형성되며, 각층의 포토 다이오드와 트랜지스터를 연결하는 구조로서 4개층의 포토다이오드층과 모두 연결되는 트랜치홈을 형성하여 콘텍부(401)로 병렬 연결한 구조이다. 즉, 여러 개의 포토 다이오드를 병렬로 연결하여 하나의 검출 회로를 활용하여 읽어내는 것이다. 여기서 검출회로는 트랜지스터층(360)의 메탈층(도면에서는 표시안됨)의 회로를 말한다.In the stacked semiconductor device configured as described above, the photodiodes of each layer are formed as buried and pinned structures as described in FIG. 4C), and the four layers are connected to the photodiodes and transistors of each layer. Forming trench grooves are connected to all the photodiode layer of the structure is connected in parallel to the contact portion (401). In other words, several photodiodes are connected in parallel and read using one detection circuit. The detection circuit here refers to a circuit of a metal layer (not shown) of the
도 7b는 본 발명에 의한 적층형 반도체 소자의 다른 검출방식 예를 보인 구 조도이다. 이에 도시된 바와 같이, 상층으로서, 제1-제4포토다이오드층(310 -340)이 적층 형성되고, 제4포토 다이오드층(340)의 하부에 전반사 필터층(350)이 형성되며, 하층으로서 트랜지스터층(360)이 형성되어 적층형 영상소자로서 구성되고, 각 포토다이오드층과 상기 트랜지스터층을 각각 연결하는 콘텍부(501)를 형성하여 여러 개의 포토 다이오드를 각기 별도의 검출 회로로 구성하여 정보를 읽어내도록 구성된 것이다. 이후에 상기 각 검출회로의 신호들을 아날로그적 혹은 디지털적으로 픽셀 내 혹은 픽셀 밖에서 합치는 방식이 있다. 혹은 두 방식을 적절하게 혼합하는 방식이 있을 수 있다.7B is a structural diagram showing another example of a detection method of a stacked semiconductor device according to the present invention. As shown therein, the first to fourth photodiode layers 310 to 340 are stacked as an upper layer, and the total
한편, 상기의 구조는 트랜지스터 층 이전에 전반사층(350)을 둘 수가 있어 트랜지스터 오동작이나 잡음을 최소화 할 수 있다. 일반적인 후면 입사형 영상소자처럼 국부적인 빛 가리개를 만들 필요성이 없어 기술적으로 구현이 용이하다.In the meantime, the
그리고, 본 발명의 반도체 소자는 1 ~ 4층의 포토다이오드 층으로 한정되는 것은 아니고 필요에 따라 더 늘리거나 줄일 수 있다.In addition, the semiconductor device of the present invention is not limited to one to four photodiode layers, but may be further increased or reduced as necessary.
TDI(Time delayed integration) 소자란 라인스캔 카메라의 한 종류로써, 아주 빛의 양이 부족한 경우에 효과적인 노출(effective exposure)를 늘려주는 목적으로 개발된 것으로써 라인 카메라가 대상물체를 스캔하여 영상을 획득할 때 대상물체의 속도에 맞추어 전하를 이동하거나 고속으로 영상을 읽어 아날로그 혹은 디지털적으로 합쳐서 읽어내는 방식으로 동작하는 것이다.TDI (Time delayed integration) device is a kind of line scan camera. It was developed to increase effective exposure in the case of very low amount of light. The line camera scans an object and acquires an image. In this case, it works by moving charges at the speed of the object or reading images at high speed and combining them analog or digital.
도 8은 본 발명에 의한 적층형 구조의 타임 딜레이 집적(TDI; Time delayed integration) 반도체 소자의 동작원리 설명도이다.FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating a principle of operation of a time delayed integration (TDI) semiconductor device having a stacked structure according to the present invention.
필터 스택(300)과; 상기 필터 스택(300)의 하부에 적층된 복수의 포토 다이오드층(310 - 340)과, 상기 포토다이오드층(340)의 하부에 형성된 전반사층(350)과, 전반사층(350) 하부에 형성된 트랜지스터층(360)으로 구성되고, 상기 트랜지스터층(360)과 상기 적층된 복수의 포토 다이오드층(310 - 340)은, 각 화소별로 포토다이오드들이 독립적으로 트랜지스터층의 검출회로가 연결되고, 각 검출회로는 후단의 검출회로와 병렬연결되어 노출에 의해 포토다이오드층에서 발생되는 전하들이 다음 화소로 이전되어 합산된 전하량으로 검출하도록 검출회로가 구성된다. A
따라서, 앞 화소에서 노출에 의해 검출된 전하는 다음 화소로 이전되고, 최종 출력단에서는 이전 전하가 합쳐져서 총 전하가 검출되는 것이다. 적층형 영상 소자도 이와 같은 동작이 가능하다. 트랜지스터에서 읽어낸 화소의 영상정보는 이웃한 화소로 이송되어 다양한 방법으로 새로운 노출에 의한 영상정보와 합쳐질 수 있다. 아날로그 신호를 전송하는 방식도 있고, 디지털 정보를 전송할 수도 있다. Therefore, the charge detected by the exposure in the previous pixel is transferred to the next pixel, and the total charge is detected by the sum of the previous charges in the final output terminal. The stacked image device can perform the same operation. Image information of pixels read from the transistor may be transferred to neighboring pixels and merged with image information of a new exposure in various ways. There is also a method of transmitting analog signals, or digital information.
디지털로의 변환과 정보의 누적은 화소내에서 혹은 칩의 다른 부분에서 혹은 외부에서 이루어질 수 있다. 이러한 기술은 상기 도 7b와 같이 각 포토 다이오드를 별로의 검출회로로 구성하여 트랜지스터층의 회로에서 신호를 합쳐주는 방식으로서 새로운 노출에 의해 검출되는 영상정보와 합쳐지는 것이다.The conversion to digital and the accumulation of information can occur in pixels, in other parts of the chip, or externally. In this technique, as shown in FIG. 7B, each photodiode is configured as a separate detection circuit to combine signals in a circuit of a transistor layer, and is combined with image information detected by a new exposure.
한편, 본 발명의 TDI 영상소자는 외부 컬러 필터 조합에 의해 각 파장별 선택적 검출 가능해진다. On the other hand, the TDI imaging device of the present invention can be selectively detected for each wavelength by an external color filter combination.
도 9는 본 발명에 의한 적층형 반도체 소자의 내부 필터 삽입 구조의 구성도이다.9 is a configuration diagram of an internal filter insertion structure of a stacked semiconductor device according to the present invention.
필터 스택을 보호하기 위한 산화막(370)과; 그 산화막(370)의 하부에서 각 파장 대역별로 분리 설치되는 복수의 필터 스택(301 - 303)과; 상기 필터 스택(301-303)에 대응해서 각기 분리 구성되고, 각 필터 스택(301 - 303)의 하부에 각각 적층된 복수의 포토 다이오드층(310 - 340)과, 상기 포토다이오드층(340)의 하부에 일체로 연결 형성된 전반사층(350)과, 상기 전반사층(350) 하부에 상기 필터 스택의 분리에 대응되게 분리 형성되어 각 파장 대역별로 영상신호를 읽어내는 트랜지스터층(360)으로 구성된다. 여기서, 각 포토다이오드층과 트랜지스터층은 필터 스택에 따라 하부로 분리 구성되고, 각각 검출회로가 독립되어 구성된다. 여기서, 도면의 분리영역으로 표시된 부분은 화소분리 및 콘텍 영역으로서 하나의 화소에서 각 포토다이오드층과 트랜지스터층을 병렬 연결하는 병렬연결 콘텍부나, 하나의 화소에서 각 포토다이오드층과 트랜지스터층을 각각 독립적으로 연결하는 직렬 연결 콘텍부를 구성한다.(참조 도 7a, 7b) An
또한, 상기 칼라필터는 외부에도 설치가 가능하다. 도 10은 본 발명에 의한 적층형 반도체 소자의 외부 필터 삽입 구조의 구성도이다.In addition, the color filter can be installed outside. 10 is a configuration diagram of an external filter insertion structure of a stacked semiconductor device according to the present invention.
필터 스택을 보호하기 위한 산화막(370)과; 그 산화막(370)의 하부에 형성되는 무반사 코팅 또는 적외선 차단 필터인 필터 스택(300)과; 상기 필터 스택(300)의 하부에 적층형 구조로 형성되고, 외부의 필터의 분리 구조에 대응해서 분리구성되는 적층된 복수의 포토 다이오드층(310 - 340)과, 상기 포토다이오드층(340)의 하부에 일체로 연결 형성된 전반사층(350)과, 상기 전반사층(350) 하부에 상기 포토다이오드층의 분리구성에 대응해서 분리 형성되는 트랜지스터층(360) 으로 이루어지고, 상기 산화막(370)의 상부에 각 파장 대역별로 분리 설치되는 복수의 외부 칼라 필터(301' - 303')를 포함하여 구성된다. 여기서, 각 포토다이오드층과 트랜지스터층은 필터 스택에 따라 하부로 분리 구성되고, 각각 검출회로가 독립되어 구성된다. 여기서, 도면의 분리영역으로 표시된 부분은 화소분리 및 콘텍 영역으로서 하나의 화소에서 각 포토다이오드층과 트랜지스터층을 병렬 연결하는 병렬연결 콘텍부나, 하나의 화소에서 각 포토다이오드층과 트랜지스터층을 각각 독립적으로 연결하는 직렬 연결 콘텍부를 구성한다.(참조 도 7a, 7b) An
이와 같이 본 발명에 의한 적층형 반도체 소자는 기본적으로 질화막 다음에 필터 스택을 구현하여 무반사코팅이나 적외선 제거(IR-Cut) 필터등으로 사용되도록 하였다. 이와 같은 개념을 더욱 확대하여 영상소자부 상단에 서로 다른 컬러필터를 두어 다른 파장 대역을 선택하게 하고, 적층형 소자로써 각각의 파장에 따른 최적의 광변환 효율을 얻도록 최적화가 가능하다. 질화막 이후에 설치하는 것은 시스템의 복잡성을 최소화하는 장점이 있으나, 외부에도 설치가 가능하다. 이 경우 파장 대역을 비교적 자유롭게 선택할 수 있는 장점이 있으나 조립시 주의가 요구된다. 또한 컬러 필터나 시스템의 초점 등의 최적화를 목적으로 두께나 재질 특성 등을 자유롭게 선택할 수 있다.As described above, the stacked semiconductor device according to the present invention basically implements a filter stack after the nitride film so as to be used as an anti-reflection coating or an infrared ray elimination (IR-Cut) filter. This concept can be further expanded to select different wavelength bands by placing different color filters on the upper portion of the image device unit, and can be optimized to obtain an optimal light conversion efficiency according to each wavelength as a stacked type device. Installation after the nitride film has the advantage of minimizing the complexity of the system, but can be installed externally. In this case, there is an advantage that the wavelength band can be selected relatively freely, but care must be taken during assembly. In addition, thickness and material properties can be freely selected for the purpose of optimizing the color filter or system focus.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 적층형 반도체 소자는, 상층을 적층형 포토다이오드를 구성하고, 하층에 트랜지스터층을 구성하여 하나의 픽셀 영역에서 다파장의 빛을 감지할 수 있는 반도체 소자를 제공할 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, the stacked semiconductor device according to the present invention may provide a semiconductor device capable of sensing light having multiple wavelengths in one pixel region by forming a stacked photodiode on an upper layer and a transistor layer on a lower layer. It can be effective.
또한, 본 발명에 의한 적층형 포토다이오드 구조를 이용한 영상소자는 짧은 파장은 주로 상층부에서 긴 파장 대역은 상층부에서 하층부로의 여러 포토다이오드에 의해 검출하도록 함으로써 넓은 파장영역에 걸쳐 파장대역별 광전 변환효율을 높일 수 있는 효과가 있다.In addition, in the image device using the stacked photodiode structure according to the present invention, short wavelengths are mainly detected in the upper portion and long wavelength bands are detected by various photodiodes from the upper portion to the lower portion, thereby improving photoelectric conversion efficiency for each wavelength band over a wide wavelength range. It can be effective.
또한, 본 발명은 후방입사 적층형 반도체 소자를 제조할 때 제거해야할 웨이퍼의 상면부에 식각 정지층을 형성하고, 그 상부에 다층의 포토다이오드 및 트랜지스터층을 형성하고, 소자 제조시에 상기 식각 정지층을 이용해 웨이퍼를 식각함으로써 원하는 두께로 조절이 용이하고 수율을 높일 수 있다.In addition, the present invention is to form an etch stop layer on the upper surface of the wafer to be removed when fabricating the back-incidence stacked semiconductor device, to form a multi-layered photodiode and transistor layer on top, the etch stop layer during device manufacturing By etching the wafer, the desired thickness can be easily adjusted and the yield can be increased.
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