KR100819746B1 - 3차원 구조의 적층 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체기판과, 상기 반도체기판상에 형성되는 다공성 실리콘 또는 분리가 가능한 중간막질과, 상기 중간막질 위에 형성된 제1전도형(P형)의 단결정 에피층과, 상기 제1전도형(P형)의 단결정 에피층의 표면으로부터 아래쪽으로 오목하게 확산 형성된 제2도전형(N형)의 불순물층과, 상기 제1전도형(P형)의 단결정 에피층과 인접되며 제2도전형(N형)의 불순물층 표면에 형성되는 게이트 전극과, 상기 게이트 전극의 표면만을 외부로 노출시키면서 제1전도형(P형)의 단결정 에피층 및 제2도전형(N형)의 불순물층 표면 전체에 도포되는 SiO2층을 포함하는 광검출소자와; 반도체기판과, 상기 반도체기판상에 형성되는 하나 또는 복수의 전압감지부와, 상기 전압감지부를 포함하는 반도체기판상에 형성되는 층간절연층과, 상기 층간절연층내에 소정의 패턴 형태로 내재되어 상기 광검출소자 적층 접합을 위한 복수의 메탈라인을 포함하는 신호검출회로부로 구성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 접합을 이용한 적층형 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.
광검출소자, 신호검출회로부, 적층, 이미지센서, 메탈라인, 반도체기판
Description
도 1은 종래의 이미지센서의 개략적 구조도 및 APS 회로도.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 따른 3차원 구조의 적층 이미지센서 및 그 제조방법에 대한 일 실시예로서, 포토다이오드 제조 공정을 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 구조의 적층 이미지센서에 대한 일 실시예를 나타내는 회로도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 전달게이트 102: 포토다이오드영역
103 : 신호검출회로부 201 : 게이트 전극
200 : 포토다이오드 202 : 제2도전형(N형)의 불순물층
203 : 제1도전형(P형)의 단결정 에피층
204 : 분리가 가능한 중간막질 205 : 기판
206 : SiO2층 300 : 신호검출회로부
302 : 반도체기판 304 : 층간절연층
306 : 메탈라인 308 : 수직형태의 메탈라인
310 : 수평형태의 최상위 메탈라인 312 : 소스팔로워
314 : 전압감지부 316 : 커패시터
본 발명은 3차원 구조의 적층 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이미지센서의 포토 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 이미지 인식 소자로 사용되는 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기 신호로 바꾸어 처리해주는 회로 부분으로 구성되어 있다.
상기 광감지부는 단위화소로 입사하는 빛을 전자정공쌍으로 바꾸어 주는 포토다이오드로 이루어져 있으며, 통상 포토다이오드는 실리콘 기판 내부에 불순물 이온 주입 공정을 통하여 형성된다.
이렇게 구성된 포토다이오드에서는 불순물 접합층에 가해지는 역방향 바이어스에 의하여 공핍층이 형성되고, 시간이 지남에 따라 상기 공핍층에 누적되는 전하의 양을 회로적으로 읽어냄으로써 영상신호를 복원해낼 수 있다.
따라서, 상기 포토다이오드의 공핍층에 충분한 전하가 누적되기 위해서는 포토다이오드의 넓은 면적 확보가 중요하며, 이를 통하여 이미지센서의 우수한 광감도 특성을 얻어낼 수 있다.
그러나, 상술한 종래의 이미지센서에서는 포토다이오드가 단위화소 안에 신호 검출을 위한 회로 부분과 동일한 평면에 형성되기 때문에, 포토다이오드의 면적 확보에 한계가 있고 그로 인하여 우수한 광감도 특성을 얻어내기 어려운 문제점이 있다.
첨부한 도 1은 종래의 이미지센서의 개략적 구조 및 APS 회로를 도시하고 있다.
도 1에 도시된 종래의 이미지센서는 단위화소 안에 포토다이오드 영역(102)과, 신호 검출을 위한 신호검출 회로부(103)가 동일한 평면에 형성되어 있고, 그 사이에는 신호 전달을 위한 전달게이트(101)가 형성되어 있다.
또한, 상기 신호검출 회로부(103) 즉, 4개의 트랜지스터를 갖는 4T APS 회로는 리셋단자(RST), 전달게이트(TX), 소스팔로워(SF), 열선택단자(Sel)를 포함하고 있다.
따라서, 입사된 빛(L)은 포토다이오드 영역(102)의 공핍층 부분에서 전자정공쌍으로 변환되고, 빛의 세기에 비례하여 형성되는 전자정공쌍의 양은 신호검출 회로부(103)을 통하여 신호로 얻어진다.
이러한 구조 및 동작을 하는 통상적인 이미지센서의 포토다이오드는 이온 주입 공정을 통하여 실리콘기판 내부에 불순물이 주입되어 형성되고, 단위화소 안에 포토다이오드 영역 및 신호 검출을 위한 신호검출회로부가 동일한 평면에 형성됨에 따라 포토다이오드의 면적 확보에 대한 한계가 있고, 우수한 광감도 특성을 얻어내기 어려운 문제점이 있다.
한편, 종래의 포토다이오드에서는 신호 검출에 사용되는 커패시터가 포토다이오드의 공핍층에 형성되는 커패시터로 제한되어 있기 때문에, 또 다른 커패시터가 필요할 경우에는 이를 회로부분 설계시에 포함시켜 주어야 한다.
그러나, 부가적인 커패시터의 설계는 또한 상당한 실리콘 면적의 소모를 가져오기 때문에 설계의 한계성이 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 이미지센서의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고해상도의 이미지센서를 위하여 단위화소 면적이 작아지더라도 충분한 전하 용량을 확보하고 우수한 광감도 특성을 가지는 이미지센서의 포토다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 안출의 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 신호 검출에 사용되는 부가 커패시터가 포토다이오드의 제조 과정에서 형성될 수 있도록 한 점, 그리고 극소형 픽셀을 구현하고 커패시티브 커플링에 의하여 센서 신호를 읽어내는 방식의 웨이퍼 접합을 이용한 적층형 이미지센서의 포토다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 구조의 적층 이미지센서는:
반도체기판과, 상기 반도체기판상에 형성되는 중간막질과, 상기 중간막질 위에 형성된 제1전도형(P형)의 단결정 에피층과, 상기 제1전도형(P형)의 단결정 에피층의 표면으로부터 아래쪽으로 오목하게 확산 형성된 제2도전형(N형)의 불순물층과, 상기 제1전도형(P형)의 단결정 에피층과 인접되며 제2도전형(N형)의 불순물층 표면에 형성되는 게이트 전극과, 상기 게이트 전극의 표면만을 외부로 노출시키면서 제1전도형(P형)의 단결정 에피층 및 제2도전형(N형)의 불순물층 표면 전체에 도포되는 SiO2층을 포함하는 포토다이오드와;
반도체기판과, 소스팔로워를 포함하며 상기 반도체기판상에 형성되는 하나 또는 복수의 전압감지부와, 상기 전압감지부를 포함하는 반도체기판상에 형성되는 층간절연층과, 상기 층간절연층내에 소정의 패턴 형태로 내재되어 상기 포토다이오드 적층 접합을 위한 복수의 메탈라인을 포함하는 신호검출회로부로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 포토다이오드의 제2도전형 불순물층과 메탈라인의 최상위 메탈라인 사이에 커패시터가 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 메탈라인은 층간절연층에 내재되는 수직형태의 메탈라인과, 층간절연층의 상면에 노출되며 위치하는 수평형태의 최상위 메탈라인으로 구성된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 포토다이오드(200)의 게이트 전극의 표면만을 외부로 노출시키면서 제1전도형(P형)의 단결정 에피층 및 제2도전형(N형)의 불순물층 표면 전체에 도포된 SiO2층이 상기 신호검출회로부의 최상위 메탈라인 위에 고유전율을 갖는 열경화성 접착제로 접착되는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 구조의 적층 이미지센서 제조방법은:
반도체기판의 제공단계와, 상기 반도체기판상에 중간막질을 형성하는 단계와, 상기 중간막질 위에 제1전도형(P형)의 단결정 에피층을 형성하는 단계와, 상기 제1전도형(P형)의 단결정 에피층의 표면으로부터 아래쪽으로 오목하게 제2도전형(N형)의 불순물층을 확산 형성하는 단계와, 상기 제1전도형(P형)의 단결정 에피층과 인접되게 하면서 제2도전형(N형)의 불순물층 표면에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극의 표면만을 외부로 노출시키면서 제1전도형(P형)의 단결정 에피층 및 제2도전형(N형)의 불순물층 표면 전체에 SiO2층을 도포하는 단계로 이루어지는 포토다이오드 제조 공정;
반도체기판의 제공 단계와, 상기 반도체기판상에 소스팔로워를 포함하는 하나 또는 복수의 전압감지부를 형성하는 단계와, 상기 전압감지부를 포함하는 반도체기판상에 층간절연층을 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드 접합을 위한 복수의 메탈라인을 상기 층간절연층내에 소정의 패턴 형태로 형성하는 단계로 이루어지는 신호검출회로부의 구비 공정; 및
상기 포토다이오드를 뒤집어서, 게이트 전극의 표면만을 외부로 노출시키면서 제1전도형(P형)의 단결정 에피층 및 제2도전형(N형)의 불순물층 표면 전체에 도포된 SiO2층이 상기 신호검출회로부의 최상위 메탈라인 위에 고유전율을 갖는 열경화성 접착제로 접착하여 가열 고정시키는 공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 포토다이오드를 뒤집어 부착시킴에 따라, 상기 제1전도형(P형)의 단결정 에피층과 접하고 있는 분리가 가능한 중간막질을 이 중간막질과 접하고 있던 반도체기판에서 분리시키는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 따른 3차원 구조의 적층 이미지센서 및 그 제조방법에 대한 일 실시예로서, 포토다이오드 제조 공정을 보여주는 단면도이다.
도 2a는 단결정 에피층 위에 형성된 포토다이오드 제조 공정을 보여주고 있는데, 먼저 본 발명에 따른 포토다이오드(200)를 제조하기 위하여 반도체기판(205)과 분리가 가능한 중간막질(204)를 차례로 쌓는데, 이 중간막질(204)과 인접한 상하 부분은 후술하는 바와 같이 포토다이오드 제조의 마지막 단계에서 충격이 가해짐으로써 서로 분리된다.
또한, 상기 중간막질(204) 위에 제1도전형(P형)의 단결정 에피층(203)이 형성되고, 이 단결정 에피층(203)상의 요부에는 제2도전형(N형)의 불순물층(202)이 오목하게 확산 형성되며, 상기 불순물층(202)의 상면 일측부분에는 전달 게이트(201) 즉, 트랜스퍼 트랜지스터 게이트전극(201)이 인접되며 형성된다.
이어서, 상기 제1도전형(P형)의 단결정 에피층(203) 및 제2도전형(N형)의 불순물층(202)의 상면, 그리고 게이트 전극(201)의 둘레면 부위를 필드산화막인 SiO2층(206)으로 덮어줌으로써, 본 발명에 따른 포토다이오드(200)가 구현되며, 이때 상기 게이트 전극(201)의 상면은 외부로 노출된 상태가 된다.
이렇게 제조된 포토다이오드(200)로부터 상기 반도체기판(205)은 이미지센서의 제조후 마지막 단계에서 일정한 수준의 충격을 가해주어 제거하게 된다.
여기서, 상기와 같이 제조된 포토다이오드를 이용한 이미지센서 및 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 2b는 상기 포토다이오드(200)를 신호검출회로부(300) 즉, 전압감지부(314)에 뒤집어 접합함으로써 구현되는 이미지센서의 제조 공정을 보여주고 있다.
먼저, 반도체기판 즉, 실리콘기판(302)위에 소스팔로워(312)와 열선택 게이트로 구성된 전압감지부(314)를 구성하고, 상기 전압감지부(314) 위에는 복수의 메탈라인(306)을 포함하는 층간절연층(304)을 형성한다.
보다 상세하게는, 상기 메탈라인(306)은 층간절연층(304)에 내재되는 수직형태의 메탈라인(308)과, 이 수직형태의 메탈라인(308)으로부터 연장되어 상기 층간절연층(304)의 상면에 노출되며 위치하는 수평형태의 최상위 메탈라인(310)으로 구분될 수 있다.
이러한 과정을 거친 후, 최상위 메탈라인(310) 위에 상술한 바와 같이 제조된 포토다이오드(200)를 뒤집어 접합하게 되는데, 이때에 고유전율을 갖는 열경화성 접착제를 사용하여 접착하고 가열하여 고정시킨다.
즉, 상기 포토다이오드(200)를 뒤집어서, 게이트 전극(201)의 표면만을 외부로 노출시키면서 제1전도형(P형)의 단결정 에피층(203) 및 제2도전형(N형)의 불순물층(202) 표면 전체에 도포된 SiO2층(206)을 상기 신호검출회로부(300)의 최상위 메탈라인(310) 위에 고유전율을 갖는 열경화성 접착제로 접착하여 가열 고정시키되, 게이트 전극(201)이 외부 컨트롤 신호 라인에 연결되도록 한다.
마지막 과정에서, 상기 포토다이오드(200)를 뒤집어 부착시킴에 따라, 상기 단결정 에피층(203)과 접하고 있는 중간막질(204) 및 반도체 기판(205)에 충격(소정의 분리수단을 이용하여 톡치는 정도의 충격)을 가하여, 중간막질(204) 및 이 중간막질(204)과 접하고 있던 기판(205)을 분리시켜줌으로써, 최종적인 이미지센서로 제조되어진다.
이와 같이, 본 발명의 이미지센서는 단위화소내에 포토다이오드(200) 및 신호검출회로부(300)를 적층 구성하여 제조됨에 따라, 포토다이오드의 면적 확보에 유리한 점에 있고, 단위화소 면적이 작아지더라도 충분한 전하 용량을 확보하고 우수한 광감도 특성을 가질 수 있게 된다.
첨부한 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이미지센서의 등가회로도를 보여주고 있다.
본 발명에 따른 이미지센서는 단결정 에피층(203) 및 그 내부에 형성된 포토다이오드(200)가 상기 신호검출회로부(300)의 실리콘 기판(302)과 커패시터(316)로 연결되는 구성을 포함한다.
보다 상세하게는, 상기 커패시터(316)는 본 발명의 이미지센서 제조과정 중에 포토다이오드(200)의 제2도전형 불순물층(202)과 최상위 메탈라인(310) 사이에 형성되는 구성으로서, 상기 필드산화막인 SiO2층(206)을 포토다이오드(200)의 전위를 읽어내는 커패시터(316)로 이용할 수 있게 된다.
따라서, 종래에는 커패시터가 포토다이오드의 공핍층에 형성되는 것으로 제한되었으나, 본 발명에 따르면 부가적인 커패시터(316)가 포토다이오드(200)의 제2도전형 불순물층(202)과 최상위 메탈라인(310) 사이에 형성될 수 있으므로, 상당한 실리콘 면적을 소모하지 않고도 부가적인 커패시터를 설계할 수 있는 잇점이 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 구조의 적층 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 반도체기판, 반도체기판에 형성된 하나 또는 복수의 전압감지부, 상기 전압감지부 위에 형성되며 복수의 메탈연결선을 포함하는 하나 또는 복수의 층간절연층을 포함하는 구조 위에 포토다이오드를 뒤집어서 고유전율을 갖는 열경화성 접착제를 사용하여 적층 접착 후 가열 고정시키는 과정을 통하여, 3차원 구조의 넓은 면적을 가지는 포토다이오드를 포함하는 이미지센서를 제조할 수 있다.
또한, 포토다이오드를 뒤집어 접합하여 형성함으로써 입사되는 빛이 종래보다 포토다이오드 영역에 더 쉽게 도달되어 투과도 측면에서 유리한 효과를 기대할 수 있고, 더 우수한 광감응 효율을 제공할 수 있으며, 특히 투과도가 낮은 단파장의 블루(blue) 빛에 대한 광감응 효율을 개선시킬 수 있다.
또한, 필드산화막을 포토다이오드의 전위를 읽어내는 커패시터로 이용할 수 있는 장점이 있다.
결국, 본 발명의 이미지센서 포토다이오드는 칩이 소형화됨에 따라 나타나는 광감응 효율의 저하 및 전하 용량의 저하를 개선시켜 주며, 포토다이오드에 입사하는 빛의 투과도를 높임으로써, 투과도가 낮은 단파장 빛에 대한 광감응 효율을 높여줄 수 있고, 또한 제조 공정상 얻어지는 포토다이오드 내부의 커패시터를 신호 검출에 이용함으로써 부가 커패시터를 위한 실리콘 면적의 소모를 막을 수 있다.
Claims (6)
- 반도체기판(205)과, 상기 반도체기판(205)상에 형성되는 중간막질(204)과, 상기 중간막질(204) 위에 형성된 제1전도형(P형)의 단결정 에피층(203)과, 상기 제1전도형(P형)의 단결정 에피층(203)의 표면으로부터 아래쪽으로 오목하게 확산 형성된 제2도전형(N형)의 불순물층(202)과, 상기 제1전도형(P형)의 단결정 에피층(203)과 인접되며 제2도전형(N형)의 불순물층(202) 표면에 형성되는 게이트 전극(201)과, 상기 게이트 전극(201)의 표면만을 외부로 노출시키면서 제1전도형(P형)의 단결정 에피층(203) 및 제2도전형(N형)의 불순물층(202) 표면 전체에 도포되는 SiO2층(206)을 포함하는 포토다이오드(200)와;반도체기판(302)과, 소스팔로워(312)를 포함하며 상기 반도체기판(302)상에 형성되는 하나 또는 복수의 전압감지부(314)와, 상기 전압감지부(314)를 포함하는 반도체기판(302)상에 형성되는 층간절연층(304)과, 상기 층간절연층(304)내에 소정의 패턴 형태로 내재되어 상기 포토다이오드(200)의 적층 접합을 위한 복수의 메탈라인(306)을 포함하는 신호검출회로부(300);로 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 적층 이미지센서.
- 청구항 1에 있어서, 상기 메탈라인(306)은 층간절연층(304)에 내재되는 수직형태의 메탈라인(308)과, 층간절연층(304)의 상면에 노출되며 위치하는 수평형태의 최상위 메탈라인(310)으로 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 적층 이미지센서.
- 청구항 1에 있어서, 상기 포토다이오드(200)의 제2도전형 불순물층(202)과 메탈라인(306)의 최상위 메탈라인(310) 사이에 커패시터(316)가 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 적층 이미지센서.
- 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 포토다이오드(200)의 게이트 전극(201)의 표면만을 외부로 노출시키면서 제1전도형(P형)의 단결정 에피층(203) 및 제2도전형(N형)의 불순물층(202) 표면 전체에 도포된 SiO2층(206)이 상기 신호검출회로부(300)의 최상위 메탈라인(310) 위에 고유전율을 갖는 열경화성 접착제로 적층 접착되는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 적층 이미지센서.
- 반도체기판(205)의 제공단계와, 상기 반도체기판(205)상에 중간막질(204)을 형성하는 단계와, 상기 중간막질(204) 위에 제1전도형(P형)의 단결정 에피층(203)을 형성하는 단계와, 상기 제1전도형(P형)의 단결정 에피층(203)의 표면으로부터 아래쪽으로 오목하게 제2도전형(N형)의 불순물층(202)을 확산 형성하는 단계와, 상기 제1전도형(P형)의 단결정 에피층(203)과 인접되게 하면서 제2도전형(N형)의 불순물층(202) 표면에 게이트 전극(201)을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극(201)의 표면만을 외부로 노출시키면서 제1전도형(P형)의 단결정 에피층(203) 및 제2도전형(N형)의 불순물층(202) 표면 전체에 SiO2층(206)을 도포하는 단계로 이루어지는 포토다이오드(200) 제조 공정;반도체기판(302)의 제공 단계와, 상기 반도체기판(302)상에 소스팔로워(312)를 포함하는 하나 또는 복수의 전압감지부(314)를 형성하는 단계와, 상기 전압감지부(314)를 포함하는 반도체기판(302)상에 층간절연층(304)을 형성하는 단계와, 상기 포토다이오드(200)의 적층 접합을 위한 복수의 메탈라인(306)을 상기 층간절연층(304)내에 소정의 패턴 형태로 형성하는 단계로 이루어지는 신호검출회로부(300)의 구비 공정; 및상기 포토다이오드(200)를 뒤집어서, 게이트 전극(201)의 표면만을 외부로 노출시키면서 제1전도형(P형)의 단결정 에피층(203) 및 제2도전형(N형)의 불순물층(202) 표면 전체에 도포된 SiO2층(206)을 상기 신호검출회로부(300)의 최상위 메탈라인(310) 위에 고유전율을 갖는 열경화성 접착제로 적층 접착하여 가열 고정시키는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 적층 이미지센서 제조 방법.
- 청구항 5에 있어서, 상기 포토다이오드(200)를 뒤집어 상기 신호검출회로부(300)에 적층 부착시킨 후, 상기 제1전도형(P형)의 단결정 에피층(203)과 접하고 있는 중간막질(204) 및 반도체 기판(205)에 충격을 가하여, 중간막질(204) 및 이 중간막질(204)과 접하고 있던 반도체기판(205)을 분리시키는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 적층 이미지센서 제조 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020070013629A KR100819746B1 (ko) | 2007-02-09 | 2007-02-09 | 3차원 구조의 적층 이미지센서 및 그 제조방법 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220006178A (ko) | 2020-07-08 | 2022-01-17 | 주식회사 디비하이텍 | 3차원 이미지 센서 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020045864A (ko) * | 2000-12-11 | 2002-06-20 | 박종섭 | 이미지 센서의 포토다이오드 및 그 제조 방법 |
-
2007
- 2007-02-09 KR KR1020070013629A patent/KR100819746B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
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