KR100825808B1 - 후면 조명 구조의 이미지 센서 및 그 이미지 센서 제조방법 - Google Patents

후면 조명 구조의 이미지 센서 및 그 이미지 센서 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광감도를 극대화하고 픽셀 당 수광 면적, 즉 포화도를 극대화할 수 있는 후면 조명 구조의 이미지 센서 및 그 이미지 센서 제조방법을 제공한다. 그 이미지 센서는 제1 웨이퍼 상에 형성된 포토 다이오드 및 트랜스퍼 게이트 트랜지스터(transfer gate transistor)를 포함하는 포토 다이오드부; 상기 포토 다이오드부 상부로 접합된 제2 웨이퍼 상에 형성된 신호처리 및 제어 트랜지스터 및 배선 라인을 포함하는 배선 라인부; 상기 배선 라인부 상부에 접합된 지지대 기판; 및 상기 제1 웨이퍼 하부에 형성된 필터부;를 포함한다. 또한, 그 이미지 센서 제조방법은 제1 웨이퍼 상에 포토 다이오드 및 트랜스퍼 게이트 트랜지스터를 포함한 포토 다이오드부를 형성하는 단계; 제2 웨이퍼를 상기 포토 다이오드부 상부로 접합하고 상기 제2 웨이퍼 상에 신호처리 및 제어 트랜지스터 및 배선 라인을 포함하는 배선 라인부를 형성하는 단계; 상기 배선 라인부 상부로 지지대 기판을 접합하는 단계; 및 상기 제1 웨이퍼 하부로 필터부를 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

후면 조명 구조의 이미지 센서 및 그 이미지 센서 제조방법{Image sensor having backside illumination structure and method of the same image sensor}
도 1은 종래의 3차원 집적(3D-integration) 방식의 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 조명 구조의 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 3a ~ 3i는 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면 조명 구조의 이미지 센서 제조방법을 보여주는 단면도들이다.
<도면에 주요부분에 대한 설명>
100: 포토 다이오드부 110,110a:제1 웨이퍼
120: 포토 다이오드 130: 플로팅 디퓨전 영역
140: 트랜스퍼 게이트 트랜지스터 150: 제1 절연층
200: 배선 라인부 210,210a: 제2 웨이퍼
220: 신호처리 및 제어 트랜지스터 230: 배선 라인
232: 제1 배선 라인 234: 제2 배선 라인
236: 제3 배선 라인 240: 수직 컨택 또는 비아
250: 제2 절연층 300: 지지대 기판
400: 필터부 410: 필터 어레이
420: 마이크로 렌즈
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 3차원 집적 방식을 이용한 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD)와 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 이미지 센서가 있다.
이 중에서 CCD는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 방식을 채용한 소자이다. 한편, CMOS(Complementary MOS) 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하며, 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
CMOS 이미지 센서는 CCD에 비해 구동방식이 간편하며, 신호처리회로를 한 칩에 집적할 수 있기 때문에 SOC(System On Chip)의 구현이 가능하여 모듈의 소형화에 유리하다. 그에 따라, 현재 모바일 폰(mobile phone), PC(Personal Computer)용 카메라 및 전자기기 등에서 광범위하게 사용되고 있다.
도 1은 종래의 3차원 집적(3D integration) 방식의 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서는 기판에 형성된 포토 다이오드(10, Photo Diode:PD)를 포함하는 수광부, 배선 라인층(20), 컬러 필터 어레이(30, Color Filter Array: CFA), 및 마이크로 렌즈(40, micro-lens)를 포함한다. 한편, 배선 라인층(20)은 도시한 바와 같이 컬러 필터 어레이(30)와 포토 다이오드(10) 사이에 존재하고 투명한 절연막 사이로 형성된 다층의 여러 배선 라인들(M1 ~ M4)로 구성된다.
이와 같은 종래의 이미지 센서는 제조 공정 특히 BEOL(Back End Of Line) 즉, 메탈라인 공정은 반도체 소자의 제조 공정과 유사하다. 이때, PMD(Pre-Metal Dielectric)와 IMD(Inter-Metal Dielectric) 및 보호막(passivation layer) 등을 형성하기 위하여 서로 상이한 절연 물질이 사용되어야 하며, 이로 인해 각 물질층 간 계면(Interface)에서 빛의 난반사 현상이 발생하여 광감도(sensitivity)를 떨어뜨린다. 또한, 상이한 절연막으로 인해 서로 다른 굴절률을 가지기 때문에 빛의 굴절에 의해 광감도가 떨어지기도 한다. 이와 함께, 종래의 CMOS 이미지 센서를 형성함에 있어서는, 포토 다이오드 형성 후에 메탈 배선 라인들(M1 ~ M4) 및 복수의 절연막 형성 및 평탄화 공정을 실시하여야 하므로 이에 따른 불량도 야기된다.
한편, 종래의 이미지 센서의 경우, 포토 다이오드 주위로 신호처리 및 제어를 위한 다수의 트랜지스터가 배치되어 픽셀 당 빛을 수광하는 면적이 작다. 즉, 픽셀 당 수광영역의 포화도(saturation)가 낮다. 그에 따라, 노이즈가 증가할 수 있고, 또한 노이즈에 따른 이미지 손실의 위험성이 증가되어 화질이 열화되는 문제 등이 발생하고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 이미지 센서의 문제를 해결하여 광감도를 극대화하고 픽셀 당 수광 면적, 즉 포화도를 극대화할 수 있는 후면 조명 구조의 이미지 센서 및 그 이미지 센서 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 제1 웨이퍼 상에 형성된 포토 다이오드 및 트랜스퍼 게이트 트랜지스터(transfer gate transistor)를 포함하는 포토 다이오드부; 상기 포토 다이오드부 상부로 접합된 제2 웨이퍼 상에 형성된 신호처리 및 제어 트랜지스터 및 배선 라인을 포함하는 배선 라인부; 상기 배선 라인부 상부에 형성된 지지대 기판; 및 상기 제1 웨이퍼 하부에 형성된 필터부;를 포함하는 후면 조명(backside illumination) 구조의 이미지 센서를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 웨이퍼는 수소 이온주입(implantation) 공정이 수행된 웨이퍼이고, 상기 배선 라인부는 상기 제2 웨이퍼가 상기 포토 다이오드부 상부에 접합되고 스마트 컷(smart-cut)을 통해 소정 부분이 제거되어 남은 부분에 상기 신호처리 및 제어 트랜지스터 및 배선 라인이 형성되어 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제2 웨이퍼는 적층 및 열처리를 통해 상기 포토 다이오드부 상부에 접합될 수 있다.
한편, 상기 포토 다이오드부는 상기 포토 다이오드 주변 상부로 형성된 플로팅 디퓨전(floating difusion) 영역, 및 상기 포토 다이오드 및 트랜스퍼 게이트 트랜지스터가 형성된 상기 제1 웨이퍼 전면으로 형성된 절연층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 신호처리 및 제어 트랜지스터는 소스 팔로어 트랜지스터(source follower transistor), 선택 트랜지스터(selection transistor), 및 리셋 트랜지스터(reset transistor)를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 이미지 센서는 포화도(saturation)를 최대로 하기 위하여, 상기 포토 다이오드부는 1개의 포토 다이오드 당 1개의 트랜지스터(1Tr/pixel)를 갖는 구조를 가진다. 또한, 상기 필터부가 빛을 파장에 따라 투과시키는 필터 어레이(filter array) 및 상기 필터 어레이로 빛을 집광하기 위한 마이크로 렌즈(micro-lens)를 포함하여, 상기 이미지 센서는 상기 필터부를 통해 상기 포토 다이오드로 바로 빛이 입사되는 구조를 갖는다. 이러한 본 발명의 이미지 센서는 빛이 입사되는 상기 포토 다이오드 하부와 반대방향인 상기 포토 다이오드 상부로 상기 배선 라인부가 배치되어 빛에 대한 광감도(sensitivity)가 극대화될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 제1 웨이퍼 상에 포토 다이오드 및 트랜스퍼 게이트 트랜지스터를 포함한 포토 다이오드부를 형성하는 단계; 제2 웨이퍼를 상기 포토 다이오드부 상부로 접합하고 상기 제2 웨이퍼 상에 신호처리 및 제어 트랜지스터 및 배선 라인을 포함하는 배선 라인부를 형성하는 단계; 상기 배선 라인부 상부로 지지대 기판을 접합하는 단계; 및 상기 제1 웨이퍼 하부로 필터부를 형성하는 단계;를 포함하는 후면 조명 구조의 이미지 센서 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 포토 다이오드부 형성 단계는, 상기 제1 웨이퍼 상에 포토 다이오드를 형성하는 단계; 상기 포토 다이오드 주변 상부로 플로팅 디퓨젼 영역을 형성하는 단계; 상기 포토 다이오드 상부에 상기 트랜스퍼 게이트 트랜지스터 형성하는 단계; 및 상기 제1 웨이퍼 전면으로 절연층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 웨이퍼는 수소 이온주입 공정이 수행된 웨이퍼이고, 상기 제2 웨이퍼의 접합 및 배선 라인부를 형성하는 단계는, 상기 수소 이온이 주입된 상기 제2 웨이퍼의 상면을 상기 제1 기판과 접합하여 열처리하는 단계; 상기 제2 웨이퍼의 소정 부분을 스마트-컷을 통해 제거하는 단계; 상기 남은 상기 제2 웨이퍼 상에 신호처리 및 제어 트랜지스터를 형성하는 단계; 및 상기 신호처리 및 제어 트랜지스터 상부로 BEOL(Back End Of Line) 공정을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 신호처리 및 제어 트랜지스터는 전술한 바와 같이 소스 팔로어 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 리셋 트랜지스터를 포함할 수 있다.
한편, 상기 이미지 센서 제조방법은, 상기 제1 웨이퍼 하부로 필터부를 형성하는 단계 전에 상기 제1 웨이퍼의 하면을 얇게 연마하는 단계를 포함할 수 있는데, 예컨대 상기 제1 웨이퍼는 상기 연마에 의해 10 ㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 필터부를 형성하는 단계는 상기 제1 웨이퍼 하부로 빛을 파장에 따라 투과시키는 필터 어레이를 형성하는 단계; 및 상기 필터 어레이 하부로 빛을 집 광하기 위한 마이크로 렌즈를 형성하는 단계:를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 후면 조명 구조의 이미지 센서 및 그 제조 방법은 메탈 배선 라인이 포토 다이오드 전면으로 배치되고 필터부가 후면으로 배치됨으로써, 종래 메탈 배선 라인층의 존재에 인해 발생하던 광감도 저하 문제를 효과적으로 배제시킬 수 있다. 또한, 포토 다이오드부에 하나의 포토 다이오드 당 1개의 트랜지스터만을 포함하는 구조로 형성됨으로써, 수광영역의 포화도를 극대화시킬 수 있다. 더 나아가 제2 웨이퍼를 접합한 후에 트랜지스터 및 배선 라인들이 형성됨으로써, 트랜지스터 및 배선들 간의 수직 컨택 또는 비아를 용이하게 형성할 수 있는 장점도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 조명 구조의 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 이미지 센서는 제1 웨이퍼(110) 상에 형성된 포토 다이오드부(100), 포토 다이오드부(100) 상부의 제2 웨이퍼(210) 상에 형성된 배선 라인부(200), 배선 라인부(200) 상부의 지지대 기판(300) 및 제1 웨이퍼(110) 하부에 형성된 필터부(400)를 포함한다.
포토 다이오드부(100)는 제1 웨이퍼에 형성된 포토 다이오드(120, PD), 포토 다이오드(120) 주변 상부로 형성된 플로팅 디퓨전(Floating Diffusion: FD) 영역(130)과 포토 다이오드(120) 상부로 신호 전달을 위한 트랜스퍼 게이트(Transfer Gate: TG) 트랜지스터(140)를 포함한다. 한편, 이러한 포토 다이오드(120), 플로팅 디퓨전 영역(130) 및 트랜스퍼 게이트 트랜지스터(140)가 형성된 제1 웨이퍼(110) 상부 전면으로 제1 절연층(150)이 형성되어 있다.
본 실시예에 따른 이미지 센서의 포토 다이오드부(100)는 포토 다이오드(120) 하나 당 1개의 트랜지스터, 즉 트랜스퍼 게이트 트랜지스터(140)만을 포함하므로, 종래의 이미지 센서에 비해 획기적으로 포화도(saturation)를 증가시킬 수 있다. 여기서 포화도는 단위 픽셀 면적에 대한 수광영역의 면적을 나타내는 것으로 필 펙터(fill factor)라고도 한다. 종래의 이미지 센서는 포토 다이오드가 형성된 수광영역 주위로 다수의 신호 처리 및 제어를 위한 트랜지스터들이 형성되어 낮은 포화도를 가지고 있었다. 그러나 본 실시예의 이미지 센서는 단지 트랜스퍼 게이트 트랜지스터 하나만 형성되기 때문에 포화도가 극대화될 수 있다.
배선 라인부(200)는 포토 다이오드부(100) 상부로 형성되는데, 제2 웨이퍼(210) 상에 형성된 신호처리 및 제어 트랜지스터(220), 다층의 배선 라인(230) 및 트랜지스터와 배선 라인 또는 배선 라인들 간을 전기적으로 연결하는 수직 컨택 또는 비아(240)를 포함한다. 한편, 전술한 바와 같이 제2 웨이퍼(210) 상부로는 제2 절연층(250)이 형성되며, 이러한 제2 절연층(250)은 전술한 바와 같이 상이한 절연 물질이 사용된 다수의 절연막들로 구성될 수 있다.
여기서, 신호처리 및 제어 트랜지스터(220)는 트랜스퍼 게이트 트랜지스터(140)를 제외한 소오스 팔로어(source follower) 트랜지스터, 선택(selection) 트랜지스터, 리셋(reset) 트랜지스터 등이 될 수 있다. 트랜스퍼 게이트 트랜지스터(140)를 비롯한 이러한 신호처리 및 제어 트랜지스터(220)는 수직 컨택 또는 비아(240)를 통해 배선 라인(230)과 연결되게 된다.
도 2 부분에서 좀더 상세히 설명하겠지만, 본 실시예에 따른 수직 컨택 또는 비아(240)는 포토 다이오드부(100) 상부로 제2 웨이퍼가 접합된 후에 배선 라인(230) 공정과 함께 형성되기 때문에 얼라인을 맞추기 쉽고 그에 따라 수직 컨택 또는 비아(240)가 매우 작은 선폭을 가지고 형성될 수 있다.
배선 라인부(200) 상부로는 지지대 기판(300)이 접합 되는데, 지지대 기판(300)은 전체 이미지 센서를 지지하는 기능을 한다.
제1 웨이퍼(110) 하부로 형성되는 필터부(400)는 빛을 파장에 따라 투과시키는 레드(red), 그린(green), 블루(blue)와 같은 컬러 필터 어레이(410) 및 필터 어레이(410) 하부로 빛을 집광하기 위한 마이크로 렌즈(420)를 포함한다.
본 실시예의 이미지 센서는 포토 다이오드가 형성된 제1 웨이퍼(110) 하부로 필터부가 형성되어 빛(A)이 웨이퍼(110)의 하부로 입사되는 후면 조명(backside illumination) 구조를 갖는다. 그에 따라, 종래 전면 조명 구조에서 빛이 배선 라인층을 거치면서 발생 되었던 문제, 즉 난반사나 굴절률 차이 등에 의해 발생하던 광감도 저하 문제를 획기적으로 해결할 수 있다. 한편, 제1 웨이퍼의 배면을 연마하여 제1 웨이퍼를 수 ㎛ 이하로 얇게 함으로써, 빛의 입사 거리를 짧게 할 수 있고 그에 따라 더욱 광감도를 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.
도 3a ~ 3i는 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면 조명 구조의 이미지 센서 제조방법을 보여주는 단면도들이다.
도 3a를 참조하면, 먼저 제1 웨이퍼(110a) 상에 포토 다이오드(120), 플로팅 디퓨전 영역(130) 및 트랜스퍼 게이트 트랜지스터(140)를 형성하고, 제1 웨이 퍼(100a) 상부 전면으로 제1 절연층(150)을 형성하여 포토 다이오드부(100)를 완성하게 된다.
도 3b를 참조하면, 제1 웨이퍼와 다른 제2 웨이퍼(210a)를 준비하고 제2 웨이퍼(210a)에 수소 이온주입(B, hydrogen implantation) 공정을 수행한다. 이러한 수소 이온주입 공정은 차후에 스마트 컷(smart cut)을 통해 제2 웨이퍼의 소정 부분을 절단하여 제거하기 위해 수행된다. 여기서 점선부분(212)으로 수소 이온이 주입되고 차후에 점선부분(212)으로 웨이퍼가 절단된다.
도 3c를 참조하면, 수소 이온주입 공정이 수행된 제2 웨이퍼(210a)를 포토 다이오드부(100) 상부로 접합하고 열처리를 수행한다. 즉, 제2 웨이퍼(210a)를 포토 다이오드부(100)로 밀착 적층하고 적절한 온도로 열처리를 행하는데, 이러한 열처리를 통해서 제2 웨이퍼의 소정부분, 즉 점선부분(212) 상부를 분리하여 제거하게 된다. 이러한 방법을 스마트 컷(smart cut)이라고 한다. 이러한 스마트 컷을 위한 열처리는 예컨대 300 ~ 600 ℃ 정도로 행할 수 있다.
도 3d를 참조하면, 포토 다이오드부(100) 상부로 소정 부분이 제거된 제2 웨이퍼(210)가 적층되어 있음을 볼 수 있는데, 제2 웨이퍼의 접합을 견고하게 하기 위하여 다소 고온의 열처리를 더 행할 수도 있다.
도 3e를 참조하면, 접합된 제2 웨이퍼(210) 상부로 신호처리 및 제어를 위한 다수의 트랜지스터(220)를 형성한다. 예컨대, 신호처리 및 제어 트랜지스터(220)는 트랜스퍼 게이트 트랜지스터를 제외한 소스 팔로어 트랜지스터, 선택 트랜지스터 및 리셋 트랜지스터 등이 될 수 있다. 한편, 이러한 신호처리 및 제어 트랜지스 터(220) 상부로는 제1 배선 라인(232) 등이 형성될 수 있는데, 이러한 제1 배선 라인(232) 형성 전에 수직 컨택 또는 비아(240)를 형성하여 신호처리 및 제어 트랜지스터(220)와 트랜스퍼 게이트 트랜지스터(140)를 제1 배선 라인(232)으로 전기적으로 연결 되도록 한다.
도 3f를 참조하면, 제1 배선 라인(232) 상부로 제2 및 제3 배선 라인(234, 236) 등의 다층의 배선 라인들이 더 형성될 수 있고, 이러한 제2 및 제3 배선 라인(234, 236)들도 수직 컨택 또는 비아(240)를 통해 전기적으로 연결됨은 물론이다. 여기서, 배선 라인(230)으로 3개의 배선 라인들을 예로 들어 설명하였지만 그 미만의 배선 라인층 또는 더 많은 배선 라인층으로 배선 라인(230)이 형성될 수 있음은 물론이다.
이와 같은, 배선 라인(230) 공정, 즉 BEOL(Back End of Line) 공정이 완료하여 배선 라인부(200)를 완성한다. 여기서, 제2 절연층(250)이 하나로 층으로 표현되고 있지만, 전술한 바와 같이 전체 배선 라인(230)이 다층의 배선 라인들로 형성되므로 배선 라인들 사이 사이의 층간 절연막들이 다른 재질의 절연재료로 형성될 수 있음은 물론이다.
도 3g를 참조하면, BEOL 공정이 완료된 배선 라인부(200) 상부로 제3 웨이퍼, 즉 지지대 기판(300)을 접합하게 되는데, 이러한 지지대 기판(300)은 전체 이미지 센서에 대한 지지대 역할을 하게 된다. 접합은 앞서 제2 웨이퍼의 접합과 마찬가지로 밀착시켜 다소 고온의 열처리 등을 통해서 이루어진다. 물론 지지대 기판은 전체적으로 이용되므로 스마트 컷과 같은 공정은 진행되지 않는다.
도 3h를 참조하면, 포토 다이오드부(100)가 형성된 제1 웨이퍼(110a)의 하면을 연마한다. 이러한 연마를 통해 제1 웨이퍼의 두께를 수 ㎛, 예컨대 10 ㎛ 이하의 정도로 만들 수 있다. 그에 따라, 차후 제1 웨이퍼(110) 하부로 형성되는 필터부를 통해 입사되는 빛의 경로를 최소화하여 포토 다이오드(120)의 감광도를 극대화할 수 있다.
도 3i를 참조하면, 제1 웨이퍼(110) 하면으로 필터부(400)를 형성한다. 즉, 컬러 필터 어레이(410) 및 마이크로 렌즈(420)를 형성한다.
본 실시예의 이미지 센서 제조방법은 빛이 입사하는 필터부(400)와 반대 방향으로 배선 라인부(200)를 형성함으로써, 종래 빛이 배선 라인층을 거치면서 난반사나 절연막들 사이의 굴절율 차이에 기인한 광감도 저하문제를 효과적으로 배제시킬 수 있다. 또한, 제2 웨이퍼를 포토 다이오드부(100)로 접합한 후에 배선 라인부(200)가 형성되기 때문에, 트랜스퍼 게이트 트랜지스터, 신호처리 및 제어 트랜지스터와 배선 라인들 간의 수직 컨택 또는 홀을 작은 선폭을 가지고 용이하게 형성할 수 있다.
한편, 본 실시예의 이미지 센서 제조방법은 포토 다이오드부가 포토 다이오드 하나당 1개의 트랜지스터, 즉 트랜스퍼 게이트 트랜지스터만을 포함하도록 형성하므로 수광영역의 포화도를 극대화시킬 수 있는 장점을 가진다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 후면 조명 구조의 이미지 센서 및 그 제조 방법은 메탈 배선 라인이 포토 다이오드 전면으로 배치되고 필터부가 후면으로 배치됨으로써, 종래 메탈 배선 라인층의 존재에 인해 발생하던 광감도 저하 문제를 효과적으로 배제시킬 수 있다.
또한, 포토 다이오드부에 하나의 포토 다이오드 당 1개의 트랜지스터만을 포함하는 구조로 형성됨으로써, 수광영역의 포화도를 극대화시킬 수 있다.
더 나아가 제2 웨이퍼를 접합한 후에 트랜지스터 및 배선 라인들이 형성됨으로써, 트랜지스터 및 배선들 간의 수직 컨택 또는 비아를 용이하게 형성할 수 있는 장점을 갖는다.

Claims (20)

  1. 제1 웨이퍼 상에 형성된 포토 다이오드 및 트랜스퍼 게이트 트랜지스터(transfer gate transistor)를 포함하는 포토 다이오드부;
    상기 포토 다이오드부 상부로 접합된 제2 웨이퍼 상에 형성된 신호처리 및 제어 트랜지스터 및 배선 라인을 포함하는 배선 라인부;
    상기 배선 라인부 상부에 접합된 지지대 기판; 및
    상기 제1 웨이퍼 하부에 형성된 필터부;를 포함하는 후면 조명(backside illumination) 구조의 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 웨이퍼는 수소 이온주입(implantation) 공정이 수행된 웨이퍼이고,
    상기 배선 라인부는 상기 포토 다이오드부 상부에 접합되는 상기 제2 웨이퍼가 스마트 컷(smart-cut)을 통해 제거되고 남은 부분에 상기 신호처리 및 제어 트랜지스터 및 배선 라인이 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 웨이퍼는 밀착 및 열처리를 통해 상기 포토 다이오드부 상부에 접합되는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 포토 다이오드부는 상기 포토 다이오드 주변 상부로 형성된 플로팅 디퓨전(floating difusion) 영역, 및 상기 포토 다이오드 및 트랜스퍼 게이트 트랜지스터가 형성된 상기 제1 웨이퍼 전면으로 형성된 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 신호처리 및 제어 트랜지스터는 소스 팔로어 트랜지스터(source follower transistor), 선택 트랜지스터(selection transistor), 및 리셋 트랜지스터(reset transistor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 상기 포토 다이오드부가 1개의 포토 다이오드 당 1개의 트랜지스터(1Tr/pixel)를 갖는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 웨이퍼는 10 ㎛ 이하의 두께를 가지되, 상기 포토 다이오드 및 트랜스퍼 게이트 트랜지스터를 합한 두께 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 필터부는 빛을 파장에 따라 투과시키는 필터 어레이(filter array) 및 상기 필터 어레이로 빛을 집광하기 위한 마이크로 렌즈(micro-lens)를 포함하고,
    상기 이미지 센서는 상기 필터부를 통해 상기 포토 다이오드로 바로 빛이 입사되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 빛이 입사되는 상기 포토 다이오드 하부와 반대방향인 상기 포토 다이오드 상부로 상기 배선 라인부가 배치되어 빛에 대한 광감도(sensitivity)가 극대화된 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
  10. 제1 웨이퍼 상에 포토 다이오드 및 트랜스퍼 게이트 트랜지스터를 포함한 포토 다이오드부를 형성하는 단계;
    제2 웨이퍼를 상기 포토 다이오드부 상부로 접합하고 상기 제2 웨이퍼 상에 신호처리 및 제어 트랜지스터 및 배선 라인을 포함하는 배선 라인부를 형성하는 단계;
    상기 배선 라인부 상부로 지지대 기판을 접합하는 단계; 및
    상기 제1 웨이퍼 하부로 필터부를 형성하는 단계;를 포함하는 후면 조명 구 조의 이미지 센서 제조방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 포토 다이오드부 형성 단계는,
    상기 제1 웨이퍼 상에 포토 다이오드를 형성하는 단계;
    상기 포토 다이오드 주변 상부로 플로팅 디퓨젼 영역을 형성하는 단계;
    상기 포토 다이오드 상부에 상기 트랜스퍼 게이트 트랜지스터 형성하는 단계; 및
    상기 제1 웨이퍼 전면으로 절연층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서 제조방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 웨이퍼는 수소 이온주입 공정이 수행된 웨이퍼이고,
    상기 제2 웨이퍼의 접합 및 배선 라인부를 형성하는 단계는,
    상기 수소 이온이 주입된 상기 제2 웨이퍼의 상면을 상기 제1 기판과 접합하는 단계;
    상기 제2 웨이퍼를 스마트 컷을 통해 절단하는 단계;
    절단되어 남은 상기 제2 웨이퍼 상에 신호처리 및 제어 트랜지스터를 형성하는 단계; 및
    상기 신호처리 및 제어 트랜지스터 상부로 BEOL(Back End Of Line) 공정을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서 제조방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 신호처리 및 제어 트랜지스터는 소스 팔로어 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 리셋 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서 제조방법.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 이미지 센서 제조방법은,
    상기 제1 웨이퍼 하부로 필터부를 형성하는 단계 전에
    상기 제1 웨이퍼의 하면을 얇게 연마하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서 제조방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 웨이퍼는 상기 연마에 의해 10 ㎛ 이하의 두께를 가지되, 상기 포토 다이오드 및 트랜스퍼 게이트 트랜지스터를 합한 두께 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서 제조방법.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 필터부를 형성하는 단계는,
    상기 제1 웨이퍼 하부로 빛을 파장에 따라 투과시키는 필터 어레이를 형성하는 단계; 및
    상기 필터 어레이 하부로 빛을 집광하기 위한 마이크로 렌즈를 형성하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서 제조방법.
  17. 제10 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는,
    상기 포토 다이오드부가 1개의 포토 다이오드 당 1개의 트랜지스터(1Tr/pixel)를 갖는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서 제조방법.
  18. 제1 웨이퍼에 포토 다이오드 및 트랜스퍼 게이트 트랜지스터를 포함한 포토 다이오드부를 형성하는 단계;
    제2 웨이퍼를 상기 포토 다이오드부 상부로 접합하고 스마트 컷을 통해 상기 제2 웨이퍼를 절단하는 단계;
    절단되어 남은 상기 제2 웨이퍼에 신호처리 및 제어 트랜지스터 및 배선 라인을 포함하는 배선 라인부를 형성하는 단계;
    상기 배선 라인부 상부로 지지대 기판을 접합하는 단계;
    상기 제1 웨이퍼의 하면을 얇게 연마하는 단계; 및
    상기 포토 다이오드부 하부로 필터부를 형성하는 단계;를 포함하는 후면 조명 구조의 이미지 센서 제조방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 배선 라인부를 형성하는 단계는,
    상기 남은 상기 제2 웨이퍼 상에 신호처리 및 제어 트랜지스터를 형성하는 단계; 및
    상기 신호처리 및 제어 트랜지스터 상부로 BEOL(Back End Of Line) 공정을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서 제조방법.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 신호처리 및 제어 트랜지스터는 소스 팔로어 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 리셋 트랜지스터를 포함하고,
    상기 이미지 센서는,
    상기 포토 다이오드부가 1개의 포토 다이오드 당 1개의 트랜지스터(1Tr/pixel)를 갖는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 후면 조명 구조의 이미지 센서 제조방법.
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