KR100997299B1 - Image Sensor and Method for Manufacturing Thereof - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 이미지센서는, 리드아웃 회로가 형성된 픽셀부 및 주변회로가 형성된 주변부를 포함하는 제1 기판; 상기 리드아웃 회로 및 주변회로와 연결되도록 상기 제1 기판 상에 형성된 배선 및 층간절연막; 상기 픽셀부에 대응하는 상기 층간절연막 상에 형성된 결정형 반도체층; 상기 결정형 반도체층에 형성되고 소자분리 트랜치에 의하여 배선과 각각 연결되는 제1 포토다이오드 및 제2 포토다이오드; 상기 소자분리 트랜치를 포함하는 결정형 반도체층 상에 형성된 소자분리층; 상기 소자분리층을 관통하여 상기 제1 포토다이오드와 부분적으로 연결되는 상부전극층; 상기 제1 포토다이오드의 상부 영역이 선택적으로 노출되도록 상기 상부전극층에 형성된 노출부; 및 상기 노출부를 포함하는 제1 기판 상에 배치된 보호층을 포함한다.An image sensor according to an embodiment includes a first substrate including a pixel portion on which a readout circuit is formed and a peripheral portion on which a peripheral circuit is formed; A wiring and an interlayer insulating film formed on the first substrate so as to be connected to the readout circuit and the peripheral circuit; A crystalline semiconductor layer formed on the interlayer insulating film corresponding to the pixel portion; First and second photodiodes formed on the crystalline semiconductor layer and connected to wires by device isolation trenches, respectively; A device isolation layer formed on the crystalline semiconductor layer including the device isolation trench; An upper electrode layer partially connected to the first photodiode through the device isolation layer; An exposed portion formed in the upper electrode layer to selectively expose an upper region of the first photodiode; And a protective layer disposed on the first substrate including the exposed portion.

이미지센서, 포토다이오드, 소자분리 Image Sensor, Photodiode, Device Separation

Description

이미지센서 및 그 제조방법{Image Sensor and Method for Manufacturing Thereof}Image Sensor and Method for Manufacturing Thereof}

실시예는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. Embodiments relate to an image sensor and a manufacturing method thereof.

이미지센서는 광학적 영상(Optical Image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 전하결합소자(charge coupled device:CCD) 이미지센서와 씨모스(Complementary Metal Oxide Silicon:CMOS) 이미지센서(CIS)로 구분된다.An image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and is classified into a charge coupled device (CCD) image sensor and a complementary metal oxide silicon (CMOS) image sensor (CIS). do.

종래의 기술에서는 기판에 포토다이오드(Photodiode)를 이온주입 방식으로 형성시킨다. 그런데, 칩사이즈(Chip Size) 증가 없이 픽셀(Pixel) 수 증가를 위한 목적으로 포토다이오드의 사이즈가 점점 감소함에 따라 수광부 면적 축소로 이미지 특성(Image Quality)이 감소하는 경향을 보이고 있다.In the prior art, a photodiode is formed on a substrate by ion implantation. However, as the size of the photodiode gradually decreases for the purpose of increasing the number of pixels without increasing the chip size, the image quality decreases due to the reduction of the area of the light receiver.

또한, 수광부 면적 축소만큼의 적층높이(Stack Height)의 감소가 이루어지지 못하여 에어리 디스크(Airy Disk)라 불리는 빛의 회절현상으로 수광부에 입사되는 포톤(Photon)의 수 역시 감소하는 경향을 보이고 있다.In addition, since the stack height is not reduced as much as the area of the light receiving unit is reduced, the number of photons incident on the light receiving unit is also decreased due to diffraction of light called an airy disk.

이를 극복하기 위한 대안 중 하나로 포토다이오드를 비정질 실리콘(amorphous Si)으로 증착하거나, 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩(Wafer-to-Wafer Bonding) 등의 방법으로 리드아웃 서킷(Readout Circuitry)은 실리콘 기판(Si Substrate)에 형성시키고, 포토다이오드는 리드아웃 서킷 상부에 형성시키는 시도(이하 "3차원 이미지센서"라고 칭함)가 이루어지고 있다. 포토다이오드와 리드아웃 서킷은 배선(Metal Line)을 통해 연결된다.One alternative to overcome this is to deposit photodiodes with amorphous Si, or read-out circuitry using wafer-to-wafer bonding such as silicon substrates. And photodiodes are formed on the lead-out circuit (hereinafter referred to as "three-dimensional image sensor"). The photodiode and lead-out circuit are connected via a metal line.

종래기술에 의하면 픽셀간의 완벽한 소자분리가 되지 못하는 문제가 있었다. According to the prior art, there is a problem that perfect device separation between pixels is not possible.

또한, 종래기술의 이미지센서는 배선 및 온도와 같은 주변요소들에 의하여 리키지 커런트(leakage current)가 발생되는데 이로 인하여 다크 커런트를 유발할 수 있다. In addition, in the conventional image sensor, leakage current is generated by peripheral elements such as wiring and temperature, which may cause dark current.

또한, 종래기술에 의하면 트랜스퍼트랜지스터 양단의 소스 및 드레인 모두 고농도 N형으로 도핑(Doping)되어 있으므로 도 19에 도시된 바와 같이 전하공유(Charge Sharing)현상이 발생하게 되는 문제가 있다. 전하공유(Charge Sharing)현상이 발생하면 출력이미지의 감도를 낮추게 되며, 이미지 오류를 발생시킬 수도 있다. In addition, according to the related art, since both the source and the drain of the both ends of the transfer transistor are doped with a high concentration N-type, charge sharing occurs as shown in FIG. 19. When charge sharing occurs, the sensitivity of the output image is lowered and image errors may occur.

또한, 종래기술에 의하면 포토다이오드와 리드아웃 서킷 사이에 포토차지(Photo Charge)가 원활히 이동하지 못해 암전류가 발생하거나, 새츄레이션(Saturation) 및 감도의 하락이 발생하고 있다.In addition, according to the related art, a dark current is generated between the photodiode and the lead-out circuit and the photocharge is not smoothly moved, and saturation and sensitivity are decreased.

실시예는 필팩터(Fil factor)을 높이면서 포토다이오드의 픽셀간 소자분리가 효과적일 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.Embodiments provide an image sensor and a method of manufacturing the same, in which element separation between pixels of a photodiode is effective while increasing a fill factor.

또한 실시예는 포토다이오드의 소자분리를 하면서 상기 포토다이오드 및 주변소자를 보호할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.In addition, an embodiment is to provide an image sensor and a method of manufacturing the same that can protect the photodiode and peripheral devices while the device is separated from the photodiode.

또한, 실시예는 더미 픽셀이 형성되어 리키지 커런트(Leakage current)를 측정할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다. In addition, an embodiment is to provide an image sensor and a method of manufacturing the dummy pixel is formed that can measure the leakage current (Leakage current).

또한, 실시예는 필팩터를 높이면서 전하공유(Charge Sharing)현상이 발생하지 않을 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다. In addition, the embodiment is to provide an image sensor and a method of manufacturing the same that can increase the charge factor (Charge Sharing) does not occur.

또한, 실시예는 포토다이오드와 리드아웃서킷 사이에 포토차지(Photo Charge)의 원활한 이동통로를 만들어 줌으로써 암전류소스를 최소화하고, 새츄레이션(Saturation) 및 감도의 하락을 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.In addition, the embodiment of the present invention provides an image sensor capable of minimizing dark current sources and preventing saturation and degradation of sensitivity by creating a smooth movement path of photo charge between the photodiode and the lead-out circuit. To provide a manufacturing method.

실시예에 따른 이미지센서는, 리드아웃 회로가 형성된 픽셀부 및 주변회로가 형성된 주변부를 포함하는 제1 기판; 상기 리드아웃 회로 및 주변회로와 연결되도록 상기 제1 기판 상에 형성된 배선 및 층간절연막; 상기 픽셀부에 대응하는 상기 층간절연막 상에 형성된 결정형 반도체층; 상기 결정형 반도체층에 형성되고 소자분리 트랜치에 의하여 배선과 각각 연결되는 제1 포토다이오드 및 제2 포토다이오 드; 상기 소자분리 트랜치를 포함하는 결정형 반도체층 상에 형성된 소자분리층; 상기 소자분리층을 관통하여 상기 제1 포토다이오드와 부분적으로 연결되는 상부전극층; 상기 제1 포토다이오드의 상부 영역이 선택적으로 노출되도록 상기 상부전극층에 형성된 노출부; 및 상기 노출부를 포함하는 제1 기판 상에 배치된 보호층을 포함한다.An image sensor according to an embodiment includes a first substrate including a pixel portion on which a readout circuit is formed and a peripheral portion on which a peripheral circuit is formed; A wiring and an interlayer insulating film formed on the first substrate so as to be connected to the readout circuit and the peripheral circuit; A crystalline semiconductor layer formed on the interlayer insulating film corresponding to the pixel portion; First and second photodiodes formed on the crystalline semiconductor layer and connected to wires by device isolation trenches, respectively; A device isolation layer formed on the crystalline semiconductor layer including the device isolation trench; An upper electrode layer partially connected to the first photodiode through the device isolation layer; An exposed portion formed in the upper electrode layer to selectively expose an upper region of the first photodiode; And a protective layer disposed on the first substrate including the exposed portion.

실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은, 제1 기판에 리드아웃 회로를 포함하는 픽셀부 및 주변회로를 포함하는 주변부를 형성하는 단계; 상기 제1 기판 상에 상기 리드아웃 회로 및 주변회로와 연결되는 배선 및 층간절연막을 형성하는 단계; 결정형 반도체층을 포함하는 제2 기판을 형성하는 단계; 상기 결정형 반도체층에 포토다이오드층을 형성하는 단계; 상기 제1 기판과 상기 포토다이오드층 포함하는 제2 기판을 본딩하는 단계; 상기 제1 기판 상에서 상기 포토다이오드층이 노출되도록 상기 제2 기판의 일부를 제거하는 단계; 상기 결정형 반도체층에 소자분리 트랜치를 형성하여 배선과 각각 연결되는 제1 포토다이오드 및 제2 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 제1 및 제2 포토다이오드를 포함하는 상기 결정형 반도체층 상에 소자분리층을 형성하는 단계; 상기 제1 포토다이오드와 부분적으로 연결되도록 상기 소자분리층 상에 상부전극층을 형성하는 단계; 상기 제1 포토다이오드의 상부영역이 선택적으로 노출되도록 상기 상부전극층의 일부를 제거하여 노출부를 형성하는 단계; 및 상기 노출부를 포함하는 상기 층간절연층 상에 보호층을 형성하는 단계를 포함한다.In another embodiment, a method of manufacturing an image sensor includes: forming a pixel part including a readout circuit and a peripheral part including a peripheral circuit on a first substrate; Forming a wiring and an interlayer insulating film on the first substrate and connected to the readout circuit and the peripheral circuit; Forming a second substrate comprising a crystalline semiconductor layer; Forming a photodiode layer on the crystalline semiconductor layer; Bonding a second substrate including the first substrate and the photodiode layer; Removing a portion of the second substrate to expose the photodiode layer on the first substrate; Forming a device isolation trench in the crystalline semiconductor layer to form a first photodiode and a second photodiode respectively connected to a wiring; Forming an isolation layer on the crystalline semiconductor layer including the first and second photodiodes; Forming an upper electrode layer on the device isolation layer to be partially connected to the first photodiode; Forming an exposed portion by removing a portion of the upper electrode layer to selectively expose an upper region of the first photodiode; And forming a protective layer on the interlayer insulating layer including the exposed portion.

실시예는 필팩터(fill factor)를 높이면서 포토다이오드의 센서티비티를 향상시킬 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다. The embodiment is to provide an image sensor and a method of manufacturing the same that can improve the sensitivity of the photodiode while increasing the fill factor (fill factor).

또한, 실시예는 상부배선과 전기적으로 연결되어 실질적인 동작을 수행하는 메인픽셀과, 상기 상부배선에 연결되지 않은 더미픽셀을 포함한다. 상기 더미픽셀은 기준픽셀로 사용되어 상기 메인픽셀의 리키지 커런트를 측정할 수 있으므로 소자의 성능을 향상시킬 수 있다. In addition, the embodiment includes a main pixel electrically connected to the upper wiring to perform a substantial operation, and a dummy pixel not connected to the upper wiring. The dummy pixel may be used as a reference pixel to measure the leakage current of the main pixel, thereby improving performance of the device.

또한, 실시예에 의하면 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 양단의 소스/드레인 간에 전압차(Potential Difference)가 있도록 소자 설계하여 포토차지(Photo Charge)의 완전한 덤핑(Fully Dumping)이 가능해질 수 있다. In addition, according to the embodiment, the device may be designed such that there is a potential difference between the source and the drain across the transfer transistor Tx, thereby enabling full dumping of the photo charge.

또한, 실시예에 의하면 포토다이오드와 리드아웃서킷 사이에 전하 연결영역을 형성하여 포토차지(Photo Charge)의 원할한 이동통로를 만들어 줌으로써 암전류소스를 최소화하고, 새츄레이션(Saturation) 및 감도의 하락을 방지할 수 있다. In addition, according to the embodiment, the charge connection region is formed between the photodiode and the lead-out circuit to create a smooth movement path of the photo charge, thereby minimizing the dark current source, and reducing saturation and sensitivity. You can prevent it.

실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.An image sensor and a method of manufacturing the same according to an embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the embodiments, where it is described as being formed "on / under" of each layer, it is understood that the phase is formed directly or indirectly through another layer. It includes everything.

실시예는 씨모스 이미지센서에 한정되는 것이 아니며, 포토다이오드가 필요한 모든 이미지센서에 적용이 가능하다. The embodiment is not limited to the CMOS image sensor, and may be applied to all image sensors requiring a photodiode.

(제1 실시예)(First embodiment)

도 16은 실시예에 따른 이미지센서를 도시한 단면도이다.16 is a cross-sectional view illustrating an image sensor according to an embodiment.

실시예에 따른 이미지센서는, 리드아웃 회로(120)가 형성된 픽셀부(A) 및 주변회로가 형성된 주변부(B)를 포함하는 제1 기판(100); 상기 리드아웃 회로(120) 및 주변회로와 연결되도록 상기 제1 기판(100) 상에 형성된 배선(150,150a) 및 층간절연막(160); 상기 픽셀부(A)에 대응하는 상기 층간절연막(160) 상에 형성된 결정형 반도체층(200); 상기 결정형 반도체층(200)에 형성되고 소자분리 트랜치(235)에 의하여 단위픽셀 별로 분리되고 상기 배선(150,150a)과 각각 연결되는 제1 포토다이오드(205) 및 제2 포토다이오드(205a); 상기 소자분리 트랜치(235)를 포함하는 결정형 반도체층(200) 상에 형성된 소자분리층(250); 상기 소자분리층(250)을 관통하여 상기 제1 포토다이오드(205)와 부분적으로 연결되는 상부전극층(260); 상기 제1 포토다이오드(205)의 상부 영역이 선택적으로 노출되도록 상기 상부전극층(260)에 형성된 노출부(265); 및 상기 노출부(265)를 포함하는 상기 층간절연막(160) 상에 형성된 보호층(270)을 포함한다.The image sensor according to the embodiment includes a first substrate 100 including a pixel portion A on which the readout circuit 120 is formed and a peripheral portion B on which the peripheral circuit is formed; Wirings 150 and 150a and an interlayer insulating layer 160 formed on the first substrate 100 so as to be connected to the lead-out circuit 120 and the peripheral circuits; A crystalline semiconductor layer 200 formed on the interlayer insulating layer 160 corresponding to the pixel portion A; A first photodiode 205 and a second photodiode 205a formed in the crystalline semiconductor layer 200 and separated by unit pixels by device isolation trenches 235 and connected to the wirings 150 and 150a, respectively; A device isolation layer 250 formed on the crystalline semiconductor layer 200 including the device isolation trench 235; An upper electrode layer 260 penetrating through the device isolation layer 250 and partially connected to the first photodiode 205; An exposed portion 265 formed in the upper electrode layer 260 to selectively expose an upper region of the first photodiode 205; And a protective layer 270 formed on the interlayer insulating layer 160 including the exposed portion 265.

상기 제1 포토다이오드(205)는 제1 비아홀(255)을 통해 상기 상부전극층(260)과 전기적으로 연결되어 실질적인 동작을 수행하는 메인픽셀이다. 상기 제2 포토다이오드(205a)는 상기 상부전극층(260)과 전기적으로 연결되어 있지 않은 더미픽셀이다. 더미픽셀로 사용되는 상기 제2 포토다이오드(205a)는 상부전극층(260)의 리키지 요인을 배제할 수 있으므로 정확한 리키지 커런트를 측정하기 위한 기준픽셀로 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 포토다이오드(205a)는 칩의 가장자리 영역일 수 있다. The first photodiode 205 is a main pixel electrically connected to the upper electrode layer 260 through a first via hole 255 to perform a substantial operation. The second photodiode 205a is a dummy pixel that is not electrically connected to the upper electrode layer 260. Since the second photodiode 205a used as the dummy pixel can exclude the leakage factor of the upper electrode layer 260, the second photodiode 205a can be used as a reference pixel for measuring an accurate liquid current. For example, the second photodiode 205a may be an edge region of the chip.

상기 상부전극층(260)을 포함하는 제1 기판(100)에는 제1 보호층(270) 및 제2 보호층(280)이 배치되어 있다. 상기 제1 보호층(270)은 상기 상부전극층(260)의 제1 노출부(265)를 통해 하부의 소자분리층(250)의 상면에 형성될 수 있다.The first passivation layer 270 and the second passivation layer 280 are disposed on the first substrate 100 including the upper electrode layer 260. The first passivation layer 270 may be formed on an upper surface of the lower device isolation layer 250 through the first exposed portion 265 of the upper electrode layer 260.

상기 결정형 반도체층(200)에 소자분리층(250)이 형성되어 상기 포토다이오드(205)를 단위픽셀 별로 분리할 수 있다. An isolation layer 250 is formed on the crystalline semiconductor layer 200 to separate the photodiode 205 for each pixel.

또한, 상기 결정형 반도체층(200)을 포함하는 층간절연막(160) 상에 제1 보호층(270) 및 제2 보호층(280)이 형성되어 포토다이오드(205) 및 주변부(B)의 배선(150)을 보호할 수 있다. In addition, a first passivation layer 270 and a second passivation layer 280 are formed on the interlayer insulating layer 160 including the crystalline semiconductor layer 200 to form the wirings of the photodiode 205 and the peripheral portion B. 150) can be protected.

도 16의 도면부호 중 미설명 도면부호는 이하 제조방법에서 설명한다. Unexplained reference numerals among the reference numerals of FIG. 16 will be described below in the manufacturing method.

이하, 도 1 내지 도 16을 참조하여 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a manufacturing method of an image sensor according to an embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 16.

도 1을 참조하여, 제1 기판(100)의 픽셀부(A)에 리드아웃 회로(Circuitry) 및 배선(150, 150a)이 형성된다. Referring to FIG. 1, a readout circuit and wirings 150 and 150a are formed in the pixel portion A of the first substrate 100.

상기 제1 기판(100)은 단결정 또는 다결정의 실리콘 기판이며, p형 불순물 또는 n형 불순물이 도핑된 기판일 수 있다. 상기 제1 기판(100)에 소자분리막(110)이 형성되어 액티브 영역이 정의된다. 그리고 상기 액티브 영역에 단위화소 별로 트랜지스터를 포함하는 리드아웃 회로(120)가 형성된다. The first substrate 100 may be a single crystal or polycrystalline silicon substrate, and may be a substrate doped with p-type impurities or n-type impurities. An isolation region 110 is formed on the first substrate 100 to define an active region. A readout circuit 120 including transistors for each unit pixel is formed in the active region.

도 2를 참조하여, 상기 리드아웃회로(120) 및 배선(150)을 상세히 설명한다. Referring to FIG. 2, the readout circuit 120 and the wiring 150 will be described in detail.

상기 리드아웃 회로(120)는 트랜스퍼트랜지스터(Tx)(121), 리셋트랜지스터(Rx)(123), 드라이브트랜지스터(Dx)(125), 셀렉트랜지스터(Sx)(127)를 포함하여 형성할 수 있다. 이후, 플로팅디퓨젼영역(FD)(131), 상기 각 트랜지스터에 대한 소스/드레인영역(133, 135, 137)을 포함하는 이온주입영역(130)을 형성할 수 있다. 한편 상기 리드아웃 회로(120)은 3Tr, 4Tr 또는 5Tr 중 어느 하나일 수 있다. The readout circuit 120 may include a transfer transistor (Tx) 121, a reset transistor (Rx) 123, a drive transistor (Dx) 125, and a select transistor (Sx) 127. . Thereafter, an ion implantation region 130 including a floating diffusion region (FD) 131 and source / drain regions 133, 135, and 137 for each transistor may be formed. Meanwhile, the readout circuit 120 may be any one of 3Tr, 4Tr, or 5Tr.

상기 제1 기판(100)에 리드아웃 회로(120)를 형성하는 단계는 상기 제1 기판(100)에 전기접합영역(140)을 형성하는 단계 및 상기 전기접합영역(140) 상부에 상기 배선(150)과 연결되는 제1 도전형 연결영역(147)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The forming of the lead-out circuit 120 on the first substrate 100 may include forming an electrical junction region 140 on the first substrate 100 and forming an interconnection on the electrical junction region 140. And forming a first conductivity type connection region 147 connected to 150.

예를 들어, 상기 전기접합영역(140)은 PN 졍션(junction)(140) 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전기접합영역(140)은 제2 도전형 웰(141) 또는 제2 도전형 에피층 상에 형성된 제1 도전형 이온주입층(143), 상기 제1 도전형 이온주입층(143) 상에 형성된 제2 도전형 이온주입층(145)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 PN 졍션(junction)(140)은 도 2와 같이 P0(145)/N-(143)/P-(141) Junction 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 기판(100)은 제2 도전형으로 도전되어 있을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the electrical junction region 140 may be a PN junction 140, but is not limited thereto. For example, the electrical junction region 140 may include a first conductive ion implantation layer 143 and a first conductive ion implantation layer (143) formed on the second conductive well 141 or the second conductive epitaxial layer. 143 may include a second conductivity type ion implantation layer 145. For example, the PN junction 140 may be a P0 145 / N- 143 / P-141 junction as shown in FIG. 2, but is not limited thereto. The first substrate 100 may be conductive in a second conductivity type, but is not limited thereto.

실시예에 의하면 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 양단의 소스/드레인 간에 전압차(Potential Difference)가 있도록 소자 설계하여 포토차지(Photo Charge)의 완전한 덤핑(Fully Dumping)이 가능해질 수 있다. 이에 따라, 포토다이오드에서 발생한 포토차지(Photo Charge)가 플로팅디퓨젼 영역으로 덤핑됨에 따라 출력이미지 감도를 높일 수 있다. According to the embodiment, the device can be designed such that there is a voltage difference between the source / drain across the transfer transistor Tx, thereby enabling full dumping of the photo charge. Accordingly, as the photo charge generated in the photodiode is dumped into the floating diffusion region, the output image sensitivity may be increased.

즉, 실시예는 도 2와 같이 리드아웃 회로(120)가 형성된 제1 기판(100)에 전 기접합영역(140)을 형성시킴으로써 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)(121) 양단의 소스/드레인 간에 전압차가 있도록 하여 포토차지의 완전한 덤핑이 가능해질 수 있다. That is, in the embodiment, as shown in FIG. 2, the voltage difference between the source / drain across the transfer transistor (Tx) 121 is formed by forming the electric junction region 140 on the first substrate 100 on which the readout circuit 120 is formed. This allows full dumping of the photocharge.

이하, 실시예의 포토차지의 덤핑구조에 대해서 도 18을 참조하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the dumping structure of the photocharge of the embodiment will be described in detail with reference to FIG. 18.

실시예에서 N+ 졍션인 플로팅디퓨젼(FD)(131) 노드(Node)와 달리, 전기접합영역(140)인 P/N/P 졍션(140)은 인가전압이 모두 전달되지 않고 일정 전압에서 핀치오프(Pinch-off) 된다. 이 전압을 피닝볼티지(Pinning Voltage)이라 부르며 피닝볼티지(Pinning Voltage)는 P0(145) 및 N-(143) 도핑(Doping) 농도에 의존한다.Unlike the floating diffusion (FD) 131 node, which is an N + function in the embodiment, the P / N / P section 140, which is an electrical junction region 140, does not transmit all of the applied voltage and pinches at a constant voltage. It is off (Pinch-off). This voltage is called a pinning voltage and the pinning voltage depends on the P0 145 and N- (143) doping concentrations.

구체적으로, 포토다이오드(205)에서 생성된 전자는 PNP 졍션(140)으로 이동하게 되며 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)(121) 온(On)시, FD(131) 노드로 전달되어 전압으로 변환된다.Specifically, the electrons generated by the photodiode 205 are moved to the PNP caption 140 and are transferred to the FD 131 node when the transfer transistor (Tx) 121 is turned on and converted into voltage.

P0/N-/P- 졍션(140)의 최대 전압값은 피닝볼티지가 되고 FD(131) Node 최대 전압값은 Vdd-Rx Vth이 되므로, 도 18에 도시된 바와 같이 Tx(131) 양단간 전위차로 인해 차지쉐어링(Charge Sharing) 없이 칩(Chip) 상부의 포토다이오드(205)에서 발생한 전자가 FD(131) Node로 완전히 덤핑(Dumping) 될 수 있다.Since the maximum voltage value of the P0 / N- / P- caption 140 becomes pinning voltage and the maximum voltage value of the node FD 131 becomes Vdd-Rx Vth, as shown in FIG. 18, the potential difference between both ends of the Tx 131 is shown. Due to this, electrons generated from the photodiode 205 on the chip without charge sharing may be fully dumped to the FD 131 node.

즉, 실시예에서 제1 기판(100)인 실리콘 서브(Si-Sub)에 N+/Pwell Junction이 아닌 P0/N-/Pwell Junction을 형성시킨 이유는 4-Tr APS Reset 동작시 P0/N-/Pwell Junction에서 N-(143)에 + 전압이 인가되고 P0(145) 및 Pwell(141)에는 Ground 전압이 인가되므로 일정전압 이상에서는 P0/N-/Pwell Double Junction이 BJT 구조에서와 같이 Pinch-Off가 발생하게 된다. 이를 Pinning Voltage라고 부른 다. 따라서 Tx(121) 양단의 Source/Drain에 전압차가 발생하게 되어 Tx On/Off 동작 시 포토차지가 N-well에서 Tx를 통해 FD로 완전히 덤핑되어 Charge Sharing 현상을 방지할 수 있다.That is, in the embodiment, the reason why the P0 / N- / Pwell junction is formed instead of the N + / Pwell junction in the silicon sub, which is the first substrate 100, is P0 / N- / during the 4-Tr APS Reset operation. In Pwell junction, + voltage is applied to N- (143) and ground voltage is applied to P0 (145) and Pwell 141. Will occur. This is called pinning voltage. Therefore, a voltage difference is generated in the source / drain at both ends of the Tx 121, and thus the photocharge is completely dumped from the N-well to the FD through the Tx at the Tx On / Off operation to prevent the charge sharing phenomenon.

따라서 종래기술과 같이 단순히 포토다이오드가 N+ Junction으로 연결된 경우와 달리, 실시예에 의하면 새츄레이션(Saturation) 저하 및 감도 하락 등의 문제를 피할 수 있다.Therefore, unlike the case where the photodiode is simply connected by N + junction as in the prior art, the embodiment can avoid problems such as degradation of saturation and degradation of sensitivity.

다음으로, 실시예에 의하면 포토다이오드(205)와 리드아웃 서킷(120) 사이에 제1 도전형 연결영역(147)을 형성하여 포토차지(Photo Charge)의 원할한 이동통로를 만들어 줌으로써 암전류소스를 최소화하고, 새츄레이션(Saturation) 저하 및 감도의 하락을 방지할 수 있다.Next, according to the embodiment, a first conductive connection region 147 is formed between the photodiode 205 and the lead-out circuit 120 to create a smooth moving path for the photo charge, thereby generating a dark current source. Minimize and prevent saturation and degradation.

이를 위해, 제1 실시예는 P0/N-/P- 졍션(140)의 표면에 오믹컨택(Ohmic Contact)을 위한 제1 도전형 연결영역(147)으로서 n+ 도핑영역을 형성할 수 있다. 상기 N+ 영역(147)은 상기 P0(145)를 관통하여 N-(143)에 접촉하도록 형성할 수 있다.To this end, the first embodiment may form an n + doped region as the first conductive connection region 147 for ohmic contact on the surface of the P0 / N− / P− junction 140. The N + region 147 may be formed to contact the N− 143 through the P0 145.

한편, 이러한 제1 도전형 연결영역(147)이 리키지 소스(Leakage Source)가 되는 것을 최소화하기 위해 제1 도전형 연결영역(147)의 폭을 최소화할 수 있다. 이를 위해, 실시예는 제1 메탈컨택(151a) 에치(Etch) 후 플러그 임플란트(Plug Implant)를 진행할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 이온주입패턴(미도시)을 형성하고 이를 이온주입마스크로 하여 제1 도전형 연결영역(147)을 형성할 수도 있다. Meanwhile, in order to minimize the first conductive connection region 147 from becoming a leakage source, the width of the first conductive connection region 147 may be minimized. To this end, the embodiment may proceed with a plug implant after etching the first metal contact 151a, but is not limited thereto. For example, the first conductive connection region 147 may be formed by forming an ion implantation pattern (not shown) and using the ion implantation mask as an ion implantation mask.

즉, 제1 실시예와 같이 컨택(Contact) 형성 부에만 국부적으로 N+ Doping을 한 이유는 다크시그널(Dark Signal)을 최소화하면서 오믹컨택(Ohmic Contact) 형성을 원활히 해 주기 위함이다. 종래기술과 같이, Tx Source 부 전체를 N+ Doping 할 경우 기판표면 댕글링본드(Si Surface Dangling Bond)에 의해 Dark Signal이 증가할 수 있다.That is, as in the first embodiment, the reason for locally N + doping only to the contact forming part is to facilitate the formation of ohmic contact while minimizing the dark signal. As in the prior art, when N + Doping the entire Tx Source part, the dark signal may increase due to the substrate surface dangling bond.

그 다음으로, 상기 제1 기판(100) 상에 층간절연막(160)을 형성하고, 배선(150)을 형성할 수 있다. 상기 배선(150)은 제1 메탈컨택(151a), 제1 메탈(151), 제2 메탈(152), 제3 메탈(153), 제4 메탈컨택(154a)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Next, the interlayer insulating layer 160 may be formed on the first substrate 100, and the wiring 150 may be formed. The wiring 150 may include a first metal contact 151a, a first metal 151, a second metal 152, a third metal 153, and a fourth metal contact 154a, but is not limited thereto. It is not.

상기 배선(150)은 단위픽셀 별로 형성되어 포토다이오드(205)와 상기 리드아웃 서킷(120)을 연결하여 포토다이오드(205)의 광전하를 전송하는 역할을 할 수 있다. 상기 리드아웃 서킷(120)과 연결되는 배선(150)의 형성시 주변부(B)와 연결되는 배선(170)도 형성될 수 있다. 상기 배선(150,170)은 금속, 합금 또는 실리사이드를 포함하는 다양한 전도성 물질로 형성될 수 있다. The wiring 150 may be formed for each pixel to connect the photodiode 205 and the readout circuit 120 to transmit photocharges of the photodiode 205. When the wire 150 connected to the lead-out circuit 120 is formed, a wire 170 connected to the peripheral portion B may also be formed. The wires 150 and 170 may be formed of various conductive materials including metals, alloys, or silicides.

상기 픽셀부(A)에 형성된 배선(150,150a)은 단위픽셀 별로 형성되어 상기 포토다이오드의 광전하를 상기 리드아웃 회로(120)로 전송하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 픽셀부(A)의 제1 배선(150)은 실질적인 동작을 수행하는 단위픽셀과 연결되고, 상기 제2 배선(150a)는 더미픽셀과 연결될 수 있다. 상기 배선(150)의 제3 메탈(153) 형성시 상기 주변부(B)에는 패드(180)가 형성될 수 있다. The wirings 150 and 150a formed in the pixel portion A may be formed for each pixel to transmit the photocharges of the photodiode to the readout circuit 120. For example, the first wiring 150 of the pixel portion A may be connected to a unit pixel performing a substantial operation, and the second wiring 150a may be connected to a dummy pixel. When the third metal 153 of the wiring 150 is formed, a pad 180 may be formed in the peripheral portion B.

도 3을 참조하여, 결정형 반도체층(crystalline semiconductor layer)(200) 을 포함하는 제2 기판(20)을 준비한다. 상기 제2 기판(20)은 단결정 또는 다결정의 실리콘 기판이며, p형 불순물 또는 n형 불순물이 도핑된 기판일 수 있다. 상기 결정형 반도체층(200)은 제2 기판(20)에 대한 에피택시얼 공정에 의하여 형성될 수 있다. Referring to FIG. 3, a second substrate 20 including a crystalline semiconductor layer 200 is prepared. The second substrate 20 may be a single crystal or polycrystalline silicon substrate, and may be a substrate doped with p-type impurities or n-type impurities. The crystalline semiconductor layer 200 may be formed by an epitaxial process on the second substrate 20.

도 4를 참조하여, 상기 결정형 반도체층(200)의 내부에 포토다이오드층(201)이 형성된다. 상기 포토다이오드층(201)은 N형의 제1 불순물 영역(220)과 P형의 제2 불순물 영역(230)을 결정형 반도체층(200)에 이온주입하여 형성할 수 있다. 상기 제1 불순물 영역(220) 상에 제2 불순물 영역(230)이 형성되므로 상기 결정형 반도체층(200) 내부에는 PN접합을 가지는 포토다이오드층(201)이 형성된다. Referring to FIG. 4, a photodiode layer 201 is formed inside the crystalline semiconductor layer 200. The photodiode layer 201 may be formed by ion implanting the N-type first impurity region 220 and the P-type second impurity region 230 into the crystalline semiconductor layer 200. Since the second impurity region 230 is formed on the first impurity region 220, a photodiode layer 201 having a PN junction is formed in the crystalline semiconductor layer 200.

또한, 상기 제1 불순물 영역(220)의 하부에 고농도의 N형 불순물을 이온주입하여 오믹 컨택층(210)을 형성할 수 있다. In addition, an ohmic contact layer 210 may be formed by ion implanting a high concentration of N-type impurities under the first impurity region 220.

실시예에 의하며 상기 제1 불순물 영역(220)의 두께가 상기 제2 불순물 영역(230)의 두께보다 두껍게 형성됨으로써 차지 스토링 캐패시티를 증가시킬 수 있다. 즉, N-층을 더 두껍게 형성하여 면적을 확장시킴으로써 광전자를 함유할 수 있는 캐패시티(capacity)를 향상시킬 수 있다. According to the embodiment, the thickness of the first impurity region 220 is formed to be thicker than the thickness of the second impurity region 230, thereby increasing the charge story capacity. That is, by forming the N-layer thicker to expand the area, it is possible to improve the capacity (capacity) that may contain the optoelectronic.

도시되지는 않았지만, 상기 결정형 반도체층(200)과 제2 기판(20) 사이에 수소이온층이 형성될 수 있다. 또는, 상기 결정형 반도체층(220)과 제2 기판(20) 사이에는 절연층이 매립되어 있을 수도 있다. 상기 절연층은 이후 상기 제2 기판(20)이 제거된 후 습식식각 공정을 통해 제거될 수 있다. 상기 수소이온층과 절연층은 제2 기판(20)과 결정형 반도체층(200)을 분리하기 위한 것이다. Although not shown, a hydrogen ion layer may be formed between the crystalline semiconductor layer 200 and the second substrate 20. Alternatively, an insulating layer may be embedded between the crystalline semiconductor layer 220 and the second substrate 20. The insulating layer may then be removed through a wet etching process after the second substrate 20 is removed. The hydrogen ion layer and the insulating layer are for separating the second substrate 20 and the crystalline semiconductor layer 200.

도 5를 참조하여, 상기 제1 기판(100)과 상기 결정형 반도체층(200)을 포함하는 제2 기판(20)이 본딩된다. 상기 제1 기판(100)의 표면인 층간절연막(160) 상부로 상기 제2 기판(20)의 하부면인 오믹 컨택층(210)의 표면을 위치시킨 후 본딩을 진행한다. 그러면 상기 하부배선(150)과 상기 오믹 컨택층(210)이 전기적으로 연결된 상태가 된다. Referring to FIG. 5, a second substrate 20 including the first substrate 100 and the crystalline semiconductor layer 200 is bonded. The surface of the ohmic contact layer 210, which is a lower surface of the second substrate 20, is positioned on the interlayer insulating layer 160, which is a surface of the first substrate 100, and then bonding is performed. Then, the lower wiring 150 and the ohmic contact layer 210 are in an electrically connected state.

도 6을 참조하여, 상기 포토다이오드층(201)이 노출되도록 상기 제2 기판(20)이 제거된다. 즉, 상기 제2 기판(20)이 제거되면 상기 제1 기판(100) 상에는 씬 필름의 결정형 반도체층(200)이 남아있게 된다. 예를 들어, 상기 제2 기판(20)은 수소이온층(미도시) 또는 절연층(미도시)을 기준으로 블레이드 또는 CMP 공정에 의하여 제거될 수 있다.Referring to FIG. 6, the second substrate 20 is removed to expose the photodiode layer 201. That is, when the second substrate 20 is removed, the crystalline semiconductor layer 200 of the thin film remains on the first substrate 100. For example, the second substrate 20 may be removed by a blade or CMP process based on a hydrogen ion layer (not shown) or an insulating layer (not shown).

도 7을 참조하여, 상기 결정형 반도체층(200) 상에 소자분리 패턴(240)이 형성된다. 상기 소자분리 패턴(240)은 상기 포토다이오드층(201) 상에 산화막과 같은 절연층을 형성한 후 패터닝하여 상기 결정형 반도체층(200)을 선택적으로 노출시킬 수 있다. 또한, 상기 소자분리 패턴(240)은 상기 주변부(B) 상의 상기 결정형 반도체층(200)을 노출시킬 수 있다.Referring to FIG. 7, an isolation pattern 240 is formed on the crystalline semiconductor layer 200. The device isolation pattern 240 may selectively expose the crystalline semiconductor layer 200 by forming an insulating layer such as an oxide layer on the photodiode layer 201 and patterning the same. In addition, the device isolation pattern 240 may expose the crystalline semiconductor layer 200 on the peripheral portion B.

도 8을 참조하여, 상기 결정형 반도체층(200)에 소자분리 트랜치(235)가 형성된다. 상기 소자분리 트랜치(235)는 상기 소자분리 패턴(240)을 식각마스크로 사용하여 상기 결정형 반도체층(200)을 식각하여 형성될 수 있다. 그러면, 상기 픽셀부(A) 상의 포토다이오드층(201)은 상기 소자분리 트랜치(235)에 의하여 분리되어 단위픽셀 별로 분리된 상기 배선(150)과 각각 연결될 수 있다. Referring to FIG. 8, a device isolation trench 235 is formed in the crystalline semiconductor layer 200. The isolation trench 235 may be formed by etching the crystalline semiconductor layer 200 using the isolation pattern 240 as an etching mask. Then, the photodiode layer 201 on the pixel portion A may be connected to the wiring 150 separated by the device isolation trench 235 and separated by unit pixels.

즉, 상기 배선(150)과 연결되는 제1 포토다이오드(205)는 실질적으로 동작하는 단위픽셀이며, 상기 배선(150a)과 연결되는 제2 포토다이오드(205)는 더미픽셀일 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 포토다이오드(205, 205a) 형성할 때 상기 주변부(B)의 상기 결정형 반도체층(200)은 제거되어 상기 주변부(B)의 층간절연막(160) 및 배선(170)이 노출된다. That is, the first photodiode 205 connected to the wiring 150 may be a unit pixel that operates substantially, and the second photodiode 205 connected to the wiring 150a may be a dummy pixel. In addition, when the first and second photodiodes 205 and 205a are formed, the crystalline semiconductor layer 200 of the peripheral portion B is removed to remove the interlayer insulating layer 160 and the wiring 170 of the peripheral portion B. Is exposed.

도 9를 참조하여, 상기 소자분리 트랜치(235)를 포함하는 제1 기판(100) 상에 소자분리층(250)이 형성된다. 상기 소자분리층(250)은 산화막과 같은 투명한 절연층으로 형성될 수 있다. 상기 소자분리층(250)은 상기 소자분리 트랜치(235)의 내부를 채우면서 상기 층간절연층(100) 상에 형성되므로 상기 제1 및 제2 포토다이오드(205, 205a)는 각각 분리될 수 있다. 또한, 상기 소자분리층(250)은 상기 층간절연막(160)의 상부 전체면에 형성되므로 상기 제1 및 제2 포토다이오드(205, 205a) 및 주변부(B)의 배선(170)을 보호할 수 있다.Referring to FIG. 9, a device isolation layer 250 is formed on a first substrate 100 including the device isolation trench 235. The device isolation layer 250 may be formed of a transparent insulating layer such as an oxide film. Since the device isolation layer 250 fills the inside of the device isolation trench 235 and is formed on the interlayer insulating layer 100, the first and second photodiodes 205 and 205a may be separated from each other. . In addition, the device isolation layer 250 is formed on the entire upper surface of the interlayer insulating layer 160 to protect the first and second photodiodes 205 and 205a and the wiring 170 of the peripheral portion B. have.

도 10을 참조하여, 상기 소자분리층(250)에 제1 및 제2 비아홀(255,257)이 형성된다. 상기 제1 및 제2 비아홀(255,257)은 상기 소자분리층(250)을 부분적으로 제거하여 상기 제1 포토다이오드(205)의 표면 및 상기 배선(170)을 노출시킬 수 있다. Referring to FIG. 10, first and second via holes 255 and 257 are formed in the device isolation layer 250. The first and second via holes 255 and 257 may partially remove the device isolation layer 250 to expose the surface of the first photodiode 205 and the interconnection 170.

도 11을 참조하여, 상기 제1 및 제2 비아홀(255,257)를 포함하는 소자분리층(250) 상에 상부전극층(260)이 형성된다. 상기 상부전극층(260)은 상기 제1 및 제2 비아홀(255,257)를 포함하는 소자분리층(250) 상에 도전성물질을 증착함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부전극층(260)은 티타늄, 알루미늄, 구리, 코 발트 및 텅스텐과 같은 불투명한 금속층으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 11, an upper electrode layer 260 is formed on the device isolation layer 250 including the first and second via holes 255 and 257. The upper electrode layer 260 may be formed by depositing a conductive material on the device isolation layer 250 including the first and second via holes 255 and 257. For example, the upper electrode layer 260 may be formed of an opaque metal layer such as titanium, aluminum, copper, cobalt, and tungsten.

상기 상부전극층(260)은 상기 제1 비아홀(255)를 통해 단위픽셀 별로 분리된 상기 제1 포토다이오드(205)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 상부전극층(260)은 상기 제2 비아홀(257)를 통해 상기 주변부(B)의 배선(170)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 상부전극층(260)은 상기 제1 비아홀(255)에서 제2 비아홀(257)까지 연장된 형태로 형성되어 상기 제2 포토다이오드(205a)의 상부영역을 가릴 수 있게 된다. 따라서, 상기 상부전극층(260)에 의하여 상기 제2 포토다이오드(205a)로는 빛이 차단된 상태가 된다. The upper electrode layer 260 may be electrically connected to the first photodiode 205 separated for each unit pixel through the first via hole 255. In addition, the upper electrode layer 260 may be electrically connected to the wiring 170 of the peripheral portion B through the second via hole 257. The upper electrode layer 260 is formed to extend from the first via hole 255 to the second via hole 257 to cover the upper region of the second photodiode 205a. Therefore, the light is blocked to the second photodiode 205a by the upper electrode layer 260.

상기 상부전극층(260)은 상기 제1 포토다이오드(205)에만 연결되어 상기 제1 포토다이오드(205)은 실질적인 동작을 수행한다. 또한, 상기 상부전극층(262)은 상기 제2 포토다이오드(205a)와는 전기적으로 연결되어 있지 않으므로 상기 제2 포토다이오드 패턴(205a)은 더미픽셀 역할을 할 수 있다. 일반적으로 리키지 커런트(Leakage current) 측정시에 리키지 요인은 하부배선 및 상부배선에 의한 것일 수 있다. 실시예에서는 상기 배선(150)의 리키지 커런트가 발생하지 않을 경우 더미픽셀을 리셋라인인 상부전극층(260)과 연결하지 않음으로써 리셋라인의 리키지 커런트 요인을 배제할 수 있으므로 정확한 리키지 커런트의 측정이 가능하다. 이러한 리키지 커런트는 다크 시그널(Dark signal)에 직접적인 영향을 미치는 것이므로 상기 제2 포토다오드(205a)를 더미픽셀로 사용함으로써 다크 시그널에 대한 기준픽셀로 사용할 수 있게 된다. The upper electrode layer 260 is connected only to the first photodiode 205 so that the first photodiode 205 performs a substantial operation. In addition, since the upper electrode layer 262 is not electrically connected to the second photodiode 205a, the second photodiode pattern 205a may serve as a dummy pixel. In general, the leakage factor in measuring the leakage current may be due to the lower wiring and the upper wiring. In the exemplary embodiment, when the leakage current of the wiring 150 does not occur, the dummy current is not connected to the upper electrode layer 260 which is the reset line, thereby eliminating the leakage current factor of the reset line. Measurement is possible. Since the liquid current directly affects a dark signal, the second photodiode 205a can be used as a reference pixel for the dark signal by using the second photodiode 205a as a dummy pixel.

또한 상기 상부전극층(260)은 상기 제2 포토다이오드(205a)의 차단막역할을 하므로 내부 또는 외부에서의 온도에 의한 신호 차이를 비교하여 핫픽셀 등에 의한 출력이미지를 개선할 수 있다.In addition, since the upper electrode layer 260 acts as a blocking film of the second photodiode 205a, an output image due to a hot pixel may be improved by comparing signal differences due to internal or external temperature.

도 12를 참조하여, 단위픽셀 별로 형성된 상기 제1 포토다이오드(205)의 수광영역이 노출되도록 상기 상부전극층(260)에 제1 노출부(265)가 형성된다. 상기 제1 노출부(265)는 단위픽셀 별로 형성된 상기 제1 포토다이오드(205) 상부의 상기 상부전극층(260)을 제거함으로써 제1 포토다이오드(205)의 수광영역을 확보할 수 있다. Referring to FIG. 12, a first exposed portion 265 is formed in the upper electrode layer 260 to expose a light receiving region of the first photodiode 205 formed for each unit pixel. The first exposure part 265 may secure the light receiving area of the first photodiode 205 by removing the upper electrode layer 260 on the first photodiode 205 formed for each unit pixel.

그리고, 상기 제1 노출부(265)의 형성시 상기 패드(180) 상부의 소자분리층(250)을 노출시키는 제2 노출부(267)가 형성될 수 있다. In addition, when the first exposed portion 265 is formed, a second exposed portion 267 exposing the device isolation layer 250 on the pad 180 may be formed.

도 13을 참조하여, 상기 제1 및 제2 노출부(265,267)가 형성된 층간절연막(160) 상에 제1 보호층(270) 및 제2 보호층(280)이 형성된다. 상기 제1 보호층(270)은 제1 노출부(265)를 통해 상기 소자분리층(250)과 접촉될 수 있다. 예를 들어 상기 제1 보호층(280)은 산화막 또는 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 제2 보호층(280)은 질화막 또는 산화막으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 13, a first passivation layer 270 and a second passivation layer 280 are formed on the interlayer insulating layer 160 on which the first and second exposed portions 265 and 267 are formed. The first passivation layer 270 may be in contact with the device isolation layer 250 through the first exposed portion 265. For example, the first protective layer 280 may be formed of an oxide film or a nitride film. The second protective layer 280 may be formed of a nitride film or an oxide film.

도 14를 참조하여, 상기 주변부(B) 상의 패드(180)를 노출시키는 패드홀(285)이 형성된다. 상기 패드홀(285)은 상기 패드(180) 상부의 층간절연막(160), 소자분리층(250), 제1 보호층(270) 및 제2 보호층(280)을 제거함으로써 상기 패드(180)를 노출시킬 수 있다.Referring to FIG. 14, a pad hole 285 exposing the pad 180 on the peripheral portion B is formed. The pad hole 285 is formed by removing the interlayer insulating layer 160, the device isolation layer 250, the first passivation layer 270, and the second passivation layer 280 on the pad 180. Can be exposed.

도 15를 참조하여, 상기 패드홀(285)이 형성된 층간절연막(160) 상에 패드 보호층(290)이 형성된다. 상기 패드 보호층(290)은 후속으로 이루어지는 컬러필 터(300) 및 마이크로 렌즈(미도시) 형성 공정시 상기 패드(180)가 오염되는 것을 방지하기 위한 것이다. 예를 들어, 상기 패드 보호층(290)은 TEOS층이 10~200Å의 두께로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 15, a pad protection layer 290 is formed on the interlayer insulating layer 160 on which the pad hole 285 is formed. The pad protective layer 290 is to prevent the pad 180 from being contaminated during the subsequent formation of the color filter 300 and the micro lens (not shown). For example, the pad protection layer 290 may have a TEOS layer having a thickness of about 10 to about 200 kPa.

도 16을 참조하여, 상기 제1 및 제2 포토다이오드(205)에 대응하는 상기 패드 보호층(290) 상으로 컬러필터(300) 및 마이크로 렌즈(미도시)가 형성된다. 상기 컬러필터(300)는 단위픽셀 마다 하나씩 형성되어 입사하는 빛으로부터 색을 분리해 낸다.Referring to FIG. 16, a color filter 300 and a micro lens (not shown) are formed on the pad protection layer 290 corresponding to the first and second photodiodes 205. The color filter 300 is formed one by one unit pixel to separate the color from the incident light.

<제2 실시예>Second Embodiment

도 17은 제2 실시예에 따른 이미지센서의 부분 상세도이다.17 is a partial detailed view of an image sensor according to a second embodiment.

제2 실시예에 따른 이미지센서는 리드아웃회로(Readout Circuitry)(120)가 형성된 제1 기판(100); 상기 리드아웃회로(120)와 전기적으로 연결되도록 상기 제1 기판(100)상에 형성된 배선(150); 및 상기 배선(150)과 전기적으로 연결되며 상기 제1 기판(100) 상측의 결정형 반도체층에 형성된 포토다이오드(미도시);를 포함한다.The image sensor according to the second embodiment includes a first substrate 100 on which a readout circuitry 120 is formed; A wiring 150 formed on the first substrate 100 to be electrically connected to the readout circuit 120; And a photodiode (not shown) electrically connected to the wiring 150 and formed in the crystalline semiconductor layer on the upper side of the first substrate 100.

제2 실시예는 상기 제1 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.The second embodiment can employ the technical features of the first embodiment.

예를 들어, 제2 실시예의 제1 포토다이오드(205)는 소자분리 트랜치(235) 및 소자분리층(250)에 의하여 단위픽셀 별로 분리될 수 있다. 또한, 상기 제1 포토다이오드(205)를 포함하는 층간 절연막(160) 상에는 보호층(270)이 형성되어 상기 포토다이오드(205) 및 다른 소자들을 보호할 수 있다. 또한, 상부전극층(260)과 전기적으로 연결되지 않는 더미픽셀인 제2 포토다이오드(205a)가 형성되어 리키지 커런 트를 측적할 수 있다. For example, the first photodiode 205 of the second embodiment may be separated by unit pixels by the device isolation trench 235 and the device isolation layer 250. In addition, a protective layer 270 may be formed on the interlayer insulating layer 160 including the first photodiode 205 to protect the photodiode 205 and other devices. In addition, a second photodiode 205a that is a dummy pixel that is not electrically connected to the upper electrode layer 260 may be formed to measure the liquid current.

한편, 제2 실시예는 제1 실시예와 달리 전기접합영역(140)의 일측에 제1 도전형 연결영역(148)이 형성된 예이다. 상기 제1 도전형 연결영역(148)은 상기 전기접합영역(140) 및 상기 소자분리막(110) 사이에 형성되며, 상기 소자분리막(110)에 접하면서 상기 전기접합영역과 전기적으로 연결될 수 있다.Meanwhile, unlike the first embodiment, the second embodiment is an example in which the first conductive connection region 148 is formed on one side of the electrical bonding region 140. The first conductive connection region 148 may be formed between the electrical junction region 140 and the device isolation layer 110, and may be electrically connected to the electrical junction region while being in contact with the device isolation layer 110.

실시예에 의하면 P0/N-/P- Junction(140)에 Ohmic Contact을 위한 N+ 연결영역(148)을 형성할 수 있는데, 이때 N+ 연결영역(148) 및 M1C Contact(151a) 형성공정은 리키지소스(Leakage Source)가 될 수 있다. 왜냐하면, P0/N-/P- Junction(140)에 Reverse Bias가 인가된 채로 동작하므로 기판 표면(Si Surface)에 전기장(EF)이 발생할 수 있다. 이러한 전기장 내부에서 Contact 형성 공정 중에 발생하는 결정결함은 리키지소스가 된다.According to an embodiment, an N + connection region 148 for ohmic contacts may be formed in the P0 / N− / P− junction 140, in which the process of forming the N + connection region 148 and the M1C contact 151a may be performed. It can be a Leakage Source. This is because the electric field EF may be generated on the Si surface of the substrate because the reverse bias is applied to the P0 / N− / P− junction 140. The crystal defects generated during the contact forming process in the electric field become a liquid source.

또한, N+ 연결영역(148)을 P0/N-/P- Junction(140) 표면에 형성시킬 경우 N+/P0 Junction(148/145)에 의한 E-Field가 추가되므로 이 역시 리키지 소스(Leakage Source)가 될 수 있다.In addition, when the N + connection region 148 is formed on the surface of the P0 / N- / P- junction 140, an E-Field by the N + / P0 junction 148/145 is added, which is also a leakage source. Can be

따라서, 제2 실시예는 P0 층으로 도핑(Doping)되지 않고 N+ 연결영역(148)으로 이루어진 Active 영역에 제1 컨택플러그(151a)를 형성하고, 이를 N- Junction(143)과 연결시키는 Layout을 제시한다.Accordingly, in the second embodiment, the first contact plug 151a is formed in an active region formed of the N + connection region 148 without being doped with a P0 layer, and a layout for connecting the first contact plug 151a with the N-junction 143 is provided. present.

제2 실시예에 의하면 Si 표면의 E-Field가 발생하지 않게 되고 이는 3차원 집적(3-D Integrated) CIS의 암전류(Dark Current) 감소에 기여할 수 있다.According to the second embodiment, the E-Field of the Si surface does not occur, which may contribute to the reduction of dark current of the 3-D integrated CIS.

도 1 내지 도 16은 제1 실시예에 따른 이미지센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다. 1 to 16 are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the image sensor according to the first embodiment.

도 17은 제2 실시예에 따른 이미지센서의 부분 상세도이다.17 is a partial detailed view of an image sensor according to a second embodiment.

도 18은 제1 실시예에 따른 리드아웃 회로의 포토차지 덤핑구조를 나타내는 도면이다. FIG. 18 illustrates a photocharge dumping structure of the readout circuit according to the first embodiment.

도 19는 종래 기술에 따른 리드아웃 회로의 포토차지 덤핑구조를 나타내는 도면이다. 19 is a view showing a photocharge dumping structure of a lead-out circuit according to the prior art.

Claims (19)

리드아웃 회로가 형성된 픽셀부 및 주변회로가 형성된 주변부를 포함하는 제1 기판;A first substrate including a pixel portion on which a readout circuit is formed and a peripheral portion on which a peripheral circuit is formed; 상기 리드아웃 회로 및 주변회로와 연결되도록 상기 제1 기판 상에 형성된 배선 및 층간절연막;A wiring and an interlayer insulating film formed on the first substrate so as to be connected to the readout circuit and the peripheral circuit; 상기 픽셀부에 대응하는 상기 층간절연막 상에 형성된 결정형 반도체층;A crystalline semiconductor layer formed on the interlayer insulating film corresponding to the pixel portion; 상기 결정형 반도체층에 형성되고 소자분리 트랜치에 의하여 단위픽셀 별로 분리되며, 상기 배선과 각각 전기적으로 연결되는 제1 포토다이오드 및 제2 포토다이오드;A first photodiode and a second photodiode formed on the crystalline semiconductor layer and separated by unit pixels by device isolation trenches and electrically connected to the wirings, respectively; 상기 소자분리 트랜치를 포함하는 결정형 반도체층 상에 형성된 소자분리층;A device isolation layer formed on the crystalline semiconductor layer including the device isolation trench; 상기 소자분리층을 관통하여 상기 제1 포토다이오드와 부분적으로 연결되는 상부전극층; An upper electrode layer partially connected to the first photodiode through the device isolation layer; 상기 제1 포토다이오드의 상부 영역이 선택적으로 노출되도록 상기 상부전극층에 형성된 노출부; 및An exposed portion formed in the upper electrode layer to selectively expose an upper region of the first photodiode; And 상기 노출부를 포함하는 제1 기판 상에 배치된 보호층을 포함하는 이미지센서. And a protective layer disposed on the first substrate including the exposed portion. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 소자분리층은 상기 제1 포토다이오드를 노출시키는 제1 비아홀을 포함하고, 상기 상부전극층은 상기 제1 비아홀을 통해 상기 제1 포토다이오드와 전기적 으로 연결되는 이미지센서.The device isolation layer includes a first via hole exposing the first photodiode, and the upper electrode layer is electrically connected to the first photodiode through the first via hole. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 포토다이오드는 상기 상부전극층과 전기적으로 연결되어 실질적인 동작을 수행하는 메인픽셀이며, 상기 제2 포토다이오드는 상기 상부전극층과 전기적으로 연결되지 않는 더미픽셀인 것을 특징으로 하는 이미지센서.The first photodiode is a main pixel electrically connected to the upper electrode layer to perform a substantial operation, and the second photodiode is a dummy pixel not electrically connected to the upper electrode layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 리드아웃회로는The lead out circuit is 상기 제1 기판에 형성된 전기접합영역을 포함하며,An electrical junction region formed in the first substrate, 상기 전기접합영역은 The electrical junction region is 상기 제1 기판에 형성된 제1 도전형 이온주입영역; 및A first conductivity type ion implantation region formed on the first substrate; And 상기 제1 도전형 이온주입영역 상에 형성된 제2 도전형 이온주입영역;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.And a second conductivity type ion implantation region formed on the first conductivity type ion implantation region. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 전기접합영역 상부에 상기 배선과 전기적으로 연결되어 형성된 제1 도전형 연결영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.And a first conductivity type connection region formed on the electrical junction region and electrically connected to the wiring. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 전기접합영역은The electrical junction region is PNP 졍션(junction)인 것을 특징으로 하는 이미지센서.Image sensor characterized in that the PNP junction (junction). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 리드아웃회로는 트랜지스터를 포함하며,The readout circuit includes a transistor, 상기 트랜지스터 양측의 소스 및 드레인의 전압차(Potential Difference)가 있는 것을 특징으로 하는 이미지센서.And a potential difference between the source and the drain of both sides of the transistor. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 트랜지스터는 트랜스퍼 트랜지스터이며,The transistor is a transfer transistor, 상기 트랜스퍼 트랜지스터 일측에 위치한 소스영역의 이온주입농도가 상기 트랜스퍼 트랜지스터 타측에 위치한 드레인 영역인 플로팅디퓨젼 영역의 이온주입농도 보다 낮은 것을 특징으로 하는 이미지센서.And an ion implantation concentration of a source region located on one side of the transfer transistor is lower than an ion implantation concentration of a floating diffusion region, which is a drain region located on the other side of the transfer transistor. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 전기접합영역 일측에 상기 배선과 전기적으로 연결되어 형성된 제1 도전형 연결영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.And a first conductivity type connection region formed on one side of the electrical junction region to be electrically connected to the wiring. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 제1 기판에 소자분리막이 형성되어 액티브 영역이 정의되며,An isolation region is formed on the first substrate to define an active region. 상기 제1 도전형 연결영역은,The first conductivity type connection region, 상기 전기접합영역 및 상기 소자분리막 사이에 형성되며, 상기 소자분리막에 접하면서 상기 전기접합영역과 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 이미지센서.An image sensor formed between the electrical junction region and the device isolation layer and electrically connected to the electrical junction region while being in contact with the device isolation layer. 제1 기판에 리드아웃 회로를 포함하는 픽셀부 및 주변회로를 포함하는 주변부를 형성하는 단계;Forming a pixel portion including a readout circuit and a peripheral portion including a peripheral circuit on the first substrate; 상기 제1 기판 상에 상기 리드아웃 회로 및 주변회로와 연결되는 배선 및 층간절연막을 형성하는 단계;Forming a wiring and an interlayer insulating film on the first substrate and connected to the readout circuit and the peripheral circuit; 결정형 반도체층을 포함하는 제2 기판을 형성하는 단계;Forming a second substrate comprising a crystalline semiconductor layer; 상기 결정형 반도체층에 포토다이오드층을 형성하는 단계;Forming a photodiode layer on the crystalline semiconductor layer; 상기 제1 기판과 상기 포토다이오드층을 포함하는 제2 기판을 본딩하는 단계;Bonding a second substrate including the first substrate and the photodiode layer; 상기 포토다이오드층이 노출되도록 상기 제2 기판의 일부를 제거하는 단계;Removing a portion of the second substrate to expose the photodiode layer; 상기 결정형 반도체층에 소자분리 트랜치를 형성하여 단위픽셀 별로 분리하고, 상기 배선과 각각 전기적으로 연결되는 제1 포토다이오드 및 제2 포토다이오드를 형성하는 단계;Forming a device isolation trench in the crystalline semiconductor layer to separate the pixel for each unit pixel, and forming a first photodiode and a second photodiode electrically connected to the wires; 상기 제1 및 제2 포토다이오드를 포함하는 상기 결정형 반도체층 상에 소자분리층을 형성하는 단계;Forming an isolation layer on the crystalline semiconductor layer including the first and second photodiodes; 상기 소자분리층을 관통하며, 상기 제1 포토다이오드와 전기적으로 연결되도록 상기 소자분리층 상에 상부전극층을 형성하는 단계;Forming an upper electrode layer on the device isolation layer through the device isolation layer to be electrically connected to the first photodiode; 상기 제1 포토다이오드의 상부영역이 선택적으로 노출되도록 상기 상부전극층의 일부를 제거하여 노출부를 형성하는 단계; 및Forming an exposed portion by removing a portion of the upper electrode layer to selectively expose an upper region of the first photodiode; And 상기 노출부를 포함하는 상기 층간절연막 상에 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법.And forming a protective layer on the interlayer insulating film including the exposed portion. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 소자분리 트랜치를 형성할 때, 상기 주변부 상의 결정형 반도체층이 제거되어 상기 주변부의 배선이 노출되는 이미지센서의 제조방법.When the device isolation trench is formed, the crystalline semiconductor layer on the periphery is removed to expose the wiring of the periphery. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 상부전극층을 형성하는 단계는,Forming the upper electrode layer, 상기 제1 포토다이오드 표면이 부분적으로 노출되도록 상기 소자분리층에 제1 비아홀을 형성하는 단계; Forming a first via hole in the device isolation layer to partially expose the surface of the first photodiode; 상기 제1 비아홀을 포함하는 상기 소자분리층 상에 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지센서의 제조방법.And forming a metal layer on the device isolation layer including the first via hole. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 제1 비아홀을 형성할 때 상기 주변부의 배선을 노출시키는 제2 비아홀이 형성되는 단계를 더 포함하고, And forming a second via hole exposing the wiring of the peripheral part when the first via hole is formed. 상기 상부전극층은 상기 제2 비아홀을 통해 상기 주변부의 배선과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.And the upper electrode layer is electrically connected to the wires of the peripheral portion through the second via hole. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 제1 기판에 리드아웃회로를 형성하는 단계는, 상기 제1 기판에 전기접합영역을 형성하는 단계를 포함하고,Forming a lead-out circuit on the first substrate comprises forming an electrical junction region on the first substrate, 상기 제1 기판에 전기접합영역을 형성하는 단계는,Forming an electrical junction region on the first substrate, 상기 제1 기판에 제1 도전형 이온주입영역을 형성하는 단계; 및Forming a first conductivity type ion implantation region in the first substrate; And 상기 제1 도전형 이온주입영역 상에 제2 도전형 이온주입영역을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.And forming a second conductivity type ion implantation region on the first conductivity type ion implantation region. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 전기접합영역 상부에 상기 배선과 전기적으로 연결되는 제1 도전형 연결영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.And forming a first conductive connection region electrically connected to the wiring on the electrical junction region. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 제1 도전형 연결영역을 형성하는 단계는,Forming the first conductivity type connection region, 상기 배선에 대한 컨택에치 후에 진행되는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.The method of manufacturing an image sensor, characterized in that proceeds after the contact etched on the wiring. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 전기접합영역 일측에 상기 배선과 전기적으로 연결되는 제1 도전형 연결영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.And forming a first conductive connection region electrically connected to the wiring at one side of the electrical junction region. 제18항에 있어서,The method of claim 18, 상기 제1 기판에 소자분리막이 형성되어 액티브 영역이 정의되며,An isolation region is formed on the first substrate to define an active region. 상기 제1 도전형 연결영역은,The first conductivity type connection region, 상기 전기접합영역 및 상기 소자분리막 사이에 형성되며, 상기 소자분리막에 접하면서 상기 전기접합영역과 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.A method formed between the electrical junction region and the device isolation layer and in electrical contact with the electrical junction region while being in contact with the device isolation layer.
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