KR100997353B1 - Image Sensor and Method for Manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은, 리드아웃 회로를 포함하는 반도체 기판을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 복수의 배선을 포함하는 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 배선이 노출되도록 상기 층간절연막을 관통하는 비아홀을 형성하는 단계; 상기 비아홀이 갭필되도록 상기 층간절연막에 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층에 대한 CMP 공정을 진행하여 표면에 디싱영역이 형성된 비아컨택을 형성하는 단계; 상기 디싱영역이 형성된 비아컨택의 일부를 포함하는 상기 층간절연막을 수평방향으로 제거하여 편평한 표면을 갖는 층간절연층 및 메탈컨택을 형성하는 단계; 및 상기 메탈컨택을 포함하는 층간절연층 상에 이미지 감지부를 형성하는 단계를 포함한다. In another aspect, a method of manufacturing an image sensor includes: forming a semiconductor substrate including a readout circuit; Forming an interlayer insulating film including a plurality of wirings on the semiconductor substrate; Forming a via hole penetrating the interlayer insulating film to expose the interconnection; Forming a metal layer on the interlayer insulating layer so that the via holes are gap-filled; Performing a CMP process on the metal layer to form a via contact having a dishing region formed on a surface thereof; Removing the interlayer insulating film including a portion of the via contact in which the dishing region is formed, in a horizontal direction to form an interlayer insulating layer and a metal contact having a flat surface; And forming an image detector on the interlayer insulating layer including the metal contact.
이미지센서, 3차원 이미지센서, 포토다이오드 Image sensor, 3D image sensor, photodiode
Description
실시예는 이미지센서에 관한 것이다. Embodiments relate to an image sensor.
이미지센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD)와 씨모스(CMOS) 이미지센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.An image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and is divided into a charge coupled device (CCD) and a 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.
하지만 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩의 경우 웨이퍼의 접합면이 균일하지 않으므로 본딩력이 저하될 수 있다. 이것은 상기 포토다이오드와 회로영역을 연결하기 위한 배선이 층간절연막 표면으로 노출되어 있기 때문에 상기 층간절연막이 불균일한 표면 프로파일을 가지므로 상기 층간절연막 상에 형성되는 포토다이오드와의 본딩력이 저하될 수 있다. 또한, 상기 포토다이오드와 상기 층간절연층은 서로 다른 물질로 형성되어 그 접합력이 떨어질 수 있다. However, in the case of wafer-to-wafer bonding, the bonding surface of the wafer is not uniform, and thus the bonding force may decrease. Since the wiring for connecting the photodiode and the circuit region is exposed to the surface of the interlayer insulating film, the interlayer insulating film has a nonuniform surface profile, and thus the bonding force with the photodiode formed on the interlayer insulating film may be reduced. . In addition, the photodiode and the interlayer insulating layer may be formed of different materials, and thus the bonding strength thereof may be degraded.
또한, 배선을 형성하기 위하여 층간절연막에 대한 CMP 공정시 배선영역에 디싱현상이 나타나게 되어 상기 배선과 상기 포토다이오드가 전기적으로 연결되지 않는 문제가 있다. In addition, dishing appears in the wiring region during the CMP process of the interlayer insulating layer to form the wiring, and thus the wiring and the photodiode are not electrically connected.
한편, 종래기술에 의하면 트랜스퍼 트랜지스터 양단의 소스 및 드레인 모두 고농도 N형으로 도핑(Doping)되어 있으므로 도 18에 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. 또한, 종래기술에 의하면 포토다이오드와 리드아웃 서킷 사이에 포토차지(Photo Charge)가 원활히 이동하지 못해 암전류가 발생하거나, 새츄레이션(Saturation) 및 감도의 하락이 발생하고 있다.Meanwhile, according to the related art, since both the source and the drain of the transfer transistor are doped with a high concentration N type, charge sharing occurs as illustrated in FIG. 18. When charge sharing occurs, the sensitivity of the output image is lowered and image errors may occur. 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.
실시예에서는 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 포토다이오드와 리드아웃 회로가 형성된 기판과의 물리적, 전기적 접촉력이 우수한 이미지센서 및 그 제조방법을 제공한다.The embodiment provides an image sensor excellent in physical and electrical contact force between a photodiode and a substrate on which a readout circuit is formed while employing a vertical photodiode, and a method of manufacturing the same.
제1 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은, 리드아웃 회로를 포함하는 반도체 기판을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 복수의 배선을 포함하는 층간절연막을 형성하는 단계; 상기 배선이 노출되도록 상기 층간절연막을 관통하는 비아홀을 형성하는 단계; 상기 비아홀이 갭필되도록 상기 층간절연막에 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층에 대한 CMP 공정을 진행하여 표면에 디싱영역이 형성된 비아컨택을 형성하는 단계; 상기 디싱영역이 형성된 비아컨택의 일부를 포함하는 상기 층간절연막을 수평방향으로 제거하여 편평한 표면을 갖는 층간절연층 및 메탈컨택을 형성하는 단계; 및 상기 메탈컨택을 포함하는 층간절연층 상에 이미지 감지부를 형성하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing an image sensor according to a first embodiment includes forming a semiconductor substrate including a readout circuit; Forming an interlayer insulating film including a plurality of wirings on the semiconductor substrate; Forming a via hole penetrating the interlayer insulating film to expose the interconnection; Forming a metal layer on the interlayer insulating layer so that the via holes are gap-filled; Performing a CMP process on the metal layer to form a via contact having a dishing region formed on a surface thereof; Removing the interlayer insulating film including a portion of the via contact in which the dishing region is formed, in a horizontal direction to form an interlayer insulating layer and a metal contact having a flat surface; And forming an image detector on the interlayer insulating layer including the metal contact.
제2 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은, 리드아웃 회로를 포함하는 반도체 기판을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 상에 복수의 배선을 포함하는 층간절연층을 형성하는 단계; 상기 층간절연막 상에 결정형 웨이퍼를 형성하는 단계; 상기 배선이 노출되도록 상기 층간절연층 및 결정형 웨이퍼에 비아홀 형성하는 단계; 상기 비아홀이 갭필되도록 상기 결정형 웨이퍼에 금속층을 형성하는 단계; 상 기 금속층에 대한 CMP 공정을 진행하여 표면에 디싱영역이 형성된 비아컨택을 형성하는 단계; 상기 디싱영역이 형성된 비아컨택의 일부를 포함하는 상기 결정형 웨이퍼를 수평방향으로 제거하여 편평한 표면을 갖는 결정형 반도체층 및 메탈컨택을 형성하는 단계; 및 상기 메탈컨택을 포함하는 결정형 반도체층 상에 이미지 감지부를 형성하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing an image sensor according to a second embodiment includes forming a semiconductor substrate including a readout circuit; Forming an interlayer insulating layer including a plurality of wirings on the semiconductor substrate; Forming a crystalline wafer on the interlayer insulating film; Forming via holes in the interlayer insulating layer and the crystalline wafer to expose the interconnects; Forming a metal layer on the crystalline wafer such that the via holes are gapfilled; Performing a CMP process on the metal layer to form a via contact having a dishing region formed on a surface thereof; Removing the crystalline wafer including a portion of the via contact in which the dishing region is formed, in a horizontal direction to form a crystalline semiconductor layer and a metal contact having a flat surface; And forming an image detector on the crystalline semiconductor layer including the metal contact.
제2 실시예에 따른 이미지 센서는, 리드아웃 회로를 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성된 복수의 배선을 포함하는 층간절연층; 상기 층간절연막 상에 형성된 결정형 반도체층; 상기 배선이 노출되도록 상기 층간절연층 및 결정형 반도체층에 형성된 비아홀; 상기 비아홀 내부에 형성된 메탈컨택; 및 상기 메탈컨택을 포함하는 결정형 반도체층 상에 형성된 이미지 감지부를 포함한다. An image sensor according to a second embodiment includes a semiconductor substrate including a readout circuit; An interlayer insulating layer including a plurality of wirings formed on the semiconductor substrate; A crystalline semiconductor layer formed on the interlayer insulating film; A via hole formed in the interlayer insulating layer and the crystalline semiconductor layer to expose the wiring; A metal contact formed in the via hole; And an image detector formed on the crystalline semiconductor layer including the metal contact.
실시예에 따른 이미지 센서 및 그 제조방법에 의하면, 리드아웃 회로와 포토다이오드의 수집형 집적을 이루어 필팩터를 향상시킬 수 있다. According to the image sensor and the manufacturing method thereof according to the embodiment, the fill factor can be improved by collecting the readout circuit and the photodiode.
또한, CMP 공정에 의하여 배선이 형성된 층간절연막의 내부에 수소주입층이 형성되고 상기 수소주입층의 상부에 해당하는 층간절연막이 클리빙공정에 의하여 제거되므로 편평한 표면의 층간절연층이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 층간절연층과 이미지 감지부가 면대면으로 연결되므로 전기적 특성이 향상되어 이미지센서의 수율(yield)을 증가시킬 수 있다.In addition, since the hydrogen injection layer is formed inside the interlayer insulating film formed by the CMP process and the interlayer insulating film corresponding to the upper portion of the hydrogen injection layer is removed by the cleaving process, a flat surface interlayer insulating layer may be formed. . Therefore, since the interlayer insulating layer and the image sensing unit are connected to the face-to-face, the electrical characteristics may be improved to increase the yield of the image sensor.
또한, 층간절연층 상에 형성되고 CMP 공정에 의하여 배선이 형성된 결정형 반도체층 내부에 수소주입층이 형성되고 상기 수소주입층의 상부에 해당하는 결정 형 반도체층이 클리빙 공정에 의하여 제거되므로 편평한 표면을 가지는 결정형 반도체층이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 결정형 반도체층과 이미지 감지부가 면대면으로 연결되므로 전기적특성이 향상될 수 있다. In addition, a hydrogen injection layer is formed inside the crystalline semiconductor layer formed on the interlayer insulating layer and wired by the CMP process, and the crystalline semiconductor layer corresponding to the upper portion of the hydrogen injection layer is removed by the cleaving process. A crystalline semiconductor layer may be formed. Therefore, since the crystalline semiconductor layer and the image sensing unit are connected face to face, electrical characteristics may be improved.
또한, 상기 결정형 반도체층 상에 이미지 감지부가 본딩공정에 의하여 형성되므로 그 접합면이 견고하므로 신뢰성을 향상시킬 수 있다. In addition, since the image sensing unit is formed on the crystalline semiconductor layer by a bonding process, the bonding surface is solid, thereby improving reliability.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.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.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(on/over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. In the description of the embodiments, where described as being formed "on / over" of each layer, the on / over may be directly or through another layer ( indirectly) includes everything formed.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.In the drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of description. In addition, the size of each component does not necessarily reflect the actual size.
실시예는 씨모스 이미지센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 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 such as a CCD image sensor.
<제1 실시예><First Embodiment>
이하, 도 1 내지 도 10을 참조하여 제1 실시예에 따른 이미지센서 제조방법을 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing the image sensor according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 10.
도 1 및 도 2를 참조하여, 리드아웃 회로(120)를 포함하는 반도체 기판(100) 상에 배선(150) 및 층간절연막(160)이 형성된다.1 and 2, the
상기 반도체 기판(100)은 단결정 또는 다결정의 실리콘 기판이며, p형 불순물 또는 n형 불순물이 도핑된 기판일 수 있다. 상기 반도체 기판(100)에 소자분리막(110)이 형성되어 액티브 영역이 정의된다. 그리고 픽셀부에 해당하는 상기 액티브 영역에 단위화소 별로 트랜지스터를 포함하는 리드아웃 회로(120)가 형성된다.The
도 2는 도 1에 도시된 리드아웃 회로(120)의 상세도이다. FIG. 2 is a detailed view of the
도 2를 참조하여, 상기 리드아웃 회로(120) 및 배선(150)을 상세히 설명한다. 상기 리드아웃 회로(120)는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)(121), 리셋 트랜지스터(Rx)(123), 드라이브 트랜지스터(Dx)(125), 셀렉 트랜지스터(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. Referring to FIG. 2, the
상기 반도체 기판(100)에 리드아웃 회로(120)를 형성하는 단계는 상기 반도체 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
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. 또한, 상기 반도체 기판(100)은 제2 도전형으로 도전되어 있을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the
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 상기 반도체 기판(100)에 전기접합영역(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, an
이하, 실시예의 포토차지의 덤핑구조에 대해서 도 2 및 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the dumping structure of the photocharge of the embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3.
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 /
구체적으로, 포토다이오드(205)에서 생성된 전자는 PNP 졍션(140)으로 이동하게 되며 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)(121) 온(On)시, FD(131) 노드로 전달되어 전압 으로 변환된다.Specifically, the electrons generated in the photodiode 205 are moved to the
P0/N-/P- 졍션(140)의 최대 전압값은 피닝볼티지가 되고 FD(131) Node 최대 전압값은 Vdd-Rx Vth이 되므로, 도 3에 도시된 바와 같이 Tx(131) 양단간 전위차로 인해 차지쉐어링(Charge Sharing) 없이 칩(Chip) 상부의 포토다이오드에서 발생한 전자가 FD(131) Node로 완전히 덤핑(Dumping) 될 수 있다.Since the maximum voltage value of the P0 / N- / P-
즉, 실시예에서 반도체 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 부른다. 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
따라서 종래의 기술에서 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 with N + junction in the related art, according to the embodiment, problems such as degradation of saturation and degradation of sensitivity can be avoided.
다음으로, 실시예에 의하면 포토다이오드와 리드아웃 회로(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, the first
이를 위해, 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 embodiment may form an N + doped region as the first
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. Meanwhile, in order to minimize the first
이를 위해, 실시예는 제2 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. To this end, the embodiment may proceed with a plug implant after etching the
즉, 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, the reason for N + doping locally only in the contact forming part as in the embodiment 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.
도 4는 리드아웃 회로에 대한 다른 구조를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 전기접합영역(140)의 일측에 제1 도전형 연결영역(148)이 형성될 수 있다. 4 shows another structure for the readout circuit. As shown in FIG. 4, a first conductive connection region 148 may be formed on one side of the
도 4를 참조하여, 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 리키지 소스(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 리키지 소스가 된다.Referring to FIG. 4, an N + connection region 148 for ohmic contacts may be formed in the P0 / N− / P−
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-
즉, 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.That is, the
그러면 상기 반도체 기판(100) 표면의 E-Field가 발생하지 않게 되고 이는 3차원 집적(3-D Integrated) CIS의 암전류(Dark Current) 감소에 기여할 수 있다.Then, the E-Field of the surface of the
그 다음으로, 상기 반도체 기판(100) 상에 층간절연막(160)을 형성하고, 배선(150)을 형성할 수 있다. 상기 배선(150)은 제2 메탈컨택(151a), 제1 메탈(151), 제2 메탈(152), 제3 메탈(153), 제4 메탈컨택(154a)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Next, an
다시 도 1을 참조하여, 상기 제3 메탈(153) 형성 후 제4 메탈컨택(154a)을 형성하는 방법을 설명한다. 우선, 상기 제3 메탈(153)이 형성된 층간절연막(160)에 상기 제3 메탈(153)이 노출되도록 비아홀을 형성한 후 상기 비아홀이 갭필되도록 텅스텐과 같은 금속층(15)을 상기 층간절연막(160) 상에 증착한다. Referring to FIG. 1 again, a method of forming the
그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 금속층(15)에 대한 CMP 공정을 진행 하여 상기 비아홀 내부에 상기 제3 메탈(153)과 전기적으로 연결되는 비아컨택(154)을 형성할 수 있다. 특히, 상기 비아컨택(154) 형성하기 위한 CMP 공정 시 상기 비아컨택(154)에 디싱(Dishing)영역(155)이 형성될 수 있다. As shown in FIG. 5, the CMP process may be performed on the
상기 디싱영역(155)은 CMP 공정 시 물질간의 경도에 따라 폴리싱(Polishing)되는 비율이 달라서 상기 비아컨택(154)이 상기 층간절연막(160)보다 더 낮은 높이를 가지게 되는 것이다. 상기 비아컨택(154)에 디싱영역(155)이 형성되면 이후 형성되는 포토다이오드와 전기적인 연결이 끊길 수 있으므로 상기 디싱영역(155)은 제거해야만 한다. The dishing
도 6을 참조하여, 상기 층간절연막(160)에 대한 이온주입공정이 진행된다. 상기 이온주입공정은 수소이온(H2)을 이용하여 상기 층간절연막(160) 전체에 대하여 진행될 수 있다. 상기 이온주입공정 시 이온주입 에너지를 컨트롤하여 상기 수소이온(H2)은 상기 디싱영역(155)의 하부에 해당하는 상기 층간절연막(160) 내부에 주입될 수 있다. Referring to FIG. 6, an ion implantation process is performed on the
도 7을 참조하여, 상기 디싱영역(155)의 하부에 해당하는 상기 층간절연막(160) 내부에 수소주입층(180)이 형성된다. 추가적으로, 열처리 공정을 진행하여 상기 수소주입층(180)을 수소기체층으로 변하게 할 수도 있다.Referring to FIG. 7, a
상기 수소주입층(180)은 상기 디싱영역(155)과 상기 제3 메탈(153) 사이에 해당하는 상기 층간절연막(160) 내부에 수평방향으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 수소주입층(180)은 상기 디싱영역(155) 하부의 비아컨택(154)에도 형성될 수 있다. The
예를 들어, 상기 수소주입층(180)을 기준으로 상기 수소주입층(180) 상부에 해당하는 층간절연막(160) 및 비아컨택(154)을 더미 절연층(60) 및 더미컨택(54)이라고 칭한다. 상기 수소주입층(180)은 기포형태로 형성되므로 상기 수소주입층(180)을 기준으로 상기 더미컨택(54)을 포함하는 더미 절연층(60)과 상기 비아컨택(154)을 포함하는 층간절연막(160)은 용이하게 분리될 수 있는 상태가 된다. For example, the
도 8을 참조하여, 상기 더미컨택(54)을 포함하는 더미 절연층(60)이 제거되어 상기 층간절연층(160a)에 제4 메탈컨택(154a)이 형성된다. 예를 들어, 상기 더미 절연층(60)은 상기 수소주입층(180)에 대한 클리빙(Cleaving)공정을 진행하여 제거될 수 있다. 즉, 상기 수소주입층(180)을 기준으로 상기 층간절연층(160a)을 남기고 상기 더미 절연층(60)을 블레이드등을 이용하여 제거할 수 있다. Referring to FIG. 8, the
상기 클리빙 공정에 의하여 물리적으로 상기 수소주입층(180) 및 더미 절연층(60)이 제거되면 상기 층간절연층(160a) 및 제4 메탈컨택(154a)의 표면은 편평한 면을 가질 수 있게 된다. 특히, 상기 디싱영역(155)이 형성된 더미컨택(54)은 상기 더미 절연층(60)에 포함되므로, 상기 더미 절연층(60)이 제거되면 상기 제4 메탈컨택(154a)의 표면은 편평한 형태(flat type)로 형성될 수 있게 된다. When the
도 9를 참조하여, 상기 층간절연층(160a) 상에 이미지 감지부(200)가 형성된다. 상기 이미지 감지부(200)는 상기 층간절연층(160a)과 본딩공정에 의하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 이미지 감지부(200)는 제1 불순물 영역(N-) 및 제2 불순물 영역(P+)으로 이루어져 PN접합의 포토다이오드 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 불순물 영역(N-)의 하부에는 이온주입영역(N+)이 형성될 수 있다. 상기 이온 주입영역(N+)은 오믹컨택의 역할을 할 수 있다. 9, an
예를 들어, 상기 이미지 감지부(200)는 결정형 구조의 p형 캐리어 기판(미도시) 내부에 N형 불순물(N-) 및 P형 불순물(P+)을 차례로 이온주입하여 제1 불순물 영역(N-) 및 제2 불순물 영역(P+)을 형성한다. 추가적으로 상기 제1 불순물 영역(N-)의 하부로 고농도의 n형 불순물(N+)을 이온주입하여 이온주입영역(N+)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 불순물 영역은 1.0~2.0㎛의 정션뎁스(junction depth)로 형성되고, 상기 제2 불순물 영역은 0.5㎛ 이내의 정션뎁스(junction depth)로 형성될 수 있다. For example, the
한편, 상기 이미지 감지부(200)는 n형 비정질 실리콘층(n-type amorphous silicon), 진성 비정질 실리콘층(intrinsic amorphous silicon) 및 p형 비정질 실리콘층(p-type amorphous silicon)으로 이루어지는 PIN 다이오드로 형성될 수도 있다. The
다음으로, 상기 층간절연층(160a)의 상부로 상기 캐리어 기판의 상기 이온주입영역(N+)이 마주되도록 위치시킨 후 본딩공정을 진행하여 상기 반도체 기판(100)과 상기 캐리어 기판을 결합시킨다. 이후, 상기 층간절연층(160) 상에 본딩된 상기 이미지 감지부(200)가 노출되도록 클리빙 공정(Cleaving) 공정에 의하여 캐리어 기판을 제거한다. Next, the ion implantation region N + of the carrier substrate is positioned to face the
실시예에 의하면, 상기 이미지 감지부(200)가 리드아웃 회로(120) 상측에 위치하는 3차원 이미지센서를 채용하여 필팩터를 높이면서, 이미지 감지부(200)의 디펙트를 방지할 수 있다.According to an embodiment, the
또한, 상기 제1 불순물 영역(N-)의 두께가 상기 제2 불순물 영역(P+)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. In addition, since the thickness of the first impurity region N− is greater than the thickness of the second impurity region P +, the charge storage capacity may be increased. 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.
또한, 디싱영역(155)이 제거된 제4 메탈컨택(154a)을 포함하는 층간절연층(160a) 상에 이미지 감지부(200)가 형성되므로 상기 이미지 감지부(200)와 상기 제4 메탈컨택(154a)이 전기적 접속이 효과적으로 이루어질 수 있다.In addition, since the
도 10을 참조하여, 상기 이미지 감지부(200)가 픽셀 영역에만 형성되도록 식각공정이 진행될 수 있다. 따라서 주변 영역에 해당하는 배선(150) 및 층간절연층(160a)이 노출될 수 있다. Referring to FIG. 10, an etching process may be performed such that the
도시되지는 않았지만, 추가적으로 상기 이미지 감지부(200)에 소자분리 영역을 성한 다음 상부전극, 컬러필터 및 마이크로 렌즈 형성공정이 진행될 수 있다. Although not shown, the device isolation region may be additionally formed in the
<제2 실시예>Second Embodiment
도 17은 제2 실시예에 따른 이미지센서를 나타내는 도면이다.17 is a diagram illustrating an image sensor according to a second embodiment.
제2 실시예에 따른 이미지센서는, 리드아웃 회로(120)를 포함하는 반도체 기판(100); 상기 반도체 기판(100) 상에 형성된 복수의 배선(150)을 포함하는 층간절연층(160); 상기 층간절연층(160) 상에 형성된 결정형 반도체층(300a); 상기 배선(150)이 노출되도록 상기 층간절연층(160) 및 결정형 반도체층(300a)에 형성된 비아홀(310); 상기 비아홀(310) 내부에 형성된 메탈컨택(354a); 및 상기 메탈컨 택(354a)을 포함하는 결정형 반도체층(300) 상에 형성된 이미지 감지부(200)를 포함한다. The image sensor according to the second embodiment includes a
상기 결정형 반도체층(300a) 및 이미지 감지부(200)는 결정형 구조의 실리콘층으로 형성되어 상기 결정형 반도체층(300a)과 이미지 감지부(200)의 접합면은 견고할 수 있다.The
도 17의 도면 부호 중 미설명 도면부호는 이하 제조방법에서 설명하기로 한다 Unexplained reference numerals among the reference numerals of FIG. 17 will be described in the following manufacturing method.
이하, 도 11 내지 도 17을 참조하여 제2 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다 제2 실시예의 설명에 있어서 제1 실시예와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한, 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다. Hereinafter, a method of manufacturing the image sensor according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 11 to 17. In the description of the second embodiment, the same reference numerals are used for the same components as those of the first embodiment. In addition, the description of the same components as in the first embodiment will be omitted.
도 11을 참조하여, 리드아웃 회로(120)가 형성된 반도체 기판(100) 상에 배선(150) 및 층간절연층(160)이 형성된다. 상기 반도체 기판(100)에 형성된 리드아웃 회로(120)와 제1 메탈컨택(151a), 제1 메탈(151), 제2 메탈(152), 제3 메탈(153) 형성은 제1 실시예와 동일하므로 이에 대한 설명을 생략하기로 한다. Referring to FIG. 11, a
따라서, 도 10에 도시된 바와 같이 상기 반도체 기판(100) 상에 형성된 상기 배선(150)은 제3 메탈(153)까지 형성된 상태이다. Therefore, as shown in FIG. 10, the
다음으로, 상기 층간절연층(160) 상에 결정형 웨이퍼(300)가 형성된다. 예를 들어, 상기 결정형 웨이퍼(300)는 단결정 또는 다결정의 실리콘층일 수 있다. Next, the
상기 결정형 웨이퍼(300)는 상기 층간절연층(160)과 본딩공정에 의하여 결합 될 수 있다. 한편, 상기 결정형 웨이퍼(300)와 상기 층간절연층(160)을 본딩하기 전에 플라즈마 액티베이션에 의해 본딩되는 면의 표면에너지를 높임으로써 본딩을 진행할 수 있다. The
한편, 본딩력을 향상시키기 위해 본딩 계면에 절연층, 금속층 등을 게재하여 본딩을 진행할 수도 있다. Meanwhile, in order to improve the bonding force, bonding may be performed by placing an insulating layer, a metal layer, or the like on the bonding interface.
도 12를 참조하여, 상기 제3 메탈(153)을 노출시키도록 상기 결정형 웨이퍼(300) 및 층간절연층(160)에 비아홀(310)이 형성된다. 상기 비아홀(310)은 선택적 식각공정에 의하여 상기 결정형 웨이퍼(300) 및 층간절연층(160)의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다. 따라서, 상기 비아홀(310)에 의하여 상기 제3 메탈(153)이 선택적으로 노출될 수 있다. 12, a via
도 13을 참조하여, 상기 제3 메탈(153)과 전기적으로 연결되도록 상기 비아홀(310) 내부에 비아컨택(354)이 형성된다. 상기 비아컨택(354)은 상기 비아홀(310)이 갭필되도록 상기 결정형 웨이퍼(300) 상에 텅스텐과 같은 금속층(미도시)을 증착한 후 평탄화 공정을 진행하여 형성할 수 있다. Referring to FIG. 13, a via
이때, 상기 비아컨택(354)에 대한 평탄화 공정은 CMP 공정이 사용되는데, CMP 공정 시 상기 비아컨택(354)에 디싱(Dishing)영역(355)이 형성된다. 즉, CMP 공정 시 물질간의 경도에 따라 폴리싱(Polishing)되는 비율이 달라지게 되므로 상기 비아컨택(354) 상에 움푹 파인 형태의 디싱영역(355)이 형성되는 것이다. In this case, the planarization process for the via
상기와 같이 비아컨택(354)에 디싱영역(355)이 형성되면 상기 비아컨택(354) 상에 형성되는 이미지 감지부(200)와의 전기적 접촉이 이루어지지 않게되어 소자에 에러가 발생될 수 있으므로 상기 디싱영역(355)에 대한 제거공정이 요구된다. As described above, when the dishing
도 14 및 도 15를 참조하여, 상기 결정형 웨이퍼(300)에 대한 이온주입공정을 진행하여 상기 결정형 웨이퍼(300) 내부에 수소주입층(380)이 형성된다. 14 and 15, a
상기 수소주입층(380)은 상기 디싱영역(355) 하부에 해당하는 결정형 웨이퍼(300) 내부에 전체적으로 형성될 수 있다. 상기 수소주입층(380)은 수소이온(H2)을 사용하여 이온주입공정을 실행함으로써 원하는 영역에 형성될 수 있다. 즉, 이온주입공정 시 이온주입 에너지를 컨트롤하여 상기 수소이온(H2)은 상기 디싱영역(355)의 하부에 해당하는 결정형 웨이퍼(300) 내부에 수평방향으로 형성될 수 있다. 추가적으로, 열처리 공정을 진행하여 상기 수소주입층(380)을 수소기체층으로 변하게 할 수도 있다.The
따라서, 상기 수소주입층(380)은 상기 디싱영역(355)과 상기 제3 메탈(153) 사이에 해당하는 상기 결정형 웨이퍼(300) 내부에 형성되므로 상기 비아컨택(354)도 상기 수소주입층(380)에 의하여 구분할 수 있게 된다. 예를 들어, 상기 수소주입층(380)을 기준으로 상기 수소주입층(380) 상부에 해당하는 결정형 웨이퍼(300) 및 비아컨택(354)을 더미층(30) 및 더미컨택(355)이라고 칭한다. 즉, 상기 더미층(35)은 디싱영역(355)이 형성된 더미컨택(355)을 포함할 수 있다. Therefore, since the
따라서, 상기 수소주입층(380)은 기포형태로 형성되므로 상기 수소주입층(380)을 기준으로 상기 더미층(30)과 결정형 웨이퍼(300)를 용이하게 분리될 수 있는 상태가 된다. Therefore, since the
도 16을 참조하여, 상기 더미컨택(355)을 포함하는 더미층(30)이 제거되어 상기 결정형 반도체층(300a)에 제4 메탈컨택(354a)이 형성된다. 예를 들어, 상기 더미층(35)은 상기 수소주입층(380)에 대한 클리빙(Cleaving)공정을 진행하여 제거될 수 있다. 즉, 상기 수소주입층(380)을 기준으로 상기 결정형 반도체층(300a)을 남기도록 상기 더미층(30)을 블레이드 등을 이용하여 제거할 수 있다. Referring to FIG. 16, the
상기 클리빙 공정에 의하여 물리적으로 상기 수소주입층(380) 및 더미층(30)이 제거되면 상기 결정형 반도체층(300a) 및 제4 메탈컨택(354a)의 표면은 편평한 면을 가질 수 있게 된다. 특히, 상기 디싱영역(355)이 형성된 더미컨택(355)은 상기 더미층(30)에 포함되므로, 상기 더미층(30)이 제거되면 상기 제4 메탈컨택(354a)의 표면은 편평한 형태(flat type)로 형성될 수 있게 된다. When the
도 17을 참조하여, 상기 결정형 반도체층(300a) 상에 이미지 감지부(200)가 형성된다. 상기 이미지 감지부(200)는 상기 결정형 반도체층(300a)과 본딩공정에 의하여 결합될 수 있다. Referring to FIG. 17, an
상기 이미지 감지부(200)는 결정형의 웨이퍼에 불순물을 이온주입하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 이미지 감지부(200)는 제1 불순물 영역(N-) 및 제2 불순물 영역(P+)으로 이루어져 PN접합의 포토다이오드 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 불순물 영역(N-)의 하부에는 이온주입영역(N+)이 형성될 수 있다. 상기 이온주입영역(N+)은 오믹컨택의 역할을 할 수 있다.The
상기와 같이 형성된 이미지 감지부(200)는 상기 결정형 반도체층(300a)에 본딩공정에 의하여 결합된다. 특히, 상기 이미지 감지부(200)와 상기 결정형 반도체 층(300a)은 동일한 물질로 형성되므로 그 본딩력은 견고할 수 있다. The
또한, 디싱영역(155)이 제거된 제4 메탈콘택(354a)을 포함하는 결정형 반도체층(300a) 상에 이미지 감지부(200)가 형성되므로 상기 이미지 감지부(200)와 상기 제4 메탈컨택(354a)이 전기적 접속이 효과적으로 이루어질 수 있다. In addition, since the
이상에서 설명한 실시예는 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 실시예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. The above-described embodiments are not limited to the above-described embodiments and drawings, and it is common in the technical field to which the present embodiments belong that various changes, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present embodiments. It will be apparent to those who have
도 1 내지 도 9는 제1 실시예에 따른 이미지센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다.1 to 9 are sectional views showing the manufacturing process of the image sensor according to the first embodiment.
도 10 내지 도 16은 제2 실시예에 따른 이미지센서의 제조공정을 나타내는 단면도이다. 10 to 16 are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of an image sensor according to a second embodiment.
도 17은 종래의 기술에 따른 포토차지의 덤핑구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 17 is a view schematically showing a dumping structure of a photocharge according to the prior art.
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KR100801447B1 (en) * | 2006-06-19 | 2008-02-11 | (주)실리콘화일 | A image sensor using back illumination photodiode and a method of manufacturing the same |
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