KR101033348B1 - Method for Manufacturing An Image Sensor - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 제1 기판 내에 수소이온주입영역을 형성하는 단계; 상기 수소이온주입된 제1 기판의 상측에 실리콘(Si) 에피층을 형성하는 단계; 상기 실리콘 에피층과 제1 기판의 수소이온주입영역 상측에 이온주입에 의해 포토다이오드를 형성하는 단계; 리드아웃 회로부를 포함하는 제2 기판을 준비하는 단계; 상기 포토다이오드와 상기 리드아웃 회로부가 대응되도록 상기 제1 기판과 제2 기판을 본딩하는 단계; 및 상기 수소이온주입된 영역을 기준으로 상기 포토다이오드를 남기로 제1 기판의 일부를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In another embodiment, a method of manufacturing an image sensor includes: forming a hydrogen ion implantation region in a first substrate; Forming a silicon (Si) epitaxial layer on the hydrogen ion implanted first substrate; Forming a photodiode on the silicon epitaxial layer and the hydrogen ion implantation region of the first substrate by ion implantation; Preparing a second substrate including a readout circuit unit; Bonding the first substrate and the second substrate to correspond to the photodiode and the readout circuit unit; And removing a portion of the first substrate to leave the photodiode on the basis of the hydrogen ion implanted region.
이미지센서, 포토다이오드, 에피층 Image sensor, photodiode, epi layer
Description
실시예는 이미지센서의 제조방법에 관한 것이다. An embodiment relates to a method of manufacturing 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. 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. As the size of the photodiode 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 회절 현상으로 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 the diffraction phenomenon of light called Airy Disk.
이를 극복하기 위한 대안 중 하나로 포토다이오드(Photodiode)를 비정질 실리콘(amorphous Si) 증착 혹은 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩(Wafer-to-Wafer Bonding) 등의 방법으로 포토다이오드(Photodiode)는 칩(Chip) 상부에 형성시키고 리드아웃 서 킷(Readout Circuit)부는 실리콘 기판(Si Substrate)에 형성시키는 시도가 이루어지고 있다. 포토다이오드(Photodiode)와 Readout Circuit부는 배선(Metal Line)을 통해 연결된다.As an alternative to overcome this problem, the photodiode is formed on the chip by a method such as depositing photodiode with amorphous Si or wafer-to-wafer bonding. Attempts have been made to form a readout circuit part on a silicon substrate. The photodiode and the readout circuit part are connected through a metal line.
한편, 본딩을 이용한 종래기술은 높은 효율의 포토다이오드(Photodiode)를 형성하기 위한 방법으로 포토다이오드(Photodiode)를 미리 형성한 도너 웨이퍼(Donor Wafer)를 형성하고, 이를 구동하기 위한 소자를 형성한 회로 기판(Circuit Wafer)을 형성한 뒤, 이를 접합하고, 도너 웨이퍼(Donor Wafer)의 포토다이오드 영역을 남기로 클리빙(Cleaving)한다.On the other hand, the prior art using bonding is a circuit for forming a donor wafer in which a photodiode is formed in advance as a method for forming a photodiode of high efficiency, and a device for driving the same After forming a substrate (Circuit Wafer), it is bonded and cleaved to leave the photodiode region of the donor wafer (Donor Wafer).
그런데, 도너 웨이퍼(Donor Wafer)를 클리빙(Cleaving) 할 수 있는 두께는 수소이온주입에너지(Hydrogen Implant Energy)와 도즈(Dose)에 의존하게 된다. 빛의 효율을 극대화하기 위하여 포토다이오드가 영역의 두께를 높이기 위해서 수소이온주입에너지(Hydrogen Implant Energy)를 충분히 높일 필요가 있다. 그러나, 현재 충분한 두께를 얻기 위한 조건을 수행할 수 있는 이온주입 장치가 없는 실정이다.However, the thickness for cleaving the donor wafer depends on the hydrogen implant energy and the dose. In order to maximize the efficiency of light, the photodiode needs to sufficiently increase the hydrogen implant energy in order to increase the thickness of the region. However, there is currently no ion implantation device capable of performing conditions for obtaining a sufficient thickness.
실시예는 본딩을 이용하여 회로 상부에 포토다이오드(Photodiode)를 형성하는 이미지센서에 있어서, 1um 이상의 두께를 가지는 포토다이오드를 형성할 수 있는 이미지센서의 제조방법을 제공하고자 한다.Embodiments provide an image sensor for forming a photodiode having a thickness of 1 μm or more in an image sensor for forming a photodiode on a circuit by using bonding.
실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 제1 기판 내에 수소이온주입영역을 형성하는 단계; 상기 수소이온주입된 제1 기판의 상측에 실리콘(Si) 에피층을 형성하는 단계; 상기 실리콘 에피층과 제1 기판의 수소이온주입영역 상측에 이온주입에 의해 포토다이오드를 형성하는 단계; 리드아웃 회로부를 포함하는 제2 기판을 준비하는 단계; 상기 포토다이오드와 상기 리드아웃 회로부가 대응되도록 상기 제1 기판과 제2 기판을 본딩하는 단계; 및 상기 수소이온주입된 영역을 기준으로 상기 포토다이오드를 남기로 제1 기판의 일부를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In another embodiment, a method of manufacturing an image sensor includes: forming a hydrogen ion implantation region in a first substrate; Forming a silicon (Si) epitaxial layer on the hydrogen ion implanted first substrate; Forming a photodiode on the silicon epitaxial layer and the hydrogen ion implantation region of the first substrate by ion implantation; Preparing a second substrate including a readout circuit unit; Bonding the first substrate and the second substrate to correspond to the photodiode and the readout circuit unit; And removing a portion of the first substrate to leave the photodiode on the basis of the hydrogen ion implanted region.
실시예에 따른 이미지센서의 제조방법에 의하면, 본딩을 이용하여 회로 상부에 포토다이오드(Photodiode)를 형성하는 이미지센서에 있어서, High Current Implant 장치를 이용하여, 도너 웨이퍼(Donor Wafer)에 수소이온주입(Hydrogen Implantation)을 수행한 뒤, LP-CVD 장치를 이용하여 에피층(Epi Layer)를 증착한 뒤, 포토다이오드(Photodiode)를 형성하기 위한 이온주입을 하여 1um 이상의 두께 를 가지는 포토다이오드를 형성할 수 있다.According to the manufacturing method of the image sensor according to the embodiment, in the image sensor to form a photodiode on the circuit using the bonding, hydrogen ion implantation into the donor wafer using a high current implant device After performing (Hydrogen Implantation), by depositing an Epi layer using an LP-CVD apparatus, and implanting the ion to form a photodiode (Photodiode) to form a photodiode having a thickness of 1um or more Can be.
또한, 실시예에 의하면 포토다이오드(Photodiode)의 두께를 높임으로써, 빛에 의한 전자의 발생효율을 높임으로써 전기적인 특성을 개선할 수 있다.In addition, according to the embodiment, by increasing the thickness of the photodiode, the electrical characteristics may be improved by increasing the generation efficiency of electrons by light.
이하, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an image sensor according to an embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
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.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.
본 발명은 씨모스 이미지센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.The present invention is not limited to the CMOS image sensor, and can be applied to any image sensor such as a CCD image sensor.
(실시예)(Example)
실시예는 리드아웃 서킷부 상측에 본딩에 의해 포토다이오드를 형성하는 기존의 방법에서 형성할 수 있는 포토다이오드의 두께를 더욱 두껍게 하여 이미지 특성의 효율을 높이기 위함이다.The embodiment is to increase the efficiency of image characteristics by further increasing the thickness of the photodiode that can be formed by the conventional method of forming the photodiode by bonding on the upper side of the lead-out circuit portion.
한편, 포토다이오드의 두께는 수소이온주입 에너지에 의하여 결정되는데 에너지가 높을수록 두꺼운 포토다이오드를 얻을 수 있다.On the other hand, the thickness of the photodiode is determined by the hydrogen ion implantation energy, the higher the energy can be obtained a thick photodiode.
이온주입 조건이 5E16~1E17 dose/cm2임을 감안한다면, 에너지는 60~70keV 이상 높이기 어려운 상황이며, 이때 이온주입에 의해 이온주입피크(Rp; projected range)가 0.5 내지 0.7 ㎛ 정도에 불과하다.Considering that the ion implantation condition is 5E16 ~ 1E17 dose / cm 2 , the energy is difficult to increase more than 60 ~ 70keV, the ion implantation peak (Rp; projected range) by the ion implantation is only about 0.5 to 0.7 ㎛.
가사, 이온주입 에너지를 높일 수 있다고 하더라도 현 수준에서 공정시간(Process Time)이 매우 오래 걸려, 예를 들어 1장에 1일 정도 소요되므로 양산성이 매우 부족한 문제가 있다.Even if the housekeeping and ion implantation energy can be increased, the process time is very long at the current level, for example, it takes about 1 day per sheet, so there is a problem that the mass production is very poor.
이에, 실시예는 수소이온 주입 후 실리콘 에피층(Epi Layer)를 증착함으로써 종래기술 보다 두꺼운 두께의 포토다이오드를 형성하여 더욱 높은 효율의 이미지센서를 제공할 수 있다.Thus, the embodiment may provide a more efficient image sensor by forming a photodiode having a thicker thickness than the prior art by depositing a silicon epi layer after hydrogen ion implantation.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an image sensor according to an embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
먼저, 도 1과 같이 제1 기판(110) 내에 수소이온주입영역(112)을 형성한다. 예를 들어, 포토다이오드가 형성될 제1 기판(Donor Wafer)(110) 위에 High Current Implant 장치에 의하여 약 60~80keV로 수소이온을 1E16~1E17 dose/cm2로 이온주입한다. 이때, 이온주입에 의한 Rp는 0.5~0.7㎛정도이다.First, as shown in FIG. 1, a hydrogen
다음으로, 도 2와 같이 상기 수소이온주입된 제1 기판의 상측(114)에 실리콘(Si) 에피층(120)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 2, a silicon (Si)
예를 들어, 수소이온주입된 제1 기판(110) 상에 LP-CVD에 의하여 550~600 ℃의 온도에서 Si Epi-Layer를 증착한다. 이때, 증착 두께는 0.5~2㎛ 정도로 증착할 수 있다.For example, Si Epi-Layer is deposited on the hydrogen-ion-injected
다음으로, 도 3과 같이 상기 실리콘 에피층(120)과 제1 기판(110)의 수소이온주입영역 상측에 이온주입에 의해 포토다이오드(미도시)를 형성한다.Next, as shown in FIG. 3, a photodiode (not shown) is formed by ion implantation above the hydrogen ion implantation region of the silicon
예를 들어, 수소이온주입영역(112) 근처에는 P형 이온주입영역을 형성하고, 그 상측에 N형 이온주입역을 형성하여 포토다이오드를 형성할 수 있다.For example, a P-type ion implantation region may be formed near the hydrogen
실시예에 따른 이미지센서의 제조방법에 의하면, 본딩을 이용하여 회로 상부에 포토다이오드(Photodiode)를 형성하는 이미지센서에 있어서, High Current Implant 장치를 이용하여, 도너 웨이퍼(Donor Wafer)에 수소이온주입(Hydrogen Implantation)을 수행한 뒤, LP-CVD 장치를 이용하여 에피층(Epi Layer)를 증착한 뒤, 포토다이오드(Photodiode)를 형성하기 위한 이온주입을 하여 1um 이상의 두께를 가지는 포토다이오드를 형성할 수 있으며, 또한, 포토다이오드(Photodiode)의 두께를 높임으로써, 빛에 의한 전자의 발생효율을 높임으로써 전기적인 특성을 개선할 수 있다.According to the manufacturing method of the image sensor according to the embodiment, in the image sensor to form a photodiode on the circuit using the bonding, hydrogen ion implantation into the donor wafer using a high current implant device After performing (Hydrogen Implantation), by depositing an epi layer using an LP-CVD apparatus, and implanting the ion to form a photodiode (photodiode) to form a photodiode having a thickness of 1um or more In addition, by increasing the thickness of the photodiode (Photodiode), it is possible to improve the electrical characteristics by increasing the generation efficiency of electrons by light.
이후, 도 4와 같이 리드아웃 회로부를 포함하는 제2 기판(210)을 준비하고, 상기 포토다이오드와 상기 리드아웃 회로부가 대응되도록 상기 제1 기판(110)과 제2 기판(210)을 본딩한다.Thereafter, as shown in FIG. 4, the
예를 들어, 상기 제2 기판(210)에는 트랜지스터와 금속배선(200)을 포함하는 리드아웃 회로부가 형성될 수 있다.For example, a readout circuit unit including a transistor and a metal wiring 200 may be formed on the
실시예에서 상기 제1 기판(110)과 제2 기판(210)은 포토다이오드와 금속배선(220)이 도 4와 같이 직접 접촉하도록 본딩되거나 또는 절연층(미도시) 등을 개재하여 본딩 후 비아 형성공정 등에 의해 포토다이오드와 리드아웃 서킷부가 전기적으로 연결될 수 있다.In an embodiment, the
이후, 상기 수소이온주입영역(112)을 기준으로 상기 포토다이오드를 남기로 제1 기판(110)의 일부를 제거하여 포토다이오드를 노출시킨다.Thereafter, the photodiode is exposed by removing a portion of the
이후, 상기 포토다이오드 상에 투명전극, 컬러필터 등의 추가 공정이 진행될 수 있다.Thereafter, an additional process such as a transparent electrode and a color filter may be performed on the photodiode.
본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.The present invention is not limited to the described embodiments and drawings, and various other embodiments are possible within the scope of the claims.
도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법의 공정단면도.1 to 4 are process cross-sectional views of a manufacturing method of an image sensor according to an embodiment.
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