KR20100079450A - 후면 수광 이미지센서의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 후면 수광 이미지센서의 제조방법은, 제1기판의 전면에 소자분리영역을 형성하여 픽셀영역을 정의하는 단계와; 상기 픽셀영역의 내부에 광감지부를 매몰하여 형성하는 단계와; 상기 광감지부 상에 이온주입층을 형성하는 단계와; 상기 이온주입층이 형성된 상기 제1기판의 전면에 제2기판을 성장시키는 단계와; 상기 제2기판의 전면에 상기 제1기판과 전기적으로 연결되는 로직부를 형성하는 단계와; 상기 제2기판의 전면에 절연층과 배선을 형성하는 단계와; 상기 제1기판의 후면을 그라인딩하여 상기 광감지부를 노출시키는 단계를 포함한다.
이미지센서, 후면 수광, 3D 이미지센서

Description

후면 수광 이미지센서의 제조방법{Method for Manufacturing Back Side Illumination Image Sensor}
실시예는 후면 수광 이미지센서의 제조방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학적 영상을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자이다. 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성된다.
이미지센서의 성능 향상을 위해 픽셀(Pixel)의 수는 증가하는 반면, 칩 사이즈는 소형화되고 있어 광감지부의 면적이 축소되어 이미지 특성(Image Quality)이 저하되는 경향을 보이고 있다. 또한, 광감지부 면적이 축소된 만큼의 적층높이(Stack Height)의 감소가 이루어지지 못하여 에어리 디스크(Airy Disk)라 불리는 빛의 회절 현상으로 광감지부에 입사되는 포톤(Photon)의 수 역시 감소하는 경향을 보이고 있다.
이에, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 소자에서 광감지부의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 확장하여야 한다. 그러나, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 광감지부의 면적을 확장하는 데 엔 한계가 있다.
실시예는 제한된 설계 영역 내에서 광감지 부분의 면적을 확장할 수 있는 후면 수광 이미지센서의 제조방법을 제공한다.
실시예에 의한 후면 수광 이미지센서의 제조방법은, 제1기판의 전면에 소자분리영역을 형성하여 픽셀영역을 정의하는 단계와; 상기 픽셀영역의 내부에 광감지부를 매몰하여 형성하는 단계와; 상기 광감지부 상에 이온주입층을 형성하는 단계와; 상기 이온주입층이 형성된 상기 제1기판의 전면에 제2기판을 성장시키는 단계와; 상기 제2기판의 전면에 상기 제1기판과 전기적으로 연결되는 로직부를 형성하는 단계와; 상기 제2기판의 전면에 절연층과 배선을 형성하는 단계와; 상기 제1기판의 후면을 그라인딩하여 상기 광감지부를 노출시키는 단계를 포함한다.
또한, 실시예에 의한 후면 수광 이미지센서의 제조방법은, 제1기판의 전면에 제1소자분리영역을 형성하여 픽셀영역을 정의하는 단계와; 상기 픽셀영역의 내부에 상기 제1소자분리영역의 깊이와 동일한 깊이로 매몰된 광감지부를 형성하는 단계와; 상기 광감지부의 상부에 남겨진 상기 픽셀영역에 이온을 주입하여, 상기 광감지부의 상면에서 상기 제1기판의 전면까지의 영역에 이온주입층을 형성하는 단계와; 상기 이온주입층이 형성된 상기 제1기판의 전면에 에피 실리콘층을 성장시키는 단계와; 상기 에피 실리콘층의 전면에 상기 광감지부와 전기적으로 연결되는 트랜 지스터를 형성하는 단계와; 상기 트랜지스터가 형성된 상기 에피 실리콘층의 전면에 절연층과 배선을 형성하는 단계와; 상기 제1기판의 후면을 그라인딩하여 상기 광감지부를 노출시키는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 제한된 설계 영역 내에서 광감지 부분의 면적을 확장할 수 있는 후면 수광 이미지센서의 제조방법을 제공할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 실시예에 따른 후면 수광 이미지센서의 제조방법에 대해서 상세하게 설명한다. 다만, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예를 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도 1 내지 도 8은 실시예의 후면 수광 이미지센서의 제조 공정의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1기판(10)에 픽셀영역을 정의하는 제1소자분리영역(20)을 형성한다.
제1소자분리영역(20)은 제1기판(10)의 상면부로부터 소정 깊이로 형성되어 소자 간을 상호 전기적으로 분리하는 STI(Shallow Trench Isolation)로 형성할 수 있다. STI 공정은 패터닝 및 에칭 공정을 통하여 제1기판(10)에 제1소자분리영역(20)을 정의한 후 다시 절연이 될 수 있도록 산화막을 증착하고 평탄화시키는 공정을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1소자분리영역(20)으로 정의 된 픽셀영역에 소정 깊이로 매몰된 광감지부(30)를 형성한다.
광감지부(30)는 포토다이오드일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 광감지부(30)는 P형의 제1기판(10)에 N형 이온을 주입하여 형성할 수 있다. 제1기판(10)의 내부에 매몰된 광감지부(30)는 STI에 의해 상호 분리되며, 광감지부(30)의 저면은 제1소자분리영역(20)의 저면과 동일한 깊이로 평탄하게 형성 된다.
이 후, 도 3에 도시된 바와 같이, 광감지부(30) 상에 이온주입층(40)을 형성한다.
이온주입층(40)은 매몰 상태인 각 광감지부(30)의 상 측에 남아있는 제1기판(10)의 영역 전체에 형성된다. 이에, 제1기판(10)의 상부면에는, 제1소자분리영역(20)과, 제1소자분리영역(20)으로 정의된 각 픽셀영역에 형성된 이온주입층(40)이 평탄하게 형성된다.
이온주입층(40)은 N형 이온주입 영역인 광감지부(30) 상에 P형 이온을 주입하여 형성할 수 있다. P형 이온이 주입된 이온주입 영역에 의해 잉여전자 등을 방지할 수 있다. 또한, 실시예에 의하면 PNP 정션(junction)을 형성하여 전하덤 핑(Charge Dumping) 효과를 얻을 수 있다.
이러한 과정을 통해 형성된 광감지부(30) 및 이온주입층(40)은 포토다이오드부의 기능을 수행한다.
이후, 도 4에 도시된 바와 같이, 평탄화된 이온주입층(40) 및 제1소자분리영역(20) 위에 제2기판(50)을 성장시킨다.
제2기판(50)은 에피 실리콘(Epi-Si)을 성장시켜 형성할 수 있다. 제2기판(50)에는 포토다이오드부를 통해 수광된 광신호를 처리하기 위한 로직부가 형성된다.
이에, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2기판(50)의 상부영역에 각 픽셀 영역과 대응되는 제2소자분리영역(60)을 형성한다.
제2소자분리영역(60)은 제2기판(50)의 상면부로부터 소정 깊이로 형성되어 로직부의 소자 간을 상호 전기적으로 분리하는 STI(Shallow Trench Isolation)로 형성할 수 있다. STI 공정은 패터닝 및 에칭 공정을 통하여 제2기판(50)에 소자 분리영역을 정의한 후 다시 절연이 될 수 있도록 산화막을 증착하고 평탄화시키는 공정을 포함한다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2소자분리영역(60)으로 구분된 제2기판(50)의 상부면에 로직 게이트(70)와 소스/드레인(80)을 형성하여 복수개의 트랜지스터를 형성한다.
소스/드레인(80)은 제2기판(50)에 N형 이온을 주입하여 형성하고 게이트(70)는 제2기판(50)에 게이트 물질을 증착한 후 식각하여 형성할 수 있다.
이러한 복수개의 트랜지스터는, 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터, 실렉트 트랜지스터 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
트랜지스터가 형성된 제2기판(50)은 포토다이오드부의 신호 처리를 위한 로직부로 동작한다.
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2기판(50) 상에 배선(105)과 절연층(90)을 형성하고, 배선(105)에 연결된 패드(100)를 절연층(90) 상에 노출시킨다.
배선(105)은 메탈물질을 이용하여 형성할 수 있다.
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1기판(10)의 후면을 그라인딩(back grinding)하여 제거함으로써 광감지부(30)를 노출시킨다.
광감지부(30) 상에는 컬러필터를 형성할 수 있으며, 광감지부(30)가 R, G, B 수직 적층형으로 형성된 포토다이오드인 경우, 컬러필터를 형성하지 않을 수 있다. 또한, 컬러필터 상에는 마이크로렌즈를 형성하는 것도 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 후면 수광 이미지센서의 제조방법은, 제1기판(10)에 광감지부(30)를 매몰시켜 포토다이오드부를 형성하고, 포토다이오드부가 형성된 제1기판(10)에 제2기판(50)을 성장시켜 트랜지스터 등의 구동회로를 포함하는 로직부를 형성한다. 이 후, 제1기판(10)의 후면을 제거하는 백 그라인딩(back grinding)공정을 수행하여 광감지부(30)가 노출되도록 하고 있다.
이와 같이, 이미지센서의 포토다이오드부와 로직부를 적층형으로 형성함으로써, 제한된 설계 공간 내에서 광감지 영역을 확대하는 것이 가능하다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 내지 도 8은 실시예의 후면 수광 이미지센서의 제조 공정의 단면도.

Claims (9)

  1. 제1기판의 전면에 제1소자분리영역을 형성하여 픽셀영역을 정의하는 단계와;
    상기 픽셀영역의 내부에 광감지부를 매몰하여 형성하는 단계와;
    상기 광감지부 상에 이온주입층을 형성하는 단계와;
    상기 이온주입층이 형성된 상기 제1기판의 전면에 제2기판을 성장시키는 단계와;
    상기 제2기판의 전면에 상기 제1기판과 전기적으로 연결되는 로직부를 형성하는 단계와;
    상기 제2기판의 전면에 절연층과 배선을 형성하는 단계와;
    상기 제1기판의 후면을 그라인딩하여 상기 광감지부를 노출시키는 단계를 포함하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀영역의 내부에 광감지부를 매몰하여 형성하는 단계는,
    상기 광감지부의 저면을 상기 제1소자분리영역의 저면과 동일한 깊이로 평탄하게 형성하는 단계를 포함하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀영역의 내부에 광감지부를 매몰하여 형성하는 단계는,
    P형의 상기 제1기판에 N형 이온을 주입하여 상기 광감지부를 형성하는 단계를 포함하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광감지부 상에 이온주입층을 형성하는 단계는,
    상기 광감지부 상에 P형 이온을 주입하여 상기 제1기판의 전면에 상기 이온주입층을 형성하는 단계를 포함하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이온주입층이 형성된 상기 제1기판의 전면에 제2기판을 성장시키는 단계는,
    상기 제1기판의 전면에 에피 실리콘(epi-Si)층을 성장시키는 단계를 포함하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2기판의 전면에 상기 제1기판과 전기적으로 연결되는 로직부를 형성하는 단계는,
    상기 제2기판에 제2소자분리영역을 형성하는 단계와;
    상기 제2소자분리영역으로 구분된 각 영역에 게이트 및 소스/드레인 영역을 포함하는 트랜지스터를 형성하는 단계를 포함하는 후면 수광 이미지센서의 제조방 법.
  7. 제1기판의 전면에 제1소자분리영역을 형성하여 픽셀영역을 정의하는 단계와;
    상기 픽셀영역의 내부에 상기 제1소자분리영역의 깊이와 동일한 깊이로 매몰된 광감지부를 형성하는 단계와;
    상기 광감지부의 상부에 남겨진 상기 픽셀영역에 이온을 주입하여, 상기 광감지부의 상면에서 상기 제1기판의 전면까지의 영역에 이온주입층을 형성하는 단계와;
    상기 이온주입층이 형성된 상기 제1기판의 전면에 에피 실리콘층을 성장시키는 단계와;
    상기 에피 실리콘층의 전면에 상기 광감지부와 전기적으로 연결되는 트랜지스터를 형성하는 단계와;
    상기 트랜지스터가 형성된 상기 에피 실리콘층의 전면에 절연층과 배선을 형성하는 단계와;
    상기 제1기판의 후면을 그라인딩하여 상기 광감지부를 노출시키는 단계를 포함하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 픽셀영역의 내부에 상기 제1소자분리영역의 깊이와 동일한 깊이로 매몰된 광감지부를 형성하는 단계는,
    P형의 상기 제1기판에 N형 이온을 주입하여 상기 광감지부를 형성하는 단계를 포함하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 광감지부의 상부에 남겨진 상기 픽셀영역에 이온을 주입하여, 상기 광감지부의 상면에서 상기 제1기판의 전면까지의 영역에 이온주입층을 형성하는 단계는,
    상기 광감지부 상에 P형 이온을 주입하여 상기 이온주입층을 형성하는 단계를 포함하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
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