KR20110079337A - 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 후면수광 이미지센서는, 기판의 전면에 형성된 전면 소자분리영역; 상기 전면 소자분리영역으로 정의된 영역에 형성된 포토다이오드; 상기 기판의 전면 상에 형성된 층간절연층 및 배선; 상기 기판의 후면에서 형성되어 상기 전면 소자분리영역과 연결되는 후면 소자분리영역; 상기 기판의 후면에 형성된 마이크로렌즈를 포함한다.
후면수광 이미지센서, BSI, STI
Description
실시예는 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체소자이다. 특히 CMOS (Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이미지센서 기술의 발달에 따라 칩 사이즈(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.
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.
이를 극복하기 위한 대안 중 하나로 웨이퍼 백사이드(Wafer Back Side)를 통해 빛을 받아들여 수광부 상부의 단차를 최소화하고 메탈 라우팅(Metal Routing)에 의한 빛의 간섭 현상을 없애는 후면수광(Back Side Illumination, BSI) 이미지 센서가 개발된 바 있다.
그런데, 후면수광 이미지센서는 기판(substrate)의 포토다이오드(Photo Diode)의 소자격리(Isolation)는 공정(Process)이 진행되는 표면의 반대쪽이므로 포토다이오드 소자격리(PD Isolation)에 매우 취약한 구조이다. 이에 따라 종래기술에 의한 후면수광 이미지센서는 크로스토크에 취약하다는 문제점이 있다.
실시예는 전기적으로 완전한 아이소레이션 상태를 유지하여 전기적인 크로스 토크를 차단할 수 있는 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법을 제공한다.
실시예에 의한 후면수광 이미지센서는, 기판의 전면에 형성된 전면 소자분리영역; 상기 전면 소자분리영역으로 정의된 영역에 형성된 포토다이오드; 상기 기판의 전면 상에 형성된 층간절연층 및 배선; 상기 기판의 후면에서 형성되어 상기 전면 소자분리영역과 연결되는 후면 소자분리영역; 상기 기판의 후면에 형성된 마이크로렌즈를 포함한다.
실시예에 의한 후면수광 이미지센서의 제조방법은, 기판의 전면에 전면 소자분리영역과 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 기판의 전면 상에 층간절연층 및 배선을 형성하는 단계; 상기 기판의 후면에서 상기 전면 소자분리영역과 연결되는 후면 소자분리영역을 형성하는 단계; 상기 기판의 후면에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 전기적으로 완전한 아이소레이션 상태를 유지하여 전기적인 크로스 토크를 차단할 수 있는 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 실시예에 따른 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법에 대해서 상세하게 설명한다. 실시 예의 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. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 제1실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 단면도이다.
제1실시예에 따른 후면수광 이미지센서는 제1기판(100)의 전면에 형성된 전면 소자분리영역(STI)(300a, 300b)과, 제1기판(100)의 전면에 형성된 포토다이오드(120)와, 제1기판(100)의 전면 상에 형성된 층간절연층(160) 및 배선(140)과, 제1기판(100)의 후면에서 전면 소자분리영역(300a, 300b)과 연결되도록 형성된 후면 소자분리영역(200a, 200b)과, 제1기판(100) 후면 상에 형성된 평탄화층(140) 및 평탄화층(140) 상에 형성된 컬러필터(150)와 마이크로렌즈(180)를 포함할 수 있다.
제1실시예에 따른 후면수광 이미지센서는 제1기판(100)의 전면과 후면 양 측에 소자분리영역(200, 300)을 형성하여 제1기판(100)을 관통하는 소자분리영역(Si through Trench isolation)을 형성하고 있다. 여기서, 전면 소자분리영역(300a, 300b)과 후면 소자분리영역(200a, 200b)은 각각 동일한 깊이로 형성될 수 있다. 전 면 소자분리영역(300a, 300b)과 후면 소자분리영역(200a, 200b)은 상호 연결되어 제1기판(100)을 관통하는 소자분리영역을 형성함으로써 전기적으로 완전한 아이소레이션(isolation)을 보장할 수 있다. 이에, 전기적인 크로스 토크를 완전히 차단할 수 있다.
제1실시예와 같이, 제1기판(100)의 전면 및 후면 양 측에 소자분리영역(200, 300)을 구현하여 상호 연결되도록 하는 경우, 어느 일측면에서부터 타측면까지 하나의 소자분리영역으로 구현하는 것 보다 종횡비(aspect ratio)가 감소되어 공정이 용이해 진다. 예컨대, 3um 에피 웨이퍼(EPI wafer)의 전면 및 후면에 1.5um씩 소자분리영역을 형성하는 경우 종횡비가 CIS13기준으로 약 7:1정도의 작은 값을 갖는다. 반면, 동일한 3um 에피 웨이퍼(EPI wafer)에서 3um의 소자분리영역을 형성하는 경우 종횡비가 CIS13기준으로 약 15:1 이상이 됨으로 공정상에 많은 문제가 따른다.
도 2 및 도 3은 제1실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 제조 공정도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1기판(100)의 전면(Front Side)에 소자분리영역(110)을 형성하여 픽셀 영역 및 포토다이오드 영역을 정의하고, 정의된 영역 내에 포토다이오드(120)와 리드아웃 서킷(미도시)을 형성한다. 리드아웃 서킷은 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터, 실렉트 트랜지스터 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 제1기판(100)의 전면 상에 층간절연층(160)과 배선(140)을 형성한다. 배선(140)은 제1 메탈(M1), 제2 메탈(M2), 제3 메탈(M3) 등을 포함할 수 있다.
다음으로, 더미 웨이퍼인 제2기판(미도시)을 제1기판(100)의 배선(140) 측과 대응하도록 본딩한 후, 제1기판(100)의 전면 측의 반대측, 즉, 후면(Back Side)의 일부분(bulk)을 제거한다. 벌크 영역이 제거된 제1기판(100) 후면(Back Side) 상에는 도전형 층(130)을 형성할 수 있다. 도전형 층(130)은 P+ Si layer를 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 도전형 층(130)은 제1기판(100) 후면 표면의 interface에서 전하 trap을 중성화할 수 있다.
이 후, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1기판(100)의 후면에 후면 소자분리영역(200a, 200b)을 형성한다. 후면 소자분리영역(200a, 200b)을 형성하기 위해, 먼저, 제1기판(100)의 후면에 전면 소자분리영역(300a, 300b)과 연결될 정도의 깊이를 갖는 트렌치를 형성한다. 후면 소자분리영역(200a, 200b)의 트렌치 형성을 위해서는 전면 소자분리영역(300a, 300b)의 갭필 물질에 의해 스톱핑(stopping)되도록 트렌치를 에칭할 수 있다.
이 후, 갭필(gap fill)공정을 수행하여 후면 소자분리영역(200a, 200b)을 형성한다. 그리고, 제1기판(100) 후면의 도전형 층(130) 상에 평탄화층(140)을 형성한다.
다음으로, 평탄화층(140) 상에 컬러필터(150) 및 마이크로렌즈(180)를 형성하면 도 1에 도시된 제1실시예에 따른 후면수광 이미지센서가 완성될 수 있다.
여기서, 트렌치를 형성하는 과정은 평탄화층(140)을 형성한 후에 수행하는 것도 가능하다. 평탄화층(140) 형성 후 트렌치를 형성하여 갭필 하는 경우, 후면 소자분리영역(200a, 200b)은 평탄화층(140)에서부터 전면 소자분리영역(300a, 300b)까지의 높이로 형성된다. 이에 따라, 평탄화층(140)에서 발생하는 전기적인 크로스토크도 차단할 수 있다.
도 4는 제2실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 구조도이다. 제2실시예를 설명함에 있어서, 제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 제1실시예를 참조하여 중복된 설명은 생략하기로 한다.
제2실시예에 따른 후면수광 이미지센서는 후면 소자분리영역(220a, 220b)을 선택적으로 형성한 것으로서, 포토다이오드(120)의 형성 영역을 정의하는 소자분리영역(320a, 320b)에만 후면 소자분리영역(220a, 220b)과 연결되고 나머지 전면 소자분리영역(325), 예컨대, 픽셀을 정의하는 전면 소자분리영역(325)에는 후면 소자분리영역(220a, 220b)이 형성되지 아니한다.
제2실시예에 따른 후면수광 이미지센서는 제1기판(100)의 전면에 형성되어 포토다이오드 영역을 정의하는 전면 소자분리영역(320a, 320b)과, 포토다이오드 영역에 형성된 포토다이오드(120)와, 제1기판(100)의 후면에서 포토다이오드 영역을 정의하는 전면 소자분리영역(320a, 320b)과 연결되도록 형성된 후면 소자분리영역(220a, 220b)을 포함할 수 있다.
전면 소자분리영역(320a, 320b)은 포토다이오드 영역을 정의하기 위한 것 이외에, 픽셀 영역을 정의하기 위한 것도 존재하나, 제2실시예에서는 포토다이오드(120)를 정의하기 위한 전면 소자분리영역(320a, 320b)에 대해서만 후면 소자분리영역(220a, 220b)을 형성하고 있다.
이에 따라, 각 포토다이오드(120)는 전면 소자분리영역(320a, 320b)과 후면 소자분리영역(220a, 220b)에 의해 전기적으로 완전히 아이소레이션될 수 있다. 이에, 포토다이오드(120)에 영향을 주는 전기적인 크로스 토크를 완전히 차단할 수 있는 효과가 있다.
도 5는 제3실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 구조도이다. 제3실시예를 설명함에 있어서, 전술한 실시예와 동일한 구성에 대해서는 중복된 설명을 생략하기로 한다.
제3실시예에 따른 후면수광 이미지센서는 전면 소자분리영역(340a, 340b)과 후면 소자분리영역(240a, 240b)의 표면에 NCST 임플란트 영역을 형성한 경우를 예시하고 있다.
전면 소자분리영역(340a, 340b)과 후면 소자분리영역(240a, 240b)은 상호 연결되어 제1기판(100)을 관통하는 소자분리영역을 형성한다. 소자분리영역의 표면에는 NCST(N Channel field Stop) 이온 주입 공정을 수행하여 NCST 임플란트 영역(250a, 250b)을 형성할 수 있다.
제3실시예와 같이 전면 소자분리영역(340a, 340b) 및 후면 소자분리영역(240a, 240b)의 표면에 NCST 임플란트 영역(250a, 250b)을 형성하는 경우 정션 캐패시턴스가 증가하여 FW 증가 효과를 얻을 수 있다.
도 6은 제4실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 구조도이다. 제4실시예를 설명함에 있어서, 전술한 실시예와 동일한 구성에 대해서는 중복된 설명을 생략하기로 한다.
제4실시예에 따른 후면수광 이미지센서는 제1기판(100)의 전면에 형성된 전 면 소자분리영역(360a, 360b)과, 전면 소자분리영역(360a, 360b)으로 정의된 픽셀 영역에 형성된 포토다이오드(120)와, 제1기판(100)의 전면 상에 형성된 층간절연층(160) 및 배선(140)과, 제1기판(100)의 후면에서 전면 소자분리영역(360a, 360b)과 연결되도록 형성된 후면 소자분리영역(260a, 260b)을 포함하며, 여기서, 후면 소자분리영역(260a, 260b)은 전면 소자분리영역(360a, 360b)에 비해 상대적으로 깊게 형성된다.
또한, 제4실시예에 따른 후면수광 이미지센서는 후면 소자분리영역(220a, 220b)을 선택적으로 형성한 것으로서, 픽셀 영역을 정의하는 소자분리영역(360a, 360b)에만 후면 소자분리영역(260a, 260b)과 연결되고 나머지 전면 소자분리영역에는 후면 소자분리영역(260a, 260b)이 형성되지 아니한다.
제1기판(100)의 전면에서 집적(integration)도를 높이기 위해서는 전면 소자분리영역(360a, 360b)이 작게 형성될 수록 유리하다. 이에, 전면 소자분리영역(360a, 360b)은 상대적으로 얕게 형성하고, 제1기판(100)의 후면에 형성되는 후면 소자분리영역(260a, 260b)을 깊게 형성하여(deep STI) 전면 소자분리영역(360a, 360b)과 연결되도록 한다.
제1기판(100)의 전면과 후면 양 측에서 형성되어 연결된 소자분리영역은 제1기판(100)을 관통하는 소자분리영역(Si through Trench isolation)을 형성하여 전기적으로 완전한 아이소레이션(isolation)을 보장할 수 있다. 또한, 후면 소자분리영역(260a, 260b)의 깊이를 전면 소자분리영역(360a, 360b)의 깊이보다 깊게 형성함으로써, 제1기판(100)의 전면의 집적도를 높일 수 있다.
도 7 및 도 8은 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 평면도로서, 4개의 픽셀과 기판을 관통하는 소자분리영역의 형성위치를 도시한 것이다.
도 7은 포토다이오드 영역을 정의하는 소자분리영역이 기판을 관통하도록 형성한 것으로서, 도 4의 제2실시예에 해당될 수 있다. 포토다이오드 영역을 정의하는 전면 소자분리영역(320)의 형성 위치에 후면 소자분리영역(220)을 형성하여 기판을 관통하는 소자분리영역을 형성할 수 있다. 이에, 포토다이오드 영역은 다른 포토다이오드 영역들과 전기적으로 완전히 절연되어 전기적 크로스토크 성분을 완전하게 억제할 수 있다.
도 8은 픽셀 영역을 정의하는 소자분리영역이 기판을 관통하도록 형성한 것으로서, 도 6의 제4실시예에 해당될 수 있다. 픽셀 영역을 정의하는 전면 소자분리영역(360)의 형성 위치에 후면 소자분리영역(260)을 형성하여 기판을 관통하는 소자분리영역을 형성할 수 있다. 이에, 픽셀 영역은 다른 픽셀 영역들과 전기적으로 완전히 절연되어 전기적 크로스토크 성분을 완전하게 억제할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 실시예에서는 전면 소자분리영역과 후면 소자분리영역을 상호 연결하여 기판을 관통하는 소자분리영역을 형성함으로써, 전기적으로 완전한 아이소레이션 상태를 유지하여 전기적인 크로스토크가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지 식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 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 1은 제1실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 단면도.
도 2 및 도 3은 제1실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 제조 공정도.
도 4는 제2실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 단면도.
도 5는 제3실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 단면도.
도 6은 제4실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 단면도.
도 7 및 도 8은 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 평면도.
Claims (13)
- 기판의 전면에 형성된 전면 소자분리영역;상기 전면 소자분리영역으로 정의된 영역에 형성된 포토다이오드;상기 기판의 전면 상에 형성된 층간절연층 및 배선;상기 기판의 후면에서 형성되어 상기 전면 소자분리영역과 연결되는 후면 소자분리영역;상기 기판의 후면에 형성된 마이크로렌즈를 포함하는 후면수광 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 전면 소자분리영역은 상기 포토다이오드의 형성영역과 픽셀영역을 정의하고,상기 후면 소자분리영역은 상기 포토다이오드의 형성영역을 정의하는 상기 전면 소자분리영역과 연결되는 후면수광 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 전면 소자분리영역은 상기 포토다이오드의 형성영역과 픽셀영역을 정의하고,상기 후면 소자분리영역은 상기 픽셀영역을 정의하는 상기 전면 소자분리영역과 연결되는 후면수광 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 전면 소자분리영역과 상기 후면 소자분리영역의 표면에 형성되는 NCST 임플란트 영역을 포함하는 후면수광 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 전면 소자분리영역과 상기 후면 소자분리영역은 상호 동일한 길이로 형성되는 후면수광 이미지센서.
- 제1항에 있어서,상기 전면 소자분리영역 보다 상기 후면 소자분리영역의 길이가 더 길게 형성되는 후면수광 이미지센서.
- 기판의 전면에 전면 소자분리영역과 포토다이오드를 형성하는 단계;상기 기판의 전면 상에 층간절연층 및 배선을 형성하는 단계;상기 기판의 후면에서 상기 전면 소자분리영역과 연결되는 후면 소자분리영역을 형성하는 단계;상기 기판의 후면에 마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 기판의 후면에서 상기 전면 소자분리영역과 연결되는 후면 소자분리영역을 형성하는 단계는,상기 기판의 후면에서 상기 전면 소자분리영역의 갭필 물질을 타겟으로 하여 트렌치를 형성하는 단계;상기 트렌치를 갭필 하여 상기 전면 소자분리영역과 연결되는 후면 소자분리영역을 형성하는 단계를 포함하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 트렌치의 내벽면에 NCST 임플란트 영역을 형성하는 단계를 포함하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 기판의 후면에서 상기 전면 소자분리영역과 연결되는 후면 소자분리영역을 형성하는 단계는,상기 포토다이오드의 형성영역을 정의하는 상기 전면 소자분리영역과 연결되는 후면 소자분리영역을 형성하는 단계를 포함하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 기판의 후면에서 상기 전면 소자분리영역과 연결되는 후면 소자분리영역을 형성하는 단계는,픽셀 영역을 정의하는 상기 전면 소자분리영역과 연결되는 후면 소자분리영역을 형성하는 단계를 포함하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 전면 소자분리영역과 상기 후면 소자분리영역은 상호 동일한 길이로 형성되는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 전면 소자분리영역 보다 상기 후면 소자분리영역의 길이가 더 길게 형성되는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
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| US10008531B2 (en) | 2013-03-12 | 2018-06-26 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Varied STI liners for isolation structures in image sensing devices |
| CN109768056A (zh) * | 2017-11-09 | 2019-05-17 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 图像传感装置的形成方法 |
| CN114023776A (zh) * | 2021-11-05 | 2022-02-08 | 武汉新芯集成电路制造有限公司 | 光电传感器及其制作方法 |
-
2009
- 2009-12-31 KR KR1020090136355A patent/KR20110079337A/ko not_active Application Discontinuation
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