KR100898471B1 - Image sensor and method for manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 이미지센서는 제1 기판에 형성된 배선과 리드아웃 회로(Readout Circuitry); 상기 배선 상에 형성된 이미지감지부(Image Sensing Device); 및 상기 이미지감지부 내에 형성된 이온주입 분리층;을 포함하고, 상기 이미지감지부는 상기 제2 기판 내에 적층형으로 형성된 제1 컬러 이미지감지부, 제2 컬러 이미지감지부, 제3 컬러 이미지감지부; 및 상기 제1 내지 제3 컬러 이미지감지부 각각에 전기적으로 연결되어 형성된 이온주입 컨택층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In another embodiment, an image sensor includes a wire and a readout circuitry formed on a first substrate; An image sensing device formed on the wiring; And an ion implantation separation layer formed in the image sensing unit, wherein the image sensing unit comprises: a first color image sensing unit, a second color image sensing unit, and a third color image sensing unit formed in a stack in the second substrate; And an ion implantation contact layer electrically connected to each of the first to third color image sensing units.
이미지센서, 포토다이오드, 리드아웃 회로 Image Sensor, Photodiode, Lead-Out Circuit
Description
실시예는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. Embodiments relate to an image sensor and a manufacturing method thereof.
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.
한편, 종래기술에 의하면 리드아웃 서킷 상에 배선을 형성하고, 상기 배선과 포토다이오드가 접촉하도록 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩을 진행하는 데, 배선과 포토다이오드의 접촉이 제대로 이루어지기 어려운 문제가 있었다.On the other hand, according to the prior art, the wiring is formed on the lead-out circuit, and the wafer-to-wafer bonding is performed so that the wiring and the photodiode contact each other, and there is a problem in that the wiring and the photodiode are not properly contacted.
또한, 종래기술에 의하면 스택형(stacked) RGB 포토다이오드에 대한 어느 하나의 컬러에 대한 컨택이 다른 컬러에 대한 컨택과 전기적으로 분리되기 어려운 점이 있었다.In addition, according to the related art, a contact for one color of a stacked RGB photodiode is difficult to be electrically separated from a contact for another color.
또한, 종래기술에 의하면 트랜스퍼트랜지스터 양단의 소스 및 드레인 모두 고농도 N형으로 도핑(Doping)되어 있으므로 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.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 of N-type, charge sharing occurs. 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.
실시예는 필팩터(fill factor)를 높이면서 포토다이오드와 배선 간의 물리적인 접촉력을 높임과 동시에 오믹컨택을 얻을 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.The embodiment provides an image sensor and a method of manufacturing the same, which can obtain an ohmic contact while increasing the physical contact force between the photodiode and the wiring while increasing the fill factor.
또한, 실시예는 필패터를 높이면서 스택형(stacked) RGB 포토다이오드에 대해 어느 하나의 컬러에 대한 컨택이 다른 컬러에 대한 컨택과 효과적으로 전기적인 분리가 될 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.In addition, the embodiment provides an image sensor and a method of manufacturing the same for the stacked RGB photodiode with a higher fill pattern, the contact for one color can be effectively electrically separated from the contact for the other color. I would like to.
또한, 실시예는 필팩터를 높이면서 전하공유(Charge Sharing)현상이 발생하지 않을 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다. 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 is to provide an image sensor and a method of manufacturing the same that can increase the charge factor (Charge Sharing) does not occur. 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 제1 기판에 형성된 배선과 리드아웃 회로(Readout Circuitry); 상기 배선 상에 형성된 이미지감지부(Image Sensing Device); 및 상기 이미지감지부 내에 형성된 이온주입 분리층;을 포함하고, 상기 이미지감지부는 상기 제2 기판 내에 적층형으로 형성된 제1 컬러 이미지감지부, 제2 컬러 이미지감지부, 제3 컬러 이미지감지부; 및 상기 제1 내지 제3 컬러 이미지감지부 각각에 전기적으로 연결되어 형성된 이온주입 컨택층;을 포함하는 것을 특 징으로 한다.In another embodiment, an image sensor includes a wire and a readout circuitry formed on a first substrate; An image sensing device formed on the wiring; And an ion implantation separation layer formed in the image sensing unit, wherein the image sensing unit comprises: a first color image sensing unit, a second color image sensing unit, and a third color image sensing unit formed in a stack in the second substrate; And an ion implantation contact layer electrically connected to each of the first to third color image sensing units.
또한, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 제1 기판에 배선과 리드아웃회로를 형성하는 단계; 제2 기판에 이미지감지부를 형성하는 단계; 상기 이미지감지부에 이온주입 분리층을 형성하는 단계; 및 상기 이미지감지부와 상기 배선이 대응하도록 상기 제2 기판과 제1 기판을 본딩하는 단계;를 포함하며, 상기 이미지감지부를 형성하는 단계는 상기 제2 기판 내에 제1 컬러 이미지감지부, 제2 컬러 이미지감지부, 제3 컬러 이미지감지부를 적층형으로 형성하는 단계와, 상기 제1 내지 제3 컬러 이미지감지부 각각에 전기적으로 연결되는 이온주입 컨택층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the manufacturing method of the image sensor according to the embodiment comprises the steps of forming a wiring and a lead out circuit on the first substrate; Forming an image sensing unit on a second substrate; Forming an ion implantation separation layer on the image sensing unit; And bonding the second substrate and the first substrate so that the image sensing unit and the wiring correspond to each other. And forming a color image sensing unit and a third color image sensing unit in a stacked form, and forming an ion implantation contact layer electrically connected to each of the first to third color image sensing units.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면 필팩터를 높이면서 포토다이오드와 배선 사이에 절연층을 개재하여 본딩함으로써 포토다이오드와 배선간의 접촉력을 높임과 동시에 오믹컨택을 얻을 수 있다.According to the image sensor and the method of manufacturing the same, the ohmic contact can be obtained at the same time as the contact force between the photodiode and the wiring is increased by bonding the insulating layer between the photodiode and the wiring while increasing the fill factor.
또한, 실시예에 의하면 전자 픽업용 이온주입 커택층이 해당되는 컬러에 대한 포토다이오드와 전기적으로 연결되는 동시에, 이온주입 분리층을 관통하므로 다른 픽셀 또는 다른 컬러에 대한 포토다이오드와는 구조적, 공정적인 측면에서 효과적으로 전기적분리가 될 수 있다.In addition, according to the embodiment, the ion implantation contact layer for the electronic pickup is electrically connected to the photodiode for the corresponding color, and penetrates the ion implantation separation layer, so that it is structural and fair compared to the photodiode for other pixels or other colors. In terms of electrical separation can be effectively.
또한, 실시예에 의하면 트랜스터 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. 또한, 실시예에 의하면 포토다 이오드와 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 device may be designed such that there is a potential difference between the source / drain across the transistor Tx, thereby enabling full dumping of the photo charge. 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. Can be prevented.
이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, 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/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, 포토다이오드가 필요한 이미지센서에 적용이 가능하다.The present invention is not limited to the CMOS image sensor, and may be applied to an image sensor requiring a photodiode.
(제1 실시예)(First embodiment)
도 1은 제1 실시예에 따른 이미지센서의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an image sensor according to a first embodiment.
제1 실시예에 따른 이미지센서는 제1 기판(100)에 형성된 배선(150)과 리드아웃 회로(Readout Circuitry)(120); 상기 배선(150) 상에 형성된 이미지감지부(Image Sensing Device); 및 상기 이미지감지부 내에 형성된 이온주입 분리층;을 포함하고, 상기 이미지감지부는 상기 제2 기판(200) 내에 적층형으로 형성된 제1 컬러 이미지감지부(210), 제2 컬러 이미지감지부(224), 제3 컬러 이미지감지부(234); 및 상기 제1 내지 제3 컬러 이미지감지부(234) 각각에 전기적으로 연결되어 형성된 이온주입 컨택층;을 포함할 수 있다.The image sensor according to the first exemplary embodiment includes a
상기 이미지감지부는 포토다이오드일 수 있으나 이에 한정되는 것이 아니고 포토게이트, 포토다이오드와 포토게이트의 결합형태 등이 될 수 있다. 한편, 실시예는 포토다이오드가 결정형 반도체층에 형성된 예를 들고 있으나 이에 한정되는 것이 아니며 비정질 반도체층에 형성된 것을 포함한다.The image sensing unit may be a photodiode, but is not limited thereto and may be a photogate, a combination of a photodiode and a photogate, and the like. On the other hand, the embodiment is an example in which the photodiode is formed in the crystalline semiconductor layer, but is not limited thereto, and includes the one formed in the amorphous semiconductor layer.
도 1의 도면 부호 중 미설명 도면 부호는 이하 제조방법에서 설명하기로 한다.Unexplained reference numerals among the reference numerals of FIG. 1 will be described in the following manufacturing method.
이하, 도 2 내지 도 16을 참조하여 제1 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the image sensor according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 16.
우선, 도 2와 같이 제2 기판(200)의 결정형 반도체층(crystalline semiconductor layer)에 제1 컬러 포토다이오드(210)를 형성한다. 예를 들어, 제2 기판(200)의 결정형 반도체층(crystalline semiconductor layer)에 제2 도전형 전도층(212)을 형성하는 단계 및 상기 제2 도전형 전도층(212) 상에 제1 도전형 제1 전도층(214)을 형성하는 단계를 진행할 수 있다. 예를 들어, P형 에피층(200) 또는 P형 웰에 Photo Mask 공정없이 이온주입 방법을 이용하여 P+ 층(212) 및 제1 N- 층(214)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 N- 층(214)은 레드 컬러포토다이오드 역할을 할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.First, as shown in FIG. 2, the
다음으로, 도 3과 같이 상기 제1 컬러 포토다이오드(214)에 이온주입 분리층을 형성한다. 예를 들어, 상기 이온주입 분리층은 수직 이온주입 분리층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3과 같이 제1 컬러 포토다이오드의 픽셀 경계에 제1 수직 이온주입 분리층(221)을 형성할 수 있다. 예를 들어, Photo 공정 및 이온주입 공정 을 이용하여 제1 수직 P0 층(221)을 형성할 수 있다. 이 제1 수직 P0 층(221)은 포토다이오드(photodiode)로 사용되는 제1 N- 층(214)의 픽셀간(Pixel-to-Pixel) 절연(Isolation) 및 그라운드 라인(Ground Line)(미도시)의 연결을 목적으로 한다.Next, an ion implantation separation layer is formed on the
다음으로, 도 4와 같이 상기 제1 컬러 포토다이오드(214) 상에 제1 수평 이온주입분리층(231)을 형성한다. 예를 들어, Photo Mask 공정없이 이온주입 공정을 이용하여 제1 수평 P0 층(231)을 형성할 수 있다. 이 제1 수평 P0 층(231)은 포토다이오드(photodiode) 간의 절연(Isolation) 역할을 할 수 있다.Next, as shown in FIG. 4, a first horizontal ion
이후, 상기 제1 수평 이온주입분리층(231) 상에 제2 컬러 포토다이오드(224)를 형성한다. 예를 들어, Photo Mask 공정 없이 이온주입 공정을 이용하여 제1 수평 P0 층(231) 상에 제2 N- 층(224)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 N- 층(224)은 그린 포토다이오드 역할을 할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Thereafter, a
다음으로, 도 5와 같이 제2 컬러 포토다이오드(224)의 픽셀 경계에 제2 수직 이온주입 분리층(222)을 형성할 수 있다. 예를 들어, Photo 공정 및 이온주입 공정을 이용하여 제2 수직 P0 층(222)을 형성할 수 있다. Next, as shown in FIG. 5, the second vertical ion
다음으로, 도 6과 같이 상기 제2 컬러 포토다이오드(224) 상에 제2 수평 이온주입분리층(232)을 형성한다. 예를 들어, Photo Mask 공정없이 이온주입 공정을 이용하여 제2 수평 P0 층(232)을 형성할 수 있다.Next, as shown in FIG. 6, a second horizontal ion
다음으로, 도 7과 같이 상기 제1 컬러 포토다이오드(214)에 전기적으로 연결되는 이온주입 컨택층을 형성하는 단계를 진행할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 수직 이온주입 분리층(222)을 관통하여 상기 제1 컬러 포토다이오드(214)에 접하도록 제1 하부 이온주입 컨택층(241a)을 형성할 수 있다. 예를 들어, Photo 공정 및 이온주입 공정을 이용하여 상기 제2 수직 P0 층(222)을 관통하여 상기 제1 N- 층(214)에 접하는 제1 N+ 층(241a)을 형성시킬 수 있다. 이 제1 N+ 층(241a)은 포토다이오드(Photodiode)로 사용되는 제1 N- 층(241a)을 픽업(Pick-up) 하기 위한 플러그이온주입층(Plug Implant)일 수 있다.Next, as shown in FIG. 7, the step of forming an ion implantation contact layer electrically connected to the
다음으로, 도 8과 같이 상기 제1 하부 이온주입 컨택층(241a) 상에 제3 컬러 포토다이오드(234)를 형성한다. 예를 들어, Photo Mask 공정 없이 이온주입 공정을 이용하여 제1 N+ 층(241a) 상에 제3 N- 층(234)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 N- 층(234)은 블루 포토다이오드 역할을 할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Next, a
다음으로, 도 9와 같이 제3 컬러 포토다이오드(234)의 픽셀 경계에 제3 수직 이온주입 분리층(223)을 형성할 수 있다. 예를 들어, Photo 공정 및 이온주입 공정을 이용하여 제3 수직 P0 층(223)을 형성할 수 있다. 상기 제3 수직 이온주입 분리층(223)은 상기 제1 하부 이온주입 컨택층(241a) 상에 형성될 수 있으며, 상기 제2 수직 이온주입 분리층(222) 보다 넓은 폭으로 형성될 수 있다.Next, as shown in FIG. 9, the third vertical ion
다음으로, 도 10과 같이 상기 제3 컬러 포토다이오드(234) 상에 제3 수평 이온주입분리층(233)을 형성한다. 예를 들어, Photo Mask 공정없이 이온주입 공정을 이용하여 제3 수평 P0 층(233)을 형성할 수 있다.Next, as shown in FIG. 10, a third horizontal ion
다음으로, 도 11과 같이 상기 제2 컬러 포토다이오드(224)에 전기적으로 연결되는 제2 이온주입 컨택층(242)을 형성하는 단계를 진행할 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 수평 이온주입분리층(233)과 상기 제3 수직 이온주입 분리층(223)을 관통하여 상기 제2 컬러 포토다이오드(224)에 접하도록 제2 이온주입 컨택층(242)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 제1 하부 이온주입 컨택층(241a)과 연결되는 제1 상부 이온주입 컨택층(241b)을 함께 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. Next, as shown in FIG. 11, the step of forming the second ion
예를 들어, Photo 공정 및 이온주입 공정을 이용하여 상기 제3 수평 P0 층(233)과 제3 수직 P0 층(223)을 관통하여 상기 제2 N- 층(224)에 접하는 제2 N+ 층(242)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 제1 하부 N+ 층(241a)과 연결되는 제1 상부 N+ 층(241b)을 함께 형성할 수 있다.For example, a second N + layer penetrating the third
다음으로, 도 12와 같이 제3 컬러 포토다이오드(234)에 전기적으로 연결되는 제3 이온주입 컨택층(243)을 형성하는 단계를 진행할 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 수평 이온주입분리층(233)을 관통하여 상기 제3 컬러 포토다이오드(234)에 접하도록 제3 이온주입 컨택층(243)을 형성할 수 있다. 예를 들어, Photo 공정 및 이온주입 공정을 이용하여 상기 제3 수평 P0 층(233)을 관통하여 상기 제3 N- 층(234)에 접하는 제3 N+ 층(243)을 형성할 수 있다.Next, as shown in FIG. 12, the third ion
실시예에서 도 12는 RGB 적층형 픽셀(Pixel) 형성을 위한 이온주입 공정을 완료한 단면도로서, N- 층은 수직 및 수평 방향으로 배열되어 포토다이오드(Photodiode) 역할을 하게 되며 P0 층은 수평 및 수직 방향의 필셀간(Pixel-to-Pixel) 절연(Isolation) 역할 및 그라운드 라인(Ground Line) 역할을 하게 된다. 또한, N+ 층은 수직 및 수평 방향으로 배치된 픽셀(Pixel)에서 생성된 전자 이동 통로 역할을 하게 된다.12 is a cross-sectional view of the ion implantation process for forming an RGB stacked pixel, in which the N-layer is arranged in the vertical and horizontal directions to serve as a photodiode, and the P0 layer is horizontal and vertical. It acts as a role of 'Pixel-to-Pixel' isolation and 'Ground Line' in the direction. In addition, the N + layer serves as an electron transfer path generated in the pixels arranged in the vertical and horizontal directions.
실시예에 의하면 상기과 같은 구조와 공정에 의해 이온주입 컨택층을 형성함으로써, 전자 픽업용 이온주입 커택층이 해당되는 컬러에 대한 포토다이오드와 전기적으로 연결되는 동시에, 이온주입 분리층을 관통하므로 다른 픽셀 또는 다른 컬러에 대한 포토다이오드와는 구조적, 공정적인 측면에서 효과적으로 전기적분리가 될 수 있다.According to the embodiment, the ion implantation contact layer is formed by the structure and process as described above, so that the electron injection ion implantation contact layer is electrically connected to the photodiode for the corresponding color and penetrates the ion implantation separation layer, thereby providing a different pixel. Alternatively, the photodiode can be effectively separated from the photodiode for other colors in terms of structure and process.
다음으로, 도 13과 같이 상기 수직형 포토다이오드 상에 제1 절연층(251)을 형성하고, 선택적으로 패터닝 후 상기 제3 이온주입 컨택층(243)과 전기적으로 연결되는 메탈플러그(261)를 형성한다. 예를 들어, 상기 제1 절연층(251)은 산화막이고, 상기 메탈플러그(261)는 텅스텐으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Next, as shown in FIG. 13, a first insulating
다음으로, 도 14와 같이 상기 제1 절연층(251) 상에 제2 절연층(252)를 형성하고, 선택적으로 패터닝 한 후 상기 메탈플러그(261)와 연결되는 메탈라인(262)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 절연층(252)은 산화막일 수 있으며, 상기 메탈라인(262)은 텅스텐, 알루미늄, 구리 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이에 따라, 실시예에 의하면 수직형 포토다이오드를 채용하는 이미지센서의 제조에 있어서 절연층(250)과 메탈(260)을 형성한 후 본딩함으로써 기판간의 본딩의 용이성 및 얼라인 마진을 향상시킬 수 있다.Next, as shown in FIG. 14, a second insulating
다음으로, 도 15a와 같이 제1 기판(100)에 배선(150)을 포함하는 리드아웃회로(미도시)를 형성하고, 상기 메탈라인(262)과 상기 배선(150)이 접촉하도록 상기 제2 기판(200)과 제1 기판(100)을 본딩한다. 한편, 상기 제1 기판(100)과 제2 기 판(200)을 본딩하기 전에 플라즈마에 의한 액티베이션에 의해 본딩되는 면의 표면에너지를 높임으로써 본딩을 진행할 수 있다.Next, as shown in FIG. 15A, a lead-out circuit (not shown) including a
도 15b는 배선(150)과 리드아웃회로(120)를 포함하는 제1 기판(100)의 상세도이다. 이하, 도 15b를 이용하여 배선(150)과 리드아웃회로(120)를 포함하는 제1 기판(100)의 제조방법을 상세히 설명한다.FIG. 15B is a detailed view of the
우선, 배선(150)과 리드아웃 회로(Circuitry)(120)가 형성된 제1 기판(100)을 준비한다. 예를 들어, 제2 도전형 제1 기판(100)에 소자분리막(110)을 형성하여 액티브영역을 정의하고, 상기 액티브영역에 트랜지스터를 포함하는 리드아웃 회로(120)를 형성한다. 예를 들어, 리드아웃 회로(120)는 트랜스퍼트랜지스터(Tx)(121), 리셋트랜지스터(Rx)(123), 드라이브트랜지스터(Dx)(125), 실렉트랜지스터(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.First, the
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-
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
실시예에 의하면 트랜스터 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 may be designed such that there is a potential difference between the source and the drain across the transistor Tx to enable 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 15b와 같이 리드아웃 회로(120)가 형성된 제1 기판(100)에 전기접합영역(140)을 형성시킴으로써 트랜스터 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. 15B, the voltage difference between the source / drain across the
이하, 실시예의 포토차지의 덤핑구조에 대해서 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the dumping structure of the photocharge of the embodiment will be described in detail.
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(210)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
P0/N-/P- 졍션(140)의 최대 전압값은 피닝볼티지가 되고 FD(131) Node 최대 전압값은 Vdd-Rx Vth이 되므로, Tx(131) 양단간 전위차로 인해 차지쉐어링(Charge Sharing) 없이 칩(Chip) 상부의 포토다이오드(210)에서 발생한 전자가 FD(131) Node로 완전히 덤핑(Dumping) 될 수 있다.Since the maximum voltage value of the P0 / N- / P-
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-Off 발생하게 된다. 이를 Pinning Voltage라고 부른다. 따라서 Tx(121) 양단의 Source/Drain에 전압차가 발생하게 되어 Tx On/Off 동작 시 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 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 포토다이오드와 리드아웃서킷 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, 제1 실시예는 P0/N-/P- 졍션(140)의 표면에 오미컨택(Ohmic Contact)을 위한 제1 도전형 연결영역(147)을 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 a first conductivity
한편, 이러한 제1 도전형 연결영역(147)이 리키지 소소스(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, 다른 예로 이온주입패턴(미도시)을 형성하고 이를 이온주입마스크로 하여 제1 도전형 연결영역(147)을 형성할 수도 있다.Meanwhile, the width of the first
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 층간절연층(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)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Next, the
다음으로, 도 16과 같이 이미지감지부를 남기고 상기 제2 기판(200)의 하측을 제거한다. 예를 들어, 본딩(Bonding) 후 클리빙(Cleaving) 또는 백사이드 씨닝(Backside Thinning) 등의 방법으로 포토다이오드(Photodiode)를 포함하는 제2 기판(200) 상부의 P- Epi 층을 제거해낼 수 있다.Next, the lower side of the
이후, 후속 공정 진행하여 최상부의 P+ 층(212)을 그라운드 라인(Ground Line)(미도시)으로 연결할 수 있다.Subsequently, a subsequent process may proceed to connect the uppermost P +
(제2 실시예)(2nd Example)
도 17는 제2 실시예에 따른 이미지센서의 단면도로서, 배선(150)이 형성된 제1 기판에 대한 상세도이다.17 is a cross-sectional view of the image sensor according to the second embodiment, which is a detailed view of the first substrate on which the
제2 실시예에 따른 이미지센서는 제1 기판(100)에 형성된 배선(150)과 리드아웃 회로(Readout Circuitry)(120); 상기 배선(150) 상에 형성된 이미지감지부(Image Sensing Device); 및 상기 이미지감지부 내에 형성된 이온주입 분리층;을 포함하고, 상기 이미지감지부는 상기 제2 기판(200) 내에 적층형으로 형성된 제1 컬러 이미지감지부(210), 제2 컬러 이미지감지부(224), 제3 컬러 이미지감지부(234); 및 상기 제1 내지 제3 컬러 이미지감지부(234) 각각에 전기적으로 연결되어 형성된 이온주입 컨택층;을 포함할 수 있다.The image sensor according to the second exemplary embodiment includes a
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 실시예는 필팩터를 높이면서 포토다이오드와 배선 사이에 절연층을 개재하여 본딩함으로써 포토다이오드와 배선간의 접촉력을 높임과 동시에 오믹컨택을 얻을 수 있다.For example, in the second embodiment, the ohmic contact can be obtained at the same time as the contact force between the photodiode and the wiring is increased by bonding the insulating layer between the photodiode and the wiring while increasing the fill factor.
또한, 실시예에 의하면 전자 픽업용 이온주입 커택층이 해당되는 컬러에 대한 포토다이오드와 전기적으로 연결되는 동시에, 이온주입 분리층을 관통하므로 다른 픽셀 또는 다른 컬러에 대한 포토다이오드와는 구조적, 공정적인 측면에서 효과적으로 전기적분리가 될 수 있다.In addition, according to the embodiment, the ion implantation contact layer for the electronic pickup is electrically connected to the photodiode for the corresponding color, and penetrates the ion implantation separation layer, so that it is structural and fair compared to the photodiode for other pixels or other colors. In terms of electrical separation can be effectively.
또한, 제2 실시예에 의하면 트랜스터 트랜지스터(Tx) 양단의 소스/드레인 간 에 전압차(Potential Difference)가 있도록 소자 설계하여 포토차지(Photo Charge)의 완전한 덤핑(Fully Dumping)이 가능해질 수 있다. 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 second embodiment, the device can be designed so that there is a voltage difference between the source and the drain across the transistor Tx, thereby enabling full dumping of the photo charge. . 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. It can prevent.
한편, 제2 실시예는 제1 실시예와 달리 전기접합영역(140)의 일측에 제1 도전형 연결영역(148)이 형성된 예이다.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
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−
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 Leakage Source가 될 수 있다. In addition, when the N + connection region 148 is formed on the surface of the P0 / N- / P-
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-
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.
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 1은 제1 실시예에 따른 이미지센서의 단면도.1 is a sectional view of an image sensor according to a first embodiment;
도 2 내지 도 16은 제1 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법의 공정단면도.2 to 16 are process cross-sectional views of a method of manufacturing the image sensor according to the first embodiment.
도 17은 제2 실시예에 따른 이미지센서의 단면도.17 is a sectional view of an image sensor according to a second embodiment;
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