JP2010098315A - イメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】3-Dイメージセンサを用いてフィルファクターを高めると共に、高感度のセンサはウェハの上部に配置し、低感度のセンサはウェハに形成する方法によって、広域逆光補正機能を持つイメージセンサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明によるイメージセンサは第1基板100に形成されたリードアウト回路120と、前記第1基板100の前記リードアウト回路120の一側に形成された第1イメージ感知部110と、前記リードアウト回路120と電気的に接続されるように前記第1基板100上に形成された配線150と、前記配線150上に形成された第2イメージ感知部210と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】本発明によるイメージセンサは第1基板100に形成されたリードアウト回路120と、前記第1基板100の前記リードアウト回路120の一側に形成された第1イメージ感知部110と、前記リードアウト回路120と電気的に接続されるように前記第1基板100上に形成された配線150と、前記配線150上に形成された第2イメージ感知部210と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明はイメージセンサ及びその製造方法に関するものである。
イメージセンサは、光学的映像を電気的信号に変換させる半導体素子として、CCDイメージセンサとCMOSイメージセンサ(CIS)に分けられる。
従来の技術では、基板にフォトダイオードをイオン注入方式で形成させる。ところが、チップサイズの増加なしにピクセル数の増加を目的にフォトダイオードのサイズがますます減少することによって、受光部の面積が縮小し、画像特性(Image Quality)が低下する傾向を見せている。
また、受光部面積が縮小した分ほど積層高さの減少が成されず、エアリーディスクと呼ばれる光の回折現象により、受光部に入射されるフォトンの数も減少する傾向を見せている。
これを解決するための代案の一つとして、フォトダイオードを非晶質シリコンで蒸着、またはウェハ対ウェハの直接接合(Wafer-to-Wafer Bonding)などの方法でリードアウト回路をシリコン基板に形成させ、フォトダイオードはリードアウト回路の上部に形成させる試み(以下「3次元イメージセンサ」と称する)がなされている。フォトダイオードとリードアウト回路は配線を介在して接続される。
一方、最近、携帯電話だけでなく自動車用センサ等でCISの応用が広がることに伴ない、明るい光と暗い光を同時に表現できる広域逆光補正機能(Wide dynamic range)を持つCISの需要が高まっているが、この需要を満足させることができる製品が不足している実情である。
また、従来技術によれば、トランスファトランジスタ両端のソース及びドレーン共に高濃度のN型にドーピングされているので、チャージシェアリングが発生するような問題がある。チャージシェアリングが発生すれば、出力画像の感度を低下させ、画像エラーを発生させるなどといった問題を起こす。
また、従来技術によれば、フォトダイオードとリードアウト回路の間に、フォトチャージが円滑に移動することができず、暗電流、サチュレーション及び感度低下が発生している。
本発明は、3-Dイメージセンサを用いてフィルファクターを高めると共に、高感度のセンサはウェハの上部に配置し、低感度のセンサはウェハに形成する方法によって、広域逆光補正機能を持つイメージセンサ及びその製造方法を提供する。
また、本発明は、フィルファクターを高めながら、チャージシェアリングが発生しないイメージセンサ及びその製造方法を提供する。
また、本発明は、フォトダイオードとリードアウト回路の間にフォトチャージの円滑な移動通路を設けることで、暗電流のソースを最小化し、サチュレーション及び感度の低下を防止できるイメージセンサ及びその製造方法を提供する。
本発明によるイメージセンサは第1基板に形成されたリードアウト回路と、前記第1基板の前記リードアウト回路の一側に形成された第1イメージ感知部と、前記リードアウト回路と電気的に接続されるように前記第1基板上に形成された配線と、前記配線上に形成された第2イメージ感知部と、を含むことを特徴とする。
また、本発明によるイメージセンサの製造方法は第1基板にリードアウト回路を形成する段階と、前記第1基板の前記リードアウト回路の一側に第1イメージ感知部を形成する段階と、前記リードアウト回路と電気的に接続されるように前記第1基板上に配線を形成する段階と、前記配線上に第2イメージ感知部を形成する段階と、を含むことを特徴とする。
本発明によるイメージセンサ及びその製造方法によれば、3-Dイメージセンサにより最小面積に高感度ピクセルと低減度ピクセルを同時に製造することで、広域逆光補正機能を持つイメージセンサを得ることができる。
また、本発明によれば、トランスファトランジスタ両端のソース及びドレーンの間に電圧差があるように素子設計をすることで、フォトチャージの完全なダンピング(full dumping)が可能になる。
また、本発明によれば、イメージ感知部とリードアウト回路の間に電荷連結領域を形成し、フォトチャージの円滑な移動通路を設けることで、暗電流のソースを最小化し、サチュレーション及び感度の低下を防止することができる。
以下、実施例によるイメージセンサ及びその製造方法を添付された図面を参照して説明する。
(第1実施例)
図1は第1実施例によるイメージセンサの断面図である。
図1は第1実施例によるイメージセンサの断面図である。
第1実施例によるイメージセンサは第1基板100に形成されたリードアウト回路120と、前記第1基板100の前記リードアウト回路120の一側に形成された第1イメージ感知部110と、前記リードアウト回路120と電気的に接続されるように前記第1基板100上に形成された配線150と、前記配線150上に形成された第2イメージ感知部210と、を含むことができる。
前記第1イメージ感知部110と第2イメージ感知部210はフォトダイオードからなることができるが、これに限定されるものではなく、フォトゲート、フォトダイオードとフォトゲートの結合形態などからなることができる。一方、実施例はフォトダイオードが結晶型半導体層に形成されたものを例にしているが、これに限定されるものではなく、非晶質半導体層に形成されたものを含む。
以下、図1を参照して実施例によるイメージセンサの製造方法を説明する。
先ず、図1に示しているように、配線150とリードアウト回路120が形成された第1基板100を準備する。例えば、第2導電型第1基板100に素子分離膜(device isolation layer)105を形成してアクティブ領域を定義し、前記アクティブ領域にトランジスタを含むリードアウト回路120を形成する。例えば、リードアウト回路120は第1トランスファトランジスタ128、第2トランスファトランジスタ121、リセットトランジスタ123、ドライブトランジスタ(図示していない)、セレクトトランジスタ(図示していない)を含んで形成することができる。
以後、第1フローティングディフュージョン領域139、第2フローティングディフュージョン領域131、前記各トランジスタに対するソース/ドレーン領域133を含むイオン注入領域130を形成することができる。
この時、第1実施例は、前記第1基板100のリードアウト回路120の一側に第1イメージ感知部110を形成することができる。前記第1イメージ感知部110はN−ウェル113とP0層115を含むことができるが、これに限定されるものではない。
第1実施例では、第1イメージ感知部110に対する第1フローティングディフュージョン領域139と、第2イメージ感知部210に対する第2フローティングディフュージョン領域131が、等しい電位を有するように形成することができる。例えば、第1メタル129により第1フローティングディフュージョン領域139と第2フローティングディフュージョン領域131を接続することで、フローティングディフュージョンノードを共有するように設計することができる。
以後、前記第1基板100に電気接合領域140を形成する段階、及び前記電気接合領域140の上部に前記配線150と接続される第1導電型連結領域147を形成する段階を含むことができる。
例えば、前記電気接合領域140は、PN接合140からなることができるが、これに限定されるものではない。例えば、前記電気接合領域140は、第2導電型ウェル141または第2導電型エピ層上に形成された第1導電型イオン注入層143、前記第1導電型イオン注入層143上に形成された第2導電型イオン注入層145を含むことができる。例えば、前記PN接合140は、P0145/N−143/P−141接合からなることができるが、これに限定されるものではない。前記第1基板100は、第2導電型に導電されてなることができるが、これに限定されるものではない。
実施例によれば、トランスファトランジスタ両端のソース及びドレーンの間に電圧差があるように素子設計をすることで、フォトチャージの完全なダンピング(full dumping)が可能になる。これによって、フォトダイオードで発生したフォトチャージがフローティングディフュージョン領域にダンピングされ、出力画像の感度を高めることができる。また、実施例によれば、前記トランジスタソースのイオン注入濃度がフローティングディフュージョン領域のイオン注入濃度より低い。
即ち、実施例は図1に示しているように、リードアウト回路120が形成された第1基板100に電気接合領域140を形成させることで、第2トランスファトランジスタ121両端のソース/ドレーン間に電圧差があるようにし、フォトチャージの完全なダンピングが可能になる。
よって、従来技術のように、単純にフォトダイオードがN+接合に接続された場合と違い、本発明によればサチュレーション及び感度の低下などの問題を防止することができる。
また、本発明によれば、フォトダイオードとリードアウト回路の間に第1導電型連結領域147を形成して、フォトチャージの円滑な移動通路を提供することで、暗電流のソースを最小化し、サチュレーションの低下及び感度の低下を防止することができる。
このためには、第1実施例は、P0/N−/P−接合140の表面にオーミックコンタクトのための第1導電型連結領域147を形成することができる。前記N+領域147は、前記P0145を貫通してN−143に接触するように形成することができる。
一方、このような第1導電型連結領域147が漏出源(Leakage Source)になることを最小化するために、第1導電型連結領域147の幅を最小化することができる。このために、実施例は、第1メタルコンタクト151aのエッチングの後にプラグインプラント(Plug Implant)を行うことができるが、これに限定されるものではない。例えば、イオン注入パターン(図示しない)を形成して、これをイオン注入マスクとして第1導電型連結領域147を形成することもできる。
即ち、第1実施例のように、コンタクト形成部にのみ局所的にN+ドーピングを施したのは、暗信号を最小化しながらオーミックコンタクトの形成を円滑にさせるためである。従来技術のように、トランスファトランジスタソース部全体をN+ドーピングする場合、基板表面のダングリングボンドによって暗信号が増加することがある。
続いて、前記第1基板100上に層間絶縁層160を形成し、配線150を形成することができる。前記配線150は、第1メタルコンタクト151a、第1メタル151、第2メタル152、第3メタル153、第4メタルコンタクト154aを含むことができるが、これに限定されるものではない。
次に、第2イメージ感知部210を前記配線150上に形成する。第2イメージ感知部210は結晶型半導体層に形成されることができるが、これに限定されるのではなく、非晶質層に形成されることもできる。
前記第2イメージ感知部210は結晶型半導体層に形成された高濃度のP型伝導層216、低濃度のN型伝導層214及び高濃度のN+型伝導層212を含むことができる。
第1実施例によれば、第2イメージ感知部がリードアウト回路の上側に位置する3-Dイメージセンサを採用してフィルファクターを高めながら、イメージ感知部を結晶型半導体層内に形成することで、イメージ感知部内の欠陥を防止することができる。
図2は第1実施例によるイメージセンサの平面図である。
第1実施例では、図2に示しているように、前記第1イメージ感知部110の垂直上側以外の領域に第2イメージ感知部210を形成することができる。
上部に位置する第2イメージ感知部210は、第1基板100に形成された第1イメージ感知部110より入射光量が大きくなる。よって、第2イメージ感知部210が第1イメージ感知部110に比べて高感度のセンサとなる。
実施例は、図2に示しているように、チップの上側に形成される第2イメージ感知部210と下側に形成される第1イメージ感知部110の面積比を調節することで、第2イメージ感知部210と第1イメージ感知部110の感度比を調節することができる。
実施例によれば3次元集積構造を用いることで、第1イメージ感知部110と第2イメージ感知部210が共有(Sharing)される構造に必要なリードアウト回路部分は、第2イメージ感知部210が占める空間の下部に設けることで、イメージセンサのフィルファクターを高めることが可能になる。
図3は、第1実施例によるイメージセンサの構造を用いて、二重傾斜(Dual Slope)により逆光補正が向上された結果の一例である。
低減度センサと高感度センサがフローティングディフュージョンノードを共有するように設計することで、トランスファトランジスタのタイミングを調節することで、2種類の感度傾斜を得た後これを合成(S)することで、広域逆光補正の具現が可能になる。
実施例では、2種類の情報を抽出して合成する例として、デュアルチャンネル構造と撮像素子により直接制御する方法を採用することができるが、これに限定されるものではない。
例えば、デュアルチャンネル構造は2回以上画像信号を生成、または操作した後それぞれ処理し、最後にこれを一つの画像信号に合成する方法である。具体的に、デュアルチャンネル構造は、ロングチャンネルは暗い部分の処理を担当し、ショートチャンネルは明るい部分を処理するようにして、CISから得た信号を最大限保存して加工した後、最終段階でモニターのdBに最適になるように合成することができる。
または、例えば撮像素子により直接制御する方法は、撮像素子を画素単位に直接露出して制御する方法である。具体的に、撮像素子により直接制御する方法は、シャッタータイミングを制御することで、撮像素子により直接、暗い部分のロングチャンネルと明るい部分のショートチャンネルの信号を信号処理段階で合成して、デュアルチャンネル構造よりも簡単なシステムで高い逆光補正効果を得ることができる方法である。
実施例によるイメージセンサ及びその製造方法によれば、3-Dイメージセンサにより最小面積に高感度ピクセルと低減度ピクセルを同時に製造することで、広域逆光補正機能を持つイメージセンサを提供することができる。
(第2実施例)
図4は第2実施例によるイメージセンサの断面図である。
図4は第2実施例によるイメージセンサの断面図である。
第2実施例によるイメージセンサは第1基板100に形成されたリードアウト回路120と、前記第1基板100の前記リードアウト回路120の一側に形成された第1イメージ感知部110と、前記リードアウト回路120と電気的に接続されるように前記第1基板100上に形成された配線150と、前記配線150上に形成された第2イメージ感知部210と、を含むことができる。
第2実施例は、前記第1実施例の技術的特徴を採用することができる。
第2実施例は、電気接合領域140の一側に第1導電型連結領域148が形成された例である。
実施例によれば、P0/N−/P−接合140にオーミックコンタクトのためのN+連結領域148を形成することができるが、この時、N+連結領域148及び第1メタルコンタクト151aの形成工程は漏出源になることがある。即ち、P0/N−/P−接合140に逆電圧が印加されたまま動作するので、基板表面に電場が発生することがある。このような電場内部において、コンタクトの形成工程中に発生する結晶欠陥は漏出源になる。
また、N+連結領域148をP0/N−/P−接合140表面に形成させる場合、N+/P0接合148/145によるE-Fieldが加わるので、これもまた漏出源になることがある。
よって、第2実施例は、P0層にドーピングされず、N+連結領域148より構成されたアクティブ領域に第1メタルコンタクト151aを形成し、これをN−接合143と接続させるレイアウトを提示する。
第2実施例によれば、基板表面のE-Fieldが発生しなくなり、これは3次元集積(3-D Integrated)CISの暗電流減少に寄与することができる。
100 第1基板
105 素子分離膜
110 第1イメージ感知部
120 リードアウト回路
130 イオン注入領域
140 電気接合領域
143 第1導電型イオン注入層
145 第2導電型イオン注入層
147 第1導電型連結領域
150 配線
160 層間絶縁層
210 第2イメージ感知部
105 素子分離膜
110 第1イメージ感知部
120 リードアウト回路
130 イオン注入領域
140 電気接合領域
143 第1導電型イオン注入層
145 第2導電型イオン注入層
147 第1導電型連結領域
150 配線
160 層間絶縁層
210 第2イメージ感知部
Claims (14)
- 第1基板に形成されたリードアウト回路と、
前記第1基板の前記リードアウト回路の一側に形成された第1イメージ感知部と、
前記リードアウト回路と電気的に接続されるように前記第1基板上に形成された配線と、
前記配線上に形成された第2イメージ感知部と、
を含むことを特徴とするイメージセンサ。 - 前記第2イメージ感知部は、前記第1イメージ感知部の垂直上側以外の領域に形成されたことを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサ。
- 前記第1イメージ感知部に対する第1フローティングディフュージョン領域と、前記第2イメージ感知部に対する第2フローティングディフュージョン領域が、等しい電位を有するように形成されたことを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサ。
- 前記第1基板のリードアウト回路の他側に、前記リードアウト回路と電気的に接続されて形成された電気接合領域をさらに含み、
前記電気接合領域と前記配線の間に形成された第1導電型連結領域をさらに含む、
ことを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサ。 - 前記電気接合領域は、
前記第1基板に形成された第1導電型イオン注入層と、
前記第1導電型イオン注入領域上に形成された第2導電型イオン注入層と、
を含むことを特徴とする請求項4に記載のイメージセンサ。 - 前記第1導電型連結領域は、
前記電気接合領域の上部に前記配線と電気的に接続されて形成された第1導電型連結領域である、
ことを特徴とする請求項4に記載のイメージセンサ。 - 前記第1導電型連結領域は、
前記電気接合領域の一側に前記配線と電気的に接続されて形成された第1導電型連結領域である、
ことを特徴とする請求項4に記載のイメージセンサ。 - 前記リードアウト回路は、トランジスタ両側のソース及びドレーンの電圧差があることを特徴とする請求項4に記載のイメージセンサ。
- 前記トランジスタはトランスファートランジスタであり、
前記トランジスタソースのイオン注入濃度がフローティングディフュージョン領域のイオン注入濃度より低いことを特徴とする請求項8に記載のイメージセンサ。 - 第1基板にリードアウト回路を形成する段階と、
前記第1基板の前記リードアウト回路の一側に第1イメージ感知部を形成する段階と、
前記リードアウト回路と電気的に接続されるように前記第1基板上に配線を形成する段階と、
前記配線上に第2イメージ感知部を形成する段階と、
を含むことを特徴とするイメージセンサの製造方法。 - 前記第2イメージ感知部を形成する段階は、
前記第1イメージ感知部の垂直上側以外の領域に第2イメージ感知部を形成することを特徴とする請求項10に記載のイメージセンサの製造方法。 - 前記第1イメージ感知部に対する第1フローティングディフュージョン領域と、前記第2イメージ感知部に対する第2フローティングディフュージョン領域が、等しい電位を有するように形成することを特徴とする請求項10に記載のイメージセンサの製造方法。
- 前記配線を形成する段階の前に、
前記第1基板の前記リードアウト回路の他側に、前記リードアウト回路と電気的に接続されるように電気接合領域を形成する段階をさらに含む、
ことを特徴とする請求項10に記載のイメージセンサの製造方法。 - 前記電気接合領域と前記配線の間に第1導電型連結領域を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項13に記載のイメージセンサの製造方法。
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