JP5009368B2 - 背面照射型フォトダイオードを用いたイメージセンサの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、イメージセンサに関し、より詳細には、フォトダイオードの裏面を介して光を吸収する背面照射型フォトダイオードを用いたイメージセンサの製造方法に関する。
ＣＭＯＳイメージセンサは、光の強度を測定するのに使われる素子である。一般に、このようなイメージセンサは、フォトダイオード及びデジタル／アナログ回路が形成される面内に構成され、これにより、金属配線及び金属間絶縁（ＩＭＤ）膜がフォトダイオードの上面に形成される。
従来のイメージセンサは、マイクロレンズ及びカラーフィルタを透過した光が、最終的にフォトダイオードに吸収されるまでに様々な膜に沿って進行するため、感度が低下してしまい、特に、青色光に対する感度が低下する。
また、従来のイメージセンサは、緑色(green)、赤色(red)及び青色(blue)のカラーフィルタを透過した光が、多層金属配線で反射し、隣接したフォトダイオードに影響を与えて、カラークロストークをもたらし、そして、長波長の赤色光によりフォトダイオード領域の下部で電気的クロストークを発生させる。
背面照射型フォトダイオードを用いたイメージセンサは、光が、フォトダイオードの上面に積層された金属間絶縁膜を通過せずに、フォトダイオードが形成されたシリコン基板に直接吸収されることによって、感度が著しく向上する特性を持つようになる。
ところが、背面照射型フォトダイオード構造を採用するためには、低濃度エピ層の表面に存在するダングリングボンド(dangling bond)のような表面欠陥により発生するノイズを除去しなければならない。しかしながら、既に形成された金属配線により高温熱処理ができないという課題がある。
従って、従来の背面照射型フォトダイオードを用いたイメージセンサは、背面照射型フォトダイオードが形成されたシリコン基板の表面欠陥状態によるノイズ問題を解決できない。
これを解決するために、一般に、瞬間的な高温熱処理のためにレーザスキャニング(laser scanning)などを使用するが、このような手法等は、高価でかつ時間がかかる。
本発明は、前記のような問題点を解決するために提案されたものであって、フォトダイオードの上面でなく裏面を介して光を吸収し、ウエハの表面処理を通じてノイズ及びクロストーク発生を抑制して、感度を向上できる、背面照射型フォトダイオードを用いたイメージセンサの製造方法を提供する。
本発明の一態様によれば、背面照射型フォトダイオードを用いたイメージセンサの製造方法は、（ａ）所定のタイプの第１および第２のウエハに低濃度のエピ層（エピタキシャル層の略称）を形成し、形成された第１のウエハの前記エピ層の表面に、前記エピ層と同一のタイプを有し、前記エピ層よりも相対的に高い濃度の不純物をドーピングしてポテンシャルバリアを形成するステップと、（ｂ）第１のウエハのエピ層を除いた背面を除去するステップと、（ｃ）ステップ（ｂ）で露出したエピ層の表面に背面照射型フォトダイオードを形成するステップと、（ｄ）該背面照射型フォトダイオード上に金属間絶縁膜を形成し、該金属間絶縁膜の内部に金属配線を形成するステップと、（ｅ）ポテンシャルバリアの表面からエピ層を貫通して該金属配線に接続されたビアを形成し、該ビアにプラグを充填するステップと、（ｆ）第２のウエハに形成されたエピ層上に金属間絶縁膜を形成し、該金属間絶縁膜の内部に金属配線を含むロジック回路を形成するステップと、（ｇ）金属接合により、第１のウエハの金属配線と第２のウエハのロジック回路の金属配線とを接続して、第２のウエハのロジック回路の前記金属配線上に第１のウエハの前記金属配線側の面を配置するステップと、（ｈ）ポテンシャルバリアの表面に、パッシベーション膜、カラーフィルタ及びマイクロレンズを形成するステップと、（ｉ）第１のウエハのプラグで充填されたビアの表面にパッドを形成するステップと、を含む。
以下、本発明の例示の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る背面照射型フォトダイオードを用いたイメージセンサの構造を示す断面図である。イメージセンサは、所定のタイプのウエハ１０と、エピタキシャル層（あるいはエピ層）２０と、ポテンシャルバリア３０と、背面照射型フォトダイオード４０と、金属間絶縁（ＩＭＤ：inter metal dielectric）膜５０と、金属配線６０と、パッド７０と、ビア及びプラグ７５と、パッシベーション８０膜と、カラーフィルタ８２と、マイクロレンズ８４と、から構成される。
ポテンシャルバリア３０は、低濃度のエピ層２０の表面上に、エピ層と同じタイプで、エピ層２０よりも高濃度の不純物がドーピングされて形成される。
ポテンシャルバリア３０は、イオン注入、エピタキシャル成長、ＢＳＧ(Boro Silicate Glass)蒸着によって形成してもよい。
背面照射型フォトダイオード４０は、ウエハ１０の背面のエピ層２０に、すなわち、ポテンシャルバリア３０の背面に形成される。
金属間絶縁膜５０は、背面照射型フォトダイオード４０の下方、すなわち、ポテンシャルバリア３０が形成された側の反対側に形成される。
金属配線６０は、金属間絶縁膜５０に形成され、背面照射型フォトダイオード４０とウエハ１０の所定領域に形成されたロジック回路（不図示）とを電気的に接続する。
パッド７０は、外部回路と電気的に接続され、ポテンシャルバリア３０の上方に形成される。ビア７５は、エピ層２０を貫通してロジック回路（不図示）の金属配線６０と接続できるように形成され、こうしてパッド７０は、ロジック回路（不図示）と接続される。ビア７５にはプラグが充填される。
保護膜の役割を果たすパッシベーション膜８０は、ポテンシャルバリア３０上に形成される。パッシベーション８０上に複数のカラーフィルタ８２が形成される。マイクロレンズ８４は、複数のカラーフィルタ８２上に形成される。
図２は、本発明の他の一実施形態に係る背面照射型フォトダイオードを用いたイメージセンサの構造を示す断面図である。背面照射型フォトダイオード４０及びロジック回路（不図示）を別々の第１および第２のウエハ１１、１２に形成した後、各ウエハのメタルボンディングパッド９０の接合によってイメージセンサが形成されたものである。
図２を参照して、第１のウエハ１１には、エピ層２０と、ポテンシャルバリア３０と、背面照射型フォトダイオード４０と、金属間絶縁膜５０と、金属配線６０と、パッド７０と、ビア及びプラグ７５と、パッシベーション膜８０と、カラーフィルタ８２と、マイクロレンズ８４と、ボンディングパッド９０とが形成されている。第２のウエハ１２には、エピ層２０と、金属間絶縁膜５０と、金属配線６１と、ロジック領域のトランジスタ９２と、メタルボンディングパッド９０とが形成されている。
第１のウエハ１１と第２のウエハ１２にはそれぞれ金属配線６０、６１が形成され、これらは金属接合により電気的に接続される。
図２では、第１のウエハ１１の背面照射型フォトダイオード４０に接続された金属配線６０と、第２のウエハ１２のロジック領域のトランジスタ９２を含むロジック回路（不図示）に接続された金属配線６１とが、メタルボンディングパッド９０の接着により電気的に接続される。
図２のイメージセンサは、前述の図１のイメージセンサとは異なり、ロジック回路（不図示）と背面照射型フォトダイオード４０とが、別々のウエハ１１，１２に形成されることによって、更に高密度のイメージセンサが形成できる。
図３は、本発明に係る背面照射型フォトダイオードを用いたイメージセンサの製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。該方法は、ポテンシャルバリア形成ステップ（Ｓ１１０）と、背面除去ステップ（Ｓ１２０）と、背面照射型フォトダイオード形成（Ｓ１３０）と、金属配線形成ステップ（Ｓ１４０）と、カラーフィルタ形成ステップ（Ｓ１５０）と、ビア＆プラグ形成ステップ（Ｓ１６０）と、パッド形成ステップ（Ｓ１７０）とを含む。
ポテンシャルバリア形成ステップ（Ｓ１１０）では、所定のタイプのウエハに低濃度の不純物によりエピ層を形成し、該エピ層の表面にポテンシャルバリアを形成する。
ポテンシャルバリアの形成は、イオン注入、エピ成長およびＢＳＧ蒸着からなるグループから選ばれる少なくとも１つの方法を用いて形成できる。また、ポテンシャルバリアが形成されたエピ層の表面状態を安定化させるために、所定の温度で熱処理する過程を更に含むことができる。
背面除去ステップ（Ｓ１２０）では、ウエハのエピ層を除いた背面を除去する。背面を除去することによって、ウエハには、エピ層のみが残るようになる。
背面除去ステップ（Ｓ１２０）を実施すると、半導体基板、すなわち、ウエハ１０が極めて薄くなり、後続プロセスを実施できないことがある。後続プロセスを実施できる厚さを確保するために、背面の除去前／後に第１のクォーツをエピ層の表面に接合しても構わない。
背面照射型フォトダイオード形成ステップ（Ｓ１３０）では、露出したエピ層の表面に、一般的なイメージセンサ製造プロセスを用いて、背面照射型フォトダイオードを形成する。このステップで、ロジック回路も形成する。
金属配線形成ステップ（Ｓ１４０）では、背面照射型フォトダイオードが形成されたエピ層の表面上に金属間絶縁膜を形成する。さらに、金属間絶縁膜の内部に形成された背面照射型フォトダイオードとロジック回路とが電気的に接続するように金属配線を形成する。
カラーフィルタ形成ステップ（Ｓ１５０）では、先のポテンシャルバリア形成ステップ（Ｓ１１０）で形成されたポテンシャルバリアの表面に、パッシベーション膜、カラーフィルタ及びマイクロレンズを形成する。
第１のクォーツが存在する場合は、第２のクォーツを金属間絶縁膜上に接合し、第１のクォーツを除去した後、カラーフィルタなどを形成するようにしてもよい。
ビア＆プラグ形成ステップ（Ｓ１６０）では、カラーフィルタ形成ステップ（Ｓ１５０）後、ポテンシャルバリアの表面からエピ層を貫通するようにビアを形成し、形成されたビアにプラグを充填する。
最後に、パッド形成ステップ（Ｓ１７０）では、プラグで充填されたビアの表面にパッドを形成して、パッドを介して外部回路と電気的に接続する。
図４は、図３の主要プロセスを示すための断面図である。図４を参照して、図１のイメージセンサの製造プロセスを説明する。
まず、ステップ１のように、低濃度のエピ層２０の表面に、イオン注入などによって、同じタイプの不純物を高濃度に全面ドーピングする。そして、熱処理などを用いて、エピ層２０の表面状態を安定化させる。
以後、ステップ２のように、エピ層２０上に第１のクォーツ９５を接合させる。ステップ３のように、ウエハ１０を研磨又はエッチングして、所望の厚さのエピ層２０を得る。
ステップ１〜３を終えた後、ステップ４において、ウエハ１０を裏返した後、一般のイメージセンサの製造プロセスを適用して、エッチング後に残ったエピ層２０上に、金属配線６０を含むロジック回路及び背面照射型フォトダイオード４０を形成する。
その後、背面を通るパッド７０を形成するために、ステップ５において、エピ層２０を貫通するようにビア＆プラグ７５を形成し、金属配線６０は背面と接続可能になる。
以後、ロジック回路が構成された上部の金属間絶縁膜５０上に第２のクォーツ９６を接合する。ステップ６において、背面側にある第１のクォーツ９５をエッチングによって除去する。ステップ７において、パッド７０、カラーフィルタ８２、及びマイクロレンズ８４を形成すると、高感度特性を持つ背面照射型フォトダイオードを用いたイメージセンサの製造が完了する。
図５は、本発明に係る背面照射型フォトダイオードを用いたイメージセンサの製造方法の他の実施形態を示すフローチャートである。該方法は、ポテンシャルバリア形成ステップ（Ｓ２１０）と、背面除去ステップ（Ｓ２２０）と、背面照射型フォトダイオード形成ステップ（Ｓ２３０）と、金属配線形成ステップ（Ｓ２４０）と、ビア＆プラグ形成ステップ（Ｓ２５０）と、ロジック回路形成ステップ（Ｓ２６０）と、ウエハ接合ステップ（Ｓ２７０）と、カラーフィルタ形成ステップ（Ｓ２８０）と、パッド形成ステップ（Ｓ２９０）とを含む。
ポテンシャルバリア形成ステップ（Ｓ２１０）では、第１および第２のウエハ上に、反対のタイプの不純物によりエピ層を形成する。そして、第１のウエハに形成されたエピ層の表面にポテンシャルバリアを形成する。
図５の場合にも、図３と同様に、ポテンシャルバリアは、イオン注入、エピ成長およびＢＳＧ蒸着からなるグループから選ばれる少なくとも１つの方法を用いて形成できる。また、ポテンシャルバリアが形成されたエピ層の表面状態を安定化させるために、第１のウエハのポテンシャルバリアの形成後、熱処理を実施してもよい。
背面除去ステップ（Ｓ２２０）では、第１のウエハのエピ層が形成されていない背面を除去する。
背面光フォトダイオード形成ステップ（Ｓ２３０）では、背面除去ステップ（Ｓ２２０）により露出したエピ層の表面に、背面照射型フォトダイオードを形成する。
金属配線形成ステップ（Ｓ２４０）では、背面照射型光フォトダイオード上に金属間絶縁膜を形成し、該金属間絶縁膜の内部に金属配線を形成する。
ビア＆プラグ形成ステップ（Ｓ２５０）では、金属配線と接続されるようにビアを形成する。ビアは、ポテンシャルバリアの表面からエピ層を貫通して形成され、ビアにはプラグを充填する。
ロジック回路形成ステップ（Ｓ２６０）では、第２のウエハに形成されたエピ層上に金属間絶縁膜を形成し、該金属間絶縁膜の内部に金属配線を含むロジック回路を形成する。
ウエハ接合ステップ（Ｓ２７０）では、金属接合によって、第１のウエハに形成された金属配線と第２のウエハに形成されたロジック回路の金属配線とを接続する。
カラーフィルタ形成ステップ（Ｓ２８０）では、ポテンシャルバリアの表面に、パッシベーション膜、カラーフィルタ及びマイクロレンズを形成する。
パッド形成ステップ（Ｓ２９０）では、第１のウエハのプラグで充填されたビアの表面にパッドを形成する。
図５の場合にも、図３の場合と同様に、後続プロセスを実施できる厚さを確保するために、背面除去ステップ（Ｓ１２０）での背面の除去前／後に、第１のクォーツをエピ層の表面に接合しても構わない。第１のクォーツを接合した場合は、カラーフィルタ形成ステップ（Ｓ２８０）の前に、第１のクォーツを除去すればよい。
図６は、図５の主要プロセスを示すための断面図である。図６を参照して、図２のイメージセンサの製造工程を説明する。
ステップ１〜３は、図４のステップ１〜３と同一である。ステップ４において、一般的なイメージセンサの製造プロセスを適用して、フォトダイオード及び制御トランジスタを個別的に形成する。ステップ５において、エピ層２０を貫通するようにビア＆プラグ７５を形成し、メタルボンディングパッドは、別の第２のウエハ１２に形成されたロジック回路と電気的に配線される。
ステップ６において、フォトダイオードが形成された第１のウエハ１１と、ロジック回路が形成された別の第２のウエハ１２とがメタルボンディングパッドによって電気的に接続した後、ステップ７において、フォトダイオードが形成された基板に形成された第１のクォーツ９５をエッチングによって除去する。ステップ８において、パッド７０、カラーフィルタ８２及びマイクロレンズ８４を形成すると、高感度及び高密度特性を持つ背面照射型フォトダイオードを用いたイメージセンサの製造が完了する。
本発明では、フォトダイオードの上面でなく裏面を介して光を吸収できる。そして、フォトダイオードからカラーフィルタまでの段差がなくなるようになるので、小さな透過深さにもフォトダイオードの効率を上げることができる。さらに、個々のカラーフィルタを透過した光が、他のフォトダイオードへ影響を与えないようになるので、カラークロストークが発生しなくなる。
また、本発明では、通常の製造工程によりイメージセンサを製造する前に、エピ層の表面に高濃度のドーピングによりポテンシャルバリアを形成し、また、半導体基板に何らのパターンも形成されていない状態であるので、従来の方法では障害物となっていた温度を制限しつつ熱処理を容易に実施できる。これによって、表面欠陥を容易に除去して、表面から発生するノイズを著しく抑制できる。
以上で、本発明に対する技術思想を添付の図面と共に述べたが、これは、本発明の望ましい実施形態を例示的に説明したものであって、本発明を限定するものではない。また、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、誰でも本発明の技術的思想の範疇を逸脱しない範囲内において様々な変形及び摸倣が可能であることは、明白な事実である。
上述したように、本発明に係る背面照射型フォトダイオードを用いたイメージセンサ製造方法は、背面のシリコン基板表面処理を安定的に行えるようになり、背面照射型フォトダイオードで発生するノイズ問題を解決することが可能である。
また、光は、背面照射型フォトダイオードの背面を介して吸収されるため、感度が著しく改善して、クロストークも抑制できる。
また、光は、背面照射型フォトダイオードの背面を介して吸収されるため、感度が著しく改善して、クロストークも抑制できる。
１０ ウエハ
１１ 第１のウエハ
１２ 第２のウエハ
２０ エピタキシャル層（エピ層）
３０ ポテンシャルバリア
４０ 背面照射型フォトダイオード
５０ 金属間絶縁膜
６０、６１ 金属配線
７０ パッド
７５ ビア及びプラグ
８０ パッシベーション膜
８２ カラーフィルタ
８４ マイクロレンズ
９０ メタルボンディングパッド
９２ ロジック領域のトランジスタ
９５ 第１のクォーツ
９６ 第２のクォーツ
Ｓ１１０、Ｓ２１０ ポテンシャルバリア形成ステップ
Ｓ１２０、Ｓ２２０ 背面除去ステップ
Ｓ１３０、Ｓ２３０ 背面照射型フォトダイオード形成ステップ
Ｓ１４０、Ｓ２４０ 金属配線形成ステップ
Ｓ１５０、Ｓ２８０ カラーフィルタ形成ステップ
Ｓ１６０、Ｓ２５０ ビア＆プラグ形成ステップ
Ｓ１７０、Ｓ２９０ パッド形成ステップ
Ｓ２６０ ロジック回路形成ステップ
Ｓ２７０ ウエハ接合ステップ
１１ 第１のウエハ
１２ 第２のウエハ
２０ エピタキシャル層（エピ層）
３０ ポテンシャルバリア
４０ 背面照射型フォトダイオード
５０ 金属間絶縁膜
６０、６１ 金属配線
７０ パッド
７５ ビア及びプラグ
８０ パッシベーション膜
８２ カラーフィルタ
８４ マイクロレンズ
９０ メタルボンディングパッド
９２ ロジック領域のトランジスタ
９５ 第１のクォーツ
９６ 第２のクォーツ
Ｓ１１０、Ｓ２１０ ポテンシャルバリア形成ステップ
Ｓ１２０、Ｓ２２０ 背面除去ステップ
Ｓ１３０、Ｓ２３０ 背面照射型フォトダイオード形成ステップ
Ｓ１４０、Ｓ２４０ 金属配線形成ステップ
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Ｓ１６０、Ｓ２５０ ビア＆プラグ形成ステップ
Ｓ１７０、Ｓ２９０ パッド形成ステップ
Ｓ２６０ ロジック回路形成ステップ
Ｓ２７０ ウエハ接合ステップ
Claims (4)
- 背面照射型フォトダイオードを用いたイメージセンサの製造方法であって、
（ａ）所定のタイプの第１および第２のウエハに低濃度のエピ層を形成し、形成された第１のウエハの前記エピ層の表面に、前記エピ層と同一のタイプを有し、前記エピ層よりも相対的に高い濃度の不純物をドーピングしてポテンシャルバリアを形成するステップと、
（ｂ）第１のウエハのエピ層を除いた背面を除去するステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）で露出したエピ層の表面に背面照射型フォトダイオードを形成するステップと、
（ｄ）該背面照射型フォトダイオード上に金属間絶縁膜を形成し、該金属間絶縁膜の内部に金属配線を形成するステップと、
（ｅ）ポテンシャルバリアの表面からエピ層を貫通して該金属配線に接続されたビアを形成し、該ビアにプラグを充填するステップと、
（ｆ）第２のウエハに形成されたエピ層上に金属間絶縁膜を形成し、該金属間絶縁膜の内部に金属配線を含むロジック回路を形成するステップと、
（ｇ）金属接合により、第１のウエハの金属配線と第２のウエハのロジック回路の金属配線とを接続して、第２のウエハのロジック回路の前記金属配線上に第１のウエハの前記金属配線側の面を配置するステップと、
（ｈ）ポテンシャルバリアの表面に、パッシベーション膜、カラーフィルタ及びマイクロレンズを形成するステップと、
（ｉ）第１のウエハのプラグで充填されたビアの表面にパッドを形成するステップと、を含む方法。 - ステップ（ｂ）の前又は後に、第１のクォーツを第１のウエハの前記エピ層の表面に接合するステップと、
ステップ（ｈ）の前に、第１のクォーツを除去するステップと、をさらに含む請求項１に記載の方法。 - ポテンシャルバリアは、イオン注入、エピ成長およびＢＳＧ蒸着からなるグループから選ばれる少なくとも１つの方法を用いて形成される請求項１に記載の方法。
- ステップ（ａ）において、第１のウエハのポテンシャルバリアの形成後、熱処理によって、ポテンシャルバリアが形成されたエピ層の表面状態を安定化させる請求項１に記載の方法。
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