KR20070120255A - 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents

배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20070120255A
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Abstract

본 발명은 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 소정 타입의 웨이퍼에 저농도의 불순물이 도핑되어 형성되는 에피 층; 에피 층 표면에 형성되는 포텐셜 배리어; 웨이퍼의 배면의 에피 층 위에 형성되는 배면 광 포토다이오드; 웨이퍼 소정 영역에 배면 광 포토다이오드와 금속 배선을 통하여 전기적으로 연결되도록 형성되는 로직 회로; 포텐셜 배리어 층 위에 형성되며, 이미지센서 외부와 전기적으로 연결되는 패드; 및 패드와 로직 회로를 전기적으로 연결시킬 수 있도록 에피 층을 관통하여 형성되는 비아 및 플러그;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이미지 센서용 포토다이오드 제조 방법은, 배면 광 포토다이오드의 표면 처리를 안정적으로 할 수 있어서 암전류가 적고, 블루에 대한 감도가 모든 포토다이오드에 대하여 일정하고, 고감도인 배면 광 포토다이오드를 제조할 수 있다. 또한 본 발명에 포토다이오드와 로직 회로가 서로 다른 기판으로 분리된 3차원 구조를 적용하여 고밀도의 이미지 센서를 제조할 수 있다.
배면 광, 이미지센서, 포토다이오드, 3차원 구조

Description

배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서 및 그 제조 방법{A image sensor using back illumination photodiode and a method of manufacturing the same}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 구조를 나타내는 단면도.
도 3a는 본 발명에 의한 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법의 일실시예를 나타내는 순서도.
도 3b는 도 3a의 주요 과정을 단면으로 나타낸 도면.
도 4a는 본 발명에 의한 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법의 다른 일실시예를 나타내는 순서도.
도 4b는 도 4a의 주요 과정을 단면으로 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 웨이퍼 11 : 제1 웨이퍼
12 : 제2 웨이퍼 20 : 에피 층
30 : 포텐셜 배리어 40 : 배면 광 포토다이오드
50 : 층간 절연막 60,61 : 금속 배선
70 : 패드 75 : 비아 및 플러그
80 : 패시베이션 막 82 : 컬러필터
84 : 마이크로 렌즈 90 : 메탈 본딩 패드
92 : 로직 영역의 트랜지스터들 95 : 제1 쿼츠
96 : 제2 쿼츠
S110,S210 : 포텐셜 배리어 형성 단계
S120,S220 : 배면 제거 단계
S130,S230 : 배면 광 포토다이오드 형성 단계
S140,S240 : 금속배선 형성 단계 S150,S280 : 컬러 필터 형성 단계
S160,S250 : 비아 & 플러그 형성 단계 S170,S290 : 패드 형성 단계
S260 : 로직 회로 형성 단계 S270 : 웨이퍼 접합 단계
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포토다이오드의 하부 면을 통해서 빛을 흡수하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
CMOS 이미지 센서는 빛의 강도를 측정하는데 사용되는 소자인데, 일반적으로 이러한 이미지 센서는 포토다이오드 및 디지털, 아날로그 회로가 한 평면에 구성이 되며 이에 따라 금속 배선 및 층간 절연막이 포토다이오드의 상부 층에 형성된다.
종래의 이미지센서는 최종적으로 마이크로 렌즈 및 컬러필터를 투과한 빛이 포토다이오드로 흡수되기까지 여러 막질의 경로를 가지게 됨으로써 감도가 저하되게 되며, 특히 청색광에 대한 감도가 저하되는 단점이 있다.
또한 종래의 이미지센서는 녹색(green), 적색(red) 및 청색(blue) 컬러필터를 투과한 빛이 다층으로 형성된 금속 배선에 의한 반사로 인해 인접한 포토다이오드에 영향을 주어 발생하는 컬러 크로스토크, 그리고 장파장의 적색 광에 의해 포토다이오드 영역 하부에서 전기적인 크로스토크를 발생시키는 단점이 있다.
배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지 센서는 빛이 포토다이오드 상층부에 적층된 금속 간 절연 막을 거치지 않고 포토다이오드가 형성된 실리콘 기판으로 직접 흡수됨으로써 감도가 획기적으로 향상되는 특성을 가지게 된다.
하지만 배면 광 포토다이오드 구조를 적용하기 위해서는 저농도 에피 층 표면에 존재하는 댕글링 본드(dangling bond)와 같은 표면 결함에 의해 발생하는 노이즈를 제거하여야 한다. 그러나 기 형성된 금속 배선으로 인해 고온 열처리를 할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서 종래의 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지 센서는 포토다이오드 배면의 실리콘기판 표면 결함 상태에 따른 노이즈 문제가 발생하는 단점이 있다.
이를 해결하기 위해 일반적으로 레이져 스캐닝(laser scanning) 등을 사용하여 순간적인 고온 열처리 등을 사용하지만 이러한 방법들은 고가이면서 시간이 많이 소비되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 포토다이오드의 상부 면이 아닌 하부 면을 통해서 빛을 흡수하고, 웨이퍼 표면 처리를 통해 노이즈 및 크로스토크 발생을 억제하여, 감도를 향상시킬 수 있는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서는 소정 타입의 웨이퍼에 저농도의 불순물이 도핑되어 형성되는 에피택셜 층(epitaxial layer, 이하 에피 층이라 한다); 상기 에피 층 표면에 형성되는 포텐셜 배리어(potential barrier); 상기 웨이퍼의 배면의 에피 층 위에 형성되는 배면 광 포토다이오드; 상기 웨이퍼 소정 영역에 상기 배면 광 포토다이오드와 금속 배선을 통하여 전기적으로 연결되도록 형성되는 로직 회로; 상기 포텐셜 배리어 층 위에 형성되며, 이미지센서 외부와 전기적으로 연결되는 패드(pad); 및 상기 패드와 상기 로직 회로를 전기적으로 연결시킬 수 있도록 상기 에피 층을 관통하여 형성되는 비아(via) 및 상기 비아를 채우는 플러그;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서는 소정 타입의 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼에 저농도의 불순물이 도핑되어 형성되는 에피 층; 상기 제1 웨이퍼의 에피 층 표면에 형성되는 포텐셜 배리어(potential barrier); 상기 제1 웨이퍼의 배면의 에피 층에 형성되는 배면 광 포토다이오드; 로직 회로가 형성된 소정 타입의 제2 웨이퍼; 상기 제1 웨 이퍼의 배면 광 포토다이오드와 연결된 금속 배선과 상기 제2 웨이퍼의 로직 회로와 연결된 금속배선을 전기적으로 연결시키는 연결 수단; 상기 제1 웨이퍼의 포텐셜 배리어 층 위에 형성되며, 이미지센서 외부와 전기적으로 연결되는 패드(pad); 및 상기 패드와 상기 제2 웨이퍼의 로직 회로를 전기적으로 연결시킬 수 있도록 상기 제1 웨이퍼의 에피 층을 관통하여 형성되는 비아(via) 및 상기 비아를 채우는 플러그;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법은 (a)소정 타입의 웨이퍼에 저농도의 불순물로 에피 층을 형성하고, 형성된 에피 층 표면에 포텐셜 배리어를 형성하는 단계; (b)상기 웨이퍼의 에피 층을 제외한 배면을 제거하는 단계; (c)상기 (b)단계에 의해 노출되는 에피 층 표면에 배면 광 포토다이오드 및 로직 회로를 형성하는 단계; (d)상기 형성된 배면 광 포토다이오드 위에 층간 절연막을 형성하고, 형성된 층간 절연막 내부에 상기 배면 광 포토다이오드와 상기 로직 회로를 전기적으로 연결하는 금속 배선을 형성하는 단계; (e)상기 포텐셜 배리어 표면에 패시베이션 막, 컬러필터 및 마이크로 렌즈를 형성시키는 단계; (f)상기 형성된 포텐셜 배리어 표면으로부터 에피 층을 관통하여 로직 회로에 연결되도록 비아를 형성하고, 형성된 비아에 플러그를 채우는 단계; 및 (g)상기 플러그가 채워진 비아의 표면에 패드를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법은 (a)소정 타입의 제1,제2 웨이퍼에 저농도의 불순물로 에피 층을 형성하고, 상기 형성된 제1 웨이퍼의 에피 층 표면에 포텐셜 배리어를 형성하는 단계; (b)상기 제1 웨이퍼의 에피 층을 제외한 배면을 제거하는 단계; (c)상기 (b)단계에 의해 노출되는 에피 층 표면에 배면 광 포토다이오드를 형성하는 단계; (d)상기 형성된 배면 광 포토다이오드 위에 층간 절연막을 형성하고, 형성된 층간 절연막 내부에 금속 배선을 형성하는 단계; (e)상기 형성된 포텐셜 배리어 표면으로부터 에피 층을 관통하여 상기 금속 배선에 연결되도록 비아를 형성하고, 형성된 비아에 플러그를 채우는 단계; (f)상기 제2 웨이퍼에 형성된 에피 층 위에 층간 절연막을 형성하고, 형성된 층간 절연막 내부에 금속 배선을 포함하는 로직 회로를 형성하는 단계; (g)소정의 연결수단을 통하여 상기 제1 웨이퍼의 금속 배선과 상기 제2 웨이퍼의 로직 회로의 금속 배선을 연결하는 단계; (h)상기 포텐셜 배리어 표면에 패시베이션 막, 컬러필터 및 마이크로 렌즈를 형성시키는 단계; 및 (i)상기 제1 웨이퍼의 플러그가 채워진 비아의 표면에 패드를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 의한 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 일실시예의 단면을 도시한 것으로, 소정 타입의 웨이퍼(10), 에피택셜 층(20), 포텐셜 배리어(30), 배면 광 포토다이오드(40), 층간 절연막(50), 금속 배선(60), 패드(70), 비아 및 플러그(75), 패시베이션(80) 막, 컬러필터(82) 및 마이크로 렌즈(84)로 구성된다.
포텐셜 배리어(potential barrier; 30)는 저농도의 에피 층의 표면상에 에피 층과 같은 타입의, 그리고 에피 층(20)보다 고농도의 불순물이 도핑되어 형성된다.
포텐셜 배리어(30)는 이온 주입, 에피택셜 성장, BSG(Boro Silicate Glass) 증착에 의하여 형성될 수 있다.
배면 광 포토다이오드(40)는 웨이퍼(10)의 배면의 에피 층(20)에, 즉 포텐셜 배리어(30) 배면에 형성된다.
층간 절연막((inter metal dielectric, IMD; 50)은 배면 광 포토다이오드(40) 하부, 즉 포텐셜 배리어(30)가 형성된 쪽의 반대쪽으로 형성된다.
금속 배선(60)은 층간 절연막(50)에 형성되는데, 배면 광 포토다이오드(40)과 웨이퍼(10)의 소정 영역에 형성되는 로직 회로(미도시)를 전기적으로 연결한다.
외부와 전기적으로 연결되는 패드(pad; 70)는 포텐셜 배리어(30) 위에 형성되고, 패드(70)와 로직 회로(미도시)를 연결시킬 수 있도록 에피 층(20)을 관통하여 로직 회로의 금속 배선(60)까지 비아(via)가 형성되고 형성된 비아에 플러그(75)가 채워진다.
보호막 역할을 하는 패시베이션(passivation) 막(80)은 포텐셜 배리어(30) 위에 형성되고, 패시베이션(80) 위에 다수의 컬러필터(82)들이 형성되고, 마이크로 렌즈(84)는 다수의 컬러필터(82) 위에 형성된다.
도 2는 본 발명에 의한 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 다른 일실시예의 단면을 나타낸 것으로, 배면 광 포토다이오드(40) 및 로직 회로(미도시)를 별도의 제1, 제2 웨이퍼(11, 12)에 형성시킨 후 각 웨이퍼의 매탈 본딩 패 드(90) 접합을 통하여 이미지센서가 형성된 것이다.
도 2를 참조하면, 제1 웨이퍼(11)에는 에피 층(20), 포텐셜 배리어(30), 배면 광 포토다이오드(40), 층간 절연막(50), 금속 배선(60), 패드(70), 비아 및 플러그(75), 패시베이션(80), 컬러필터(82), 마이크로 렌즈(84), 본딩 패드(90)가 형성되어 있고, 제2 웨이퍼(12)에는 에피 층(20), 층간 절연막(50), 금속 배선(61), 로직 영역의 트랜지스터들(92), 및 메탈 본딩 패드(90)가 형성되어 있다.
제1 웨이퍼(11)와 제2 웨이퍼(12)의 금속 배선(60,61)들은 소정의 연결 수단에 의해 전기적으로 연결된다.
연결 수단은 메탈 본딩 패드(metal bonding pad), 본딩 와이어(bonding wire) 및 슈퍼 콘택(super contact) 중의 어느 하나가 될 수 있는데, 도 2에서는 제1 웨이퍼(11)의 배면 광 포토다이오드(40)와 연결된 금속 배선(60)과 제2 웨이퍼(12)의 로직 영역의 트랜지스터들(92)을 포함하는 로직 회로(미도시)와 연결된 금속배선(61)이 메탈 본딩 패드(90)에 의해 접착되어 전기적으로 연결되어 있다.
도 2의 이미지센서는 전술한 도 1의 이미지센서와는 달리 로직 회로(미도시)와 배면 광 포토다이오드(40)가 별도의 웨이퍼에 형성됨으로써 더욱 고밀도의 이미지센서가 형성될 수 있다.
도 3a는 본 발명에 의한 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법의 일실시예를 나타내는 것으로서, 포텐셜 배리어 형성 단계(S110), 배면 제거 단계(S120), 배면 광 포토다이오드 형성 단계(S130), 금속배선 형성 단계(S140), 컬러 필터 형성 단계(S150), 비아 & 플러그 형성 단계(S160), 패드 형성 단 계(S170)로 구성된다.
포텐셜 배리어 형성 단계(S110)에서는 소정 타입의 웨이퍼에 저농도의 불순물로 에피 층을 형성하고, 형성된 에피 층 표면에 포텐셜 배리어를 형성한다.
포텐셜 배리어의 형성은 이온 주입, 에피 성장, BSG 증착과 같은 방법 중에서 적어도 하나를 포함하는 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 포텐셜 배리어가 형성된 에피 층의 표면 상태를 안정화시키기 위하여 소정 온도에서 열처리 과정을 더 포함할 수 있다.
배면 제거 단계(S120)에서는 웨이퍼의 에피 층을 제외한 배면을 제거한다. 배면을 제거함으로써 웨이퍼에는 에피층만이 남게 된다.
배면 제거 단계(S120)를 진행하고 나면 반도체 기판, 즉 웨이퍼(10)가 너무 얇아지기 때문에 이후 공정을 진행할 수 없는 경우가 발생할 수 있으므로 공정 진행이 될 수 있는 두께를 보장하기 위하여 배면의 제거 전 또는 후에 제1 쿼츠를 에피 층 표면에 접합시킨 후 공정을 진행할 수 있다.
배면 광 포토다이오드 형성 단계(S130)에서는 노출된 에피 층 표면에 일반적인 이미지 센서 공정을 이용하여 배면 광 포토다이오드를 형성하고, 이와 함께 로직 회로를 형성한다.
금속배선 형성 단계(S140)에서는 형성된 배면 광 포토다이오드가 형성된 에피 층 표면 위에 층간 절연막을 형성하고, 형성된 층간 절연막 내부에 형성된 배면 광 포토다이오드와 로직 회로를 전기적으로 연결하는 금속 배선을 형성한다.
컬러 필터 형성 단계(S150)에서는 앞선 포텐셜 배리어 형성 단계(S110)에서 형성된 포텐셜 배리어 표면에 패시베이션 막, 컬러필터 및 마이크로 렌즈를 형성한다.
만일 제1 쿼츠가 존재한다면 이 경우 제2 쿼츠를 형성된 층간 절연막 상에 접합하고, 제1 쿼츠를 제거한 후에 컬러 필터 등을 형성할 수 있다.
비아 & 플러그 형성 단계(S160)에서는 컬러 필터 형성 단계(S150) 이후 포텐셜 배리어 표면으로부터 에피 층을 관통하여 로직 회로에 연결되도록 비아를 형성하고, 형성된 비아에 플러그를 채운다.
끝으로, 패드 형성 단계(S170)에서는 플러그가 채워진 비아의 표면에 패드를 형성하여 패드를 통하여 외부와 전기적으로 연결되도록 한다.
도 3b는 도 3a의 주요 과정을 단면으로 나타낸 것으로, 도 3b를 참조하여 도 1의 이미지센서의 제조 공정을 간략히 설명하기로 한다.
우선 ①과 같이 저농도의 에피 층(20) 표면에 이온주입과 같은 방법을 통해 동일한 타입의 불순물을 고농도로 전면 도핑을 하여 에피 층(20) 표면에 대해 포텐셜 배리어(30) 형성 및 열처리와 같은 방법을 이용하여 표면 상태를 안정화시켜준다.
이후 ②와 같이 에피 층(20) 위에 제1 쿼츠(95)를 접합시킨 후 ③에서 처럼 웨이퍼(10)를 폴리싱 또는 에칭을 통해 원하는 에피 층 두께만 남겨둔다.
④는 ③까지의 공정을 완료후 웨이퍼(10)를 뒤집은 후, 에칭을 통해 남겨진 에피 층(20) 위에 보통의 이미지 센서 제조 공정을 적용하여 금속배선(60)을 포함하는 로직 회로 및 배면 광 포토다이오드(40)를 형성시킨 구조이다.
최종 공정 완료 후 배면을 통해 패드(70)를 형성시키기 위해 ⑤에서처럼 상부 금속배선(60)과 배면을 연결시킬 수 있도록 에피 층(20)을 관통할 수 있는 비아 & 플러그(75)를 형성시키게 된다.
이후 회로가 구성된 상부 층간 절연막(50) 위에 제2 쿼츠(96)를 접합시키고, 배면의 제1 쿼츠(95)를 에칭을 통하여 ⑥과 같이 제거한 후, ⑦에서처럼 패드(70) 및 컬러필터(82), 마이크로 렌즈(84)를 형성시키게 되면 고감도 특성을 가지는 배면 광 포토다이오드가 적용된 이미지 센서의 제작이 완료된다.
도 4a는 본 발명에 의한 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법의 다른 일실시예를 나타내는 것으로서, 포텐셜 배리어 형성 단계(S210), 배면 제거 단계(S220), 배면 광 포토다이오드 형성 단계(S230), 금속배선 형성 단계(S240), 비아 & 플러그 형성 단계(S250), 로직 회로 형성 단계(S260), 웨이퍼 접합 단계(S270), 컬러 필터 형성 단계(S280), 패드 형성 단계(S290)로 구성된다.
포텐셜 배리어 형성 단계(S210)에서는 소정 타입의 제1,제2 웨이퍼에 반대 타입의 불순물로 에피 층을 형성한다. 그리고 제1 웨이퍼에 형성된 에피 층 표면에 포텐셜 배리어를 형성한다.
도 4a의 경우에도 도 3a와 마찬가지로 포텐셜 배리어는 이온 주입, 에피 성장, BSG 증착과 같은 방법 중에서 적어도 하나를 포함하는 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 웨이퍼의 포텐셜 배리어 형성 후, 열처리를 하여 포텐셜 배리어가 형성된 에피 층의 표면 상태를 안정화시킬 수 있다.
배면 제거 단계(S220)에서는 제1 웨이퍼의 에피 층이 형성되지 않은 배면을 제거한다.
배면 광 포토다이오드 형성 단계(S230)에서는 배면 제거 단계(S220)에 이해 노출되는 에피 층 표면에 배면 광 포토다이오드를 형성한다.
금속배선 형성 단계(S240)에서는 형성된 배면 광 포토다이오드 위에 층간 절연막을 형성하고, 형성된 층간 절연막 내부에 금속 배선을 형성한다.
비아 & 플러그 형성 단계(S250)에서는 형성된 포텐셜 배리어 표면으로부터 에피 층을 관통하여 상기 금속 배선에 연결되도록 비아를 형성하고, 형성된 비아에 플러그를 채운다.
로직 회로 형성 단계(S260)에서는 제2 웨이퍼에 형성된 에피 층 위에 층간 절연막을 형성하고, 형성된 층간 절연막 내부에 금속 배선을 포함하는 로직 회로를 형성한다.
웨이퍼 접합 단계(S270)에서는 소정의 연결수단을 통하여 제1 웨이퍼에 형성된 금속 배선과 제2 웨이퍼에 형성된 로직 회로의 금속 배선을 연결한다.
제1 웨이퍼와 제2 웨이퍼를 접합하는 연결 수단은 메탈 본딩 패드(metal bonding pad), 본딩 와이어(bonding wire) 및 슈퍼 콘택(super contact) 중의 어느 하나를 이용할 수 있다.
컬러 필터 형성 단계(S280)에서는 포텐셜 배리어 표면에 패시베이션 막, 컬러필터 및 마이크로 렌즈를 형성한다.
패드 형성 단계(S290)에서는 제1 웨이퍼의 플러그가 채워진 비아의 표면에 패드를 형성한다.
도 4a의 경우에도 도 3a의 경우와 마찬가지로 공정 진행이 될 수 있는 두께를 보장하기 위하여 배면 제거 단계(S120)에서의 배면의 제거 전 또는 후에 제1 쿼츠를 에피 층 표면에 접합시킨 후 공정을 진행할 수 있다. 제1 쿼츠를 접합한 경우에 는 컬러 필터 형성 단계(S280)를 진행하기 전에 제1 쿼츠를 제거하면 된다.
도 4b는 도 4a의 주요 과정을 단면으로 나타낸 것으로, 도 4b를 참조하여 도 2의 이미지센서의 제조 공정을 간략히 설명하기로 한다.
①, ②, ③의 제조 과정은 도 3b의 ①, ②, ③과 동일하며, ④와 같이 일반적인 이미지 센서 공정을 적용하여 포토다이오드 및 제어 트랜지스터만 개별적으로 형성시킨 후, ⑤와 같이 메탈 본딩 패드와 별도의 제2 웨이퍼(12)에 형성된 로직 회로와의 전기적 배선을 위해 에피 층(20)을 관통할 수 있는 비아 & 플러그(75)를 형성시키게 된다.
이후 ⑥과 같이 포토다이오드가 형성된 제1 웨이퍼(11)와 로직 회로가 형성된 별도의 제2 웨이퍼(12)를 메탈 본딩 패드 접합을 통해 전기적으로 연결시킨 후, ⑦에서처럼 포토다이오드가 형성된 기판에 형성된 제1 쿼츠(95)를 에칭을 통하여 제거한 후, ⑧에서처럼 패드(70) 및 컬러필터(82), 마이크로 렌즈(84)를 형성시키게 되면 고감도 및 고밀도 특성을 가지는 배면 광 포토다이오드가 적용된 이미지 센서의 제작이 완료된다.
본 발명에서는 포토다이오드의 상부 면이 아닌 하부 면을 통해서 빛을 흡수할 수 있도록 하여, 포토다이오드로부터 컬러필터까지의 단차가 없어지게 되므로 작은 투과 깊이에도 포토다이오드의 효율을 높일 수 있으며, 각각의 컬러필터를 투 과한 빛이 다른 포토다이오드로의 영향을 주지 않게 되므로 컬러 크로스토크가 발생하지 않게 된다.
또한, 본 발명에서는 보통의 제조 공정에 의해 이미지 센서를 제작하기 전에 에피 층 표면에 고농도의 도핑에 의해 포텐셜 배리어를 형성하고, 또한 반도체 기판에 어떤 패턴도 형성되지 않은 상태이므로 종래의 방법에서 제한적이었던 열 공정 온도에 대해 자유로울 수 있으며, 이를 통해 표면 결함을 용이하게 제거하여 표면으로부터 발생하는 노이즈를 획기적으로 억제할 수 있는 특징이 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서 제조방법은 배면의 실리콘기판 표면 처리를 안정적으로 할 수 있게 되어 배면 광 포토다이오드에서 발생하는 노이즈 문제를 해결하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 의한 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서는 배면을 통해 빛을 흡수함으로써 얻어지는 획기적으로 향상된 감도를 가지게 되며, 크로스토크 또한 억제시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (14)

  1. 이미지 센서에 있어서,
    소정 타입의 웨이퍼에 저농도의 불순물이 도핑되어 형성되는 에피택셜 층(epitaxial layer, 이하 에피 층이라 한다);
    상기 에피 층 표면에 형성되는 포텐셜 배리어(potential barrier);
    상기 웨이퍼의 배면의 에피 층 위에 형성되는 배면 광 포토다이오드;
    상기 웨이퍼 소정 영역에 상기 배면 광 포토다이오드와 금속 배선을 통하여 전기적으로 연결되도록 형성되는 로직 회로;
    상기 포텐셜 배리어 층 위에 형성되며, 이미지센서 외부와 전기적으로 연결되는 패드(pad); 및
    상기 패드와 상기 로직 회로를 전기적으로 연결시킬 수 있도록 상기 에피 층을 관통하여 형성되는 비아(via) 및 상기 비아를 채우는 플러그;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서.
  2. 이미지센서에 있어서,
    소정 타입의 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼에 저농도의 불순물이 도핑되어 형성되는 에피 층;
    상기 제1 웨이퍼의 에피 층 표면에 형성되는 포텐셜 배리어(potential barrier);
    상기 제1 웨이퍼의 배면의 에피 층 위에 형성되는 배면 광 포토다이오드;
    로직 회로가 형성된 소정 타입의 제2 웨이퍼;
    상기 제1 웨이퍼의 배면 광 포토다이오드와 연결된 금속 배선과 상기 제2 웨이퍼의 로직 회로와 연결된 금속배선을 전기적으로 연결시키는 연결 수단;
    상기 제1 웨이퍼의 포텐셜 배리어 층 위에 형성되며, 이미지센서 외부와 전기적으로 연결되는 패드(pad); 및
    상기 패드와 상기 제2 웨이퍼의 로직 회로를 전기적으로 연결시킬 수 있도록 상기 에피 층을 관통하여 형성되는 비아(via) 및 상기 비아를 채우는 플러그;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 포텐셜 배리어 층 위에 형성되는 패시베이션(passivation) 막과 상기 패시베이션 막 위에 형성되는 컬러필터 및 상기 컬러필터 위에 형성되는 마이크로 렌즈;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 포텐셜 배리어는
    상기 에피 층과 같은 타입이지만 상기 에피 층보다 상대적으로 높은 농도의 불순물이 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서.
  5. 제2항에 있어서, 상기 연결 수단은
    메탈 본딩 패드(metal bonding pad), 본딩 와이어(bonding wire) 및 슈퍼 콘택(super contact) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서.
  6. 이미지센서의 제조방법에 있어서,
    (a)소정 타입의 웨이퍼에 저농도의 불순물로 에피 층을 형성하고, 형성된 에피 층 표면에 포텐셜 배리어를 형성하는 단계;
    (b)상기 웨이퍼의 에피 층을 제외한 배면을 제거하는 단계;
    (c)상기 (b)단계에 의해 노출되는 에피 층 표면에 배면 광 포토다이오드 및 로직 회로를 형성하는 단계;
    (d)상기 형성된 배면 광 포토다이오드 위에 층간 절연막을 형성하고, 형성된 층간 절연막 내부에 상기 배면 광 포토다이오드와 상기 로직 회로를 전기적으로 연결하는 금속 배선을 형성하는 단계;
    (e)상기 포텐셜 배리어 표면에 패시베이션 막, 컬러필터 및 마이크로 렌즈를 형성시키는 단계;
    (f)상기 형성된 포텐셜 배리어 표면으로부터 에피 층을 관통하여 로직 회로에 연결되도록 비아를 형성하고, 형성된 비아에 플러그를 채우는 단계; 및
    (g)상기 플러그가 채워진 비아의 표면에 패드를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (b)단계 전에 또는 상기 (b)단계 후에, 제1 쿼츠를 상기 에피 층 표면에 접합시키는 단계; 및
    상기 (e)단계 전에, 제2 쿼츠를 상기 층간 절연막 상에 접합하고, 상기 제1 쿼츠를 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 포텐셜 배리어는
    이온 주입, 에피 성장, BSG 증착과 같은 방법 중에서 적어도 하나를 포함하는 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 (a)단계는
    상기 포텐셜 배리어 형성 후, 열처리를 하여 상기 포텐셜 배리어가 형성된 에피 층의 표면 상태를 안정화시키는 것을 특징으로 하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법.
  10. 이미지센서의 제조방법에 있어서,
    (a)소정 타입의 제1,제2 웨이퍼에 저농도의 불순물로 에피 층을 형성하고, 상기 형성된 제1 웨이퍼의 에피 층 표면에 포텐셜 배리어를 형성하는 단계;
    (b)상기 제1 웨이퍼의 에피 층을 제외한 배면을 제거하는 단계;
    (c)상기 (b)단계에 의해 노출되는 에피 층 표면에 배면 광 포토다이오드를 형성하는 단계;
    (d)상기 형성된 배면 광 포토다이오드 위에 층간 절연막을 형성하고, 형성된 층간 절연막 내부에 금속 배선을 형성하는 단계;
    (e)상기 형성된 포텐셜 배리어 표면으로부터 에피 층을 관통하여 상기 금속 배선에 연결되도록 비아를 형성하고, 형성된 비아에 플러그를 채우는 단계;
    (f)상기 제2 웨이퍼에 형성된 에피 층 위에 층간 절연막을 형성하고, 형성된 층간 절연막 내부에 금속 배선을 포함하는 로직 회로를 형성하는 단계;
    (g)소정의 연결수단을 통하여 상기 제1 웨이퍼의 금속 배선과 상기 제2 웨이퍼의 로직 회로의 금속 배선을 연결하는 단계;
    (h)상기 포텐셜 배리어 표면에 패시베이션 막, 컬러필터 및 마이크로 렌즈를 형성시키는 단계; 및
    (i)상기 제1 웨이퍼의 플러그가 채워진 비아의 표면에 패드를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 (g)단계는
    메탈 본딩 패드(metal bonding pad), 본딩 와이어(bonding wire) 및 슈퍼 콘택(super contact) 중의 어느 하나를 이용하여 상기 제1 웨이퍼 및 상기 제2 웨이퍼를 연결하는 것을 특징으로 하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 (b)단계 전에 또는 상기 (b)단계 후에에, 제1 쿼츠를 상기 에피 층 표면에 접합시키는 단계; 및
    상기 (h)단계 전에, 상기 제1 쿼츠를 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 포텐셜 배리어는
    이온 주입, 에피 성장, BSG 증착과 같은 방법 중에서 적어도 하나를 포함하는 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 (a)단계는
    상기 제1 웨이퍼의 포텐셜 배리어 형성 후, 열처리를 하여 상기 포텐셜 배리어가 형성된 에피 층의 표면 상태를 안정화시키는 것을 특징으로 하는 배면 광 포토다이오드를 이용한 이미지센서의 제조 방법.
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