KR20100077598A - 후면 수광 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예는 후면 수광 이미지센서에 관한 것이다.
실시예에 따른 후면 수광 이미지센서는 제1 기판의 전면(前面)(Front Side)에 형성된 소자분리영역과 픽셀영역; 상기 픽셀영역에 형성된 광감지부와 리드아웃 서킷; 상기 제1 기판의 전면 상에 형성된 층간절연층과 배선; 상기 배선이 형성된 제1 기판의 전면과 본딩된 제2 기판; 상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 소자분리영역 상에 형성된 픽셀분리 절연층; 및 상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 형성된 마이크로렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이미지센서, 광감지부, 후면 수광

Description

후면 수광 이미지센서 및 그 제조방법{Back Side Illumination Image Sensor and Method for Manufacturing the same}
실시예는 후면 수광 이미지센서에 관한 것이다.
이미지센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD) 이미지센서와 씨모스(CMOS) 이미지센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
종래의 기술에서는 기판에 포토다이오드(Photodiode)를 이온주입 방식으로 형성시킨다. 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.
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 시도(후면 수광 이미지센서)가 이루어지고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 후면 수광 이미지센서의 공정 단면도이다.
종래기술에 의한 후면수광 이미지센서는 기판의 전면에 수광소자와 배선공정을 진행한 후 기판의 후면을 일정한 두께로 제거하는 연마공정(Back Grinding)을 진행한다. 이는 기판의 후면을 적정한 두께로 연마하여 외부 모듈과 광학렌즈와의 간격을 맞추기 위함이다.
그런데, 종래기술에 의한 후면 수광 이미지센서는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(Wafer)를 수광소자와 회로부가 형성되는 도너 웨이퍼(Donor Wafer)로 사용한 후 핸들 웨이퍼(Handle Wafer)와 본딩(Bonding)을 시킨다. 이후, 도너 웨이퍼에 대해 백사이드 박막화(Backside Thinning) 공정을 진행한다.
종래기술에 의한 도너 웨이퍼의 백사이드 박막화(Backside Thinning) 공정은 하기와 같다.
우선, 도너 웨이퍼 백사이드 연마공정(Grinding)을 진행하여 BOX(Buried Oxide) 상부 기준 수십 ㎛를 남긴다. 이후, 에치백(Etch-Back)을 진행하여 백사이드 박막화(Backside Thinning) 공정을 완료한다.
그런데, 종래기술에 의하면 고가의 SOI 웨이퍼(Wafer)를 도너 웨이퍼로 사용해야하므로 제조공정의 비용이 많이 소요되는 문제가 있다.
또한, 종래기술에 의하면 도 1과 같이 도너 웨이퍼 백사이드 연마공정(Grinding)을 진행하는 경우 Wafer Edge Thinning이 발생한다. 이에 따라, 후속 에치백(Etch-Back) 공정 시 웨이퍼 에지(Wafer Edge)부 칩(chip)은 불량(Fail)이 발생할 수 있으므로 경제성 크게 떨어지는 문제가 있다.
또한, 종래기술에 의하면 웨이퍼 센터부(Wafer Center) 역시 수십 ㎛에 달하는 두께의 에치백(Etch-Back) 공정 중 플라즈마 대미지(Plasma Damage)에 노출되어 이미지센서 성능(Sensor Performance)의 열화 가능성이 증가하는 문제가 있다.
또한, 종래기술에 의하면 포토다이오드가 형성되는 기판의 후면의 표면에만 소자분리영역이 형성됨으로써 크로스토크(cross talk) 현상이 발생하는 문제가 있다.
한편, 종래기술에 의하면 포토다이오드를 비정질 실리콘(amorphous Si)으로 증착하거나, 리드아웃 서킷(Readout Circuitry)은 실리콘 기판(Si Substrate)에 형성시키고, 포토다이오드는 다른 웨이퍼에 형성시킨 후 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩(Wafer-to-Wafer Bonding)을 하여 포토다이오드가 리드아웃 서킷 상부에 형성되는 이미지센서(이하 "3D 이미지센서"라고 칭함)가 이루어지고 있다. 포토다이오드와 리드아웃 서킷은 배선(Metal Line)을 통해 연결된다.
그런데, 3D 이미지센서의 종래기술에 의하면 리드아웃 서킷이 형성된 웨이퍼 대 포토다이오드가 형성된 웨이퍼 본딩이 필수적으로 진행되는데, 이때 본딩의 문제로 인해 리드아웃 서킷과 포토다이오드의 전기적인 연결이 제대로 이루어지기 어려운 점이 있다. 예를 들어, 종래기술에 의하면 리드아웃 서킷 상에 배선을 형성하고, 상기 배선과 포토다이오드가 접촉하도록 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩을 진행하는 데, 배선과 포토다이오드의 접촉이 제대로 이루어지기 어려울 뿐만아니라, 나아가 배선과 포토다이오드의 오믹컨택이 어려운 문제가 있다. 또한, 종래기술에 의하면 포토다이오드와 전기적으로 연결되기 위한 배선이 숏트가 발생하는 문제가 있고, 이러한 숏트를 방지하기 위한 연구가 있으나 복잡한 공정이 소요되는 문제가 있다.
실시예는 후면수광 이미지센서에서 기판의 후면을 안정적이고 효율적으로 제거할 수 있는 후면 수광 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 크로스토크(cross talk) 현상을 방지할 수 있는 후면 수광 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 제조단가를 현저히 줄일 수 있는 후면 수광 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 광감지부와 리드아웃 서킷을 같은 기판에 형성하면서도 수광부 상부의 적층(Stack)을 최소화함으로써 입사 광량을 최대화시킬 수 있고 메탈 라우팅(Metal Routing)에 의한 빛의 간섭 및 반사현상을 방지할 수 있는 후면 수광 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 후면 수광 이미지센서는 제1 기판의 전면(前面)(Front Side)에 형성된 소자분리영역과 픽셀영역; 상기 픽셀영역에 형성된 광감지부와 리드아웃 서킷; 상기 제1 기판의 전면 상에 형성된 층간절연층과 배선; 상기 배선이 형성된 제1 기판의 전면과 본딩된 제2 기판; 상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 소자분리영역 상에 형성된 픽셀분리 절연층; 및 상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 형성된 마이크로렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 후면 수광 이미지센서의 제조방법은 제1 기판의 전면(前面)(Front Side)에 전체적으로 이온주입층을 형성하는 단계; 상기 제1 기판의 전면에 소자분리영역을 형성하여 픽셀영역을 정의하는 단계; 상기 픽셀영역에 광감지부와 리드아웃 서킷을 형성하는 단계; 상기 제1 기판의 전면 상에 층간절연층과 배선을 형성하는 단계; 제2 기판을 상기 배선이 형성된 제1 기판의 전면과 본딩하는 단계; 상기 이온주입층을 기준으로 상기 제1 기판의 하측을 제거하는 단계; 상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 소자분리영역 상에 픽셀분리 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 후면 수광 이미지센서의 제조방법은 제1 기판의 전면(前面)(Front Side)에 소자분리영역을 형성하여 픽셀영역을 정의하는 단계; 상기 제1 기판의 전면에 전체적으로 이온주입층을 형성하는 단계; 상기 픽셀영역에 광감지부와 리드아웃 서킷을 형성하는 단계; 상기 제1 기판의 전면 상에 층간절연층과 배선을 형성하는 단계; 제2 기판을 상기 배선이 형성된 제1 기판의 전면과 본딩하는 단계; 상기 이온주입층을 기준으로 상기 제1 기판의 하측을 제거하는 단계; 상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 소자분리영역 상에 픽셀분리 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 후면 수광 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 이온주입 기 술을 이용하여 기판의 후면을 안정적이고 효율적으로 제거할 수 있다. 즉, 실시예에 의하면 이온주입 및 클리빙 채용으로 백 그라인딩(Back Grinding) 및 에치백(Etch-Back)이 필요 없어 에지다이 불량(Edge Die Fail) 및 플라즈마 대미지(Plasma Damage) 등의 문제가 발생하지 않는 장점이 있다.
또한, 실시예에 따르면 기판 후면에 Si 식각을 통해서 픽셀분리 절연층을 형성함으로써 광감지부간의 물리적인 분리(isolation)을 형성한 후, 픽셀분리 절연층 및/또는 소자분리영역 양측에 P형 픽셀분리 이온주입층을 형성함으로써 크로스토크 이슈(cross-talk issue)를 완벽하게 해결할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 픽셀분리 절연층을 형성함에 따라 Si 식각 대미지(damage)로 인해 발생될 수 있는 디펙트(defect)들을 픽셀분리 이온주입층을 형성함으로써 P-type 도펀트(dopant)를 이용하여 분리(isolation) 시켜 크로스토크 이슈(cross-talk issue)를 완벽하게 해결할 수 있다.
또한, 실시예는 픽셀분리 이온주입층 형성을 위한 이온주입(Implant) 공정 적용시 픽셀분리 절연층 형성에 사용한 하드마스크(hard mask)를 이용하여 셀프얼라인(self align)된 점을 활용하여 추가적인 마스크(Mask) 공정 없이 픽셀분리 이온주입층 적용이 가능한 장점이 있다.
또한, 실시예에 따르면, 도너 웨이퍼에 대한 그라인딩이 진행되지 않으므로 광감지부와 회로부에 손상이 방지될 수 있는 장점이 있다.
또한, 실시예에 의하면 도너 웨이퍼(doner wafer)로 에피 웨이퍼(Epi Wafer)를 사용하여, 광감지부와 회로부가 에피 웨이퍼에 함께 형성될 수 있다. 이에 따라 실시예에 의하면 에피 웨이퍼 사용으로 SOI 웨이퍼 사용 대비 제조원가를 현저히 절감시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 도너 웨이퍼(doner wafer)로 에피 웨이퍼(Epi Wafer)를 사용할 수 있으며, 광감지부와 회로부가 에피 웨이퍼에 함께 형성될 수 있으므로, 포토다이오드를 회로의 상측에 형성하는 3D 이미지센서에서의 본딩프로세스(bonding process)가 필요없이 제조가 용이하며, 따라서 본딩의 문제, 컨택의 문제 등이 없는 장점이 있다. 한편, 핸들웨이퍼와 도너 웨이퍼의 본딩은 층간절연층 등에 의한 절연층이 개재되어 본딩되므로 본딩에 대한 이슈는 거의 없다.
또한, 실시예에 의하면 수광부 상부의 적층(Stack)을 최소화함으로써 입사 광량을 최대화시킬 수 있고 메탈 라우팅(Metal Routing)에 의한 빛의 간섭 및 반사현상이 없어져 이미지센서의 광특성을 극대화시킬 수 있다.
이하, 실시예에 따른 후면 수광 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
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.
본 발명은 씨모스 이미지센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.
(실시예)
도 2는 실시예에 따른 후면 수광 이미지센서의 단면도이다.
실시예에 따른 후면 수광 이미지센서는 제1 기판(100)의 전면(前面)(Front Side)에 형성된 소자분리영역(110)과 픽셀영역; 상기 픽셀영역에 형성된 광감지부(120)와 리드아웃 서킷(130); 상기 제1 기판(100)의 전면 상에 형성된 층간절연층(160)과 배선(140); 상기 배선(140)이 형성된 제1 기판(100)의 전면과 본딩된 제2 기판(200); 상기 제1 기판(100)의 후면(後面)(Back Side)의 상기 소자분리영역(110) 상에 형성된 픽셀분리 절연층(112); 및 상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부(120) 상에 형성된 마이크로렌즈(180);를 포함할 수 있다.
실시예는 상기 픽셀분리 절연층(112) 양측에 형성된 픽셀분리 이온주입층(114)을 더 포함할 수 있고, 상기 픽셀분리 이온주입층(114)은 상기 소자분리영역(110) 양측에도 형성될 수 있다.
실시예에 따른 후면 수광 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 이온주입 기술을 이용하여 기판의 후면을 안정적이고 효율적으로 제거할 수 있다. 즉, 실시예에 의하면 이온주입 및 클리빙 채용으로 백 그라인딩(Back Grinding) 및 에치백(Etch-Back)이 필요 없어 에지다이 불량(Edge Die Fail) 및 플라즈마 대미지(Plasma Damage) 등의 문제가 발생하지 않는 장점이 있다.
또한, 실시예에 따르면 기판 후면의 소자분리영역 상에 픽셀분리 절연층을 형성하고, 픽셀분리 절연층 및/또는 소자분리영역 양측에 픽셀분리 이온주입층을 형성함으로써 픽셀간의 크로스토크를 완벽하게 방지함으로써 이미지특성을 향상시킬 수 있다.
즉, 실시예에 의하면 기판 후면에 Si 식각을 통해서 픽셀분리 절연층을 형성함으로써 광감지부간의 물리적인 분리(isolation)을 형성한 후, 픽셀분리 절연층 및/또는 소자분리영역 양측에 P형 픽셀분리 이온주입층을 형성함으로써 크로스토크 이슈(cross-talk issue)를 완벽하게 해결할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 픽셀분리 절연층을 형성함에 따라 Si 식각 대미지(damage)로 인해 발생될 수 있는 디펙트(defect)들을 픽셀분리 이온주입층을 형성함으로써 P-type 도펀트(dopant)를 이용하여 분리(isolation) 시켜 크로스토크 이슈(cross-talk issue)를 완벽하게 해결할 수 있다.
또한, 실시예는 픽셀분리 이온주입층 형성을 위한 이온주입(Implant) 공정 적용시 픽셀분리 절연층 형성에 사용한 하드마스크(hard mask)를 이용하여 셀프얼라인(self align)된 점을 활용하여 추가적인 마스크(Mask) 공정 없이 픽셀분리 이온주입층 적용이 가능한 장점이 있다.
이하, 도 3 내지 도 9를 참조하여 실시예에 따른 후면 수광 이미지센서의 제조방법을 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 이온주입층(205)을 형성하는 예들이다.
우선, 도 3a와 같이 제1 기판(100)의 전면(前面)(Front Side)에 이온주입층(105)을 형성할 수 있다. 상기 제1 기판(100)은 에피 웨이퍼일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예는 상기 이온주입층(105)을 기준으로 제1 기판의 하측(100a), 제1 기판의 상측(100b)이 구분될 수 있다.
실시예에 따른 후면 수광 이미지센서의 제조방법에서는 도너 웨이퍼(doner wafer)(100)로 에피 웨이퍼(Epi Wafer)를 사용할 수 있는데, 이에 따라 실시예에 의하면 에피 웨이퍼 사용으로 SOI 웨이퍼 사용 대비 제조원가를 현저히 절감시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 도너 웨이퍼(doner wafer)로 에피 웨이퍼(Epi Wafer)를 사용할 수 있으며, 광감지부와 회로부가 에피 웨이퍼에 함께 형성될 수 있으므로, 포토다이오드를 회로의 상측에 형성하는 3D 이미지센서에서의 본딩프로세스(bonding process)가 필요없이 제조가 용이하며, 본딩의 문제, 컨택의 문제 등이 없는 장점이 있다.
상기 이온주입층(105)은 상기 제1 기판(100)의 전면(前面)(Front Side)에 대한 이온주입을 통해 진행될 수 있다. 상기 제1 기판(100)의 후면(後面)(Back Side)는 수백 ㎛에 달하기 때문에 전면을 통해 이온주입하는 것이 바람직하다.
즉, 제1 기판(100)의 두께가 이온주입 깊이에 비해 매우 두꺼우므로 상기 제1 기판(100)의 후면으로부터 이온주입은 진행하기 어렵다. 그러므로, 실시예와 같이 배선(140) 형성공정 또는 제2 기판(200)과의 본딩 전에 미리 이온주입층(105)을 형성함으로써 본딩 후 제1 기판의 하측(100a)을 용이하게 제거할 수 있다.
실시예에서 상기 이온주입층(105) 형성공정은 수소(H) 또는 헬륨(He) 등의 이온을 주입하여 이온주입층을 형성할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또는, 실시예는 도 3b와 같이 제1 기판(100)의 전면에 소자분리영역(110)을 형성한 후 이온주입층(105)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(100)의 전면에 소자분리영역(110)을 형성하여 픽셀영역을 정의하고, 상기 소자분리영역(110)은 STI 등으로 형성할 수 있으며, 이후 이온주입층(105)을 형성할 수 있다.
실시예는 그라인딩에 의해 기판의 후면을 제거하는 것이 아니라, 미리 형성된 이온주입층(105)을 이용하여 기판의 후면을 용이하고 안정적으로 제거함으로써 후면 수광 이미지센서의 제조 수율을 현저히 상승시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 에피 웨이퍼(Epi Wafer)를 이용한 공정 진행 중에 클리빙 레이어(Cleaving Layer)인 이온주입층(105)을 미리 형성하기 위해 수소 혹은 헬륨 등의 이온주입 공정을 진행하고, 도너 웨이퍼(Donor Wafer)인 제1 기판(100)에 대한 공정 완료 후 핸들웨이퍼(Handle Wafer)인 제2 기판(200)과 본딩시킨다. 본딩 후 하측이 제거된 후 잔존하는 도너 웨이퍼인 제1 기판(100)은 얇은 상태이기 때문에 컬러필터 공정 등을 원활히 진행하기 위해 핸들웨이퍼인 제2 기판(200)이 필요하다.
이후 도너 웨이퍼인 제1 기판(100)에 대해 백사이드 박막화공정(Backside Thinning)을 위해 클리빙이 진행될 수 있다.
실시예에 의하면 이온주입 및 클리빙공정 채용으로 백 그라인딩(Back Grinding) 및 에치백(Etch-Back)이 필요 없어 에지 다이 불량(Edge Die Fail) 및 플라즈마 대미지(Plasma Damage) 등의 종래 기술의 문제가 발생하지 않는 장점이 있다.
또한, 실시예에 따르면, 도너 웨이퍼에 대한 그라인딩이 진행되지 않으므로 도너 웨이퍼에 물리적이 스트레스가 가해지지 않아 광감지부와 회로인 리드아웃 서킷에 손상이 방지될 수 있는 장점이 있다.
또는 실시예는 도 3c와 같이, 상기 픽셀영역에 광감지부(120)를 형성한 후 이온주입층(105)을 형성할 수 있다. 상기 광감지부(120)는 포토다이오드일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광감지부(120)는 P형의 제1 기판(100)에 N형 이온주입영역(120)을 형성하고, 제1 기판(100)의 N형 이온주입영역(120) 상에 Po 영역(미도시)을 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 Po 영역에 의해 잉여전자 등을 방지할 수 있다. 또한, 실시예에 의하면 PNP 졍선을 형성하여 전하덤핑(Charge Dumping) 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 도 4와 같이 상기 광감지부(120)가 형성된 제1 기판(100) 상에 회로부인 리드아웃 서킷(130)을 형성한다. 상기 리드아웃 서킷(130)은 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터, 실렉트 트랜지스터 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면 도너 웨이퍼(doner wafer)인 제1 기판(100)으로 에피 웨이퍼(Epi Wafer)를 사용할 수 있으며, 광감지부(120)와 리드아웃 서킷(130)이 제1 기판(100)에 함께 형성될 수 있으므로, 광감지부를 회로의 상측에 형성하는 3D 이미지센서에서의 본딩프로세스(bonding process)가 필요없어 제조가 용이하며, 본딩의 문제, 컨택의 문제 등이 없는 장점이 있다. 한편, 핸들웨이퍼와 도너 웨이퍼의 본딩은 층간절연층 등에 의한 절연층이 개재되어 본딩되므로 본딩에 대한 이슈는 거의 없다.
또한, 실시예에 의하면 수광부 상부의 적층(Stack)을 최소화함으로써 입사 광량을 최대화시킬 수 있고 메탈 라우팅(Metal Routing)에 의한 빛의 간섭 및 반사 현상이 없어져 이미지센서의 광특성을 극대화시킬 수 있다.
이후, 상기 제1 기판(100) 상에 층간절연층(160)을 형성하고, 상기 층간절연층(160)에 배선(140)을 형성한다. 상기 배선(140)은 제1 메탈(M1) 등을 포함할 수 있다.
한편, 실시예는 로직영역에 패드 배선(150)을 형성할 수 있다. 상기 패드 배선(150)은 제1 메탈(M1), 제2 메탈(M2), 제3 메탈(M3) 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 상기 패드(PAD)를 제1 메탈(M1)과 같은 레벨에 형성할 수 있다. 이에 따라 제2 기판(200)과의 본딩 후 제1 기판(100)의 후면으로 패드 오픈공정을 용이하게 진행할 수 있다. 이는 제1 기판(100)의 후면으로부터 패드까지의 깊이가 낮기 때문이다.
다음으로, 도 5와 같이 제2 기판(200)을 상기 배선(140)이 형성된 제1 기판(100)의 전면(前面)과 본딩할 수 있다. 예를 들어, 핸들 웨이퍼인 제2 기판(200)을 상기 제1 기판(100)의 배선(140) 측과 대응하도록 본딩할 수 있다.
실시예는 상기 제1 기판(100)과 본딩되는 제2 기판(200)의 상면에 절연층(210)을 형성함으로써 상기 제1 기판(100)과의 본딩력을 증대시킬 수 있다. 상기 절연층(210)은 산화막, 질화막 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 절연층(210)이 제1 기판(100)의 전면인 층간절연층(160)과 접촉하여 본딩이 진행됨으로써 제1 기판(100)과 제2 기판(200)의 본딩력을 현저히 증대시킬 수 있다.
다음으로, 도 5와 같이 본딩된 제1 기판(100)에서, 도 6과 같이 상기 이온주입층(105)을 기준으로 상기 제1 기판의 하측(100a)을 제거한다. 예를 들어, 상기 이온주입층(105)에 열처리를 진행하여 수소이온을 기공(Bubble)화 시키고, 상기 제1 기판의 하측(100a)을 블레이드 등으로 컷팅하여 제거하고, 제1 기판의 상측(100b)을 잔존시킬 수 있다. 이후, 상기 컷팅된 제1 기판(100) 면에 대해 평탄화공정이 진행될 수 있다.
한편, 클리빙 기술을 응용한 종래의 3-D 이미지센서 관련 특허에서는 광감지부와 리드아웃 서킷을 각각 별도의 웨이퍼(Wafer)에 형성하여 본딩(Bonding) 및 배선공정(Interconnection)을 진행하는 발명이 주류이며, 종래기술에서는 클리빙 레이어(Cleaving Layer) 형성을 위한 수소 혹은 헬륨 이온 주입 공정은 본딩(Bonding) 직전에 진행한다.
그런데, 3D 이미지센서의 종래기술에 의하면 리드아웃 서킷과 포토다이오드의 전기적인 연결이 제대로 이루어지기 어려운 점이 있으며, 또한, 포토다이오드와 전기적으로 연결되기 위한 배선에 숏트가 발생하는 문제가 있었다.
반면, 실시예에 의하면 도너 웨이퍼(doner wafer)인 제1 기판(100)으로 에피 웨이퍼(Epi Wafer)를 사용할 수 있으며, 광감지부(120)와 리드아웃 서킷(130)이 제1 기판(100)에 함께 형성될 수 있으므로, 광감지부를 회로의 상측에 형성하는 3D 이미지센서에서의 광감지부가 형성된 기판과 회로가 형성된 기판간의 본딩프로세스(bonding process)가 필요 없어 제조가 용이하며, 본딩의 문제, 컨택의 문제 등이 없는 장점이 있다.
한편, 3D 이미지센서의 종래기술에서 본딩(Bonding) 직전에 수소 혹은 헬륨 이온주입 공정이 가능한 것은 광감지부에서 생성된 전자가 전자 회로부에 전달되어 전압으로 변환되므로 광감지부에는 포토다이오드(PD)만 형성시키면 되므로 메탈(Metal) 및 층간 절연막 형성이 필요치 않아 가능한 것이다.
그러나, 실시예서는 같은 웨이퍼(Wafer)인 제1 기판(100)에 광감지부(120)과 리드아웃 서킷(130)을 함께 형성시킨다. 이에 따라, 실시예에 의하면 같은 제1 기판(100)에 광감지부(120)과 리드아웃 서킷(130)을 함께 형성시킴으로 배선(140) 및 층간절연층(160) 형성 등 후공정(BEOL) 공정이 필수적이다.
따라서 실시예의 공정 스킴(Process Scheme)을 사용시 종래기술에서와 같이 본딩(Bonding) 직전에 수소 혹은 헬륨 등을 이용한 이온 주입 공정은 불가능하며, 실시예와 같이 도너 웨이퍼인 제1 기판(100)의 에피 웨이퍼 상부에 배선(140) 및 층간절연층(160)을 형성시키기 전에 수소 혹은 헬륨 이온주입 공정을 진행함으로써 이온주입층(105)을 형성시킬 수 있다.
다음으로, 도 7과 같이 상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 소자분리영역(110) 상에 픽셀분리 절연층(112)을 형성한다. 예를 들어, 산화막과 질화막으로 이루어진 하드마스크(310)를 이용하여 상기 소자분리영역 상측의 제1 기판의 후면에 트렌치(미도시)를 형성하고, 상기 트렌치를 메워서 픽셀분리 절연층(112)을 형성할 수 있다.
실시예에 의하면 제1 기판 후면에 Si 식각을 통해서 픽셀분리 절연층을 형성함으로써 광감지부간의 물리적인 분리(isolation)을 형성함으로써 크로스토크 이슈(cross-talk issue)를 효과적으로 해결할 수 있다.
다음으로, 도 8과 같이 상기 픽셀분리 절연층(112) 양측에 픽셀분리 이온주 입층(114)을 형성하는 단계를 진행할 수 있다. 이때, 상기 픽셀분리 이온주입층(114)은 상기 소자분리영역(110) 양측에도 형성될 수 있다. 예를 들어, 픽셀분리 이온주입층(114)은 고농도 P형 이온주입영역(P+)일 수 있다.
예를 들어, 상기 픽셀분리 이온주입층(114)을 형성하기 위해 상기 픽셀분리 절연층(112)을 위해 사용하였던 하드마크스(310)가 남아 있는 상태를 셀프 얼라인 마스크(self align mask)로 이용하여 P-type 도펀트(dopant), 예를 들어 B, BF 등을 이용하여 이온주입(Implantation)을 진행하여 고농도 P형 이온주입영역(P+)을 형성할 수 있다.
실시예에 의하면 기판 후면에 Si 식각을 통해서 픽셀분리 절연층을 형성함으로써 광감지부간의 물리적인 분리(isolation)을 형성한 후, 픽셀분리 절연층 및/또는 소자분리영역 양측에 P형 픽셀분리 이온주입층을 형성함으로써 크로스토크 이슈(cross-talk issue)를 완벽하게 해결할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 픽셀분리 절연층을 형성함에 따라 Si 식각 대미지(damage)로 인해 발생될 수 있는 디펙트(defect)들을 픽셀분리 이온주입층을 형성함으로써 P-type 도펀트(dopant)를 이용하여 분리(isolation) 시켜 크로스토크 이슈(cross-talk issue)를 완벽하게 해결할 수 있다.
또한, 실시예는 픽셀분리 이온주입층 형성을 위한 이온주입(Implant) 공정 적용시 픽셀분리 절연층 형성에 사용한 하드마스크(hard mask)를 이용하여 셀프얼라인(self align)된 점을 활용하여 추가적인 마스크(Mask) 공정 없이 픽셀분리 이온주입층 적용이 가능한 장점이 있다.
다음으로, 도 9와 같이 상기 제1 기판(100) 후면의 상기 광감지부(120) 상에 컬러필터(170)를 형성할 수 있다. 한편, 상기 광감지부(120)가 R, G, B 수직적층형 포토다이오드인 경우에는 컬러필터를 형성하지 않을 수 있다.
이후, 상기 컬러필터(170) 상에 마이크로렌즈(180)를 형성할 수 있다.
이후, 상기 패드(PAD)를 오픈하는 공정을 진행할 수 있다. 실시예는 상기 제1 기판(100)의 후면(後面) 측으로 패드(PDA) 오픈공정을 진행할 수 있다. 실시예는 제1 메탈(M1) 레벨에 패드(PAD) 형성되어 있으므로 제1 기판(100)의 후면 측으로부터 패드(PAD)를 용이하게 오픈할 수 있다.
실시예에 따른 후면 수광 이미지센서의 제조방법에 의하면, 이온주입 기술을 이용하여 기판의 후면을 안정적이고 효율적으로 제거할 수 있다. 즉, 실시예에 의하면 이온주입 및 클리빙 방법채용으로 백 그라인딩(Back Grinding) 및 에치백(Etch-Back)이 필요 없어 에지다이 불량(Edge Die Fail) 및 플라즈마 대미지(Plasma Damage) 등의 문제가 발생하지 않는 장점이 있다.
또한, 실시예에 의하면 기판 후면에 Si 식각을 통해서 픽셀분리 절연층을 형성함으로써 광감지부간의 물리적인 분리(isolation)을 형성한 후, 픽셀분리 절연층 및/또는 소자분리영역 양측에 P형 픽셀분리 이온주입층을 형성함으로써 크로스토크 이슈(cross-talk issue)를 완벽하게 해결할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 픽셀분리 절연층을 형성함에 따라 Si 식각 대미지(damage)로 인해 발생될 수 있는 디펙트(defect)들을 픽셀분리 이온주입층을 형성함으로써 P-type 도펀트(dopant)를 이용하여 분리(isolation) 시켜 크로스토크 이슈(cross-talk issue)를 완벽하게 해결할 수 있다.
또한, 실시예는 픽셀분리 이온주입층 형성을 위한 이온주입(Implant) 공정 적용시 픽셀분리 절연층 형성에 사용한 하드마스크(hard mask)를 이용하여 셀프얼라인(self align)된 점을 활용하여 추가적인 마스크(Mask) 공정 없이 픽셀분리 이온주입층 적용이 가능한 장점이 있다.
또한, 실시예에 따르면 기판 후면의 소자분리영역인 픽셀분리 절연층 상에 픽셀분리 이온주입층을 형성함으로써 픽셀간의 크로스토크를 효과적으로 방지함으로써 이미지특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에 따르면, 도너 웨이퍼에 대한 그라인딩이 진행되지 않으므로 광감지부와 회로부에 손상이 방지될 수 있는 장점이 있다.
또한, 실시예에 의하면 도너 웨이퍼(doner wafer)로 에피 웨이퍼(Epi Wafer)를 사용하여, 광감지부와 회로부가 에피 웨이퍼에 함께 형성될 수 있다. 이에 따라 실시예에 의하면 에피 웨이퍼 사용으로 SOI 웨이퍼 사용 대비 제조원가를 현저히 절감시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 도너 웨이퍼(doner wafer)로 에피 웨이퍼(Epi Wafer)를 사용할 수 있으며, 광감지부와 회로부가 에피 웨이퍼에 함께 형성될 수 있으므로, 포토다이오드를 회로의 상측에 형성하는 3D 이미지센서에서의 본딩프로세스(bonding process)가 필요없이 제조가 용이하며, 본딩의 문제, 컨택의 문제 등이 없는 장점이 있다. 한편, 핸들웨이퍼와 도너 웨이퍼의 본딩은 층간절연층 등에 의한 절연층이 개재되어 본딩되므로 본딩에 대한 이슈는 거의 없다.
또한, 실시예에 의하면 수광부 상부의 적층(Stack)을 최소화함으로써 입사 광량을 최대화시킬 수 있고 메탈 라우팅(Metal Routing)에 의한 빛의 간섭 및 반사현상이 없어져 이미지센서의 광특성을 극대화시킬 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
도 1은 종래기술에 따른 후면 수광 이미지센서의 공정 단면도.
도 2는 실시예에 따른 후면 수광 이미지센서의 단면도.
도 3 내지 도 9는 실시예에 따른 후면 수광 이미지센서의 제조방법의 공정단면도.

Claims (18)

  1. 제1 기판의 전면(前面)(Front Side)에 형성된 소자분리영역과 픽셀영역;
    상기 픽셀영역에 형성된 광감지부와 리드아웃 서킷;
    상기 제1 기판의 전면 상에 형성된 층간절연층과 배선;
    상기 배선이 형성된 제1 기판의 전면과 본딩된 제2 기판;
    상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 소자분리영역 상에 형성된 픽셀분리 절연층; 및
    상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 형성된 마이크로렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서.
  2. 제l 항에 있어서,
    상기 픽셀분리 절연층 양측에 형성된 픽셀분리 이온주입층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 픽셀분리 이온주입층은 상기 소자분리영역 양측에도 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 픽셀분리 이온주입층은
    P형 이온주입영역인 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 기판의 후면(後面) 측으로 오픈되는 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서.
  6. 제l 항에 있어서,
    상기 제2 기판과 상기 제1 기판의 전면 사이에 형성된 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서.
  7. 제1 기판의 전면(前面)(Front Side)에 전체적으로 이온주입층을 형성하는 단계;
    상기 제1 기판의 전면에 소자분리영역을 형성하여 픽셀영역을 정의하는 단계;
    상기 픽셀영역에 광감지부와 리드아웃 서킷을 형성하는 단계;
    상기 제1 기판의 전면 상에 층간절연층과 배선을 형성하는 단계;
    제2 기판을 상기 배선이 형성된 제1 기판의 전면과 본딩하는 단계;
    상기 이온주입층을 기준으로 상기 제1 기판의 하측을 제거하는 단계;
    상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 소자분리영역 상에 픽셀분리 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  8. 제1 기판의 전면(前面)(Front Side)에 소자분리영역을 형성하여 픽셀영역을 정의하는 단계;
    상기 제1 기판의 전면에 전체적으로 이온주입층을 형성하는 단계;
    상기 픽셀영역에 광감지부와 리드아웃 서킷을 형성하는 단계;
    상기 제1 기판의 전면 상에 층간절연층과 배선을 형성하는 단계;
    제2 기판을 상기 배선이 형성된 제1 기판의 전면과 본딩하는 단계;
    상기 이온주입층을 기준으로 상기 제1 기판의 하측을 제거하는 단계;
    상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 소자분리영역 상에 픽셀분리 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  9. 제7 항 또는 제8 항에 있어서,
    상기 픽셀분리 절연층 양측에 픽셀분리 이온주입층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 픽셀분리 이온주입층을 형성하는 단계는
    상기 소자분리영역 양측에도 픽셀분리 이온주입층을 형성하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 픽셀분리 이온주입층을 형성하는 단계는
    상기 제1 기판 후면(後面)(Back Side) 표면으로부터 상기 소자분리영역 까지 이온주입에 의해 상기 픽셀분리 이온주입층을 형성하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 픽셀분리 이온주입층을 형성하는 단계는
    상기 소자분리영역 상에 P형 이온주입영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  13. 제7 항 또는 제8 항에 있어서,
    상기 이온주입층을 형성하는 단계는
    수소이온주입 또는 헬륨이온주입을 통하여 이온주입층을 형성하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  14. 제7 항 또는 제8 항에 있어서,
    상기 이온주입층을 형성하는 단계는
    상기 제1 기판의 전면(前面)을 통하여 이온주입을 진행함으로써 상기 제1 기판의 전면에서 일정한 깊이에 전체적으로 이온주입층을 형성하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  15. 제7 항 또는 제8 항에 있어서,
    상기 제1 기판의 하측을 제거하는 단계는,
    상기 이온주입층을 기준으로 상기 제1 기판의 전면측의 반대측을 제거하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  16. 제7 항 또는 제8 항에 있어서,
    상기 이온주입층을 기준으로 상기 제1 기판의 하측을 제거하는 단계 후에,
    패드를 오픈하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 패드를 오픈하는 단계는
    상기 제1 기판의 후면(後面) 측으로 패드 오픈공정을 진행하는 것을 특징으 로 하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
  18. 제7 항 또는 제8 항에 있어서,
    상기 제2 기판을 상기 제1 기판의 전면과 본딩하는 단계 전에,
    상기 제2 기판상에 절연층을 형성하여 상기 제1 기판의 전면과 접촉하여 본딩하는 것을 특징으로 하는 후면 수광 이미지센서의 제조방법.
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