JP2010118660A - イメージセンサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】イメージセンサの製造方法を提供する。
【解決手段】実施の形態によるイメージセンサの製造方法は、半導体の基板上に配線150を含む層間絶縁層160を形成するステップと、前記半導体基板100にエッチング工程を行って、前記層間絶縁層160を貫通して前記配線150を露出させるビア孔を形成するステップと、前記ビア孔を含む前記半導体基板100に第1洗浄工程及び第2洗浄工程を行うステップと、前記ビア孔の内部に金属物質を埋め込んで、コンタクトプラグを形成するステップと、前記配線150及びコンタクトプラグを含む前記層間絶縁層160上に第1ドーピング層及び第2ドーピング層が積層されたイメージ感知部を形成するステップとを含み、前記第1洗浄工程及び第2洗浄工程は、前記エッチング工程により前記ビア孔の側壁に形成された残留物を除去することを含む。
【選択図】図1
【解決手段】実施の形態によるイメージセンサの製造方法は、半導体の基板上に配線150を含む層間絶縁層160を形成するステップと、前記半導体基板100にエッチング工程を行って、前記層間絶縁層160を貫通して前記配線150を露出させるビア孔を形成するステップと、前記ビア孔を含む前記半導体基板100に第1洗浄工程及び第2洗浄工程を行うステップと、前記ビア孔の内部に金属物質を埋め込んで、コンタクトプラグを形成するステップと、前記配線150及びコンタクトプラグを含む前記層間絶縁層160上に第1ドーピング層及び第2ドーピング層が積層されたイメージ感知部を形成するステップとを含み、前記第1洗浄工程及び第2洗浄工程は、前記エッチング工程により前記ビア孔の側壁に形成された残留物を除去することを含む。
【選択図】図1
Description
実施の形態は、イメージセンサの製造方法に関する。
イメージセンサ(Image sensor)は、光学的映像(optical image)を電気的信号に変換させる半導体素子であって、電荷結合素子(Charge Coupled Device:CCD)イメージセンサとCMOSイメージセンサ(CMOS Image Sensor:CIS)とに大別される。
CMOSイメージセンサは、光信号を受けて電気信号に変換するフォトダイオード(Photodiode)領域とこの電気信号を処理するトランジスタ領域とが水平に配置される構造である。
前記のような水平型イメージセンサは、フォトダイオード領域とトランジスタ領域とが半導体基板に水平に配置されて、制限された面積下で光感知部分(これを、通常「Fill Factor」という)を拡張させるのに限界がある。
これを克服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(amorphous Si)で蒸着したり、ウエハに対してウエハボンディング(Wafer−to−Wafer Bonding)などの方法により、回路領域は、シリコン基板に形成させ、フォトダイオードは、リードアウトサーキットの上部に形成させる試み(以下、3次元イメージセンサとする)が行われている。フォトダイオードと回路領域とは、配線を介して接続される。
このとき、回路領域に形成された配線と接続するコンタクトプラグの形成のために、層間絶縁層にビア孔を形成するが、前記ビア孔の形成時に側壁に形成された残留物が洗浄工程によりすべて除去されなくて、イメージセンサの欠陥の要因として機能するようになる。
本発明の目的は、イメージセンサの製造方法を提供することにある。
実施の形態によるイメージセンサの製造方法は、半導体の基板上に配線を含む層間絶縁層を形成するステップと、前記半導体基板にエッチング工程を行って、前記層間絶縁層を貫通して前記配線を露出させるビア孔を形成するステップと、前記ビア孔を含む前記半導体基板に第1洗浄工程及び第2洗浄工程を行うステップと、前記ビア孔の内部に金属物質を埋め込んで、コンタクトプラグを形成するステップと、前記配線及びコンタクトプラグを含む前記層間絶縁層上に第1ドーピング層及び第2ドーピング層が積層されたイメージ感知部を形成するステップとを含み、前記第1洗浄工程及び第2洗浄工程は、前記エッチング工程により前記ビア孔の側壁に形成された残留物を除去することを含む。
実施の形態によるイメージセンサの製造方法を、添付された図面を参照して詳細に説明する。
実施の形態の説明において、各層の「上/の上に(on/over)」に形成されると記載される場合において、上/の上に(on/over)とは、直接(directly)又は他の層を介在(indirectly)して形成されることをすべて含む。
図において、各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張されたり、省略されたり、又は概略的に示されている。また、各構成の要素の大きさは、実際の大きさを全的に反映するのではない。
実施の形態は、CMOSイメージセンサに限定されるものでなく、CCDイメージセンサなど、フォトダイオードを必要とするすべてのイメージセンサに適用可能である。
以下、図1〜図9を参照して、実施の形態によるイメージセンサの製造方法を説明する。
図1に示すように、リードアウト回路120を含む半導体基板100上に配線150及び層間絶縁層160が形成される。
前記半導体基板100は、単結晶又は多結晶のシリコン基板であり、p型ドーパント又はn型ドーパントがドーピングされた基板でありうる。前記半導体基板100に素子分離膜110を形成してアクティブ領域を画定し、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、トランスファートランジスタ(Tx)121、リセットトランジスタ(Rx)123、ドライブトランジスタ(Dx)125、セレクトトランジスタ(Sx)127を含んで形成できる。以後、フローティングディフュージョン領域(FD)131及び前記各トランジスタに対するソース/ドレン領域133、135、137を含むイオン注入領域130を形成することができる。一方、前記リードアウト回路120は、3Tr又は5Tr構造にも適用可能である。
前記半導体基板100にリードアウト回路120を形成するステップは、前記半導体基板100に電気接合領域140を形成するステップ、及び前記電気接合領域140の上部に前記配線150と接続する第1導電型接続領域147を形成するステップを含むことができる。
例えば、前記電気接合領域140は、PNジャンクション(junction)140でありうるが、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又は第2導電型エピタキシャル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ジャンクション140は、図1のように、P0 145/N−143/P−141ジャンクションでありうるが、これに限定されるものではない。また、前記半導体基板100は、第2導電型に導電されうるが、これに限定されるものではない。
実施の形態によれば、トランスファートランジスタ(Tx)の両端のソース/ドレン間に電圧差があるように素子設計して、フォトチャージ(Photo Charge)の完全なダンピング(Fully Dumping)が可能になりうる。これにより、フォトダイオードから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ることによって、出力イメージの感度を上げることができる。
すなわち、前記リードアウト回路120の形成された前記半導体基板100に電気接合領域140を形成させることによって、トランスファートランジスタ(Tx)121の両端のソース/ドレン間に電圧差があるようにして、フォトチャージの完全なダンピングが可能になりうる。
以下、実施の形態のフォトチャージのダンピング構造について、図1及び図2を参照して具体的に説明する。
実施の形態において、N+ジャンクションであるフローティングディフュージョン(FD)131ノード(Node)とは異なり、電気接合領域140であるP/N/Pジャンクション140は、印加電圧がすべて伝達されずに一定電圧でピンチオフ(Pinch−off)される。この電圧をピニングボルテージ(Pinning Voltage)と呼び、ピニングボルテージは、P0 145及びN−143のドーピング濃度に依存する。
具体的に説明すると、フォトダイオード205から生成された電子は、PNPジャンクション140へ移動し、トランスファートランジスタ(Tx)121のオンの際、FD131ノードに伝達されて電圧に変換される。
P0/N−/P−ジャンクション140の最大電圧値は、ピニングボルテージになり、FD131ノードの最大電圧値は、Vdd−Rx Vthになるので、図2に示すように、Tx131の両端間の電位差によってチャージシェアリング(Charge Sharing)無しでチップ上部のフォトダイオードから発生した電子がFD131ノードに完全にダンピングされうる。
すなわち、実施の形態において半導体基板100であるシリコンサブ(Si−Sub)にN+/PウェルジャンクションではないP0/N−/Pウェルジャンクションを形成させた理由は、4−Tr APS Reset動作時にP0/N−/PウェルジャンクションからN−143に+電圧が印加され、P0 145及びPウェル141には、接地電圧が印加されるので、一定電圧以上では、P0/N−/PウェルダブルジャンクションがBJT構造と同様に、ピンチオフ(Pinch−Off)が発生するようになる。これをピニングボルテージと呼ぶ。したがって、Tx121の両端のソース/ドレインに電圧差が発生するようになり、Txのオン/オフ動作時にフォトチャージがN−ウェルからTxを介してFDに完全にダンピングされて、チャージシェアリング現象を防止することができる。
したがって、一般的なイメージセンサの技術において単純にフォトダイオードがN+ジャンクションに接続された場合とは異なり、実施の形態によれば、サチュレイション(Saturation)の低下及び感度の低下などの問題を避けることができる。
次に、実施の形態によれば、フォトダイオードとリードアウト回路120との間に第1導電型接続領域147を形成して、フォトチャージ(Photo Charge)の円滑な移動通路を作ることによって暗電流ソースを最小化し、サチュレイ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、実施の形態は、P0/N−/P−ジャンクション140の表面にオームコンタクト(Ohmic Contact)のための第1導電型接続領域147としてN+ドーピング領域を形成することができる。前記N+ドーピング領域147は、前記P0 145を貫通してN−143に接触するように形成できる。
一方、このような第1導電型接続領域147が漏れソース(Leakage Source)になるのを最小化するために、第1導電型接続領域147の幅を最小化できる。
このために、実施の形態は、第1メタルコンタクト151aをエッチ(Etch)した後、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(図示せず)を形成し、これをイオン注入マスクとして第1導電型接続領域147を形成することもできる。
すなわち、実施の形態のようにコンタクト形成部にのみ局部的にN+ドーピングした理由は、ダークシグナル(Dark Signal)を最小化しつつ、オームコンタクトの形成をスムーズにするためである。従来の技術のように、Txソース部の全体をN+ドーピングする場合、基板の表面のダングリングボンド(Si Surface Dangling Bond)によりダークシグナルが増加できる。
図3は、リードアウト回路に対する他の構造を示すものである。図3に示すように、前記電気接合領域140の一側に第1導電型接続領域148が形成されることができる。
図3に示すように、P0/N−/P−ジャンクション140にオームコンタクトのためのN+接続領域148を形成することができるが、このとき、N+接続領域148及び第1メタルコンタクト151aの形成工程は、漏れソースになることができる。なぜなら、P0/N−/P−ジャンクション140に逆バイアスが印加されたままで動作するので、基板の表面に電場(EF)が発生しうる。このような電場の内部からコンタクト形成工程中に発生する結晶欠陥は漏れソースとなる。
また、N+接続領域148をP0/N−/P−ジャンクション140の表面に形成させる場合、N+/P0ジャンクション148/145によるE−フィールドが追加されるので、これも漏れソースになりうる。
すなわち、P0層にドーピングされずにN+接続領域148からなる活性領域に第1メタルコンタクト151aを形成し、これをN−ジャンクション143と接続させるレイアウトを提示する。
すると、前記半導体基板100の表面のE−フィールドが発生しなくなり、これは、3次元集積(3−D Integrated)CISの暗電流(Dark Current)の減少に寄与できる。
再度、図1に示すように、前記半導体基板100上に層間絶縁層160及び配線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(M1)151、第2メタル(M2)152、第3メタル(M3)153を含むことができるが、これに限定されるものではない。実施の形態では、前記第3メタル153を形成した後、前記第3メタル153が露出しないように、絶縁膜を蒸着した後、平坦化工程を行って層間絶縁層160を形成することができる。したがって、前記半導体基板100上には、均一な表面プロファイルを有する層間絶縁層160の表面が露出しうる。
そして、図4に示す第3メタル153及び層間絶縁層160は、図1に示す配線150及び層間絶縁層160の一部を示すもので、説明の便宜のためにリードアウト回路120と配線150の一部は省略された。
次に、図5に示すように、前記層間絶縁層160上にポートレジストパターン10を形成した後、エッチング工程を行って、前記第3メタル153が露出するビア孔30を形成する。
このとき、前記ビア孔30を形成するためのエッチング工程時、前記ビア孔30が形成されると同時に、前記ビア孔30の側壁には、側面エッチングを防止するためにポリマー(polymer)などの残留物35が形成される。
特に、前記残留物35は、第1残留物25及び第2残留物20からなるが、前記第2残留物20は、外部に露出して堅固(hardening)に形成され、前記第1残留物25は、前記第2残留物20とビア孔30との間に形成されて、前記第2残留物20よりソフト(soft)に形成される。
前記第1残留物25及び第2残留物20を同時に除去し難いので、実施の形態では、2次の洗浄工程により前記残留物35をすべて除去しようとする。
図6に示すように、前記半導体基板100に第1洗浄工程を行って、前記ビア孔30の側壁の第2残留物20を除去する。
前記第1洗浄工程は、70〜90℃の温度で5〜20分間、DIW(Deionized water)を利用して行われることができる。
前記第2残留物20は、外部に露出して堅固(hardening)に形成されるが、70〜90℃に維持させて反応を活性化させたDIWを前記ビア孔30の内部に処理すれば、ポリマーなどの残留物の表面に堅固に形成された前記第2残留物20を溶かして除去できる。
このとき、前記DIWを利用して処理を行うとき、スピン(spin)方式を使用すると、200〜800rpmで前記半導体基板100を回転させつつ前記DIWを噴射させる。
また、前記スピン方式ではないQDR(Quick Dump Drain)方式を使用すると、1〜30分間DIWを処理し、N2を利用して前記半導体基板100を乾燥させることができる。
次に、図7に示すように、前記半導体基板100に第2洗浄工程を行って、前記ビア孔30の側壁に残された前記第1残留物25を除去する。
前記第2洗浄工程は、NH4Fケミカルを含む塩基性溶液を使用して行われる。
そして、前記第1洗浄工程及び第2洗浄工程を行った後、1〜30分間1000〜2000rpmで前記半導体基板を回転させつつN2処理して、前記半導体基板100を乾燥させる工程を行うことができる。
DIWを利用して前記第1洗浄工程により前記ビア孔30の側壁に露出した前記残留物35の一部を除去した後、NH4Fケミカルを含む塩基性溶液を使用する第2洗浄工程により残された第1残留物25を除去することによって、前記ビア孔30の形成時に発生したポリマーなどの前記残留物35をすべて除去して、前記残留物35による素子の特性が阻害されるのを防止できる。
そして、図8に示すように、前記残留物35の除去された前記ビア孔30の内部に金属物質を埋め込んでコンタクトプラグ40を形成することができる。
次に、図9に示すように、前記層間絶縁層160上にイメージ感知部200が形成される。前記イメージ感知部200は、第1ドーピング層(N−)210及び第2ドーピング層(P+)220からなって、PN接合のフォトダイオード構造を有することができる。また、前記イメージ感知部200は、前記第1ドーピング層210の下部にオームコンタクト層(N+)230が形成されることができる。
例えば、前記イメージ感知部200は、結晶形構造のp型キャリア基板(図示せず)の内部にN型ドーパント(N−)及びP型ドーパント(P+)を順にイオン注入して、第1ドーピング層210及び第2ドーピング層220が積層された構造に形成されることができる。追加的に前記第1ドーピング層210の下部に高濃度のN型ドーパント(N+)をイオン注入して、オームコンタクト層230を形成することができる。前記オームコンタクト層230は、前記イメージ感知部200と配線150との接触抵抗を下げることができる。
実施の形態にて前記第1ドーピング層210は、前記第2ドーピング層220より広い領域を有するように形成されることができる。そうすると、空乏領域が拡張されて光電子の生成を増加させることができる。
次に、前記層間絶縁層160の上部に前記キャリア基板(図示せず)のオームコンタクト層230を位置させた後、ボンディング工程を行って前記半導体基板100と前記キャリア基板とを結合させる。以後、前記層間絶縁層160上にボンディングされた前記イメージ感知部200が露出するように、水素層の形成されたキャリア基板をクリーブ(cleaving)工程によって除去して、前記第2ドーピング層220の表面を露出させる。例えば、前記イメージ感知部200の高さは、約1.0〜1.5μmでありうる。
すなわち、前記リードアウト回路120の形成された半導体基板100とイメージ感知部200とは、ウエハに対してウエハボンディングによって形成されるので、欠陥の発生を防止することができる。
また、前記イメージ感知部200がリードアウト回路120の上側に形成されて、フィルファクターを向上させることができる。また、均一な表面プロファイルを有する前記層間絶縁層160上に前記イメージ感知部200がボンディングされるので、物理的にボンディング力が向上することができる。
一方、実施の形態では、前記イメージ感知部がPN接合を有するように形成されたが、前記イメージ感知部は、PIN接合を有するように形成されることもできる。
そして、図示していないが、前記イメージ感知部200を単位ピクセル別に分離するエッチング工程を行ってピクセル間分離層(図示せず)を形成した後、前記イメージ感知部200上に上部電極、カラーフィルター、及びマイクロレンズが追加的に形成されることができる。
以上説明した実施の形態によるイメージセンサの製造方法は、DIWを利用して第1洗浄工程でビア孔の側壁に露出した残留物の一部を除去した後、NH4Fケミカルを含む塩基性溶液を使用する第2洗浄工程により残された残留物を除去することで、ビア孔の形成時に発生したポリマーなどの残留物をすべて除去して、残留物による素子の特性が阻害するのを防止することができる。
また、実施の形態によれば、トランスファートランジスタ(Tx)の両端のソース/ドレン間に電圧差があるように素子設計することによって、フォトチャージの完全なダンピングが可能になりうる。
また、実施の形態によれば、フォトダイオードとリードアウトサーキットとの間に電荷接続領域を形成してフォトチャージの円滑な移動通路を作ることによって、暗電流のソースを最小化し、サチュレイション及び感度の低下を防止することができる。
10 ポートレジストパターン
20 第2残留物
25 第1残留物
30 ビア孔
35 残留物
40 コンタクトプラグ
100 半導体基板
110 素子分離膜
120 リードアウト回路
121 トランスファートランジスタ(Tx)
123 リセットトランジスタ(Rx)
125 ドライブトランジスタ(Dx)
127 セレクトトランジスタ(Sx)
130 イオン注入領域
131 フローティングディフュージョン領域(FD)
133、135、137 ソース/ドレン領域
140 電気接合領域(PNジャンクション)
141 第2導電型ウェル
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、148 第1導電型接続領域
150 配線
151 第1メタル(M1)
151a 第1メタルコンタクト
152 第2メタル(M2)
153 第3メタル(M3)
160 層間絶縁層
200 イメージ感知部
205 フォトダイオード
210 第1ドーピング層
220 第2ドーピング層
230 オームコンタクト層
20 第2残留物
25 第1残留物
30 ビア孔
35 残留物
40 コンタクトプラグ
100 半導体基板
110 素子分離膜
120 リードアウト回路
121 トランスファートランジスタ(Tx)
123 リセットトランジスタ(Rx)
125 ドライブトランジスタ(Dx)
127 セレクトトランジスタ(Sx)
130 イオン注入領域
131 フローティングディフュージョン領域(FD)
133、135、137 ソース/ドレン領域
140 電気接合領域(PNジャンクション)
141 第2導電型ウェル
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、148 第1導電型接続領域
150 配線
151 第1メタル(M1)
151a 第1メタルコンタクト
152 第2メタル(M2)
153 第3メタル(M3)
160 層間絶縁層
200 イメージ感知部
205 フォトダイオード
210 第1ドーピング層
220 第2ドーピング層
230 オームコンタクト層
Claims (11)
- 半導体の基板上に配線を含む層間絶縁層を形成するステップと、
前記半導体基板にエッチング工程を行って、前記層間絶縁層を貫通して前記配線を露出させるビア孔を形成するステップと、
前記ビア孔を含む前記半導体基板に第1洗浄工程及び第2洗浄工程を行うステップと、
前記ビア孔の内部に金属物質を埋め込んで、コンタクトプラグを形成するステップと、
前記配線及びコンタクトプラグを含む前記層間絶縁層上に第1ドーピング層及び第2ドーピング層が積層されたイメージ感知部を形成するステップとを含み、
前記第1洗浄工程及び第2洗浄工程は、前記エッチング工程により前記ビア孔の側壁に形成された残留物を除去することを含むイメージセンサの製造方法。 - 前記第1洗浄工程は、前記エッチング工程により前記ビア孔の側壁に形成された残留物のうち、露出した残留物を除去することを含む請求項1に記載のイメージセンサの製造方法。
- 前記第2洗浄工程は、前記第1洗浄工程により除去されない前記残留物を除去することを含む請求項1に記載のイメージセンサの製造方法。
- 前記第1洗浄工程は、DIW(Deionized water)を利用して行われることを含む請求項1に記載のイメージセンサの製造方法。
- 前記第1洗浄工程時にスピン方式を利用して、前記DIWが噴射されることを含む請求項4に記載のイメージセンサの製造方法。
- 前記スピン方式は、前記半導体基板を200〜800rpmで回転させることを含む請求項5に記載のイメージセンサの製造方法。
- 前記第1洗浄工程は、70〜90℃の温度で行われることを含む請求項1に記載のイメージセンサの製造方法。
- 前記第1洗浄工程は、5〜20分間行われることを含む請求項1に記載のイメージセンサの製造方法。
- 前記第2洗浄工程は、NH4Fケミカルを含む塩基性溶液を使用して行われることを含む請求項1に記載のイメージセンサの製造方法。
- 前記第1洗浄工程及び第2洗浄工程を行った後、
N2処理して前記半導体基板を乾燥させることを含む請求項1に記載のイメージセンサの製造方法。 - 前記半導体基板を乾燥させる際、
1〜30分間1000〜2000rpmで前記半導体基板を回転させつつ乾燥することを含む請求項10に記載のイメージセンサの製造方法。
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