JP2011166125A - バックサイドイルミネーションｃｍｏｓイメージセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】入射される光子をフォトダイオードの中央部分に屈折させるフォトダイオードを備えるバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】単位画素は、第２導電層１１０、第２導電層１１０上の第１層間絶縁層１２０、第１層間絶縁層１２０上の第１導電層１３０、及び第１導電層１３０上の第２層間絶縁層１４０を備える。第２層間絶縁層１４０の上部に、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が配置される。フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２は、第２層間絶縁層１４０との接触面は平らであるが、光を受信する上部面は一定した曲率を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサに係り、特に光を受信する面に曲率のあるフォトダイオードを備えるバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ、及びバックサイドイルミネーションＣＭＯＳ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、基本的に複数個の単位画素を備え、複数個の単位画素それぞれから感知された映像信号を電気信号に変換する機能を行う。それぞれの単位画素は、入射される映像信号を感知するフォトダイオード、及びフォトダイオードから感知された映像信号を電気信号に変換するのに使われる複数個のＭＯＳトランジスタを備える。従来は、フォトダイオード及びＭＯＳトランジスタが形成されたチップの上部から映像信号、すなわち、光を受信した。単位画素は、フォトダイオードだけでなく、ＭＯＳトランジスタを備えるため、チップの上部から見る時、光を受信するフォトダイオードの面積が、単位画素の全体ではなく一部分が割り当てられざるを得ない。

新たに提案されたバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサは、チップの上部からではなく、チップの下部、すなわち、基板から光を受信する方式である。イメージセンサを構成するフォトダイオード及びＭＯＳトランジスタを基板の上部に形成した後、光を最適に受信できる程度の厚さに基板の下部を研磨（ｇｒｉｎｄｉｎｇ）し、研磨された基板の下部面上にカラーフィルタ及びマイクロレンズをさらに形成することで、バックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサを製造できる。

韓国特許第３２９７７０号 韓国特許第１７２８４９号 韓国特許第８６８６２９号 韓国特許出願２００８−１０１６３号

本発明が解決しようとする課題は、入射される光子をフォトダイオードの中央部分に屈折させるフォトダイオードを備えるバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサを提供することにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、入射される光子をフォトダイオードの中央部分に屈折させるフォトダイオードを備えるバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサを製造する方法を提供することにある。

前記課題を解決するための本発明の一面によるバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサは、導電層、絶縁層及びフォトダイオードを備える。絶縁層は、導電層の上部に配置される。フォトダイオードは、絶縁層の上部に配置され、少なくとも一つの屈曲した表面を有する。一例によれば、フォトダイオードの少なくとも一つの屈曲した表面は、凸表面であり、フォトダイオードは、凸表面を通じて光を受信するように構成される。

前記課題を解決するための本発明の他の一面によるバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサは、複数の導電層、少なくとも一つの第１層間絶縁層、第２層間絶縁層及びフォトダイオードを備える。少なくとも一つの第１層間絶縁層は、複数の導電層間に配置される。第２層間絶縁層は、複数の導電層上に配置される。フォトダイオードは、第２層間絶縁層の上部に配置され、第２層間絶縁層の反対側に凸表面を有する。

前記他の課題を解決するための本発明によるバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサの製造方法によれば、フォトダイオードの第２層間絶縁層の反対側の表面に、フォトダイオードより小さくアイランドを形成する。凸表面を有するフォトダイオードを形成するように、アイランドをアニーリングする。

本発明によれば、入射される光子がフォトダイオードの中央部分に集束されるので、集束された光子に対応する電気信号を生成する時、クロストークのような単位画素間の相互干渉が最小限に抑制される。

本発明の一実施形態によるバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサの積層構造を示す断面図。 本発明の他の実施形態によるバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサの積層構造を示す断面図。 光を受信する面が平らなフォトダイオードを示す断面図。 光を受信する面が屈曲したフォトダイオードを示す断面図。 本発明の例示的な実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサを構成する単位画素の回路図。 単位画素の断面図。 本発明の一実施形態によって、フォトダイオードとＭＯＳトランジスタとを製造する方法を示す断面図。 本発明の一実施形態によって、フォトダイオードとＭＯＳトランジスタとを製造する方法を示す断面図。 本発明の一実施形態によって、フォトダイオードとＭＯＳトランジスタとを製造する方法を示す断面図。

本発明と本発明の動作上の利点及び本発明の実施によって達成される目的を十分に理解するためには、本発明の例示的な実施形態を説明する図面、及び図面に記載された内容を参照しなければならない。
以下、図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を説明することによって、本発明を詳細に説明する。各図面に示された同一参照符号は、同一部材を表わす。

本発明の核心アイディアは、フォトダイオードの面のうち、光を受信する面に一定した曲率を持たせるものである。これによって、光に対応する光子がフォトダイオードに入射される時、該当フォトダイオードの中央部分に屈折されて集束される。入射されるほとんどの光子が該当フォトダイオードの中央に屈折されて集束されるので、隣接するフォトダイオードへの入射を防止できる。隣接するフォトダイオードと隣接する所に集束された光子は、集束された光子を電気信号に変換する過程で、隣接するフォトダイオードの領域に転移される。かかる状況、すなわち、相互干渉が発生すれば、正確な映像信号を生成させることができない。

図１は、本発明の一実施形態によるバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサの積層構造を示す断面図である。
図１に示した積層構造は、ＣＭＯＳイメージセンサ１００を構成する複数個の単位画素のうち二つを表す。単位画素は、第２導電層１１０、第２導電層１１０上の第１層間絶縁層１２０、第１層間絶縁層１２０上の第１導電層１３０、及び第１導電層１３０上の第２層間絶縁層１４０を備える。第２層間絶縁層１４０の上部に、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が配置される。フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、第２層間絶縁層１４０との接触面は平らであるが、光を受信する上部面は一定した曲率を有する。フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の上部には、第１平坦化層１５０、カラーフィルタ１６０、第２平坦化層１７０及びマイクロレンズ１８０が順次に配置される。フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の各領域は、絶縁物質１９０により絶縁される。

図２は、本発明の他の実施形態によるバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサの積層構造を示す断面図である。
図２に示した積層構造は、ＣＭＯＳイメージセンサ２００を構成する複数個の単位画素のうち二つを表す。単位画素は、第２導電層２１０、第２導電層２１０上の第１層間絶縁層２２０、第１層間絶縁層２２０上の第１導電層２３０、及び第１導電層２３０上の第２層間絶縁層２４０を備える。第２層間絶縁層２４０の上部には、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が配置される。フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、第２層間絶縁層２４０との接触面は平らであるが、光を受信する上部面は一定した曲率を有する。フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の上部には、カラーフィルタ２５０、平坦化層２６０及びマイクロレンズ２７０が順次に配置される。フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の各領域は、絶縁物質２８０により絶縁される。図２に示したように、カラーフィルタ２５０の上部面は屈曲し、その曲率は、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の上部面の曲率と類似している。また、カラーフィルタ２５０と隣接した平坦化層２６０及びフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の屈折率によって、カラーフィルタ２５０の上部面は、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の上部面の曲率より大きいか、または小さく、それによって、カラーフィルタ２５０に入射した光子が中央にさらに屈折される。

カラーフィルタ２５０に描かれた点線は、カラーフィルタ２５０の上部面が平らな他の実施形態を表したものである。したがって、カラーフィルタ２５０の上部面及び下部面がいずれも曲率を有するだけでなく、カラーフィルタ２５０の下部面は、曲率を有するが、その上部面は平らであってもよい。

図１に示した実施形態と図２に示した実施形態との相違点は、第一に、図１に示したバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ１００のカラーフィルタ１６０は、平らな形態であるのに対し、図２に示したバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ２００のカラーフィルタ２５０は、下部のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２のように曲率を有する形態であるという点である。
第二に、図１に示したバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ１００は、二つの平坦化層１５０，１７０を備えるが、図２に示したバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ２００は、一つの平坦化層２６０のみを備えるという点である。

図１及び図２に示したバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ１００，２００は、二つの区別された工程によって生成される。
一連の工程を経てウェーハの一面にフォトダイオード及びＭＯＳトランジスタを形成させ、フォトダイオード及びＭＯＳトランジスタの電気的連結のための導電層まで完全に形成させる。フォトダイオード及びＭＯＳトランジスタが形成される部分がウェーハの上部であると仮定する。図１及び図２に示したバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ１００，２００を構成する複数個の層のうち、前記工程で形成される層は、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２、第２層間絶縁層１４０，２４０、第１導電層１３０，２３０、第１層間絶縁層１２０，２２０及び第２導電層１１０，２１０である。

前記工程が完了した後、ウェーハの下部を研磨（ｇｒｉｎｄｉｎｇ）して、ウェーハを一定の厚さにすることができる。研磨されたウェーハをひっくり返せば、ウェーハの研磨された下部面が上方に向かう。この後の工程では、ウェーハの研磨された下部面上に、平坦化層１５０，１７０，２６０、カラーフィルタ１６０，２５０及びマイクロレンズ１８０，２７０を形成する。曲率を有するフォトダイオードを形成する過程の例は、図７ないし図９を参照すれば、容易に理解できる。

以下では、本発明の効果を発生させる光学的原理について説明する。
図３は、光を受信する面が平らなフォトダイオードを示す断面図である。
図３を参照すれば、光を受信するフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の面が平らであるため、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の外部から入射される光子の進行方向と、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の内部に進む方向とが同一である。光を光子で表現すれば、図３には、いずれも８個の光子１ないし８が二つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に入射する。８個の光子のうち、四つの光子１ないし４は、第１フォトダイオードＰＤ１に入射され、残りの四つの光子５ないし８は、第２フォトダイオードＰＤ２に入射される。８個の光子のうち、二つの光子４，５は、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の隣接部分（点線）に集束される。この二つの光子４，５は、後で光子を電気信号に変換する過程で隣接するフォトダイオードに移動する。

図４は、光を受信する面が曲率を有するフォトダイオードを示す断面図である。
図４を参照すれば、光を受信するフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の面に一定した曲率があるため、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の外部から入射される光子の進行方向と関係なく、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の中心部に進む。８個の光子のうち、四つの光子１ないし４は、第１フォトダイオードＰＤ１に入射され、残りの四つの光子５ないし８は、第２フォトダイオードＰＤ２に入射される。８個の光子のうち、二つの光子４，５は、それぞれ該当フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の中心方向に進んで集束されるため、二つの光子４，５は、後で光子を電気信号に変換する過程で隣接するフォトダイオードへの移動が容易でなくなる。

図５は、本発明の実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの単位画素の回路図である。
図５を参照すれば、単位画素は、光を感知するフォトダイオードＰＤ、フォトダイオードＰＤに集束された光子をフローティング拡散領域Ｆ／Ｄへ伝送する伝送トランジスタＭ１、フローティング拡散領域Ｆ／ＤをリセットさせるリセットトランジスタＭ２、フローティング拡散領域Ｆ／Ｄに伝達された光子に対応する電気信号を生成する変換トランジスタＭ３、及び単位画素で変換された電気信号を外部に伝達する選択トランジスタＭ４を備える。

伝送トランジスタＭ１は伝送制御信号Ｔｘ、リセットトランジスタＭ２はリセット制御信号ＲＥ、選択トランジスタＭ４は選択制御信号Ｓｘにより動作が制御される。光を受信する方向によって、一般的なＣＭＯＳイメージセンサと、バックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサとを区別できる。すなわち、一般的なＣＭＯＳイメージセンサは、フォトダイオードのＮ型電極に入射される光ＬＩＧＨＴ１を受信し、バックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサは、Ｐ型電極に入射される光ＬＩＧＨＴ２を受信する。

一般的なＣＭＯＳイメージセンサの場合、単位画素に入射される光がＭＯＳトランジスタによりフォトダイオードに入射されることが遮断される。一方、バックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサの場合には、単位画素の全体に光を受信できるため、光を受信する効率が一般的なＣＭＯＳイメージセンサに比べて相対的に高い。

図６は、単位画素の断面図である。
図６を参照すれば、ＣＭＯＳ工程を利用して生成させた単位画素６００は、Ｐ型基板にフォトダイオードＰＤ及びＭＯＳトランジスタＭＯＳを具現させたものであって、フォトダイオードＰＤの一電極は基板であり、他の電極はＮ＋型の拡散領域でありうる。ＭＯＳトランジスタＭＯＳは、二つのＮ＋型の拡散領域間に形成されたゲートに印加される信号により動作される。ゲートは、基板の上部に配置されたゲート絶縁膜ＧＤ、及びゲート絶縁膜上に配置されたゲート導電膜ＧＣを備える。ゲート絶縁膜ＧＤは、シリコン酸化物からなり、ゲート導電膜ＧＣは、多結晶シリコンからなる。

この場合、光ＬＩＧＨＴ１がフォトダイオードＰＤのＮ＋型の拡散領域に印加される時に、光ＬＩＧＨＴ１を受信できる面積に比べて、光ＬＩＧＨＴ２がフォトダイオードＰＤのＰ型基板に印加される時に、光ＬＩＧＨＴ２を受信できる面積が相対的に広いということが容易に分かる。本発明は、光ＬＩＧＨＴ２がフォトダイオードＰＤのＰ型基板に印加されるバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサについてのものである。

以下では、図１及び図２に示したような光を受信する面に一定した曲率を有するフォトダイオードを形成する方法について説明する。
図７ないし図９は、本発明の一実施形態によって、フォトダイオードとＭＯＳトランジスタとを製造する方法を示す断面図である。
図７に示した単位画素７００は、フォトダイオード及びＭＯＳトランジスタがいずれも形成されたウェーハをひっくり返した時を表したものである。したがって、単位画素７００を形成する工程中では、最下側に位置したフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が最上側に図示され、最上側に位置した導電層７１０が最下側に図示される。層間絶縁層７２０は、フォトダイオードの一電極として機能する基板と導電層７１０とを絶縁させる機能を行う。フォトダイオードの一電極として機能する基板は、フォトダイオード及びＭＯＳトランジスタがいずれも形成された後で研磨されて、フォトダイオードの一端子の厚さが調節される。
この場合、アイランドを形成するのに選択される工程のために、研磨の深さが調節される。

図８は、フォトダイオードに一定した形態のアイランドを形成させた時の単位画素の断面図である。
図８に示した単位画素８００は、上部に位置したフォトダイオードの一電極をなす基板に、単位画素８００より小さくアイランド８３０を生成させる。アイランド８３０は、それぞれの単位画素ごとに一つずつ形成させ、アイランド８３０の大きさは、選択される後続工程によって変わりうる。アイランド８３０の形態は、単位画素の断面形態が一定した割合で縮小した断面を有する。例えば、単位画素の形態が四角形であれば、アイランドの形態も四角形であり、単位画素の形態が四角形以上の六角形または八角形であれば、アイランドの形態も六角形または八角形でありうる。しかし、場合によっては、アイランドの形態を円形とすることも可能である。

アイランドを形成する過程は多様であるが、理解を助けるために、一つの場合のみを例として挙げる。
まず、アイランド８３０を定義するマスクを形成する。マスクを利用して、フォトレジスタにアイランド８３０を定義し、フォトレジスタのうち、アイランド８３０として定義された部分を除いた他の部分を除去した後、基板をエッチングするのに使われるエッチング溶液を利用して、アイランド８３０（例えば、シリコンアイランド）を形成させる。

図９は、フォトダイオードに形成されたアイランドに熱を加えて、光を受信するフォトダイオードの面が曲率を有させた時の単位画素の断面図である。
図９に示した単位画素９００は、アイランドに熱を加えて、光を受信するフォトダイオードの一面に一定した曲率を生じさせたものである。
以上では、本発明についての技術思想を添付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り、本発明を限定するものではない。また、当業者ならば、本発明の技術的思想の範疇を逸脱しない範囲内で、多様な変形及び摸倣が可能であることは明白な事実である。

本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサ関連の技術分野に適用可能である。

１００ ＣＭＯＳイメージセンサ
１１０ 第２導電層
１２０ 第１層間絶縁層
１３０ 第１導電層
１４０ 第２層間絶縁層
１５０ 第１平坦化層
１６０ カラーフィルタ
１７０ 第２平坦化層
１８０ マイクロレンズ
１９０ 絶縁物質
ＰＤ１，ＰＤ２ フォトダイオード

Claims (10)

1. 導電層と、
   前記導電層上の絶縁層と、
   前記絶縁層上に配置され、少なくとも一つの屈曲した表面を有するフォトダイオードと、を備えるバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ。
2. 前記フォトダイオードの少なくとも一つの屈曲した表面は、凸表面であり、前記フォトダイオードは、前記凸表面を通じて光を受信するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ。
3. 前記フォトダイオード上の平坦化層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ。
4. 前記平坦化層上のカラーフィルタ層をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ。
5. 前記カラーフィルタ層は、平らであることを特徴とする請求項４に記載のバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ。
6. 前記フォトダイオード上のカラーフィルタ層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ。
7. 前記カラーフィルタ層の上部面は、平らであることを特徴とする請求項６に記載のバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ。
8. 前記カラーフィルタ層の上部面は、屈曲したことを特徴とする請求項６に記載のバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ。
9. 複数の導電層と、
   前記複数の導電層間の少なくとも一つの第１層間絶縁層と、
   前記複数の導電層上の第２層間絶縁層と、
   前記第２層間絶縁層上に配置され、前記第２層間絶縁層の反対側に凸表面を有するフォトダイオードと、を備えるバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサ。
10. 請求項９に記載のバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサを製造する方法において、
    前記フォトダイオードの前記第２層間絶縁層の反対側の表面に、前記フォトダイオードより小さくアイランドを形成するステップと、
    前記凸表面を有する前記フォトダイオードを形成するように、前記アイランドをアニーリングするステップと、を含むバックサイドイルミネーションＣＭＯＳイメージセンサの製造方法。

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