JP2024032663A - イメージセンサー - Google Patents

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Abstract

【課題】鮮明な画質を具現化することができるイメージセンサーを提供する。【解決手段】第1面とこれに反対になる第2面を有する基板、及び前記第2面上のマイクロレンズが提供される。前記第1面上の配線及び前記基板内に配置され画素を互いに分離させる画素分離部を含む。前記画素分離部は分離絶縁パターン及び前記分離絶縁パターンを介して前記基板と離隔される導電パターンを含む。前記導電パターンは前記分離絶縁パターンの側壁上に順に提供される第1導電パターン、第2導電パターン、及び第3導電パターンを含む。【選択図】図5A

Description

本発明はイメージセンサー及びその製造方法に関する。
イメージセンサーは、光学映像(Optical image)を電気信号に変換する半導体素子である。前記イメージセンサーは、CCD(Charge coupled device)型及びCMOS(Complementary metal oxide semiconductor)型に分類されることができる。前記CMOS型イメージセンサーはCIS(CMOS image sensor)と略称される。前記CISは2次元的に配列された複数の画素を含む。前記画素の各々はフォトダイオード(photodiode)PDを含む。前記フォトダイオードは、入射される光を電気信号に変換する役割をする。
米国特許第10,079,259 B2号公報
本発明が解決しようとする課題は、鮮明な画質を具現化することができるイメージセンサー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、収率を向上させることができるイメージセンサーの製造方法を提供することにある。
本発明が解決しようとする課題は、以上で言及した課題に制限されることなく、言及されないその他の課題は下の記載から当業者に明確に理解されるべきである。
前記課題を達成するための本発明の実施形態によるイメージセンサーは、第1面とこれに反対になる第2面を有する基板と;前記第2面上のマイクロレンズと;前記第1面上の配線と;前記基板内に配置され、画素を互いに分離させる画素分離部と;を含み、前記画素分離部は、分離絶縁パターン及び前記分離絶縁パターンを介して前記基板と離隔される導電パターンを含み、前記導電パターンは、前記分離絶縁パターンの側壁上に順に提供される第1導電パターン、第2導電パターン、及び第3導電パターンを含むことができる。
前記課題を達成するための本発明の実施形態によるイメージセンサーは、第1面とこれに反対になる第2面を有する基板と;前記第2面上のマイクロレンズと;前記第1面上の配線と;前記基板内に配置され画素を互いに分離する画素分離部と;を含み、前記画素分離部は、分離絶縁パターン及び前記分離絶縁パターンを介して前記基板と離隔される導電パターンを含み、前記導電パターンは、前記分離絶縁パターンの側壁上に順に提供される外部導電パターン及び内部導電パターンを含み、前記外部導電パターンは、第1導電型不純物を含む多結晶半導体層を含み、前記内部導電パターンは、実質的に真性である多結晶半導体層を含むことができる。
前記課題を達成するための本発明の実施形態によるイメージセンサーは、第1面とこれに反対になる第2面を有する基板であって、時計回りに沿って配置される第1乃至第4画素を含む基板と;前記第2面と接する背面絶縁膜と;前記第1乃至第4画素の各々で前記基板の前記第1面上に配置される伝送ゲートと;前記第2面上のマイクロレンズと;前記基板の前記第1面を覆う層間絶縁膜と;前記層間絶縁膜内の配線と;前記基板内に配置され、前記第1乃至第4画素の間に介在され、これらを互いに分離させる画素分離部と;を含み、前記画素分離部は、分離絶縁パターン及び前記分離絶縁パターンを介して前記基板と離隔される導電パターンを含み、前記導電パターンは、前記分離絶縁パターンの側壁上に順に提供される第1導電パターン、第2導電パターン、及び第3導電パターンを含み、前記第2導電パターンの結晶粒子サイズは、前記第3導電パターンの結晶粒子サイズより大きくすることができる。
本発明のイメージセンサーでは第1導電パターンSP1、第2導電パターンSP2、及び第3導電パターンSP3を含む画素分離部DTIを含んでおり、導電パターン内にボイドが形成されないので、負のバイアスを位置にかかわらず、均一に印加することができ、このため、暗電流発生を抑制することができる。また、製品モジュール背面強度が増大されて最終収率(歩留り)が向上されることができる。
本発明の実施形態によるイメージセンサーを説明するためのブロック図である。 本発明の実施形態によるイメージセンサーのアクティブピクセルセンサーアレイの回路図である。 本発明の実施形態によるイメージセンサーの平面図である。 図3のA-A’線に沿って切断した断面図である。 本発明の実施形態によって図4の‘P1’部分を拡大した図面である。 本発明の実施形態によって図4の‘P1’部分を拡大した図面である。 本発明の実施形態によるイメージセンサーの平面図である。 本発明の実施形態によるイメージセンサーの製造方法の工程フローチャートである。 本発明の実施形態によって図4の断面を有するイメージセンサーの製造方法を順次的に示す断面図である。 本発明の実施形態によって図4の断面を有するイメージセンサーの製造方法を順次的に示す断面図である。 本発明の実施形態によって図4の断面を有するイメージセンサーの製造方法を順次的に示す断面図である。 本発明の実施形態によって図4の断面を有するイメージセンサーの製造方法を順次的に示す断面図である。 本発明の実施形態によって図4の断面を有するイメージセンサーの製造方法を順次的に示す断面図である。 本発明の実施形態によって図4の断面を有するイメージセンサーの製造方法を順次的に示す断面図である。 本発明の実施形態によるイメージセンサーの断面図である。 本発明の実施形態によるイメージセンサーの断面図である。
以下、本発明をより具体的に説明するために添付図面を参照しながら、本発明による実施形態をより詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態によるイメージセンサーを説明するためのブロック図である。
図1を参照すれば、イメージセンサーはアクティブピクセルセンサーアレイ(Active Pixel Sensor array)1001、行デコーダー(row decoder)1002、行ドライバー(row driver)1003、列デコーダー(column decoder)1004、タイミング発生器(timing generator)1005、相関二重サンプラー(CDS:Correlated Double Sampler)1006、アナログデジタルコンバータ(ADC:Analog to Digital Converter)1007、及び入出力バッファ(I/O buffer)1008を含むことができる。
アクティブピクセルセンサーアレイ1001は、2次元的に配列された複数の単位ピクセルを含み、光信号を電気的信号に変換することができる。アクティブピクセルセンサーアレイ1001は、行ドライバー1003からピクセル選択信号、リセット信号、及び電荷伝送信号のような複数の駆動信号によって駆動されることができる。また、変換された電気的信号は、相関二重サンプラー1006に提供されることができる。
行ドライバー1003は、行デコーダー1002でデコーディングされた結果に応じて多数の単位ピクセルを駆動するための多数の駆動信号をアクティブピクセルセンサーアレイ1001に提供することができる。単位ピクセルが行列形状に配列された場合には各行別に駆動信号が提供されることができる。
タイミング発生器1005は、行デコーダー1002及び列デコーダー1004にタイミング(timing)信号及び制御信号を提供することができる。
相関二重サンプラー(CDS)1006は、アクティブピクセルセンサーアレイ1001で生成された電気信号を受信して維持(hold)及びサンプリングすることができる。相関二重サンプラー1006は、特定の雑音レベル(noise level)と電気的信号による信号レベルを二重にサンプリングして、雑音レベルと信号レベルとの差分に該当する差分レベルを出力することができる。
アナログデジタルコンバータ(ADC)1007は、相関二重サンプラー1006で出力された差分レベルに該当するアナログ信号をデジタル信号に変換して出力することができる。
入出力バッファ1008は、デジタル信号をラッチ(latch)し、ラッチされた信号は列デコーダー1004でのデコーディング結果に応じて順次的に映像信号処理部にデジタル信号を出力することができる。
図2は、本発明の実施形態によるイメージセンサーのアクティブピクセルセンサーアレイの回路図である。
図1及び図2を参照すれば、センサーアレイ1001は複数の単位画素UPを含み、単位画素UPはマトリックス形状に配列されることができる。各々の単位画素UPは、伝送トランジスタTXを含むことができる。各々の単位画素UPは、ロジックトランジスタRX、SX、DXをさらに含むことができる。ロジックトランジスタは、リセットトランジスタRX、選択トランジスタSX、又はソースフォロワートランジスタDXであり得る。伝送トランジスタTXは伝送ゲートTGを含むことができる。各々の単位画素UPは、光電変換部PD及び浮遊拡散領域FDをさらに含むことができる。ロジックトランジスタRX、SX、DXは、複数の単位画素UP同士で互いに共有されることができる。
光電変換部PDは、外部から入射された光の量に比例して光電荷を生成及び蓄積することができる。光電変換部PDは、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトゲート、ピンドフォトダイオード、及びこれらの組合を含むことができる。伝送トランジスタTXは、光電変換部PDで生成された電荷を浮遊拡散領域FDに伝送することができる。浮遊拡散領域FDは、光電変換部PDで生成された電荷が伝送されて累積的に格納することができる。浮遊拡散領域FDに蓄積された光電荷の量に応じてソースフォロワートランジスタDXが制御されることができる。
リセットトランジスタRXは、浮遊拡散領域FDに蓄積された電荷を周期的にリセットさせることができる。リセットトランジスタRXのドレーン電極は浮遊拡散領域FDと連結され、ソース電極は電源電圧VDDに連結されることができる。リセットトランジスタRXがターンオン(turn-on)されれば、リセットトランジスタRXのソース電極と連結された電源電圧VDDが、浮遊拡散領域FDに印加されることができる。したがって、リセットトランジスタRXがターンオンされれば、浮遊拡散領域FDに蓄積された電荷が排出されて、浮遊拡散領域FDがリセットされることができる。
ソースフォロワーゲートSFを含むソースフォロワートランジスタDXは、ソースフォロワーバッファ増幅器(source follower buffer amplifier)の役割をすることができる。ソースフォロワートランジスタDXは、浮遊拡散領域FDでの電位変化を増幅し、これを出力ラインVoutに出力することができる。
選択ゲートSELを含む選択トランジスタSXは、行単位に読み出す単位画素UPを選択することができる。選択トランジスタSXがターンオンされる時、電源電圧VDDが、ソースフォロワートランジスタDXのドレーン電極に印加されることができる。
図3は、本発明の実施形態によるイメージセンサーの平面図である。図4は、図3のA-A’線に沿って切断した断面図である。図5A及び図5Bは、本発明の実施形態によって図4の‘P1’部分を拡大した図面である。
図3、図4、及び図5Aを参照すれば、本発明の実施形態によるイメージセンサー500は、第1基板1を含む。前記第1基板1は、例えばシリコン単結晶ウエハ、シリコンエピタキシャル層、又はSOI(silicon on insulator)基板であり得る。前記第1基板1は、例えば第1導電型の不純物でドーピングされることができる。例えば、前記第1導電型はP型であり得る。前記第1基板1は互いに反対になる第1面1aと第2面1bを含む。本明細書において、第1面1aは第1基板1の前面(front side)であり得、第2面1bは第1基板1の背面(backside)であり得る。第2面1b上には後述されるマイクロレンズが提供されることができ、第1面1a上には後述される配線が提供されることができる。
前記第1基板1は、画素アレイ領域APSとエッジ領域EGを含むことができる。前記画素アレイ領域APSは、複数の単位画素UPを含むことができる。前記エッジ領域EGは、図9の光学ブラック領域OBの一部に対応されることができる。
前記第1基板1内に画素分離部DTIが配置されて前記画素アレイ領域APSで前記単位画素UPを分離及び限定することができる。画素分離部DTIは、前記エッジ領域EGにまで延長されることができる。画素分離部DTIは、平面視においてグリッド形状を有することができる。
前記画素分離部DTIは、前記第1基板1の第1面1aから第2面1bに向かって形成された第1トレンチ22内に位置する。第1トレンチ22は、第1方向X及び第2方向Yと交差する第3方向Zに延長されることができる。前記画素分離部DTIは、埋め込み絶縁パターン12、分離絶縁パターン14、及び導電パターン16を含むことができる。前記埋め込み絶縁パターン12は、前記導電パターン16と第1層間絶縁膜ILとの間に介在されることができる。前記分離絶縁パターン14は、前記導電パターン16と前記第1基板1との間、そして前記埋め込み絶縁パターン12と前記第1基板1との間に介在されることができる。前記画素分離部DTIは、図4及び図5Aに図示されたように前記第1基板1の第1面1aから第2面1bに向かって行くほど、狭い幅を有する。本明細書において、用語‘幅’は、特定方向に用語‘厚さ’とも代替されることができる。
埋め込み絶縁パターン12及び分離絶縁パターン14は、前記第1基板1と異なる屈折率を有する絶縁物質で形成されることができる。埋め込み絶縁パターン12及び分離絶縁パターン14は、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物、及びシリコン酸化窒化物の中で少なくとも1つを含むことができる。導電パターン16は、分離絶縁パターン14を介して前記第1基板1と離隔されることができる。
導電パターン16と埋め込み絶縁パターン12は、第1レベルLV1で接することができる。分離絶縁パターン14の上面と導電パターン16の上面は、レベルLV2で背面絶縁膜24の下部面24_Bと接することができる。
導電パターン16は、第1導電パターンSP1第2導電パターンSP2、及び第3導電パターンSP3を含むことができる。第1導電パターンSP1は、外部導電パターンで、第2導電パターンSP2及び第3導電パターンSP3は内部導電パターンであると称されることができる。
第1導電パターンSP1、第2導電パターンSP2、及び第3導電パターンSP3は、分離絶縁パターン14の側壁上に順に提供されることができる。一例として、第1導電パターンSP1は分離絶縁パターン14の側壁と接し、第2導電パターンSP2は第1導電パターンSP1と第3導電パターンSP3との間に提供されることができる。
第2導電パターンSP2の第2厚さt2は、第1導電パターンSP1の第1厚さt1より大きくすることができる。第3導電パターンSP3の第3厚さt3は、第2厚さt2より大きくすることができる。分離絶縁パターン14の第4厚さt4は、第1厚さt1より大きく、第2厚さt2より大きくすることができる。一例として、第1導電パターンSP1の第1厚さt1は、約3nm乃至約15nmであり得る。一例として、第2導電パターンSP2の第2厚さt2は、約5nm乃至約40nmであり得る。一例として、第3導電パターンSP3の第3厚さt3は、約50nm乃至約150nmであり得る。第1乃至第4厚さt1-t4は、第1基板1の第1面1aと平行である第1方向Xへの厚さであり得る。第1乃至第4厚さt1-t4は、第1レベルLV1と第2レベルLV2の中間レベルでの厚さであり得る。
第1導電パターンSP1、第2導電パターンSP2、及び第3導電パターンSP3の各々の上面は、第1基板1の第2面1bと同一レベルである第2レベルLV2で背面絶縁膜24の下部面24_Bと接することができる。第2導電パターンSP2及び第3導電パターンSP3の下面は、埋め込み絶縁パターン12と接することができる。第1導電パターンSP1の下面は、埋め込み絶縁パターン12と離隔されることができる。即ち、第1導電パターンSP1の下面のレベルである第3レベルLV3は、第1レベルLV1より高くすることができる。第2導電パターンSP2は、第1導電パターンSP1の下面と埋め込み絶縁パターン12のとの間に延長されて分離絶縁パターン14と接することができる。第2導電パターンSP2の下部は、埋め込み絶縁パターン12と近いほど、その厚さが減少されることができる。埋め込み絶縁パターン12は、分離絶縁パターン14の内側壁と接することができる。
導電パターン16は多結晶半導体物質を含むことができる。一例として、導電パターン16は、ポリシリコン膜やシリコンゲルマニウム膜を含むことができる。第1導電パターンSP1は、第1導電型不純物を含む多結晶半導体層を含むことができる。一例として、第1導電パターンSP1は、ホウ素(B)でドーピングされたポリシリコン膜であり得る。これとは異なり、第1導電パターンSP1は、第2導電型不純物を含む多結晶半導体層を含むことができる。一例として、第1導電パターンSP1は、リン(P)又はヒ素(As)でドーピングされたポリシリコン膜であり得る。第2導電パターンSP2及び第3導電パターンSP3は、実質的に真性(intrinsic)である多結晶半導体層を含むことができる。
第2導電パターンSP2の結晶粒子サイズ(grain size)は、第3導電パターンSP3の結晶粒子サイズより大きくすることができる。第2導電パターンSP2の結晶粒子サイズは、第3導電パターンSP3の結晶粒子サイズの約2倍乃至約4倍であり得る。第1導電パターンSP1の結晶粒子サイズは、第2導電パターンSP2の結晶粒子サイズより小さくすることができる。即ち、第2導電パターンSP2の結晶粒子サイズは、第1導電パターンSP1の結晶粒子サイズより大きくすることができる。第2導電パターンSP2の結晶粒子サイズは、第1導電パターンSP1の結晶粒子サイズの約1.5倍乃至約6倍であり得る。一例として、第1導電パターンSP1の結晶粒子サイズは、約6nm乃至約19nmであり得る。第2導電パターンSP2の結晶粒子サイズは、約15nm乃至約50nmであり得る。第3導電パターンSP3の結晶粒子サイズは、約8nm乃至約19nmであり得る。第1導電パターンSP1、第2導電パターンSP2、及び第3導電パターンSP3の結晶粒子サイズは、X線回折分析の半値幅(Full Width Half Maximum:FWHM)測定及びこれを利用したScherrer方程式を通じて算出することができる。
本発明の実施形態によるイメージセンサー500の第1導電パターンSP1、第2導電パターンSP2、及び第3導電パターンSP3を含む画素分離部DTIを含んで、画素分離部DTI内にボイド(Void)の形成を防止するか、或いは最小化することができる。したがって、導電パターン16に負のバイアスを位置にかかわらず、均一に印加することができるので、暗電流発生を抑制することができる。また、製品モジュール背面強度が増大されて最終収率が向上されることができる。
前記単位画素UPで前記第1基板1内には光電変換部PDが各々配置されることができる。前記光電変換部PDは、前記第1導電型と反対になる第2導電型の不純物でドーピングされることができる。前記第2導電型はN型であり得る。前記光電変換部PDにドーピングされたN型の不純物は、周辺の第1基板1にドーピングされたP型の不純物とPN接合を成してフォトダイオードを提供することができる。
前記第1基板1内には前記第1面1aに隣接する素子分離部STIが配置されることができる。前記素子分離部STIは、画素分離部DTIによって貫通されることができる。前記素子分離部STIは、各単位画素UPで前記第1面1aに隣接する活性領域ACTを限定することができる。前記活性領域ACTは、図2のトランジスタTX、RX、DX、SXを形成するために提供されることができる。
各単位画素UPで前記第1基板1の前記第1面1a上には伝送ゲートTGが配置されることができる。前記伝送ゲートTGの一部は、前記第1基板1の内に延長されることができる。前記伝送ゲートTGは、Vertical(垂直)タイプであり得る。或いは前記伝送ゲートTGは、前記第1基板1の内に延長されず、平坦な形状であるPlanar(平面)タイプであってもよい。前記伝送ゲートTGと前記第1基板1との間にはゲート絶縁膜Goxが介在されることができる。前記伝送ゲートTGの一側で前記第1基板1内には浮遊拡散領域FDが配置されることができる。前記浮遊拡散領域FDには、例えば前記第2導電型の不純物がドーピングされることができる。
前記イメージセンサー500は、背面受光イメージセンサーであり得る。光は、前記第1基板1の第2面1bを通じて前記第1基板1内に入射されることができる。入射された光によって前記PN接合で電子-正孔対が生成されることができる。このように生成された電子は、前記光電変換部PDに移動されることができる。前記伝送ゲートTGに電圧を印加すれば、前記電子は、前記浮遊拡散領域FDに移動されることができる。
図3に図示されたように、単位画素UPは、時計回りに沿って互いに隣接する第1乃至第4単位画素UP(1)~UP(4)を含むことができる。第1及び第2画素UP(1)、UP(2)は、第1方向Xに沿って配列されることができる。第4及び第3画素UP(4)、UP(3)は、第1方向Xに沿って配列されることができる。第4及び第1画素UP(4)、UP(1)は、第1方向Xと交差する第2方向Yに沿って配列されることができる。第3及び第2画素UP(3)、UP(2)は、第2方向Yに沿って配列されることができる。
1つの単位画素UP(3)、UP(4)において前記第1面1a上で伝送ゲートTGに隣接してリセットゲートRGが配置されることができる。他の単位画素UP(1)、UP(2)において前記第1面1a上で伝送ゲートTGに隣接してソースフォロワーゲートSFと選択ゲートSELが配置されることができる。前記ゲートTG、RG、SF、SELは、各々図2のトランジスタTX、RX、DX、SXのゲートに対応されることができる。前記ゲートTG、RG、SF、SELは、前記活性領域ACTと重畳されることができる。本例において、リセットトランジスタRX、選択トランジスタSX、及びソースフォロワートランジスタDXは、隣接する2つの単位画素UP同士で互いに共有されることができる。
前記第1面1aは第1層間絶縁膜ILで覆われることができる。前記第1層間絶縁膜ILは、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜、多孔性低誘電膜の中から選択される少なくとも1つの膜の多層膜で形成されることができる。前記第1層間絶縁膜ILの間又は内には第1配線15が配置されることができる。前記浮遊拡散領域FDは、第1コンタクトプラグ17によって前記第1配線15に連結されることができる。前記第1コンタクトプラグ17は、前記画素アレイ領域APSで前記第1層間絶縁膜ILの中で前記第1面1aに最も近い(最下層の)第1層間絶縁膜ILを貫通することができる。
前記第1基板1の第2面1b上には背面絶縁膜24が配置される。前記背面絶縁膜24は、前記第1基板1の第2面1bと接することができる。前記背面絶縁膜24は、下部反射防止(bottom antireflective coating(BARC))層、固定電荷層、接着層、及び保護層の中で少なくとも1つを含むことができる。前記背面絶縁膜24は、化学量論比より不足する量の酸素又は弗素を含む金属酸化膜又は金属フッ化膜の単一膜又は多重膜で成されることができる。したがって、前記固定電荷膜は負の固定電荷を有することができる。前記背面絶縁膜24は、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)、タンタル(Ta)、チタニウム(Ti)、イットリウム、及びランタノイドを含むグループで選択される少なくとも1つの金属を含む金属酸化物(metal oxide)又は金属フッ化物(metal fluoride)の単一膜又は多重膜で成されることができる。具体的な例として、前記背面絶縁膜24は、ハフニウム酸化膜及び/又はアルミニウム酸化膜を含むことができる。前記背面絶縁膜24によって暗電流とホワイトスポットを改善することができる。
背面絶縁膜24上には第1保護膜44が積層されることができる。前記第1保護膜44は、PETEOS、SiOC、SiO2、SiNの中で少なくとも1つを含むことができる。前記第1保護膜44は、反射防止膜及び/又は平坦化膜として機能することができる。
素子分離部STI、分離絶縁パターン14、及び埋め込み絶縁パターン12が互いに同一な物質(ex、シリコン酸化物)で形成される場合、素子分離部STI、分離絶縁パターン14、及び埋め込み絶縁パターン12の間で境界面が区分されないこともあり得る。この場合、素子分離部STI、分離絶縁パターン14、及び埋め込み絶縁パターン12が、1つの一体形で見えることがある。即ち、図5Bのように、素子分離部STIが‘T’字形状を有するように見えることがある。
分離絶縁パターン14は、図5Aのように単一膜の構造を有することができる。或いは分離絶縁パターン14は、順に積層された第1乃至第3分離絶縁パターンを含むことができる。第2分離絶縁パターンは、第1及び第3分離絶縁パターンと異なる誘電率を有する絶縁材料を含むことができる。例えば、第2分離絶縁パターンはシリコン窒化物を含むことができ、第1及び第3分離絶縁パターンはシリコン酸化物を含むことができる。
図4を参照すれば、前記エッジ領域EGで、連結コンタクトBCAは、前記第1保護膜44、背面絶縁膜24、及び前記第1基板1の一部を貫通して前記導電パターン16及び前記分離絶縁パターン14と接することができる。前記連結コンタクトBCAは第3トレンチ46内に位置することができる。前記連結コンタクトBCAは、前記第3トレンチ46の内部側壁と底面をコンフォーマルに覆う拡散防止パターン48g、前記拡散防止パターン48g上の第1金属パターン52、そして前記第3トレンチ46を満たす第2金属パターン54を含むことができる。前記拡散防止パターン48gは、例えばチタニウムを含むことができる。前記第1金属パターン52は、例えばタングステンを含むことができる。前記第2金属パターン54は、例えばアルミニウムを含むことができる。前記拡散防止パターン48gと前記第1金属パターン52は、前記第1保護膜44上に延長されて他の配線やビア/コンタクトと電気的に連結されることができる。
前記画素アレイ領域APSで前記第1保護膜44上には遮光パターン48aが配置されることができる。遮光パターン48a上には低屈折パターン50aが各々配置されることができる。遮光パターン48aと低屈折パターン50aは、画素分離部DTIと重畳され、平面視においてグリッド形状を有することができる。遮光パターン48aは、例えばチタニウムを含むことができる。低屈折パターン50aは、互いに同一な厚さを有し、互いに同一な有機物質を含むことができる。低屈折パターン50aは、カラーフィルターCF1、CF2より小さい屈折率を有することができる。例えば低屈折パターン50aは約1.3以下の屈折率を有することができる。遮光パターン48aと低屈折パターン50aは、隣接する単位画素UPの間のクロストークを防止することができる。
前記第1保護膜44上には第2保護膜56が積層される。前記第2保護膜56は、遮光パターン48a、低屈折パターン50a、及び前記連結コンタクトBCAをコンフォーマル(conformal)に覆うことができる。前記画素アレイ領域APSで前記低屈折パターン50aの間にカラーフィルターCF1、CF2が配置されることができる。カラーフィルターCF1、CF2は、各々青色、緑色、赤色の中で1つの色を有することができる。他の例として、前記カラーフィルターCAF1、CF2は、シアン(cyan)、マゼンタ(magenta)、又は黄色(yellow)等のような他のカラーを含んでもよい。
本例にしたがうイメージセンサーでカラーフィルターCF1、CF2は、bayerパターン形状に配列されることができる。他の例において、カラーフィルターCF1、CF2は、2x2配列のパターン、3x3配列のパターン、又は4x4配列のパターン形状に配列されることができる。
前記エッジ領域EGで前記第2保護膜56上には第1光学ブラックパターンCFBが配置されることができる。前記第1光学ブラックパターンCFBは、例えば青色のカラーフィルターと同一な物質を含むことができる。
前記画素アレイ領域APSで前記カラーフィルターCF1、CF2上にはマイクロレンズMLが配置されることができる。マイクロレンズMLの縁は、互いに接し、連結されることができる。
前記エッジ領域EGで第1光学ブラックパターンCFB上にはレンズ残りの層MLRが配置されることができる。レンズ残りの層MLRは、マイクロレンズMLと同一な物質を含むことができる。
前記導電パターン16には前記連結コンタクトBCAによって負のバイアス電圧が印加されることができる。前記導電パターン16は共通バイアスライン役割をすることができる。したがって、前記画素分離部DTIと接する第1基板1の表面に存在することができる正孔による暗電流特性を改善させることができる。
図6は、本発明の実施形態によるイメージセンサーの平面図である。図6をA-A’船に沿って切断した断面は、図4と同一又は類似であることができる。
図6を参照すれば、本実施形態によるイメージセンサー501では時計回りに沿って配置される第1乃至第4単位画素UP(1)~UP(4)は、1つの画素グループGPを構成する。画素グループGPの中心には画素分離部DTIが配置されない。画素グループGPの中心に浮遊拡散領域FDが配置される。浮遊拡散領域FDに隣接して第1乃至第4単位画素UP(1)~UP(4)には各々伝送ゲートTGが配置される。1つの画素グループGPを構成する第1乃至第4単位画素UP(1)~UP(4)は、1つの浮遊拡散領域FDを共有する。図示しないが、1つの画素グループGP上には1つのカラーフィルターと1つのマイクロレンズが配置されることができる。その外の構造は、図3乃至図5Bを参照して説明したことと同一/類似であることができる。
図7は、本発明の実施形態によるイメージセンサーの製造方法の工程フローチャートである。図8A乃至図8Fは、本発明の実施形態によって図4の断面を有するイメージセンサーの製造方法を順次的に示す断面図である。
図7及び図8Aを参照すれば、画素アレイ領域APSとエッジ領域EGを含む第1基板1を準備する。前記第1基板1の第1面1aに第1マスクパターン3を形成する。前記第1マスクパターン3は、例えばシリコン酸化物を含むことができる。前記第1マスクパターン3は、第1面1aで活性領域ACTの位置を限定することができる。前記第1マスクパターン3を蝕刻マスクとして利用して前記第1基板1の第1面1aを蝕刻して第2トレンチ5を形成する。
前記第1基板1の第1面1aに第2マスクパターン7を形成する。第2マスクパターン7は、第1マスクパターン3を覆い、第2トレンチ5を一部満たすことができる。第2マスクパターン7は、単位画素UPを分離する画素分離部の位置を限定することができる。第2マスクパターン7は、第2トレンチ5の下部面を露出させることができる。第2マスクパターン7は、シリコン酸化物、SiN、SiCN、SiOCNの中で少なくとも1つの単一膜又は多重膜構造を有することができる。第2マスクパターン7を蝕刻マスクとして利用して前記第1基板1を蝕刻して第1トレンチ22を形成する。
前記第1トレンチ22が形成された前記第1基板1の第1面1a上にALD(Atomic Layer Deposition)方式で分離絶縁膜14Lをコンフォーマルに形成する(S1)。分離絶縁膜14Lは、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸化窒化物、シリコン炭化窒化物の中で少なくとも1つの単一膜又は多重膜構造に形成されることができる。一実施形態において、分離絶縁膜14Lを形成する前に、ホウ素ドーピング工程が第1基板1に遂行されて第1トレンチ22の周囲に不純物領域が形成されることができる。
分離絶縁膜14L上に第1導電層SL1を形成することができる。第1導電層SL1は、第1導電型不純物を含む半導体層であり得る。一例として、分離絶縁膜14L上に第1温度で、化学気相蒸着方法で第1シリコン層が蒸着されることができる。第1温度は、約350℃乃至550℃であり得る。第1シリコン層の形成する時、同時に第1導電型又は第2導電型の不純物が注入されるか、或いは第1シリコン層の形成が完了された後に別の不純物注入工程が遂行されることができる。第1シリコン層は非晶質状態に蒸着されることができ、後述される第1熱処理工程を通じて結晶化されることができる。
図7及び図8Bを参照して、第1導電層SL1の蝕刻工程が遂行されて第1導電パターンSP1が形成されることができる(S2)。一例として、第1導電パターンSP1の形成は、湿式蝕刻工程を含むことができる。前記蝕刻工程によって第1導電層SL1の上部が除去されて分離絶縁膜14Lの一部が露出されることができる。
第1熱処理工程が進行されることができる(S3)。この第1熱処理工程によって、第1導電パターンSP1が結晶化されることができる。第1熱処理は、約700℃乃至900℃で遂行されることができる。これとは異なり、第1熱処理工程は省略され、第1導電パターンSP1は第2導電パターンSP2及び第3導電パターンSP3の形成の間に結晶化されることができる。
第1導電パターンSP1上に第2導電層SL2が形成されることができる(S4)。第2導電層SL2は真性状態の半導体層であり得る。一例として、第1導電パターンSP1上に第2温度で、化学気相蒸着方法で第2シリコン層が蒸着されることができる。第2温度は、約450℃乃至550℃であり得る。第2導電層SL2は非晶質状態に蒸着されることができる。
図7及び図8Cを参照して、第2導電層SL2上に第3導電層SL3が形成されることができる(S5)。第3導電層SL3は第1トレンチ22を満たすことができる。第3導電層SL3は真性状態の半導体層であり得る。一例として、第2導電層SL2上に第3温度で、化学気相蒸着方法で第3シリコン層が蒸着されることができる。第3温度は第2温度より高くすることができる。一例として、第3温度は、約570℃乃至670℃であり得る。第3導電層SL3は、相対的に高い蒸着温度によって結晶質状態に形成されることができる。第3導電層SL3の蒸着の間に、第2導電層SL2の結晶化が進行されることができ、第2導電層SL2は、第3導電層SL3に比べて相対的に大きい結晶粒子を有するように成長されることができる。第2導電層SL2の形成と第3導電層SL3の形成は、同一工程チャンバーで連続的にインシッツ(in-situ)に遂行されることができる。
図7及び図8Dを参照して第2導電層SL2及び第3導電層SL3のエッチバック工程が遂行されて第2導電パターンSP2及び第3導電パターンSP3が形成されることができる(S6)。その結果、第1導電パターンSP1、第2導電パターンSP2、及び第3導電パターンSP3を含む導電パターン16が形成されることができる。導電パターン16上に第1トレンチ22を満たす埋め込み絶縁膜12Lを形成することができる。一例として、埋め込み絶縁膜12Lはシリコン酸化物で形成されることができる。その後、第2熱処理工程が進行されることができる(S7)。これとは異なり、第2熱処理工程は省略されることができる。
図8Eを参照して、CMP(Chemical Mechanical Polishing)工程を進行して前記第1マスクパターン3上の第2マスクパターン7、分離絶縁膜14L、及び埋め込み絶縁膜12Lを除去し、前記第1マスクパターン3の表面を露出させる。分離絶縁膜14Lの一部から分離絶縁パターン14が形成され、埋め込み絶縁膜12Lの一部から埋め込み絶縁パターン12が形成されることができる。前記埋め込み絶縁パターン12、前記分離絶縁パターン14、及び前記導電パターン16は、画素分離部DTIを構成することができる。前記画素分離部DTIは、単位画素UPを限定することがある。
図8Fを参照すれば、前記第1マスクパターン3を除去して第1基板1の第1面1aを露出させる。第1基板1にイオン注入工程等を進行して光電変換部PDを形成する。第1基板1の第1面1a上に伝送ゲートTG、ゲート絶縁膜Gox、及び浮遊拡散領域FDを形成する。後続工程によって、図3乃至図5Bを参照して他の構成要素を形成することができる。
本発明の実施形態によれば、相対的に低い温度で第2導電パターンSP2が形成されて段差塗布性が増大されることができる。また、その後に相対的に高い温度で第3導電パターンSP3が形成されて蒸着速度を高めることができる。したがって、画素分離部DTI内にボイド(Void)の形成を防止するか、或いは最小化することができる。
図9は、本発明の実施形態によるイメージセンサーの断面図である。
図9を参照すれば、本発明の実施形態によるイメージセンサー504は、画素アレイ領域APS、光学ブラック領域OB、及びパッド領域PADを有する第1基板1、第1基板1の第1面1a上の配線層200、配線層200上に第2基板400を含むことができる。配線層200は、上部配線層221及び下部配線層223を含むことができる。画素アレイ領域APSは複数の画素UPを含むことができる。画素アレイ領域APSに配置される画素UPは、先に図1乃至図8を参照して説明したことと実質的に同一であることができる。
光学ブラック領域OBで第1基板1上に第1連結構造体50、第1導電パッド81、及びバルクカラーフィルター90が提供されることができる。第1連結構造体50は、第1遮光パターンWG、絶縁パターン53、及び第1キャッピングパターン55を含むことができる。
第1遮光パターンWGが第1基板1の第2面1b上に提供されることができる。より具体的に、第1遮光パターンWGは、第2面1b上の絶縁膜136を覆い、第3トレンチTR3及び第4トレンチTR4の内壁をコンフォーマルに覆うことができる。第1遮光パターンWGは、光電変換層150及び上部配線層221を貫通して光電変換層150及び配線層200を連結することができる。より具体的に、第1遮光パターンWGは、上部配線層221及び下部配線層223内の配線及び光電変換層150内の画素分離部DTIの導電パターン16と接触することができる。したがって、第1連結構造体50は、配線層200内の配線と電気的に連結されることができる。第1遮光パターンWGは、金属物質、例えばタングステンを含むことができる。第1遮光パターンWGは、光学ブラック領域OB内に入射される光を遮断することができる。
第1導電パッド81が第3トレンチTR3の内部に提供されて第3トレンチTR3の残りの部分を満たすことができる。第1導電パッド81は、金属物質、例えばアルミニウムを含むことができる。第1導電パッド81は導電パターン16と連結されることができる。前記第1導電パッド81を通じて前記導電パターン16に負のバイアス電圧を印加することができる。したがって、ホワイトスポットや暗電流の問題を防止/減少させることができる。
絶縁パターン53が第4トレンチTR4の残りの部分を満たすことができる。絶縁パターン53は、光電変換層150及び配線層200を、全部又は一部貫通することができる。絶縁パターン53の上面上に第1キャッピングパターン55が提供されることができる。第1キャッピングパターン55が絶縁パターン53上に提供されることができる。
バルクカラーフィルター90が第1導電パッド81、第1遮光パターンWG、及び第1キャッピングパターン55上に提供されることができる。バルクカラーフィルター90は、第1導電パッド81、第1遮光パターンWG、及び第1キャッピングパターン55を覆うことができる。第1保護膜71が、バルクカラーフィルター90上に提供されてバルクカラーフィルター90を密封することができる。
第1基板1の光学ブラック領域OBに光電変換部PD’及びダミー領域DRが提供されることができる。前記光電変換部PD’は、例えば第1導電型と異なる第2導電型の不純物でドーピングされることができる。第2導電型は、例えばN型であり得る。画素アレイ領域APSは複数の単位単位画素UPを含むことができる。前記光電変換部PD’は、光電変換部PDと類似な構造を有するが、光電変換部PDのような動作(即ち、光を受けて電気的信号を発生させる動作)を遂行しないことがあり得る。ダミー領域DRは不純物でドーピングされなくともよい。ダミー領域DRで発生された信号は、その後の工程ノイズを除去する情報として使用されることができる。
パッド領域PADで、第1基板1上に第2連結構造体60、第2導電パッド83、及び第2保護膜73が提供されることができる。第2連結構造体60は、第2遮光パターン61、絶縁パターン63、及び第2キャッピングパターン65を含むことができる。
第2遮光パターン61が第1基板1の第2面1b上に提供されることができる。より具体的に、第2遮光パターン61は、第2面1b上の絶縁膜136を覆い、第5トレンチTR5及び第6トレンチTR6の内壁をコンフォーマルに覆うことができる。第2遮光パターン61は、光電変換層150及び上部配線層221を貫通して光電変換層150及び配線層200を連結することができる。より具体的に、第2遮光パターン61は、下部配線層223内の配線と接触することができる。したがって、第2連結構造体60は、配線層200内の配線と電気的に連結されることができる。第2遮光パターン61は、金属物質、例えばタングステンを含むことができる。
第2導電パッド83が第5トレンチTR5の内部に提供されて第5トレンチTR5の残りの部分を満たすことができる。第2導電パッド83は、金属物質、例えばアルミニウムを含むことができる。第2導電パッド83は、イメージセンサー素子の外部との電気的連結通路の役割をすることができる。絶縁パターン63が第6トレンチTR6の残りの部分を満たすことができる。絶縁パターン63は、光電変換層150及び配線層200を、全部又は一部貫通することができる。第2キャッピングパターン65が絶縁パターン63上に提供されることができる。第2保護膜が第2遮光パターン61の一部及び第2キャッピングパターン65を覆うことができる。
第2導電パッド83を通じて印加された電流は、第2遮光パターン61、配線層200内の配線、第1遮光パターンWGを通じて画素分離部DTIの導電パターン16に流れることができる。光電変換部PD、PD’及びダミー領域DRから発生した電気的信号は、配線層200内の配線、第2遮光パターン61、及び第2導電パッド83を通じて外部に伝送されることができる。
図10は、本発明の実施形態によるイメージセンサーの断面図である。
図10を参照すれば、本例にしたがうイメージセンサー505は第1乃至第3サブチップCH1~CH3が順にボンディングされた構造を有することができる。前記第1サブチップCH1は、好ましくはイメージセンシング機能をすることができる。前記第1サブチップCH1は、図3乃至図9を参照して説明したことと同一/類似であることができる。前記第1サブチップCH1は、第1基板1の第1面1a上に伝送ゲートTGとこれを覆う第1層間絶縁膜IL1を含むことができる。第1基板1には第1素子分離部STI1が配置されて活性領域を定義する。最下層の第1層間絶縁膜IL1内には第1導電パッドCP1が配置されることができる。第1導電パッドCP1は銅を含むことができる。
第2サブチップCH2は、第2基板SB2、この上に配置される選択ゲートSEL、ソースフォロワーゲートSF、及びリセットゲート(図示せず)そしてこれらを覆う第2層間絶縁膜IL2を含むことができる。第2基板SB2には第2素子分離部STI2が配置されて活性領域を定義する。前記第2層間絶縁膜IL2内には第2コンタクト217及び第2配線215が配置されることができる。最上層の第2層間絶縁膜IL2内には第2導電パッドCP2が配置されることができる。第2導電パッドCP2は銅を含むことができる。第2導電パッドCP2は第1導電パッドCP1と接することができる。前記ソースフォロワーゲートSFは、第1サブチップCH1の浮遊拡散領域FDと各々連結されることができる。
第3サブチップCH3は、第3基板SB3、その上に配置される周辺トランジスタPTR、そしてこれらを覆う第3層間絶縁膜IL3を含むことができる。第3基板SB3には第3素子分離部STI3が配置されて活性領域を定義する。前記第3層間絶縁膜IL3内には第3コンタクト317及び第3配線315が配置されることができる。最上層の第3層間絶縁膜IL3は第2基板SB2と接する。貫通電極TSVは、第2層間絶縁膜IL2、第2素子分離部STI2、第2基板SB2、及び第3層間絶縁膜IL3を貫通して第2配線215と第3配線315を連結させることができる。貫通電極TSVの側壁はビア絶縁膜TVLで囲まれることができる。第3サブチップCH3は、第1及び/又は第2サブチップCH1、CH2を駆動するか、或いは、第1及び/又は第2サブチップCH1、CH2で発生された電気的信号を格納するための回路を含むことができる。
以上、添付された図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更しなくとも他の具体的な形態に実施されることができることを理解することができる。したがって、以上で記述した実施形態はすべての面で例示的なものであり、限定的ではないことと理解しなければならない。図3乃至図10の実施形態の構成は互いに組合されることができる。
1 基板
12 埋め込み絶縁パターン
14 分離絶縁パターン
16 導電パターン
24 背面絶縁膜
500 イメージセンサー
ACT 活性領域
APS 画素アレイ領域
BCA 連結コンタクト
DTI 画素分離部
EG エッジ領域
FD 浮遊拡散領域
Gox ゲート絶縁膜
GP 画素グループ
ML マイクロレンズ
IL 層間絶縁膜
OB 光学ブラック領域
PD 光電変換部
SP1、SP2、SP3、導電パターン

Claims (20)

  1. 第1面とこれに反対になる第2面を有する基板と、
    前記第2面上のマイクロレンズと、
    前記第1面上の配線と、
    前記基板内に配置され、画素を互いに分離させる画素分離部と、を含み、
    前記画素分離部は、分離絶縁パターン及び前記分離絶縁パターンを介して前記基板と離隔される導電パターンを含み、
    前記導電パターンは、前記分離絶縁パターンの側壁上に順に提供される第1導電パターン、第2導電パターン、及び第3導電パターンを含む、イメージセンサー。
  2. 前記第2導電パターンの結晶粒子サイズは、前記第1導電パターンの結晶粒子サイズより大きい、請求項1に記載のイメージセンサー。
  3. 前記第1導電パターンは、第1導電型不純物を含む多結晶半導体物質を含み、
    前記第2導電パターン及び第3導電パターンは、実質的に真性である多結晶半導体物質を含む、請求項1に記載のイメージセンサー。
  4. 前記第2導電パターンの結晶粒子サイズは、第3導電パターンの結晶粒子サイズの約2倍乃至約4倍である、請求項1に記載のイメージセンサー。
  5. 前記第2導電パターンの結晶粒子サイズは、前記第3導電パターンの結晶粒子サイズより大きい、請求項1に記載のイメージセンサー。
  6. 前記第2導電パターンの結晶粒子サイズは、前記第1導電パターンの結晶粒子サイズの約1.5倍乃至約6倍である、請求項1に記載のイメージセンサー。
  7. 前記第1面と平行である第1方向に、前記第2導電パターンの厚さは前記第1導電パターンの厚さより大きい、請求項1に記載のイメージセンサー。
  8. 前記第1面と平行である第1方向に、前記第3導電パターンの厚さは、前記第2導電パターンの厚さより大きい、請求項7に記載のイメージセンサー。
  9. 前記画素分離部は、前記導電パターンと前記第1面との間に提供される埋め込み絶縁パターンをさらに含む、請求項1に記載のイメージセンサー。
  10. 前記埋め込み絶縁パターンの上面は、前記第2導電パターン及び前記第3導電パターンと連結され、前記第1導電パターンと離隔される、請求項9に記載のイメージセンサー。
  11. 前記画素分離部と前記マイクロレンズとの間の背面絶縁膜をさらに含み、
    前記第3導電パターンの上面は、前記背面絶縁膜の下面と接する、請求項1に記載のイメージセンサー。
  12. 第1面とこれに反対になる第2面を有する基板と、
    前記第2面上のマイクロレンズと、
    前記第1面上の配線と、
    前記基板内に配置され、画素を互いに分離する画素分離部と、を含み、
    前記画素分離部は、分離絶縁パターン及び前記分離絶縁パターンを介して前記基板と離隔される導電パターンを含み、
    前記導電パターンは、前記分離絶縁パターンの側壁上に順に提供される外部導電パターン及び内部導電パターンを含み、
    前記外部導電パターンは、第1導電型不純物を含む多結晶半導体層を含み、
    前記内部導電パターンは、実質的に真性である多結晶半導体層を含む、イメージセンサー。
  13. 前記内部導電パターンの結晶粒子サイズは、前記外部導電パターンの結晶粒子サイズより大きい、請求項12に記載のイメージセンサー。
  14. 前記内部導電パターンの結晶粒子サイズは、前記外部導電パターンと近い部分で遠い部分よりサイズが大きい、請求項12に記載のイメージセンサー。
  15. 前記外部導電パターンは、第1導電パターンを含み、
    前記内部導電パターンは、第2導電パターン及び前記第2導電パターンを介して前記第1導電パターンと離隔される第3導電パターンを含み、
    前記第2導電パターンの結晶粒子サイズは、第3導電パターンの結晶粒子サイズより大きい、請求項14に記載のイメージセンサー。
  16. 前記第2導電パターンの結晶粒子サイズは、第3導電パターンの結晶粒子サイズの約2倍乃至約4倍である、請求項14に記載のイメージセンサー。
  17. 前記第1導電パターンの結晶粒子サイズは、前記第2導電パターンの結晶粒子サイズより小さい、請求項15に記載のイメージセンサー。
  18. 前記第2導電パターンの結晶粒子サイズは、前記第1導電パターンの結晶粒子サイズの約1.5倍乃至約6倍である、請求項17に記載のイメージセンサー。
  19. 前記第1面と平行である第1方向に、前記第2導電パターンの厚さは、前記第1導電パターンの厚さより大きい、請求項15に記載のイメージセンサー。
  20. 第1面とこれに反対になる第2面を有する基板であって、時計回りに沿って配置される第1乃至第4画素を含む基板と、
    前記第2面と接する背面絶縁膜と、
    前記第1乃至第4画素の各々で前記基板の前記第1面上に配置される伝送ゲートと、
    前記第2面上のマイクロレンズと、
    前記基板の前記第1面を覆う層間絶縁膜と、
    前記層間絶縁膜内の配線と、
    前記基板内に配置され、前記第1乃至第4画素の間に介在され、これらを互いに分離させる画素分離部と、を含み、
    前記画素分離部は、分離絶縁パターン及び前記分離絶縁パターンを介して前記基板と離隔される導電パターンを含み、
    前記導電パターンは、前記分離絶縁パターンの側壁上に順に提供される第1導電パターン、第2導電パターン、及び第3導電パターンを含み、
    前記第2導電パターンの結晶粒子サイズは、前記第3導電パターンの結晶粒子サイズより大きい、イメージセンサー。
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