KR101269681B1 - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 개시된 이미지 센서는 반도체 기판 내부에 형성되는 다수의 수광 소자와, 수광 소자를 서로 분리시키는 다수의 소자 분리막을 포함하며, 수광 소자가 배열되어 형성되는 픽셀 어레이의 배열 방향을 가로 방향이라고 할 때에, 픽셀 어레이는 서로 다른 가로 길이를 가지는 제 1 형 수광 소자와 제 2 형 수광 소자가 교번으로 배열되며, 수광 소자가 배열되어 형성되는 픽셀 어레이의 배열 방향을 가로 방향이라고 할 때에 서로 다른 가로 길이를 가지는 수광 소자들을 교번으로 배열하여 픽셀 어레이를 형성하여, 픽셀 어레이를 형성하는 수광 소자들 각각에 대해 인접하는 다른 수광 소자와의 충분한 이격거리를 확보할 수 있도록 함으로써, 크로스토크가 감소되도록 하고, 인접한 픽셀의 감지 값에 대한 증폭률을 조절하거나 배리드 수광 소자를 추가적으로 배치하여 적층 구조의 수광 소자를 구현함으로써, 광 감도를 보상할 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 픽셀 어레이를 형성하는 수광 소자들 각각에 대해 인접하는 다른 수광 소자와의 충분한 이격거리를 확보할 수 있도록 한 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
자연계에 존재하는 각 피사체에서 발생되는 빛은 파장 등에서 고유의 값을 가진다. 따라서, 이미지 센서는 외부의 에너지에 반응하는 반도체 장치의 성질을 이용하여 각 피사체의 이미지를 찍어내는 장치로서, 이미지 센서의 픽셀은 각 피사체에서 발생하는 빛을 감지하여 전기적인 값으로 변환한다.
이러한 이미지 센서는 실리콘 반도체를 기반으로 한 전하결합소자(Charge Coupled Device, CCD)와 서브 마이크론(sub-micro) 씨모스(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) 제조 기술을 이용한 씨모스 이미지 센서로 분류된다.
이 중 CCD는 개개의 모스(MOS) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 그러나, CCD는 구동방식이 복잡하고 전력소모가 많으며, 마스크 공정 스텝 수가 많기 때문에 신호 처리 회로를 CCD 칩 내에 구현할 수 없는 등의 단점이 있는 바, 최근 이러한 단점을 극복하기 위하여 CMOS 이미지 센서의 개발이 많이 연구되고 있다.
CMOS 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드(Photo Diode, PD)와 MOS 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, CCD에 비하여 생산단가와 소비 전력이 낮고 주변회로 칩과 통합하기 쉬운 장점이 있으며, 앞서 기재한 바와 같이 CMOS 제조 기술로 생산하기 때문에 증폭 및 신호처리와 같은 주변 시스템과 통합이 용이하여 생산비용을 낮출 수 있다. 또한, 처리속도가 빠르면서 CCD의 1% 정도로 소비 전력이 낮은 것이 특징이다.
한편, 최근에는 고해상도의 이미지 센서에 대한 요구가 증가하고, CMOS 제조 공정의 발달로 인하여 이미지 센서의 단위 픽셀의 크기가 급격히 감소하고 있으며, 단위 픽셀 크기의 감소에 따라 인접한 단위 픽셀들의 포토 다이오드들 간의 거리가 가까워져 인접 픽셀 간의 크로스토크(crosstalk) 발생 빈도가 증가하게 된다.
이러한 인접 픽셀 간의 크로스토크 발생 빈도를 낮추기 위한 노력의 일환으로서 종래에는 단위 픽셀들 사이에 배치되는 소자 분리막의 광 차단 특성을 보강하는 방안이 제안되었다.
도 1은 종래 기술에 따라 크로스토크 발생 빈도를 낮추기 위한 방안이 적용된 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 나타낸 배치도와 이미지 센서의 A-A'가상라인에 대한 단면도이다.
종래 기술에 의하면 도 1에 나타낸 바와 같이 포토 다이오드(10)들을 서로 분리시키기 위한 다수의 트렌치들을 반도체 기판(30)에 형성하고, 다수의 트렌치들 내부에 다수의 소자 분리 영역(20)들을 형성할 때에, 소자 분리 영역(20)들 각각은 트렌치 면을 따라 형성되는 제 1 소자 분리막(21)을 형성한 후에 제 1 소자 분리막(21) 내부에 형성되어 인접한 포토 다이오드로부터 입사되는 빛을 차단하기 위한 제 2 소자 분리막(23)으로 형성하고, 제 2 소자 분리막(23)은 인접한 포토 다이오드(10)들로부터 입사되는 빛을 흡수함으로써 픽셀들 사이의 크로스토크를 감소시키기 위한 흡광 물질막으로 형성한다.
그러나, 고해상도의 이미지를 구현하기 위해서는 인접한 단위 픽셀들의 포토 다이오드들 간의 거리가 더욱 가까워져야 하고 이에 소자 분리막의 폭 또한 감소됨에 따라서 종래 기술에 의한 광 차단 특성으로는 만족할 수 없는 지경에 이르렀다. 또한, 종래 기술에 의하면 트렌치를 매립하여 소자 분리막을 형성하는 공정이 제 1 소자 분리막(21)의 형성 공정과 제 2 소자 분리막(23)의 형성 공정으로 나뉘기 때문에 공정수가 증가하여 수율이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안한 것으로서, 픽셀 어레이를 형성하는 수광 소자들 각각에 대해 인접하는 다른 수광 소자와의 충분한 이격거리를 확보할 수 있도록 함으로써, 크로스토크가 감소되도록 한 이미지 센서를 제공한다.
아울러 본 발명은 픽셀 어레이를 형성하는 수광 소자들 각각에 대해 인접하는 다른 수광 소자와의 충분한 이격거리를 확보할 수 있도록 한 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 제 1 관점으로서 이미지 센서는, 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 내부에 형성되는 다수의 수광 소자와, 상기 수광 소자를 서로 분리시키는 다수의 소자 분리막을 포함하며, 상기 수광 소자가 배열되어 형성되는 픽셀 어레이의 배열 방향을 가로 방향이라고 할 때에, 상기 픽셀 어레이는 서로 다른 가로 길이를 가지는 제 1 형 수광 소자와 제 2 형 수광 소자가 교번으로 배열될 수 있다.
여기서, 상기 이미지 센서는, 상기 반도체 기판 내부의 상기 제 1 수광 소자 및 상기 제 2 수광 소자의 상부에 형성된 플러그를 더 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는, 상기 제 1 형 수광 소자와 상기 제 2 형 수광 소자에 의한 감지 신호의 증폭률을 조절하여 신호 값의 차이를 감소시킬 수 있다.
상기 이미지 센서는, 상기 제 1 형 수광 소자의 가로 길이보다 상기 제 2 형 수광 소자의 가로 길이가 더 짧을 때에, 상기 반도체 기판 내의 상기 제 2 형 수광 소자의 하부에 형성된 배리드(buried) 수광 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 형 수광 소자 또는 상기 제 2 형 수광 소자의 깊이 방향, 상기 제 1 형 수광 소자 또는 상기 제 2 형 수광 소자의 가로 길에 대응하는 가로 방향, 및 상기 제 1 형 수광 소자 또는 상기 제 2 형 수광 소자의 세로 방향이 형성하는 직각 좌표계에서, 상기 제 2 형 수광 소자의 세로 길이는 상기 제 1 형 수광 소자의 세로 길이와 비교하면 동일하거나 더 짧을 수 있다.
본 발명의 제 2 관점으로서 이미지 센서의 제조 방법은, 반도체 기판의 내부에 활성 영역을 정의하는 다수의 소자 분리막을 제 1 이격거리와 제 2 이격거리를 교번으로 가지도록 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 내부에 상기 제 1 이격거리에 의한 가로 길이를 가지는 제 1 형 수광 소자와 상기 제 2 이격거리에 의한 가로 길이를 가지는 제 2 형 수광 소자를 교번으로 배치하여, 복수의 상기 제 1 형 수광 소자 및 상기 제 2 형 수광 소자의 배열에 의한 픽셀 어레이를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 이미지 센서의 제조 방법은, 상기 반도체 기판 내부의 상기 수광 소자 상부에 플러그를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서의 제조 방법은, 상기 제 1 형 수광 소자의 가로 길이보다 상기 제 2 형 수광 소자의 가로 길이가 더 짧을 때에, 상기 반도체 기판 내의 상기 제 2 형 수광 소자의 하부에 배리드 수광 소자를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 형 수광 소자 또는 상기 제 2 형 수광 소자의 깊이 방향, 상기 제 1 형 수광 소자 또는 상기 제 2 형 수광 소자의 가로 길에 대응하는 가로 방향, 및 상기 제 1 형 수광 소자 또는 상기 제 2 형 수광 소자의 세로 방향이 형성하는 직각 좌표계에서, 상기 픽셀 어레이를 형성하는 단계는, 상기 제 2 형 수광 소자의 세로 길이를 상기 제 1 형 수광 소자의 세로 길이와 비교하면 동일하거나 더 짧게 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 수광 소자가 배열되어 형성되는 픽셀 어레이의 배열 방향을 가로 방향이라고 할 때에 서로 다른 가로 길이를 가지는 수광 소자들을 교번으로 배열하여 픽셀 어레이를 형성하여, 픽셀 어레이를 형성하는 수광 소자들 각각에 대해 인접하는 다른 수광 소자와의 충분한 이격거리를 확보할 수 있도록 함으로써, 크로스토크가 감소되도록 한다.
아울러, 인접한 픽셀의 감지 값에 대한 증폭률을 조절하거나 배리드 수광 소자를 추가적으로 배치하여 적층 구조의 수광 소자를 구현함으로써, 광 감도를 보상할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 나타낸 배치도와 이미지 센서의 A-A'가상라인에 대한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 나타낸 배치도와 이미지 센서의 B-B'가상라인 및 C-C'가상라인에 대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 나타낸 배치도와 이미지 센서의 B-B'가상라인 및 C-C'가상라인에 대한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 나타낸 배치도와 이미지 센서의 B-B'가상라인 및 C-C'가상라인에 대한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 나타낸 배치도와 이미지 센서의 B-B'가상라인 및 C-C'가상라인에 대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 나타낸 배치도와 이미지 센서의 B-B'가상라인 및 C-C'가상라인에 대한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 나타낸 배치도와 이미지 센서의 B-B'가상라인 및 C-C'가상라인에 대한 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 나타낸 배치도와 이미지 센서의 B-B'가상라인 및 C-C'가상라인에 대한 단면도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이 이미지 센서는, 반도체 기판(130)과, 반도체 기판(130) 내부에 형성되는 다수의 수광 소자(110, 120)와, 수광 소자(110, 120)를 서로 분리시키는 다수의 소자 분리막(140)을 포함하며, 수광 소자(110, 120)가 배열되어 형성되는 픽셀 어레이의 배열 방향을 가로 방향이라고 할 때에, 픽셀 어레이는 서로 다른 가로 길이를 가지는 제 1 형 수광 소자(110)와 제 2 형 수광 소자(120)가 교번으로 배열된다. 여기서, 반도체 기판(130) 내부의 제 1 수광 소자(110) 및 제 2 수광 소자(120)의 상부에 형성된 플러그(150)를 더 포함할 수 있다.
수광 소자(110, 120)의 깊이 방향과 픽셀 어레이의 배열 방향 및 수광 소자(110, 120)의 세로 방향이 직각 좌표계를 형성할 때, 즉 제 1 형 수광 소자(110) 또는 제 2 형 수광 소자(120)의 깊이 방향, 제 1 형 수광 소자(110) 또는 제 2 형 수광 소자(120)의 가로 길이에 대응하는 가로 방향, 및 제 1 형 수광 소자(110) 또는 제 2 형 수광 소자(120)의 세로 방향이 형성하는 직각 좌표계에서, 제 2 형 수광 소자(120)의 세로 길이는 제 1 형 수광 소자(110)의 세로 길이와 비교할 때에 동일하게 설계 및 제조한다.
제 1 형 수광 소자(110)의 표면적보다 제 2 형 수광 소자(120)의 표면적이 더 작기 때문에 제 1 형 수광 소자(110)의 광 감도보다 제 2 형 수광 소자(120)에 의한 광 감도가 더 낮다. 이러한 광 감도의 차이를 극복하기 위하여 제 1 형 수광 소자(110)와 제 2 형 수광 소자(120)에 의한 감지 신호의 증폭률을 조절하여 신호 값의 차이를 감소시킬 수 있다. 즉 제 2 형 수광 소자(120)에 의한 감지 신호의 증폭률을 상대적으로 더 높게 조절하여 제 1 형 수광 소자(110)의 감지 신호 값과 제 2 형 수광 소자(120)에 의한 감지 신호 값을 동일한 레벨로 조정할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 반도체 기판(130)의 내부에 활성 영역을 정의하는 다수의 소자 분리막(140)을 제 1 이격거리와 제 2 이격거리를 교번으로 가지도록 형성한다. 여기서, 제 1 이격거리는 이후 형성될 제 1 형 수광 소자(110)의 가로 길이를 결정하며, 제 2 이격거리는 이후 형성될 제 2 형 수광 소자(120)의 가로 길이를 결정한다.
소자 분리막(140)은 STI 공정 또는 LOCOS 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 예컨대, 식각 공정을 통해 트렌치를 형성한 후에 HDP(High Density Plasma) 산화막 등의 절연물질로 매립하여 형성할 수 있다.
다음으로, 반도체 기판(130)의 내부에 소자 분리막(140)의 제 1 이격거리에 의한 가로 길이를 가지는 제 1 형 수광 소자(110)와 제 2 이격거리에 의한 가로 길이를 가지는 제 2 형 수광 소자(120)를 교번으로 배치하여, 복수의 제 1 형 수광 소자(110) 및 제 2 형 수광 소자(120)의 배열에 의한 픽셀 어레이를 형성한다. 예컨대, 반도체 기판(130)이 P+ 도전형일 때에 N+ 이온을 주입하여 제 1 형 수광 조자(110) 및 제 2 형 수광 소자(120)를 형성할 수 있다.
그리고, 반도체 기판(130) 내부의 제 1 형 수광 소자(110) 및 제 2 형 수광 소자(120)의 플러그(150)를 형성한다. 이러한 플러그(150)는 본 실시 예에 따른 이미지 센서는 빠른 속도로 이미지 신호를 읽어내기 위해 픽셀 트랜지스터(pixel transistor)가 없는 구조를 사용하기 때문에 픽셀마다 PDN 정션(junction)에 연결시켜주는 구조를 공통적으로 갖고 있다. 예컨대, 반도체 기판(130)이 P+ 도전형일 때에 N+ 이온을 주입하여 플러그(150)를 형성할 수 있다.
이후, 반도체 기판(130)의 상면에 컬러 필터(도시 생략됨) 및 마이크로 렌즈(도시 생략됨)를 차례로 형성하는 등의 후속 공정을 수행하여 이미지 센서를 완성할 수 있다.
이처럼 본 발명의 제 1 실시 예에서는 제 1 형 수광 소자(110)와 제 2 형 수광 소자(120)가 서로 다른 가로 길이를 가지도록 설계 및 제조함으로써, 인접하는 픽셀과의 물리적인 거리를 종래 기술보다 멀리할 수 있게 되어 이를 통해 크로스토크가 줄어든다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 나타낸 배치도와 이미지 센서의 B-B'가상라인 및 C-C'가상라인에 대한 단면도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이 이미지 센서는, 반도체 기판(130)과, 반도체 기판(130) 내부에 형성되어 픽셀 어레이를 형성하는 다수의 수광 소자(110, 120, 160)와, 다수의 수광 소자(110, 120, 160) 중에서 픽셀 어레이의 배열 방향으로 상호 인접한 수광 소자(110, 120) 간을 서로 분리시키는 다수의 소자 분리막(140)을 포함하며, 수광 소자(110, 120, 160)가 배열되어 형성되는 픽셀 어레이의 배열 방향을 가로 방향이라고 할 때에, 픽셀 어레이는 서로 다른 가로 길이를 가지는 제 1 형 수광 소자(110)와 제 2 형 수광 소자(120)가 교번으로 배열된다. 제 1 형 수광 소자(110)보다 제 2 형 수광 소자(120)의 가로 길이가 더 짧을 때에, 반도체 기판(130) 내의 제 2 형 수광 소자(120)의 하부에 배리드(buried) 수광 소자(160)가 배치된다.
여기서, 반도체 기판(130) 내부의 제 1 수광 소자(110) 및 제 2 수광 소자(120)의 상부에 형성된 플러그(150)를 더 포함할 수 있다.
수광 소자(110, 120, 160)의 깊이 방향과 픽셀 어레이의 배열 방향 및 수광 소자(110, 120, 160)의 세로 방향이 직각 좌표계를 형성할 때에, 제 2 형 수광 소자(120) 및 배리드 수광 소자(160)의 세로 길이는 제 1 형 수광 소자(110)의 세로 길이와 비교할 때에 동일하게 설계 및 제조한다.
제 1 형 수광 소자(110)의 표면적보다 제 2 형 수광 소자(120)의 표면적이 더 작기 때문에 제 1 형 수광 소자(110)의 광 감도보다 제 2 형 수광 소자(120)에 의한 광 감도 및 최대출력전압(saturation voltage)가 더 낮다. 이러한 광 감도 및 최대출력전압의 차이를 극복하기 위하여 배리드 수광 소자(160)를 추가적으로 배치한 것이며, 제 2 형 수광 소자(120) 및 배리드 수광 소자(160)의 감지 신호 값과 제 1 형 수광 소자(110)에 의한 감지 신호 값의 차이를 감소시킬 수 있다. 예컨대, 제 2 형 수광 소자(120) 및 배리드 수광 소자(160)의 감지 신호 값과 제 1 형 수광 소자(110)에 의한 감지 신호 값을 동일한 레벨로 조정할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 반도체 기판(130)의 내부에 활성 영역을 정의하는 다수의 소자 분리막(140)을 제 1 이격거리와 제 2 이격거리를 교번으로 가지도록 형성한다. 여기서, 제 1 이격거리는 이후 형성될 제 1 형 수광 소자(110)의 가로 길이를 결정하며, 제 2 이격거리는 이후 형성될 제 2 형 수광 소자(120)의 가로 길이를 결정한다.
소자 분리막(140)은 STI 공정 또는 LOCOS 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 예컨대, 식각 공정을 통해 트렌치를 형성한 후에 HDP 산화막 등의 절연물질로 매립하여 형성할 수 있다.
다음으로, 반도체 기판(130)의 내부에 소자 분리막(140)의 제 1 이격거리에 의한 가로 길이를 가지는 제 1 형 수광 소자(110)와 제 2 이격거리에 의한 가로 길이를 가지는 제 2 형 수광 소자(120)를 교번으로 배치한다. 그리고, 제 1 형 수광 소자(110)와 제 2 형 수광 소자(120) 중에서 가로 길이가 더 짧은 수광 소자의 하부에 배리드 수광 소자(160)를 형성한다. 예컨대, 제 1 형 수광 소자(110)보다 제 2 형 수광 소자(120)의 가로 길이가 더 짧을 때에, 반도체 기판(130) 내의 제 2 형 수광 소자(120)의 하부에 배리드 수광 소자(160)가 배치된다.
그러면, 복수의 제 1 형 수광 소자(110)와 제 2 형 수광 소자(120) 및 배리드 수광 소자(160)의 배열에 의한 픽셀 어레이가 형성된다. 예컨대, 반도체 기판(130)이 P+ 도전형일 때에 N+ 이온을 주입하여 제 1 형 수광 조자(110), 제 2 형 수광 소자(120) 및 배리드 수광 소자(160)를 형성할 수 있다.
그리고, 반도체 기판(130) 내부의 제 1 형 수광 소자(110) 및 제 2 형 수광 소자(120)의 플러그(150)를 형성한다. 이러한 플러그(150)는 본 실시 예에 따른 이미지 센서는 빠른 속도로 이미지 신호를 읽어내기 위해 픽셀 트랜지스터가 없는 구조를 사용하기 때문에 픽셀마다 PDN 정션에 연결시켜주는 구조를 공통적으로 갖고 있다. 예컨대, 반도체 기판(130)이 P+ 도전형일 때에 N+ 이온을 주입하여 플러그(150)를 형성할 수 있다.
이후, 반도체 기판(130)의 상면에 컬러 필터(도시 생략됨) 및 마이크로 렌즈(도시 생략됨)를 차례로 형성하는 등의 후속 공정을 수행하여 이미지 센서를 완성할 수 있다.
이처럼 본 발명의 제 2 실시 예에서는 제 1 형 수광 소자(110)와 제 2 형 수광 소자(120)가 서로 다른 가로 길이를 가지도록 설계 및 제조함으로써, 인접하는 픽셀과의 물리적인 거리를 종래 기술보다 멀리할 수 있게 되어 이를 통해 크로스토크가 줄어든다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 나타낸 배치도와 이미지 센서의 B-B'가상라인 및 C-C'가상라인에 대한 단면도이다.
도 4에 나타낸 바와 같이 이미지 센서는, 반도체 기판(130)과, 반도체 기판(130) 내부에 형성되어 픽셀 어레이를 형성하는 다수의 수광 소자(110, 160, 170)와, 다수의 수광 소자(110, 160, 170) 중에서 픽셀 어레이의 배열 방향으로 상호 인접한 수광 소자(110, 170) 간을 서로 분리시키는 다수의 소자 분리막(140)을 포함하며, 수광 소자(110, 160, 170)가 배열되어 형성되는 픽셀 어레이의 배열 방향을 가로 방향이라고 할 때에, 픽셀 어레이는 서로 다른 가로 길이를 가지는 제 1 형 수광 소자(110)와 제 2 형 수광 소자(170)가 교번으로 배열된다. 제 1 형 수광 소자(110)보다 제 2 형 수광 소자(170)의 가로 길이가 더 짧을 때에, 반도체 기판(130) 내의 제 2 형 수광 소자(170)의 하부에 배리드 수광 소자(160)가 배치된다.
여기서, 반도체 기판(130) 내부의 제 1 수광 소자(110) 및 제 2 수광 소자(170)의 상부에 형성된 플러그(150)를 더 포함할 수 있다.
수광 소자(110, 160, 170)의 깊이 방향과 픽셀 어레이의 배열 방향 및 수광 소자(110, 160, 170)의 세로 방향이 직각 좌표계를 형성할 때에, 제 2 형 수광 소자(170)의 세로 길이는 제 1 형 수광 소자(110)의 세로 길이와 비교할 때에 더 짧게 설계 및 제조하고, 배리드 수광 소자(160)의 세로 길이는 제 1 형 수광 소자(110)의 세로 길이와 비교할 때에 동일하게 설계 및 제조할 수 있다.
제 1 형 수광 소자(110)의 표면적보다 제 2 형 수광 소자(170)의 표면적이 더 작기 때문에 제 1 형 수광 소자(110)의 광 감도보다 제 2 형 수광 소자(170)에 의한 광 감도 및 최대출력전압이 더 낮다. 이러한 광 감도 및 최대출력전압의 차이를 극복하기 위하여 배리드 수광 소자(160)를 추가적으로 배치한 것이며, 제 2 형 수광 소자(170) 및 배리드 수광 소자(160)의 감지 신호 값과 제 1 형 수광 소자(110)에 의한 감지 신호 값의 차이를 감소시킬 수 있다. 예컨대, 제 2 형 수광 소자(120) 및 배리드 수광 소자(160)의 감지 신호 값과 제 1 형 수광 소자(110)에 의한 감지 신호 값을 동일한 레벨로 조정할 수 있다.
이러한 본 발명의 제 3 실시 예는 제 2 형 수광 소자(170)의 세로 길이를 자유로이 조절할 수 있다는 것을 나타낸 것이다. 즉 도 2에 나타낸 본 발명의 제 1 실시 예에서도 제 2 형 수광 소자(120)의 세로 길이를 제 1 형 수광 소자(110)의 세로 길이보다 더 짧게 설계 및 제조할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 반도체 기판(130)의 내부에 활성 영역을 정의하는 다수의 소자 분리막(140)을 제 1 이격거리와 제 2 이격거리를 교번으로 가지도록 형성한다. 여기서, 제 1 이격거리는 이후 형성될 제 1 형 수광 소자(110)의 가로 길이를 결정하며, 제 2 이격거리는 이후 형성될 제 2 형 수광 소자(170)의 가로 길이를 결정한다.
소자 분리막(140)은 STI 공정 또는 LOCOS 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 예컨대, 식각 공정을 통해 트렌치를 형성한 후에 HDP 산화막 등의 절연물질로 매립하여 형성할 수 있다.
다음으로, 반도체 기판(130)의 내부에 소자 분리막(140)의 제 1 이격거리에 의한 가로 길이를 가지는 제 1 형 수광 소자(110)와 제 2 이격거리에 의한 가로 길이를 가지는 제 2 형 수광 소자(170)를 교번으로 배치한다. 여기서, 수광 소자들(110, 160, 170)의 깊이 방향과 픽셀 어레이의 배열 방향 및 수광 소자들(110, 160, 170)의 세로 방향이 직각 좌표계를 형성할 때에, 제 2 형 수광 소자(170)의 세로 길이를 제 1 형 수광 소자(110)의 세로 길이와 비교할 때에 더 짧게 형성할 수 있다.
그리고, 제 1 형 수광 소자(110)와 제 2 형 수광 소자(170) 중에서 가로 길이가 더 짧은 수광 소자의 하부에 배리드 수광 소자(160)를 형성한다. 예컨대, 제 1 형 수광 소자(110)보다 제 2 형 수광 소자(170)의 가로 길이가 더 짧을 때에, 반도체 기판(130) 내의 제 2 형 수광 소자(170)의 하부에 배리드 수광 소자(160)가 배치된다.
그러면, 복수의 제 1 형 수광 소자(110)와 제 2 형 수광 소자(120) 및 배리드 수광 소자(160)의 배열에 의한 픽셀 어레이가 형성된다. 예컨대, 반도체 기판(130)이 P+ 도전형일 때에 N+ 이온을 주입하여 제 1 형 수광 조자(110), 제 2 형 수광 소자(170) 및 배리드 수광 소자(160)를 형성할 수 있다.
그리고, 반도체 기판(130) 내부의 제 1 형 수광 소자(110) 및 제 2 형 수광 소자(170)의 플러그(150)를 형성한다. 이러한 플러그(150)는 본 실시 예에 따른 이미지 센서는 빠른 속도로 이미지 신호를 읽어내기 위해 픽셀 트랜지스터가 없는 구조를 사용하기 때문에 픽셀마다 PDN 정션에 연결시켜주는 구조를 공통적으로 갖고 있다. 예컨대, 반도체 기판(130)이 P+ 도전형일 때에 N+ 이온을 주입하여 플러그(150)를 형성할 수 있다.
이후, 반도체 기판(130)의 상면에 컬러 필터(도시 생략됨) 및 마이크로 렌즈(도시 생략됨)를 차례로 형성하는 등의 후속 공정을 수행하여 이미지 센서를 완성할 수 있다.
이처럼 본 발명의 제 3 실시 예에서는 제 1 형 수광 소자(110)와 제 2 형 수광 소자(170)가 서로 다른 가로 길이를 가지도록 설계 및 제조함으로써, 인접하는 픽셀과의 물리적인 거리를 종래 기술보다 멀리할 수 있게 되어 이를 통해 크로스토크가 줄어든다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 제 1 형 수광 소자 120, 170 : 제 2 형 수광 소자
130 : 반도체 기판 140 : 소자 분리막
150 : 플러그 160 : 배리드 수광 소자
130 : 반도체 기판 140 : 소자 분리막
150 : 플러그 160 : 배리드 수광 소자
Claims (9)
- 반도체 기판과,
상기 반도체 기판의 내부에 서로 다른 제 1 이격거리와 제 2 이격거리를 교번으로 가지도록 형성되어 활성 영역을 정의하는 다수의 소자 분리막과,
상기 반도체 기판의 내부에 상기 제 1 이격거리에 의한 가로 길이를 가지도록 형성된 다수의 제 1 형 수광 소자와,
상기 반도체 기판의 내부에 상기 제 2 이격거리에 의한 가로 길이를 가지도록 형성되어 상기 제 1 형 수광 소자와 함께 픽셀 어레이를 형성하는 다수의 제 2 형 수광 소자와,
상기 반도체 기판 내의 상기 제 2 형 수광 소자의 하부에 형성된 배리드(buried) 수광 소자를 포함하며,
상기 제 1 형 수광 소자의 가로 길이보다 상기 제 2 형 수광 소자의 가로 길이가 더 짧은
이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 이미지 센서는, 상기 제 1 형 수광 소자 및 상기 제 2 형 수광 소자의 상부에 형성된 플러그를 더 포함하는
이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 이미지 센서는, 상기 제 1 형 수광 소자와 상기 제 2 형 수광 소자에 의한 감지 신호의 증폭률을 조절하여 신호 값의 차이를 감소시키는
이미지 센서.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 형 수광 소자 또는 상기 제 2 형 수광 소자의 깊이 방향, 상기 제 1 형 수광 소자 또는 상기 제 2 형 수광 소자의 가로 길이에 대응하는 가로 방향, 및 상기 제 1 형 수광 소자 또는 상기 제 2 형 수광 소자의 세로 방향이 형성하는 직각 좌표계에서, 상기 제 2 형 수광 소자의 세로 길이는 상기 제 1 형 수광 소자의 세로 길이와 비교하면 동일하거나 더 짧은
이미지 센서.
- 반도체 기판의 내부에 활성 영역을 정의하는 다수의 소자 분리막을 서로 다른 제 1 이격거리와 제 2 이격거리를 교번으로 가지도록 형성하는 단계와,
상기 반도체 기판의 내부에 상기 제 1 이격거리에 의한 가로 길이를 가지는 제 1 형 수광 소자와 상기 제 2 이격거리에 의한 가로 길이를 가지는 제 2 형 수광 소자를 교번으로 배치하여, 복수의 상기 제 1 형 수광 소자 및 상기 제 2 형 수광 소자의 배열에 의한 픽셀 어레이를 형성하는 단계와,
상기 반도체 기판 내의 상기 제 2 형 수광 소자의 하부에 배리드(buried) 수광 소자를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 제 1 형 수광 소자의 가로 길이보다 상기 제 2 형 수광 소자의 가로 길이가 더 짧은
이미지 센서의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 이미지 센서의 제조 방법은, 상기 픽셀 어레이를 형성한 후에 상기 제 1 형 수광 소자 및 상기 제 2 형 수광 소자의 상부에 플러그를 형성하는 단계를 더 포함하는
이미지 센서의 제조 방법.
- 삭제
- 제 6 항에 있어서,
상기 픽셀 어레이를 형성하는 단계는, 상기 제 1 형 수광 소자 또는 상기 제 2 형 수광 소자의 깊이 방향, 상기 제 1 형 수광 소자 또는 상기 제 2 형 수광 소자의 가로 길이에 대응하는 가로 방향, 및 상기 제 1 형 수광 소자 또는 상기 제 2 형 수광 소자의 세로 방향이 형성하는 직각 좌표계에서, 상기 제 2 형 수광 소자의 세로 길이를 상기 제 1 형 수광 소자의 세로 길이와 비교하면 동일하거나 더 짧게 형성하는
이미지 센서의 제조 방법.
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