KR101807834B1 - 매립 차광부 및 수직 게이트를 구비한 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서의 픽셀은 하나의 기판에 배치된 광검출기 및 저장 영역, 또는 하나의 기판에 배치된 광검출기 및 다른 기판에 배치된 저장 영역을 포함할 수 있다. 광검출기와 저장 영역 사이에 매립 차광부가 배치된다. 플로팅 확산과 같이, 감지 영역이 저장 영역에 인접하여서, 매립 차광부가 광검출기와 저장 및 감지 영역 사이에 배치될 수 있다. 광검출기와 저장 영역이 별개의 기판에 배치된 경우, 수직 게이트가 매립 차광부를 관통하여 형성되어 광검출기로부터 저장 영역으로 전하 전달을 개시하는 데 사용될 수 있다. 수직 게이트에 인접하게 또는 주위에 형성된 전달 채널은 전하가 광검출기에서 저장 영역으로 전달되는 채널을 제공한다.

Description

매립 차광부 및 수직 게이트를 구비한 이미지 센서{IMAGE SENSOR WITH BURIED LIGHT SHIELD AND VERTICAL GATE}
관련 출원 상호 참조
본 특허 협력 조약 출원은 2013년 8월 5일 출원되고, 발명의 명칭이 "매립 차광부 및 수직 게이트를 구비한 이미지 센서(Image Sensor with Buried Light Shield and Vertical Gate)"인, 미국 가출원 제13/959,362호에 관하여 우선권을 주장하고, 상기 출원의 내용이 본 명세서에 전체적으로 참조로서 포함된다.
본 발명은 일반적으로 전자 디바이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자 디바이스용 이미지 센서에 관한 것이다.
카메라 및 기타 녹화 디바이스는 종종 하나 이상의 이미지 센서, 예컨대 전하결합 디바이스(CCD) 이미지 센서 또는 상보적 금속-산화물-반도체(CMOS) 이미지 센서를 이용하여 이미지를 획득한다. 광을 전기 신호로 변환함으로써 이미지가 획득된다. 광검출기들의 어레이는 광이 광검출기에 충돌하는 것에 응답하여 광 발생 전하(예를 들어, 전자)를 축적한다. 각각의 광검출기에 의해 축적된 전하량은 그 광검출기에 의해 수광된 광의 세기를 나타낸다. 모든 광검출기들에 축적된 전하는 집합적으로 이미지를 형성한다.
CMOS 이미지 센서는 전면조사형(FSI) 또는 후면조사형(BSI) 이미지 센서로서 구성될 수 있다. FSI 이미지 센서는 광검출기들의 어레이를 포함하는 기판 위에 하나 이상의 패터닝된 금속층을 위치시킨다. 금속층은 픽셀 내의 다양한 전기 컴포넌트들을 어레이의 외측에 위치한 동작 및 전력 공급 회로에 연결하는 신호 라인들을 포함한다. 그러나, FSI 구성은 광이 광검출기에 검출되기 전에 광이 금속층을 먼저 통과해야 한다는 것을 의미한다. 금속층은 광이 금속층을 통과하는 동안 광의 일부를 반사함으로써 광 투과를 방해할 수 있고, 이는 광검출기에 의해 검출되는 광의 양을 감소시킬 수 있다.
BSI 이미지 센서는 금속층과 광검출기들의 어레이를 포함하는 기판을 뒤집어서 광검출기들의 어레이가 금속층 위에 위치하도록 한다. 광은 금속층을 통과할 필요 없이 광검출기에 의해 수광된다. 광검출기가 더 많은 입사광을 검출할 수 있기 때문에 BSI 이미지 센서를 이용하면 화질이 개선될 수 있다.
롤링 셔터와 글로벌 셔터는 이미지 센서가 이미지를 획득하는 데 사용되는 상이한 두 가지 방법이다. 롤링 셔터를 이용하면, 이미지 센서 내의 모든 광검출기들이 이미지를 동시에 획득하지 않는다. 대신, 이미지 센서의 다른 부분들이 시간상 다른 시점에서 이미지를 획득한다. 예를 들어, 일 행의 모든 광검출기들은 이미지를 획득하기 위하여 동일한 기간동안 전하를 축적할 수 있지만, 각각의 행에 대한 축적 기간은 약간 상이한 시간에 시작하고 종료한다. 예를 들어, 광검출기들의 최상위 행은 전하 축적을 시작하고 종료하는 첫 행일 수 있고, 광검출기들의 후속 행은 각각 시작 및 종료 시간이 약간 지연된다. 롤링 셔터를 이용하여 획득되는 이미지들은, 광검출기들의 행들이 약간 상이한 시간에 이미지를 획득하기 때문에, 흔들림(wobble), 기울어짐(skew), 및 부분 노출과 같은 모션 결함을 겪을 수 있다.
글로벌 셔터를 이용하면, 모든 픽셀들이 동일한 시간에 전하를 축적한다. 글로벌 셔터 동작 중에, 광검출기들에 축적된 전하는 이미지 센서로부터 판독되기 전에 픽셀 내에 위치한 저장 영역으로 동시에 이송된다. 통상적으로, 전하는 한번에 한 행씩 픽셀들로부터 판독된다. 저장 영역들에 전하를 그런 방식으로 저장함으로써, 저장 영역들에 있는 전하가 이미지 센서로부터 판독되는 동안 광검출기들은 다음 이미지 획득을 시작할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 후면조사형 CMOS 글로벌 셔터 이미지 센서의 단순화된 픽셀을 도시한다. 픽셀(100)은 광검출기(104) 및 저장 영역(106)을 포함하는 감지층(102)을 포함한다. 금속층(108)은 캐리어 웨이퍼(110)와 감지층(102) 사이에 위치한다. 금속층(108)의 신호 라인들은 유전 재료 내에 형성되어 신호 라인들이 서로 전기적으로 분리되도록 한다. 마이크로렌즈(116)는 광검출기(104) 상에 광(118)을 집중시킨다. 층(112)의 차광부(114)는 광(118)으로부터 저장 영역(106)을 가리도록 위치하여 저장 영역(106)의 전하 축적을 방지한다. 그러나, 저장 영역(106)과 차광부(114) 사이의 거리는 2 내지 3 마이크로미터 이상일 수 있다. 이 거리는 특정 각도에서 오는 광이 계속 저장 영역과 충돌하여 원하지 않는 전하가 저장 영역(106)에 축적되도록 할 수 있다는 것을 의미한다. 글로벌 셔터 동작 중에 광검출기(104) 내의 축적된 광 발생 전하가 저장 영역(106)으로 전달되면, 이 원하지 않는 전하가 광 발생 전하에 추가된다. 원하지 않는 전하가 추가되면, 이미지 결함들을 일으킬 수 있고, 이미지화된 장면의 부정확한 이미지 획득 또는 표현을 일으킬 수 있다.
일 양태에서, 이미지 센서 내의 적어도 하나의 픽셀은 기판의 제1 표면에 인접하게 기판에 배치되는 광검출기, 및 기판의 제2 표면에 인접하게 기판에 배치되는 저장 영역을 포함할 수 있다. 제2 표면은 제1 표면의 반대편일 수 있다. 예를 들어, 제1 표면은 기판의 후방 표면일 수 있고 제2 표면은 기판의 전방 표면일 수 있다. 광검출기와 저장 영역 사이에 매립 차광부가 배치된다. 플로팅 확산과 같이, 감지 영역이 저장 영역에 인접하고, 매립 차광부가 광검출기와 저장 및 감지 영역 사이에 배치되도록 할 수 있다.
다른 양태에서, 이미지 센서의 픽셀을 만들기 위한 방법은 제1 기판의 제1 표면에 인접하게 제1 기판에 광검출기를 제공하는 단계 및 제2 기판의 제2 표면에 인접하게 제2 기판에 저장 영역을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 제2 표면은 제1 표면의 반대편일 수 있는 표면이다. 예를 들어, 제1 표면은 제1 기판의 후방 표면일 수 있고, 제2 표면은 제2 기판의 전방 표면일 수 있다. 제1 기판과 제2 기판 사이에 매립 차광부가 제공된다.
다른 양태에서, 후면조사형 이미지 센서의 픽셀을 제조하기 위한 방법은 제1 기판의 전방 표면 위에 매립 차광부를 형성하는 단계 및 매립 차광부의 전방 표면에 제2 기판을 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 제1 트렌치가 제2 기판 및 매립 차광부를 관통해 형성된다. 에피택셜층이 제1 트렌치 내에 형성된다. 이어서 제2 트렌치가 에피택셜층을 관통하도록 형성되어 제1 트렌치의 측벽들을 따라 에피택셜 재료로 된 전달 채널을 만든다. 제2 트렌치는 전도성 재료로 충전되고 전도성 게이트가 충전된 트렌치 위에 형성된다. 충전된 트렌치 및 전도성 게이트는 픽셀에서 수직 게이트를 형성한다. 광검출기가 제1 반도체 기판에 형성되고 저장 영역이 제2 반도체 기판에 형성된다. 에피택셜 재료로 된 전달 채널은 전하가 광검출기로부터 저장 영역으로 전달되는 채널을 제공한다.
또 다른 양태에서, 기판에 매립 차광부를 형성하기 위한 방법은 기판에 주입 영역을 형성하는 단계 및 주입 영역에 이르는 트렌치를 기판에 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 트렌치를 통해 주입 영역을 제거함으로써 기판에 보이드를 형성한다. 보이드는 재료로 충전되어 재료 충전된 보이드의 광 투과를 방지하도록 한다. 예를 들어, 보이드는 광 반사 재료 또는 광 흡수 재료로 충전될 수 있다.
또 다른 양태에서, 후면조사형 이미지 센서의 적어도 하나의 픽셀은 제1 기판에 배치된 광 파이프의 제1 스테이지 및 제2 기판에 배치된 광검출기를 포함할 수 있다. 광검출기는 광 파이프의 제2 스테이지일 수 있다. 저장 영역 또한 제2 기판에 배치된다. 저장 노드가 제2 기판의 전방 표면에 인접하게 배치될 수 있다. 광 파이프의 제1 스테이지는 저장 영역이 아닌, 광검출기로 광을 향하게 한다.
본 발명의 실시예들은 다음의 도면들을 참조하면 더 쉽게 이해된다. 도면의 구성요소들은 반드시 서로에 대하여 크기 설정되는 것은 아니다. 도면들에 공통적인 동일한 특징부들을 지칭하기 위하여, 가능한 동일한 참조 번호를 사용하였다.
도 1은 종래 기술에 따른 후면조사형 이미지 센서의 단순화된 픽셀을 도시한다.
도 2a는 하나 이상의 카메라를 포함하는 전자 디바이스의 전면 사시도를 도시한다.
도 2b는 도 2a의 전자 디바이스의 후방 사시도를 도시한다.
도 3은 도 2의 전자 디바이스의 단순화된 블록 다이어그램을 도시한다.
도 4는 도 2a의 선(4-4)을 따라 취해진 전자 디바이스(200)의 단면도를 도시한다.
도 5는 이미지 센서(302)로서 사용하는 데 적합한 일 예의 이미지 센서의 단순화된 블록 다이어그램을 도시한다.
도 6은 후면조사형 이미지 센서에 사용하는 데 적합한 일 예의 글로벌 셔터 픽셀의 단순화된 개략도를 도시한다.
도 7은 후면조사형 이미지 센서에 사용하는 데 적합한 매립 차광부를 구비한 글로벌 셔터 픽셀의 단순화된 예를 도시한다.
도 8 내지 도 28은 도 7에 도시된 픽셀(700)을 포함하는 후면조사형 이미지 센서를 제조하는 예시 방법을 도시한다.
도 29는 후면조사형 이미지 센서에 사용하는 데 적합한 매립 차광부를 구비한 글로벌 셔터 픽셀의 다른 예를 도시한다.
도 30 내지 도 33은 도 29에 도시된 매립 차광부(2912)를 제조하는 예시 방법을 도시한다.
도 34는 후면조사형 이미지 센서에 사용하는 데 적합한 매립 차광부를 구비한 글로벌 셔터 픽셀의 다른 예를 도시한다.
본 명세서에 설명한 실시예들은 저장 영역을 가리기 위하여 적어도 하나의 픽셀에서 매립 차광부를 포함하는 글로벌 셔터 이미지 센서를 포함한다. 일 실시예에서, 저장 영역은 기판의 일 표면에 인접하게 기판에 배치되는 반면, 광검출기는 기판의 반대 표면에 인접하게 기판에 배치된다. 매립 차광부는 광검출기와 저장 영역 사이에 배치된다.
다른 실시예에서, 광검출기는 제1 기판의 제1 표면에 인접하게 배치되는 반면, 저장 영역은 제2 별도의 기판의 제2 표면에 인접한다. 제2 표면은 제1 표면에 반대편의 표면이다. 예를 들어, 제1 표면은 제1 기판의 후방 표면일 수 있고 제2 표면은 제2 기판의 전방 표면일 수 있다. 매립 차광부는 제1 및 제2 기판 사이에 배치되어 매립 차광부가 광검출기와 저장 영역 사이에 위치하도록 한다. 제2 기판 및 매립 차광부를 관통하여, 광검출기를 포함하는 제1 기판에 이르는 수직 게이트가 형성된다. 수직 게이트에 인접하게, 또는 그 둘레에 형성되는 전달 채널은 전하가 제1 기판의 광검출기로부터 제2 기판의 저장 영역으로 전달되는 채널을 제공한다.
일부 실시예들에서 광 파이프를 이용하여 광 파이프 광검출기로 광을 안내할 수 있다. 개구를 갖는 매립 차광부가 기판에 형성될 수 있다. 광 파이프는 기판의 후방에 인접하고 매립 차광부에 있는 개구를 통해 연장될 수 있다. 광 파이프 광검출기는 광 파이프와 작동가능하게 연결될 수 있다. 광 파이프 광검출기는 광-파이프 광검출기의 작은 영역으로 광을 제한하기 위하여 굴절률이 낮은 재료로 형성될 수 있다. 저장 영역은 광검출기들에 인접하게 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 저장 영역은 기판의 전방 표면에 인접하게 광검출기에서 형성된다.
방향을 나타내는 용어, 예컨대 "상부", "하부", "전방", "후방", "선두", "후미" 등은 설명하고 있는 도면들의 배향에 대한 참조에 사용된다. 다양한 실시예들에서 컴포넌트들이 다수의 상이한 배향으로 위치할 수 있기 때문에, 방향 용어는 단지 설명을 위한 목적으로 사용될 뿐, 결코 한정하는 것이 아니다. 이미지 센서 웨이퍼, 이미지 센서 다이, 또는 대응하는 이미지 센서의 층들과 함께 사용될 때, 방향 용어는 넓게 이해되도록 의도되고, 따라서 하나 이상의 개재된 층 또는 기타 개재된 이미지 센서 특징부 또는 구성요소들의 존재를 배제하도록 해석되어서는 안된다. 따라서, 주어진 층이 다른 층 상에 형성, 다른 층 위에 형성, 다른 층 상에 배치, 또는 다른 층 위에 배치하는 것으로 본 명세서에서 설명하는 경우, 하나 이상의 추가적인 층에 의해 후자 층으로부터 구분될 수 있다.
이제 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 하나 이상의 카메라를 포함하는 전자 디바이스의 전방 및 후방 사시도가 도시되어 있다. 전자 디바이스(200)는 제1 카메라(202), 제2 카메라(204), 인클로저(206), 디스플레이(210), 입력/출력(I/O) 부재(208), 및 플래시(212) 또는 카메라 또는 카메라들을 위한 광원을 포함한다. 전자 디바이스(200) 또한 컴퓨팅 또는 전자 디바이스를 대표하는 하나 이상의 내부 컴포넌트(도시되지 않음), 예를 들어, 하나 이상의 프로세서, 메모리 컴포넌트, 네트워크 인터페이스 등을 포함할 수 있다.
도시된 실시예에서, 전자 디바이스(200)는 스마트 전화기로서 구현된다. 그러나, 다른 실시예들은 이러한 구조에 한정되지 않는다. 넷북 또는 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 디지털 카메라, 프린터, 스캐너, 비디오 리코더, 및 복사기를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다른 유형의 컴퓨팅 또는 전자 디바이스들은 하나 이상의 카메라를 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 인클로저(206)는 외측 표면 또는 부분적 외측 표면 및 전자 디바이스(206)의 내부 컴포넌트들을 위한 보호 케이스를 형성할 수 있고, 적어도 부분적으로 디스플레이(210)를 둘러쌀 수 있다. 인클로저(206)는 전면 부품 및 후면 부품과 같이 서로 작동가능하게 연결되는 하나 이상의 컴포넌트로 형성될 수 있다. 대안적으로, 인클로저(206)는 디스플레이(210)에 작동가능하게 연결된 단일 부품으로 형성될 수 있다.
I/O 부재(208)는 임의의 유형의 입력 또는 출력 부재를 이용하여 구현될 수 있다. 단지 예를 들어, I/O 부재(208)는 스위치, 버튼, 용량성 센서, 또는 기타 입력 메커니즘일 수 있다. I/O 부재(208)를 통해 사용자는 전자 디바이스(200)와 상호작용할 수 있다. 예를 들어, I/O 부재(208)는 음량의 변경, 홈 화면 복귀 등을 위한 버튼 또는 스위치일 수 있다. 전자 디바이스는 하나 이상의 입력 부재 또는 출력 부재를 포함할 수 있고, 각각의 부재는 단일 I/O 기능 또는 다중 I/O 기능들을 가질 수 있다.
디스플레이(210)는 전자 디바이스(200)에 작동가능하게 또는 통신가능하게 연결될 수 있다. 디스플레이(210)는 임의의 유형의 적절한 디스플레이, 예컨대 레티나 디스플레이 또는 능동 매트릭스 컬러 액정 디스플레이를 이용하여 구현될 수 있다. 디스플레이(210)는 전자 디바이스(200)에 시각적 출력을 제공하거나, 전자 디바이스에 대한 사용자 입력을 수신하도록 기능할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이(210)는 하나 이상의 사용자 입력을 검출할 수 있는 멀티 터치 용량성 감지 터치스크린일 수 있다.
전자 디바이스(200)는 또한 다수의 내부 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 도 3은 전자 디바이스(200)의 일 예의 단순화된 블록 다이어그램을 도시한다. 전자 디바이스는 하나 이상의 프로세서(300), 저장 또는 메모리 컴포넌트(302)들, 입력/출력 인터페이스(304), 전원(306)들, 및 센서(308)들을 포함할 수 있고, 각각 아래에서 순서대로 논의될 것이다.
하나 이상의 프로세서(300)는 전자 디바이스(200)의 일부 또는 전체 동작들을 제어할 수 있다. 프로세서(300)(들)는 실질적으로 전자 디바이스(200)의 모든 컴포넌트들과 직접 또는 간접적으로 통신할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 시스템 버스(310) 또는 기타 통신 메커니즘은 프로세서(300)(들), 카메라(202, 204), 디스플레이(210), I/O 부재(304), 또는 센서(308)들 사이에 통신을 제공할 수 있다. 프로세서(300)(들)는 데이터 또는 명령어들을 처리, 수신, 또는 전송할 수 있는 임의의 전자 디바이스로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서(300)는 마이크로프로세서, 중앙 처리 유닛(CPU), 주문형 집적 회로(ASIC), 디지털 신호 프로세서(DSP), 또는 이러한 여러 디바이스들의 조합일 수 있다. 본 명세서에서 설명한 바와 같이, 용어 "프로세서"는 단일 프로세서 또는 프로세싱 유닛, 멀티 프로세서, 멀티 프로세싱 유닛, 또는 기타 적절하게 구성된 컴퓨팅 요소 또는 요소들을 포함하는 것으로 여겨진다.
메모리(302)는 전자 디바이스(200)에 의해 사용될 수 있는 전자 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(302)는 예를 들어, 오디오 파일, 문서 파일, 타이밍 신호, 및 이미지 데이터와 같은 전자 데이터 또는 콘텐츠를 저장할 수 있다. 메모리(302)는 임의의 유형의 메모리로서 구성될 수 있다. 단지 예를 들어, 메모리(302)는 랜덤 액세스 메모리, 판독 전용 메모리, 플래시 메모리, 탈착가능 메모리, 또는 기타 유형의 저장 소자로서, 임의의 조합으로 구현될 수 있다.
입력/출력 인터페이스(304)는 사용자 또는 하나 이상의 다른 전자 디바이스로부터 데이터를 수신할 수 있다. 추가적으로, 입력/출력 인터페이스(304)는 사용자 또는 다른 전자 디바이스로의 데이터의 송신을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 전자 디바이스(200)가 스마트 전화기인 실시예들에서, 입력/출력 인터페이스(304)는 네트워크로부터 데이터를 수신하거나, 무선 또는 유선 연결을 통해 전자 신호들을 송신 및 전송할 수 있다. 무선 및 유선 연결의 예들은 셀룰러, WiFi, 블루투스, 및 이더넷을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 하나 이상의 실시예에서, 입력/출력 인터페이스(304)는 네트워크 또는 통신 메커니즘들을 지원한다. 예를 들어, 입력/출력 인터페이스(304)는 WiFi 또는 기타 유선 또는 무선 연결로부터 신호를 수신하는 동시에, 다른 디바이스에 신호를 전송하기 위하여 블루투스 네트워크를 통해 다른 디바이스와 패어링할 수 있다.
전원(306)은 전자 디바이스(200)에 에너지를 제공할 수 있는 임의의 디바이스를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 전원(306)은 배터리 또는 전자 디바이스(200)를 벽면 콘센트와 같은 다른 전원에 연결하는 연결 케이블일 수 있다.
센서(308)들은 임의의 유형의 센서들을 이용하여 구현될 수 있다. 센서들의 예로는 오디오 센서(예를 들어, 마이크로폰), 광 센서(예를 들어, 주변 광 센서), 자이로스코프, 및 가속도계를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 센서(308)들을 이용하여 프로세서(300)에 데이터를 제공할 수 있고, 이를 이용하여 전자 디바이스의 기능들을 강화 또는 다양하게 할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 바와 같이, 전자 디바이스(200)는 하나 이상의 카메라(202, 204) 및 선택적으로 플래시(212) 또는 카메라 또는 카메라들을 위한 광원을 포함한다. 도 4는 도 2a의 선(4-4)를 따라 취해진 카메라(202)의 단순화된 단면도이다. 도 4는 제1 카메라(202)를 도시하지만, 통상의 기술자들은 제2 카메라(204)가 실질적으로 제1 카메라(202)와 유사할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 일부 실시예들에서, 하나의 카메라는 글로벌 셔터 구성 이미지 센서를 포함할 수 있고, 하나의 카메라는 롤링 셔터 구성 이미지 센서를 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 하나의 카메라는 다른 카메라의 이미지 센서보다 해상도가 더 높은 이미지 센서를 포함할 수 있다.
카메라(202, 204)는 이미지 센서(402)와 광학적으로 연결된 이미징 스테이지(400)를 포함한다. 이미징 스테이지(400)는 인클로저(206)에 작동가능하게 연결되고 이미지 센서(402)의 전면에 위치한다. 이미징 스테이지(400)는 렌즈, 필터, 조리개, 및 셔터와 같은 종래의 구성요소들을 포함할 수 있다. 이미징 스테이지(400)는 시야 내에서 이미지 센서(402) 상으로 광(404)을 안내, 집중 또는 전송한다. 이미지 센서(402)는 입사광을 전기 신호로 변환함으로써 대상 장면의 하나 이상의 이미지를 획득한다.
이미지 센서(402)는 지지 구조체(406)에 의해 지지된다. 지지 구조체(406)는 실리콘, SOI(silicon-on-insulator) 기술, SOS(silicon-on-sapphire) 기술, 도핑 및 비-도핑 반도체, 반도체 기판 상에 형성된 에피택셜층, 반도체 기판의 웰 영역 또는 매립층, 및 기타 반도체 구조를 포함하는 반도체 기반 재료일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
이미징 스테이지(400) 또는 이미지 센서(402)의 다양한 구성요소들은 도 3의 프로세서(300)와 같은 프로세서 또는 메모리로부터 공급되는 타이밍 신호 또는 기타 신호들에 의해 제어될 수 있다. 이미징 스테이지(400)의 일부 또는 전체 구성요소들은 단일 컴포넌트에 집적될 수 있다. 추가적으로, 이미징 스테이지(400)의 일부 또는 전체 구성요소들은 이미지 센서(402), 및 가능한 경우 전자 디바이스(200)의 하나 이상의 추가 구성요소와 통합되어 카메라 모듈을 형성할 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 프로세서 또는 메모리는 이미지 센서(402)와 통합될 수 있다.
도 5를 참조하면, 이미지 센서(402)로서 사용하는 데 적합한 이미지 센서의 일 예의 평면도가 도시되고 있다. 이미지 센서(500)는 이미지 프로세서(502) 및 이미징 영역(504)을 포함할 수 있다. 이미징 영역(504)은 픽셀(506)들을 포함하는 픽셀 어레이로서 구현된다. 도시된 실시예에서, 픽셀 어레이는 행 및 열 배열로 구성된다. 그러나, 다른 실시예들은 이러한 구성에 한정되지 않는다. 픽셀 어레이의 픽셀들은 임의의 적절한 구성, 예를 들어, 육각형 구성과 같이 배열될 수 있다.
이미징 영역(504)은 하나 이상의 열 라인(510)을 통해 열 선택(508)과 연결되고 하나 이상의 행 라인(514)을 통해 행 선택(512)과 연결될 수 있다. 단지 예를 들어, 행 선택(512)은 각각의 픽셀(506)에 대한 행 선택 신호, 전달 신호, 및 글로벌 셔터 신호를 만드는 회로를 포함할 수 있다. 행 선택 신호, 전달 신호, 및 글로벌 셔터 신호는 각각의 픽셀에 연결되는 하나 이상의 행 라인을 이용하여 각각의 픽셀에 전송될 수 있다. 행 선택 신호는 선택적으로 특정 픽셀(506) 또는 픽셀들의 그룹, 예컨대 특정 행의 모든 픽셀(506)들을 활성화한다. 열 선택(508)은 선택적으로 선택 픽셀(506)들 또는 픽셀들의 그룹들(예를 들어, 특정 열의 모든 픽셀들)로부터 데이터 출력을 수신한다.
행 선택(512) 및/또는 열 선택(508)은 이미지 프로세서(502)와 연결될 수 있다. 이미지 프로세서(502)는 픽셀(506)들의 데이터를 처리하고, 그 데이터를 프로세서(300) 및/또는 전자 디바이스(200)의 다른 컴포넌트들에 제공할 수 있다. 주의할 점은, 일부 실시예들에서, 이미지 프로세서(502)가 프로세서(300)에 통합되거나 또는 그것과 별개일 수 있다는 것이다.
이전에 논의한 바와 같이, 이미지 센서는 글로벌 셔터를 이용하여 이미지를 획득할 수 있다. 통상적으로, 픽셀들은 픽셀 내의 임의의 잔여 전하를 제거하기 위하여 통합(즉, 전하 축적) 전에 리셋된다. 통합 기간동안, 모든 픽셀들에 대하여 정확히 동일한 시간에 광 채집이 시작되고 종료한다. 통합 기간의 마지막에, 모든 전하들은 동시에 이미지 센서 내의 차광된 저장 영역들로 전달된다. 차광부는 통합 기간중에 원하지 않는 전하가 저장 영역에 축정되는 것을 방지하고, 또한 판독 처리중에 전하의 축적을 방지할 수 있다.
도 6은 후면조사형 이미지 센서에 사용하는 데 적합한 일 예의 글로벌 셔터 픽셀의 단순화된 개략도를 도시한다. 픽셀(600)은 광검출기(602), 제1 전달 트랜지스터(604), 저장 영역(606), 제2 전달 트랜지스터(608), 감지 영역(610), 리셋(RST) 트랜지스터(612), 판독 트랜지스터(614), 행 선택(RS) 트랜지스터(616), 및 블루밍 방지(anti-blooming) 트랜지스터(618)를 포함할 수 있다. 저장 영역(606) 및 감지 영역(610)은 도시된 실시예에서 커패시터로서 표현되는데, 그 이유는 저장 영역(606) 및 감지 영역(610)은 각각 일시적으로 광검출기(602)로부터 수용한 전하를 저장할 수 있기 때문이다. 아래에 설명하는 바와 같이, 전하가 광검출기(602)로부터 전달된 이후, 전하는 제2 전달 트랜지스터(608)의 게이트에 펄스를 주기 전까지 저장 영역(606)에 저장될 수 있다.
제1 전달 트랜지스터(604)의 하나의 단자는 광검출기(602)에 연결되는 반면, 나머지 단자는 제2 전달 트랜지스터(608)의 하나의 단자 및 저장 영역(606)에 연결된다. 제2 전달 트랜지스터(608)의 나머지 단자는 감지 영역(610), 리셋 트랜지스터(612)의 단자, 및 판독 트랜지스터(614)의 게이트에 연결된다. 리셋 트랜지스터(612)의 나머지 단자 및 판독 트랜지스터(614)의 하나의 단자는 공급 전압(VDD)에 연결된다. 판독 트랜지스터(614)의 나머지 단자는 행 선택 트랜지스터(616)의 단자에 연결된다. 행 선택 트랜지스터(616)의 나머지 단자는 출력 라인(510)에 연결된다. 블루밍 방지 트랜지스터(618)의 하나의 단자는 광검출기(602)에 연결되는 반면, 나머지 단자는 공급 전압(VDD)에 연결된다.
단지 예를 들어, 일 실시예에서 광검출기(602)는 광다이오드 또는 핀드 광다이오드(pinned photodiode)로서 구현되고, 감지 영역(606)은 플로팅 확산으로서 구현되고, 판독 트랜지스터(614)는 소스 팔로워 트랜지스터로서 구현된다. 광검출기(602)는 전자 기반 광다이오드 또는 홀 기반 광다이오드일 수 있다. 주의할 점은 용어 광검출기는 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 실질적으로 임의의 유형의 광자 또는 광 검출 컴포넌트, 예컨대 광다이오드, 핀드 광다이오드, 광게이트, 또는 기타 광자 감지 영역을 포함하는 것으로 여겨진다는 것이다. 추가적으로, 용어 저장 영역 및 감지 영역은 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 실질적으로 임의의 유형의 전하 저장 영역을 포함하는 것으로 여겨진다.
통상의 기술자들은 픽셀(600)이 다른 실시예들에서 추가적인 또는 상이한 컴포넌트들을 이용하여 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 픽셀을 선택하는 데 행 선택 트랜지스터가 생략되고 펄스형 전력 공급 모드가 사용할 수 있고, 감지 영역은 다수의 광검출기들 및 전달 트랜지스터들에 의해 공유되거나, 또는 리셋 및 판독 트랜지스터들은 다수의 광검출기들, 전달 게이트, 및 감지 영역에 의해 공유될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 블루밍 방지 트랜지스터는 다른 실시예들에서 픽셀에서 생략될 수 있다.
이미지가 획득될 때, 픽셀 어레이의 모든 픽셀들에 대한 통합 기간이 시작되고, 광검출기(602)들은 입사광에 응답하여 광 발생 전하를 축적한다. 통합 기간이 종료되면, 이미지 센서 내의 모든 광검출기(602)들의 축적된 전하는 글로벌 셔터 신호(GS)를 이용하여 제1 전달 트랜지스터(604)들의 게이트에 펄스를 가함으로써 각각의 저장 영역(606)으로 동시에 전달된다. 이어서 광검출기(602)들은 다른 이미지를 획득하기 위하여 전하 축적을 시작할 수 있다. 전하가 픽셀로부터 판독될 때, 저장 영역(606)의 전하는 전달 신호(TX)를 이용하여 선택적으로 제2 전달 트랜지스터(608)의 게이트에 펄스를 가함으로써 감지 영역(610)으로 전달될 수 있다.
통상적으로, 리셋 트랜지스터(612)를 이용하여 저장 영역(606)에서 감지 영역(610)으로 전하를 전달하기 전에 감지 영역(610) 상의 전압을 미리 결정된 레벨까지 리셋할 수 있다. 전하가 픽셀로부터 판독될 때, 행 선택 트랜지스터의 게이트는 판독을 위하여 픽셀(또는 픽셀들의 행)을 선택하기 위하여 각각의 행 선택 라인(514)을 통해 펄스를 가한다. 판독 트랜지스터(614)는 감지 영역(610) 상의 전압을 감지하고, 행 선택 트랜지스터(616)는 전압을 출력 라인(510)에 전송한다. 출력 라인(510)은 출력 라인(510) 및 열 선택(508)을 통해 판독 회로 및(선택적으로 이미지 프로세서)에 연결된다.
통상적으로, 광검출기(602)는 자체적으로 축적할 수 있는 전하량에 한계가 있다. 광검출기는 축적된 전하량이 한계 또는 용량에 도달하면 포화된다. 포화 이후에 축적되는 임의의 추가적인 전하는 광검출기를 넘쳐 인접한 광검출기들로 들어갈 수 있다. 이러한 광검출기를 넘치는 초과 전하는 블루밍으로 알려져 있다. 블루밍 방지 트랜지스터(618)는 초과 전하가 광검출기(602)로부터 배출되도록 함으로써 블루밍을 방지할 수 있다. 블루밍 방지 트랜지스터(618)의 게이트에 선택적으로 펄스를 가하여 블루밍 방지 트랜지스터(618)를 인에이블 또는 턴 온(turn on)시키고, 초과 전하가 광검출기(602)에서 배출되는 전기적 경로를 제공할 수 있다. 블루밍 방지 게이트는 또한 일부 실시예들에서 광검출기 리셋 트랜지스터로서 기능할 수 있다. 광검출기(602)는 이미지 획득 전에 알려진 잠재 상태로 리셋될 수 있다.
일부 실시예들에서, 이미지 획득 디바이스, 예컨대 카메라는 렌즈 위에 셔터를 포함하지 않을 수 있어서, 이미지 센서가 항상 광에 노출될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 광검출기들은 원하는 이미지가 획득되기 전에 리셋 또는 공핍되어야 할 수 있다. 광검출기들의 전하가 공핍되면, 제1 및 제2 전달 트랜지스터들의 게이트 및 리셋 트랜지스터들의 게이트가 턴 오프되고, 광검출기들을 분리시킨다. 이어서 광검출기들은 통합 및 광 발생 전하 수집을 시작할 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 매립 차광부를 포함하는 후면조사형 이미지 센서의 글로벌 셔터 픽셀의 일 예가 도시되어 있다. 픽셀(700)은 감지층(702) 및 금속층(704)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 감지층(702)은 실리콘 기판이지만, 상이한 유형의 기판들이 다른 실시예들에서 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "웨이퍼" 및 "기판"은 실리콘, SOI 기술, SOS 기술, 도핑 및 비-도핑 반도체, 반도체 기판 상에 형성된 에피택셜층 또는 웰 영역, 및 기타 반도체 구조를 포함하지만 이에 한정되지 않는 반도체 기반 재료로서 이해될 것이다.
금속층(704)은 감지층(702)과 캐리어 웨이퍼(706) 사이에 위치한다. 금속층(704)은 트랜지스터들 및 유전 재료 내에 형성된 신호 라인 라우팅들을 포함할 수 있다. 감지층(702)은 광검출기(708), 매립 차광부(710), 저장 영역(712), 수직 게이트(714), 및 감지 영역(716)을 포함할 수 있다. 수직 게이트(714)는 광검출기(708)로부터, 매립 차광부(710)를 통과해, 금속층(704)의 컨택 패드(718)에 이르도록 형성된다. 수직 게이트(714)를 이용하여 광검출기(708)를 리셋하고, 광검출기(708)로부터 전하를 전달하고, 블루밍 방지 동작을 수행할 수 있다. 수직 게이트(714)는 임의의 적절한 전기적으로 전도성 재료, 예컨대 폴리실리콘으로 만들어질 수 있다.
도시된 실시예에서, 매립 차광부(710)는 제1 유전층(720), 불투명 차단층(722), 및 제2 유전층(724)을 포함한다. 단지 예를 들어, 제1 및 제2 유전층들은 산화물층일 수 있고, 불투명 차단층은 텅스텐과 같은 금속층일 수 있다. 상이한 유전체 및/또는 금속들이 다른 실시예들에서 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 및 제2 유전층(720, 724)은 동일한 유전체 또는 상이한 유전체로 만들어 질 수 있다.
반사방지 코팅(ARC)층(726)이 선택적으로 감지층(702)의 후방 표면 위에 배치된다. ARC층(726)은 광검출기(708)의 표면 반사로 인한 입사광의 손실을 줄일 수 있다. 차광부(730)들을 구비한 제2 금속층(728)이 ARC층(726) 위에 형성된다. 차광부(730)들은 이웃한 광검출기들 사이의 영역을 덮음으로써 픽셀들 간의 광학적 크로스토크를 감소시킬 수 있다.
제2 금속층(728) 위에 필터 요소(732)가 배치되고, 필터 요소(732) 위에 마이크로렌즈(734)가 배치될 수 있다. 필터 요소(732)는 픽셀 어레이의 모든 픽셀들 위에 배치되는 컬러 필터 어레이의 일부이다. 컬러 필터 어레이는 필터 요소들의 모자이크이고, 각각의 필터는 픽셀에 충돌하는 광의 파장을 제한한다. 광 파장들은 색상에 의해 제한될 수 있다. 예를 들어, 하나의 필터 요소는 적색과 연관된 광 파장들을 투과시킬 수 있고, 다른 컬러 필터 요소는 녹색과 연관된 광 파장들을 투과시킬 수 있고, 다른 컬러 필터 요소는 청색과 연관된 광 파장들을 투과시킬 수 있다. 베이어 컬러 필터 패턴(Bayer color filter pattern)은 적색, 녹색, 및 청색 필터 요소들을 포함하는 공지된 컬러 필터 어레이이다. 다른 컬러 필터 어레이들은 상이한 광 파장들을 필터링할 수 있다. 단지 예를 들어, 컬러 필터 어레이는 시안(cyan), 마젠타(magenta), 및 황색 필터 요소들을 포함할 수 있다.
매립 차광부(710)는 감지층(702)을 제1 기판층(738)과 제2 기판층(740)으로 분리한다. 감지 영역(716), 저장 영역(712), 및 픽셀 트랜지스터들은 제2 기판층(740)에 있을 수 있는 반면, 광검출기(708)는 제1 기판층(738)에 존재한다. 광검출기(708)는 트랜지스터 소스이고, 감지 및 저장 영역들은 트랜지스터 드레인들이다. 절연 트렌치(742)들은 제1 기판층(738)의 인접한 광검출기들로부터 광검출기(708)를 전기적으로 분리한다. 광(736)이 광검출기에 충돌하면 전하가 광검출기(708)에 축적된다. 매립 차광부(710)는 원하지 않는 전하가 저장 영역(712) 및 감지 영역(716)에 축적되는 것을 방지한다 수직 게이트(714)에 펄스를 가하면, 광검출기(708)의 축적된 전하가 수직 게이트(714) 둘레에 형성된 전달 채널(744)을 이용하여 저장 영역(712)으로 전달된다. 도시된 실시예에서, 전달 채널(744)은 제1 및 제2 기판층(738, 740)을 전기적으로 연결하는 실리콘 전달 채널이다. 전달 채널(744)은 광검출기(708)와 저장 영역(712) 사이의 전하 전달을 위한 전기적 경로를 제공한다. 게이트(746)에 펄스가 가해지면, 전하는 저장 영역(710)에서 감지 영역(716)으로 전달된다.
도 8 내지 도 28은 도 7에 도시된 픽셀(700)을 포함하는 후면조사형 이미지 센서를 제조하는 예시 방법을 도시한다. 프로세스가 단지 하나의 픽셀의 구조와 함께 설명되고 있지만, 통상의 기술자들은 방법이 동시에 이미지 센서의 모든 픽셀들을 제조한다는 것을 인식할 것이다. 최초로, 제1 반도체 기판(802)의 전방 표면(800) 위에 제1 유전층(720)을 형성한다(도 8). 제1 유전층은, 예를 들어, 제1 기판(802) 상에 성장 또는 퇴적되는 산화물층일 수 있다.
이어서 제1 유전층(720)의 전방 표면(900) 위에 불투명 차단층(722)을 형성한다(도 9). 불투명 차단층(722)은 제1 유전층 위에 퇴적되는 금속층일 수 있다. 일부 실시예들에서, 불투명 차단층(722)은 이미지 센서 또는 이미지 센서의 이미징 영역에 걸쳐 연장될 수 있다(예를 들어, 도 4의 이미징 영역(404)). 다른 실시예들은 불투명 차단층(722)을 패터닝할 수 있다. 불투명 차단층을 패터닝하여 이미지 센서의 주변 영역(이미징 영역에 인접한 영역)에서 불투명 차단층을 제거할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 불투명 차단층(722)은 어레이 픽셀 오목한 게이트 영역(예를 들어, 영역(714, 744))들에서 제거될 수 있다.
그 다음, 도 10에 도시된 바와 같이, 불투명 차단층(722)의 전방 표면(1000) 위에 제2 유전층(724)을 형성한다. 제1 유전층(720)과 같이, 제2 유전층(724)은 불투명 차단층(722) 위에 성장 또는 퇴적되는 산화물층일 수 있다. 도시된 실시예에서, 제1 유전층(720), 불투명 차단층(722), 및 제2 유전층(724)의 조합은 매립 차광부(710)를 형성한다.
그 다음, 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 유전층(724)의 전방 표면(1102)에 제2 반도체 기판(1100)을 웨이퍼 본딩한다. 이어서, 임의의 적절한 기술을 이용하여 제2 반도체 기판(1100)을 얇게 만든다(도 12). 단지 예를 들어, 임의로 조합된 그라인딩, 폴리싱 또는 식각 기술을 이용하여 제2 반도체 기판(1100)을 얇게 만들 수 있다. 얇게 만든 제2 반도체 기판이 도 7에 도시된 제2 기판층(740)이다.
이어서, 제2 기판층(740), 제2 유전층(724), 불투명 차단층(722), 및 제1 유전층(720)을 식각하여 층(740, 724, 722, 720)을 관통하여 제1 기판(802)에 이르는 트렌치(1300)를 형성한다(도 13). 그 다음, 도 14에 도시된 바와 같이, 제2 기판층(740)의 전방 표면(1402), 트렌치(1300)의 측벽들, 및 트렌치(1300)의 하부 표면 위에 제3 유전층(1400)을 형성한다. 예를 들어, 등각의 실리콘 질화물층이 픽셀의 이미징 영역 위에 퇴적될 수 있다. 이어서, 트렌치(1300)의 하부 표면 위에 놓인 제3 유전층(1400)을 제거하고, 트렌치(1300) 내에 선택적 에피택셜층(1600)을 성장시킨다(도 15 및 도 16). 에피택셜층(1600)은 제2 유전층(724)만큼 높게 성장되거나, 또는 부분적으로 제2 기판층(740)의 두께 내의 높이를 가질 수 있다.
이어서, 트렌치(1300)에서 노출된 제3 유전층(1400)의 부분들을 제거하고(도 17), 제2 기판층(740)의 전방 표면(1402)까지 에피택셜층(1600)을 성장시킨다(도 18). 에피택셜층(1600)은 트렌치에 의해 남겨진 보이드를 충전하여, 제2 기판층(740)의 적어도 일부분이 픽셀의 폭 "W"(예를 들어, 수평 방향)에 걸쳐 연속적이고 중단되지 않게 만든다.
제2 기판층(740)의 전방 표면(1402) 위에서 제3 유전층(1400)을 제거하고(도 19), 에피택셜층(1600)을 관통하여 제1 기판(802) 안으로 이어지는 트렌치(2000)를 형성한다(도 20). 예를 들어, 에피택셜층(1600)을 식각하여 트렌치(2000)를 형성할 수 있다. 전달 채널(744)이 트렌치(2000)에 인접한 제3 유전층(1400)의 남은 부분들의 측벽들의 안쪽에 형성되고, 제1 기판(802)이 제2 기판층(740)에 연결 또는 이어지도록 트렌치(2000)를 형성한다.
그 다음, 도 21에 도시된 바와 같이, 제2 기판층(740)의 전방 표면(1402), 트렌치(2000)의 측벽들, 및 트렌치(2000)의 하부 표면 위에 제4 유전층(2100)을 형성한다. 단지 예를 들어, 게이트 산화물층이 제2 기판층(740), 트렌치(2000)의 측벽들, 및 트렌치(2000)의 하부 표면 위에 성장될 수 있다. 이어서 제4 유전층(2100)의 전방 표면(2202) 위에 전도성 재료(2200)를 형성하고, 트렌치(2000)를 충전한다(도 22). 전도성 재료를 패터닝하여 제4 유전층(2100)의 전방 표면(2202) 상에 컨택 패드(718, 2204)를 형성한다. 트렌치 내의 전도성 재료와 컨택 패드(718)를 조합하여 수직 게이트(714)를 만든다. 전도성 재료는, 예를 들어, 폴리실리콘일 수 있다. 전도성 재료는 임의의 적절한 패터닝 처리를 이용하여 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 픽셀 위에 마스킹 층을 형성 및 패터닝하고, 마스킹 층의 패턴에 기초하여 전도성 재료를 제거할 수 있다. 마스킹 층은 전도성 재료가 패터닝된 이후에 제거될 수 있다.
이어서, 제2 기판층(740)에 감지 영역(716) 및 저장 영역(712)을 형성할 수 있다(도 23). 감지 및 저장 영역(716, 712)을 만들뿐만 아니라, 추가적인 FEOL(front end of line) 프로세스가 수행될 수 있다. 예시 FEOL 프로세스들은 얕은 트렌치 격리, P-well 및 N-well 프로세스, 기타 트랜지스터들을 위한 추가적인 게이트 프로세싱, 트랜지스터 채널 및 할로 주입, 및 광 도핑된 드레인(LDD) 및 소스/드레인 주입을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
임의의 적절한 방법을 이용하여 감지 및 저장 영역들을 형성할 수 있다. 예를 들어, 다른 마스킹 층이 픽셀 위에 형성 및 패터닝되고, 각각의 n-타입 또는 p-타입 도펀트들이 마스킹 층의 패턴에 기초하여 제2 기판층(740) 안으로 주입되어 감지 및 저장 영역들을 만들 수 있다. 마스킹 층은 감지 및 저장 영역들이 형성된 이후에 제거될 수 있다 다른 실시예들은 감지 및 저장 영역들을 상이하게 형성할 수 있다. 예를 들어, 도펀트들을 제2 기판층으로 확산시킴으로써 감지 및 저장 영역들을 형성할 수 있다.
이어서, 임의의 공지 방법 또는 방법들을 이용하여 컨택 패드(718, 2204) 및 제4 유전층(2100)의 전방 표면(2400) 위에 금속층(704)을 형성한다(도 24). 컨택형성, 배선, 평탄화, 및 유전체 및 패시베이션 프로세스들과 같은 기타 BEOL(back end of line) 프로세스들도 수행될 수 있다. 이어서, 금속층(704)의 전방 표면(2500)에 캐리어 웨이퍼(706)를 웨이퍼 본딩하고(도 25), 제1 기판(802)을 얇게 만든다(도 26). 도 26 내지 도 28은 도 8 내지 도 25의 픽셀의 배향에 대하여 180도 회전된 픽셀을 도시함을 주의한다. 임의의 조합으로 그라인딩, 폴리싱 또는 식각 기술들과 같은 임의의 공지된 기술을 이용하여 제1 기판(802)을 얇게 만들 수 있다. 얇게 만든 제1 기판은 감지층(738)이 된다.
이어서, 임의의 적절한 방법을 이용하여 감지층(738)을 관통하여 감지층(738)의 후방 표면(2700)에서 감지층(738)의 전방 표면(2702)에 이르는 격리 트렌치(742)들을 형성한다(도 27). 예를 들어, 감지층(738)의 후방 표면(2700) 위에 마스킹 층을 형성 및 패터닝하고 감지층을 식각하여 격리 트렌치(742)들을 만들 수 있다. 다른 실시예들은 상이하게 픽셀들을 격리할 수 있다. 예를 들어, 주입 영역 또는 유전 영역들을 이용하여 광검출기들을 서로 전기적으로 분리할 수 있다.
마지막으로, 도 28에 도시된 바와 같이, 해당 기술분야에서 잘 알려진 기술들을 이용하여 ARC층(726), 차광부(730)들을 구비한 제2 금속층(728), 필터 요소(732), 및 마이크로렌즈(734)를 형성한다.
광검출기를 위한 도펀트들이 제조 프로세스의 시작 당시 기판(802)(미리 도핑된 기판)에 존재할 수 있거나(예를 들어, 도 8), 또는 광검출기를 위한 도펀트들이 ARC층(726)의 형성 이전에 감지층(738) 내에 주입 또는 확산될 수 있다. 감지층(738)이 ARC층(726)의 형성 전에 도핑될 때, 저온 도펀트 활성화를 수행하여 웨이퍼 상에 이미 형성된 배선에 악영향을 주지 않을 수 있다.
이제 도 29를 참조하면, 후면조사형 이미지 센서에 사용하는 데 적합한 매립 차광부를 구비한 글로벌 셔터 픽셀의 다른 예가 도시되어 있다. 픽셀(2900)은 감지층(2902) 및 금속층(2904)을 포함한다. 감지층은 광검출기(2906), 저장 영역(2908), 및 감지층(2902)의 전방 표면에 인접한 감지 영역(2910)을 포함한다. 광검출기(2906)와 저장 영역(2908) 사이의 감지층(2902)에 매립 차광부(2912)가 배치된다. 매립 차광부(2912)는 광 흡수 재료 또는 광 차단 재료로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 매립 차광부(2912)는 광을 광검출기(2906)로 다시 반사할 수 있다.
픽셀 격리 영역(2914)은 감지층(2902) 내의 인접한 광검출기들로부터 광검출기(2906)를 전기적으로 분리시킨다. 게이트(2916)에 글로벌 셔터 신호를 이용하여 펄스를 가하여 글로벌 셔터 동작 중에 광검출기(2906)에서 저장 영역(2908)으로 축적된 전하를 전달한다. 게이트(2918)에 선택적으로 펄스를 가하여 저장 영역(2908)에서 감지 영역(2910)으로 전하를 전달할 수 있다.
도 30 내지 도 33은 도 29에 도시된 매립 차광부(2912)를 제조하는 예시 방법을 도시한다. 적절한 n-타입 또는 p-타입 도펀트들을 감지층(2902) 내에 주입하여 주입 영역(3000)을 형성할 수 있다(도 30). 이어서 감지층(2902)을 식각하여 감지층(2902)을 관통하여 주입 영역(3000)에 이르는 트렌치(3100)를 형성한다(도 31). 트렌치는, 예를 들어, 감지층(2902)을 건식 식각함으로써 형성될 수 있다.
그 다음, 도 32에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 선택적인 습식 식각을 이용하여 트렌치(3100)를 통해 주입 영역(3000)을 제거한다. 비어있는 주입 영역(3000) 및 트렌치가 집합적으로 감지층(2902) 내에 보이드(3200)를 형성한다. 이어서 광-흡수 재료 또는 광-차단 재료를 이용하여 보이드(3200)를 충전하여 매립 차광부(2912)를 형성한다(도 33). 다른 실시예들에서, 보이드(3200)는 감지층(2902)의 재료의 굴절률과 상이한 굴절률을 갖는 재료를 이용하여 충전될 수 있다. 단지 예를 들어, 구리, 알루미늄, 텅스텐과 같은 금속, 및/또는 산화물, 질화물, 및 공기와 같은 유전체가 이용될 수 있는데, 그 이유는 이러한 재료들이 감지층(2902) 내에 포함된 실리콘 또는 기타 반도체 재료들과 상이한 굴절률을 갖기 때문이다. 광은 상이한 굴절률을 갖는 재료들 간의 경계에서 반사할 것이다. 따라서, 굴절률 차이를 이용하여 저장 영역(2908)으로부터 멀리 광을 반사시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 광-흡수 재료의 사용은 상이한 굴절률을 갖는 재료들의 사용과 조합될 수 있는데, 그 이유는 상이한 굴절률(즉, 광 반사)이 완벽하게 광을 차단하지 않을 수 있기 때문이다.
보이드는 광 차단, 광 흡수, 또는 상이한 굴절률을 갖는 재료를 이용하여 CMOS 이미지 센서의 제조 프로세스 중에 임의의 적절한 시기에 충전될 수 있다. 예를 들어, 일부 재료들은 높은 온도를 견딜 수 있어서, 제조 프로세스의 초반에 이러한 재료들을 이용하여 보이드가 충전될 수 있다. 높은 온도를 견딜 수 없는 재료들은 제조 프로세스의 후반 단계에서 보이드를 충전하는 데 사용될 수 있다.
다른 실시예들에서는 매립 차광부 대신에 광 파이프를 이용하여 광을 저장 영역으로부터 멀리 안내할 수 있다. 도 34는 후면조사형 이미지 센서에 사용되는 데 적합한 글로벌 셔터 픽셀(3400)의 다른 예를 도시한다. 마이크로렌즈(734) 및 컬러 필터 층(732)이 제1 기판(3404)의 후방 표면(3402) 위에 배치된다. 제1 기판(3404)은 임의의 적절한 유전 재료, 예컨대 산화물일 수 있다.
광 파이프(3408)의 제1 스테이지(3406)가 제1 기판(3404)을 관통해 형성되어 광 파이프의 제2 스테이지(3410)에 연결된다. 제2 스테이지(3410)는 제2 기판(3412)에 배치될 수 있다. 제2 기판(3412)은 임의의 적절한 유전 재료, 예컨대 산화물일 수 있다. 도시된 실시예에서, 제2 스테이지(3410)는 종래의 광검출기보다 더 좁게 형성된 광검출기이다.
저장 영역(3414)은 제2 기판(3412)의 전방 표면(3416)에 인접하게 형성된다. 일부 실시예들에서, 저장 영역(3414)은 광검출기(3410)의 주변과 같이 광검출기 내에 인접한 픽셀 근처에 위치할 수 있다.
제1 스테이지(3406) 및 광검출기(3410)는 각각 제1 및 제2 기판(3404, 3412)에 있는 재료보다 높은 굴절률을 가진다. 광 파이프(3408)의 제1 스테이지(3406)는 마이크로렌즈(734) 및 컬러 필터 층(732)으로부터 수광된 광(3418)을 광검출기(3410)의 표면 상의 작은 영역으로 제한한다. 광 파이프(3408)는 광(3418)을 저장 영역(3414)이 아닌 광검출기(3410)로만 안내 또는 유도한다. 광검출기(3410)에 축적된 전하가 저장 영역(3414)으로 전달되어야 할 때, 글로벌 셔터 신호를 이용하여 게이트(3420)에 펄스를 가할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 기판(3404) 및 제2 기판(3412)은 단일 기판이다. 다른 실시예들에서 광 파이프(3408)의 제1 스테이지(3406) 및/또는 광 파이프(즉, 광검출기)의 제2 스테이지(3410)는 상이한 형상 또는 규모를 갖도록 형성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 광검출기는 광 파이프의 제2 스테이지(3410)와 분리될 수 있다.
다양한 실시예들이 그것들의 특정 특징부들을 구체적으로 참조하여 자세히 설명할 수 있지만, 변형 및 변경들은 본 개시내용의 기술적 사상 및 범위 내에서 유효할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 도 7 내지 도 28의 실시예들은 두 유전층 사이에 불투명 층을 갖도록 형성된 매립 차광부를 포함한다. 다른 실시예들은 매립 차광부로서 불투명 층(722) 및 유전층(720, 724) 대신에 SOI 층을 이용할 수 있다. 또한, 본 명세서의 실시예들은 매립 차광부를 구비한 후면조사형 이미지 센서들로서 설명되었다. 다른 실시예들은 도 7, 도 29, 및 도 34와 함께 설명된 바와 같은 감지층을 전면조사형 이미지 센서 내에 포함할 수 있다.
구체적인 실시예들이 본 명세서에 설명되었지만, 주의할 점은 응용이 이러한 실시예들에 한정되지 않는다는 것이다. 특히, 일 실시예에 대하여 설명된 임의의 특징부들은 또한 다른 실시예들에서, 호환가능하게 사용될 수 있다. 마찬가지로, 상이한 실시예들의 특징부들은 호환가능하게 교환될 수 있다.

Claims (33)

  1. 복수의 픽셀을 포함하는 이미지 센서로서, 적어도 하나의 픽셀은,
    기판의 제1 표면에 인접하게 상기 기판에 배치된 광검출기;
    상기 제1 표면의 반대편인 상기 기판의 제2 표면에 인접하게 상기 기판에 배치된 저장 영역;
    상기 저장 영역에 인접하게 상기 기판에 배치된 플로팅 확산 영역;
    상기 광검출기 아래에 그리고 상기 저장 영역 및 상기 플로팅 확산 영역 위에 배치된 매립 차광부; 및
    상기 매립 차광부를 관통하여 형성되고 상기 광검출기에 연결되는 수직 게이트
    를 포함하는, 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 매립 차광부는 상기 기판을 제1 기판층과 제2 기판층으로 분할하며, 상기 광검출기는 상기 제1 기판층에 배치되고 상기 저장 영역은 상기 제2 기판층에 배치된, 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수직 게이트에 인접하게 배치된 전달 채널 - 상기 전달 채널은 전하가 상기 광검출기에서 상기 저장 영역으로 전달되는 채널을 제공하도록 작동가능함 - 을 추가로 포함하고, 상기 수직 게이트는 상기 제2 기판층을 관통하여 형성되는, 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 플로팅 확산 영역은 상기 저장 영역에 인접하게 상기 제2 기판층에 배치된, 이미지 센서.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서, 상기 매립 차광부는 제1 유전층과 제2 유전층 사이에 배치된 불투명 차단층을 포함하는, 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 매립 차광부는 광-차단 재료와 광-흡수 재료 중 하나만을 포함하는, 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 매립 차광부는 상기 기판의 재료와 상이한 굴절률을 갖는 재료를 포함하는, 이미지 센서.
  9. 제2항에 있어서, 상기 이미지 센서는 후면조사형 이미지 센서이고, 상기 제1 기판층은 감지층의 후방 표면에 인접하고, 상기 제2 기판층은 상기 감지층의 전방 표면에 인접한, 이미지 센서.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 이미지 센서로서,
    제1 기판에 형성된 감지층 - 상기 감지층은,
    광검출기;
    저장 영역; 및
    상기 광검출기 아래에 그리고 저장 영역 위에 배치된 매립 차광부
    를 포함함 -;
    제2 기판에 형성된 금속층 - 상기 제2 기판은 상기 제1 기판에 부착됨 -;
    상기 제1 기판 사이에서 상기 매립 차광부를 관통하여 상기 금속층에 이르도록 연장되는 수직 게이트; 및
    상기 광검출기를 상기 저장 영역에 작동가능하게 연결하고 상기 광검출기와 상기 저장 영역 사이에 전하 전달 경로를 제공하는, 상기 수직 게이트에 인접하게 배치된 전달 채널
    을 포함하는, 이미지 센서.
  27. 제26항에 있어서, 상기 매립 차광부는 상기 제1 기판을 제1 기판층과 제2 기판층으로 분할하며, 상기 광검출기는 상기 제1 기판층에 배치되고 상기 저장 영역은 상기 제2 기판층에 배치된, 이미지 센서.
  28. 제27항에 있어서, 상기 저장 영역에 인접하게 그리고 상기 매립 차광부 아래에서 상기 제2 기판층에 배치된 감지 영역을 추가로 포함하는, 이미지 센서.
  29. 제27항에 있어서, 상기 이미지 센서는 후면조사형 이미지 센서를 포함하고, 상기 제1 기판층은 상기 감지층의 후방 표면에 인접하고, 상기 제2 기판층은 상기 감지층의 전방 표면에 인접한, 이미지 센서.
  30. 제27항에 있어서, 상기 매립 차광부는 제1 유전층과 제2 유전층 사이에 배치된 불투명 차단층을 포함하는, 이미지 센서.
  31. 제26항에 있어서, 상기 매립 차광부는 광-차단 재료와 광-흡수 재료 중 하나만을 포함하는, 이미지 센서.
  32. 제26항에 있어서, 상기 매립 차광부는 상기 제1 기판의 재료와 상이한 굴절률을 갖는 재료를 포함하는, 이미지 센서.
  33. 삭제
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