KR101926007B1 - 양면 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양면 이미지 센서에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 평면에 단위 화소를 제조하는 방법이 제공된다. 복수의 평면에 단위 화소를 제조하는 방법은, 양면 센서 기판의 제1면에 제1 수광부 및 상기 제1 수광부의 상부에 제1 메탈층을 형성하는 단계, 상기 양면 센서 기판을 뒤집어서 상기 제1 메탈층에 캐리어 웨이퍼를 결합하는 단계, 상기 제1면에 대향하는 상기 양면 센서 기판의 제2면에 제2 수광부 및 상기 제2 수광부의 상부에 제2 메탈층을 형성하는 단계 및 상기 제1 메탈층과 상기 제2 메탈층을 전기적으로 연결하는 실리콘 관통 비아를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

양면 이미지 센서 및 그 제조 방법{Dual-sided image sensor and method of fabricating dual-sided image sensor}
본 발명은 양면 이미지 센서에 관한 것이다.
최근 들어, 적외선 이미지를 생성하는 이미지 센서가 다양한 용도로 활용되고 있다. 종래에는 단순히 저조도 환경에서 촬영하기 위한 용도로만 사용되었으나, 깊이 이미지를 생성하거나 생체 인식 등과 같이 다양한 용도로 활용되고 있다.
컬러 이미지와 적외선 이미지를 생성할 수 있는 양면 이미지 센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 평면에 단위 화소를 제조하는 방법이 제공된다. 복수의 평면에 단위 화소를 제조하는 방법은, 양면 센서 기판의 제1면에 제1 수광부 및 상기 제1 수광부의 상부에 제1 메탈층을 형성하는 단계, 상기 양면 센서 기판을 뒤집어서 상기 제1 메탈층에 캐리어 웨이퍼를 결합하는 단계, 상기 제1면에 대향하는 상기 양면 센서 기판의 제2면에 제2 수광부 및 상기 제2 수광부의 상부에 제2 메탈층을 형성하는 단계 및 상기 제1 메탈층과 상기 제2 메탈층을 전기적으로 연결하는 실리콘 관통 비아를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
복수의 평면에 단위 화소를 제조하는 방법은, 상기 제1면에 대향하는 상기 양면 센서 기판의 제2면에 제2 수광부 및 상기 제2 수광부의 상부에 제2 메탈층을 형성하는 단계 이전에, 상기 양면 센서 기판의 두께를 소정 두께로 줄이는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 소정 두께는 5~20um일 수 있다.
한편, 복수의 평면에 단위 화소를 제조하는 방법은, 상기 제1 메탈층과 상기 제2 메탈층을 결합하는 실리콘 관통 비아를 형성하는 단계 이후에, 상기 제1 메탈층으로부터 상기 캐리어 웨이퍼를 분리하는 단계 및 회로 기판을 상기 제1 메탈층에 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 복수의 평면에 단위 화소를 제조하는 방법은, 상기 제1 메탈층과 상기 제2 메탈층을 결합하는 실리콘 관통 비아를 형성하는 단계 이전에, 상기 제1 메탈층으로부터 상기 캐리어 웨이퍼를 분리하는 단계 및 회로 기판을 상기 제1 메탈층에 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 양면 이미지 센서가 제공된다. 양면 이미지 센서는, 입사된 빛을 화소 전류로 변환하는 복수의 단위화소로 형성된 화소영역 및 상기 복수의 단위화소의 동작을 제어하는 주변 회로를 포함하며, 상기 화소영역은, 제1 평면에 복수의 제1 수광부가 형성되며, 상기 제1 평면에 대향하는 제2 평면에 복수의 제2 수광부가 형성된 양면 센서 기판, 상기 제1 평면의 하부에 형성되며, 상기 복수의 제1 수광부를 제어하고 상기 복수의 제1 수광부 각각이 생성한 복수의 제1 화소전류를 외부로 출력하기 위한 전기배선을 형성하는 복수의 메탈 라인으로 구성된 제1 메탈층, 상기 제2 평면의 상부에 형성되며, 상기 복수의 제2 수광부를 제어하고 상기 복수의 제2 수광부 각각이 생성한 복수의 제2 화소전류를 외부로 출력하기 위한 전기배선을 형성하는 복수의 메탈 라인으로 구성된 제2 메탈층 및 상기 화소영역의 외곽에 형성되며, 상기 제1 메탈층과 상기 제2 메탈층을 전기적으로 연결하는 실리콘 관통 비아를 포함할 수 있다.
양면 이미지 센서에서, 상기 제1 수광부는 상기 제2 수광부 및 상기 양면 센서 기판을 투과하여 입사한 빛을 검출하여 상기 제1 화소 전류를 생성할 수 있다.
여기서, 상기 양면 센서 기판의 두께는 5~20um일 수 있으며, 상기 제1 수광부는 상기 제2 수광부보다 큰 면적을 가질 수 있다.
한편, 양면 이미지 센서는 상기 제1 메탈층 하부에 결합된 캐리어 웨이퍼를 더 포함할 수 있다. 또한, 양면 이미지 센서는, 상기 제1 메탈층 하부에 결합되는 회로 기판을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 회로 기판은 상기 실리콘 관통 비아를 통해 상기 화소영역과 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 상기 제1 메탈층의 상기 복수의 메탈 라인 중 하나는 상기 제1 수광부에 적어도 일부가 중첩되는 반사층을 형성할 수 있거나, 상기 제1 메탈층의 하부에 형성된 반사층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 양면 이미지 센서는 컬러 이미지와 적외선 이미지를 모두 생성할 수 있다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명된다. 이해를 돕기 위해, 첨부된 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 할당되었다. 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명을 설명하기 위해 예시적으로 구현된 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 이에 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1 및 도 2는 양면센서를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 3 내지 13은 도 1에 도시된 양면센서를 제조하는 과정을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 14 내지 15는 도 1에 도시된 양면센서에 회로 기판을 결합하는 과정을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 16 및 도 17은 양면센서를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 18은 양면센서의 구동방식을 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이하에서, 동일 또는 기능적으로 유사한 구성 요소는 동일한 도면 부호로 참조하기로 한다.
도 1 및 도 2는 양면 이미지 센서를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 양면 이미지 센서는 복수의 단위 화소들로 형성된 화소 영역 및 단위 화소의 동작을 제어하는 주변 회로를 포함하며, 이미지 센서의 화소 영역은, 양면 센서 기판(100), 제1 메탈층(110), 제2 메탈층(120), 및 캐리어 웨이퍼(130)을 포함한다. 발명의 요지를 명확하게 전달하기 위해서, 단위 화소의 나머지 구성부, 예를 들어, Select 트랜지스터, Transfer 트랜지스터, Reset 트랜지스터 등은 본 발명이 속한 기술분야에서 공지 기술이므로, 상세한 설명 및 도면에 걸쳐 설명하지 않는다.
제1 수광부(100IR)는 양면 센서 기판(100)의 제1 평면에 형성되며, 제2 수광부(100C)는 양면 센서 기판(100)의 제2 평면에 형성된다. 여기서, 양면 센서 기판(100)은 가시광선 및 근적외선에 대해 광학적으로 투명하고, 제1 평면은 양면 센서 기판(100)의 하면이며, 제2 평면은 양면 센서 기판(100)의 상면이다. 제1 수광부(100IR)는 입사된 빛에 상응하는 제1 화소 전류를 생성하며, 제2 수광부(100C)는 입사된 빛에 상응하는 제2 화소 전류를 생성한다. 여기서, 제1 수광부(100IR)에 입사된 빛은 제2 메탈층(120)에 형성된 광입사 경로, 제2 수광부(100C) 및 양면 센서 기판(100)을 순차적으로 통과한 근적외선이며, 제2 수광부(100IR)에 입사된 빛은 제2 메탈층(120)에 형성된 광입사 경로를 통과한 가시광선이다. 제1 수광부(100IR) 및 제2 수광부(100C)는, 예를 들어, 포토 다이오드일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 한편, 제1 수광부(100IR)는 제1 수광부(100IR)를 통과한 근적외선을 다시 검출할 수 있으며, 이를 위한 구성은 도 18 및 19를 참조하여 이하에서 설명한다.
일 실시예로, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 수광부(100IR)는 제2 수광부(100C)의 수직 하부에 형성될 수 있으며, 제1 수광부(100IR)와 제2 수광부(100C)는 실질적으로 동일한 형상 및/또는 실질적으로 동일한 면적을 갖도록 형성될 수 있다. 다른 실시예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 수광부(100IR)는 제2 수광부(100C)의 수직 하부에 형성될 수 있으나, 제1 수광부(100IR)와 제2 수광부(105C)는 실질적으로 상이한 면적을 갖도록 형성될 수 있다. 도 2에는 제2 수광부(105C)의 폭보다 약 3배 큰 폭을 갖도록 제1 수광부(100IR)가 형성되어 있으나, 이는 예시일 뿐이며, 이에 한정되지 않는다. 제2 수광부(IR)을 제1 수광부(100C)보다 크게 형성하면, 근적외선의 감도 특성이 크게 개선된다.
한편, 제2 수광부(100C)의 상부에는 가시광선 대역에 속한 빛을 통과시키는 컬러 필터층(미도시)이 더 형성될 수 있다. 컬러 필터층은 가시광선 중 특정 대역, 예를 들어, 적색빛, 녹색빛, 및 청색빛을 통과시키되, 그 외의 대역에 속한 빛은 차단하는 역할을 한다. 그러나, 대부분의 컬러 필터층은 다소 차이는 있으나 근적외선의 파장 이상의 파장을 갖는 빛도 통과시키므로, 생성된 이미지의 품질을 열화시키는 원인으로 작용한다.
제1 메탈층(110)은 양면 센서 기판(100)의 제1 평면에 형성된다. 제1 메탈층(110)은 제어신호를 제1 수광부(100IR)에 인가하고, 제1 수광부(100IR)가 생성한 제1 화소전류를 주변 회로 출력하기 위한 전기배선을 포함한다. 전기배선은 복수의 메탈 라인으로 형성된다. 도 1에서, 제1 메탈층(110)은 2개의 메탈 라인을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 메탈 라인의 수는 이보다 많거나 작을 수 있다. 복수의 메탈 라인 각각과 제1 수광부(100IR)는 복수의 비아를 통해 전기적으로 연결된다.
제2 메탈층(120)은 양면 센서 기판(100)의 제2 평면에 형성된다. 제2 메탈층(120)은 제어신호를 제2 수광부(100C)에 인가하고, 제2 수광부(100C)가 생성한 제2 화소전류를 주변 회로 출력하기 위한 전기배선을 포함한다. 제1 메탈층(110)과 유사하게, 도 1에서, 제2 메탈층(120)은 2개의 메탈 라인을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 메탈 라인의 수는 이보다 많거나 작을 수 있다. 복수의 메탈 라인 각각과 제2 수광부(100C)는 복수의 비아를 통해 전기적으로 연결된다. 또한, 복수의 메탈 라인은 제2 메탈층(120)에 광입사 경로를 형성한다. 광입사 경로는 광학적으로 가시광선 및 근적외선에 투명한 IMD(Inter metal dielectric)로 충진될 수 있다.
실리콘 관통 비아(Through Silicon Via; TSV)(140)는 화소 영역의 외곽에 형성되며, 제1 메탈층(110)과 제2 메탈층(120)을 전기적으로 연결한다. 도 1에서, 실리콘 관통 비아(140)는 제2 메탈층(120)-양면 센서 기판(100)-제1 메탈층(110)을 관통하도록 형성되며, 제2 메탈층(120)의 제2 메탈 라인과 제1 메탈층(110)의 제2 메탈 라인을 전기적으로 연결한다. 실리콘 관통 비아(140)의 상부는 양면 이미지 센서의 상면에 형성된 상부 컨택(미도시)에 연결될 수 있다. 한편, 실리콘 관통 비아(140)의 하부는 양면 이미지 센서의 하면에 형성된 하부 컨택(미도시)에 연결될 수 있다. 상부 컨택 또는 하부 컨택에 연결된 실리콘 관통 비아(140)를 통해서, 제1 수광부(100IR) 및 제2 수광부(100C)에 제어 신호를 인가하거나 제1 수광부(100IR) 및 제2 수광부(100C)가 생성한 화소 전류를 출력할 수 있다. 화소 영역의 외곽에 형성된 실리콘 관통 비아(140)를 이용하여 제1 수광부(100IR) 및 제2 수광부(100C)를 제어하는 구조 및 방식은 도 18을 참조하여 이하에서 설명한다.
상술한 구조를 갖는 양면 이미지 센서의 동작을 설명한다.
양면 센서 기판(100)의 상면 및 하면에 각각 형성된 복수의 제1 수광부(100IR) 및 제2 수광부(100C)는 입사된 빛에 상응하는 화소 전류를 생성한다. 실리콘 관통 비아(140)를 통해 외부에서 입력된 제어 신호에 따라, 제1 수광부(100IR)는 광입사 경로-제2 수광부(100C)-양면 센서 기판(100)을 통과한 근적외선을 검출한다. 제2 수광부(100C) 또한 실리콘 관통 비아(140)를 통해 외부에서 입력된 제어 신호에 따라 광입사 경로를 통과한 가시광선을 검출한다. 복수의 제2 수광부(100C) 각각은 검출하는 가시광선 대역을 달리할 수 있다. 도 1에서, 복수의 제2 수광부(100C)는 적색빛, 녹색빛, 및 청색빛을 각각 검출할 수 있다. 검출된 빛에 상응하는 화소 전류는 실리콘 관통 비아(140)를 통해 외부로 출력될 수 있다. 제1 수광부(100IR)가 생성한 화소 전류는 제2 수광부(100C)에 의해 생성된 이미지를 보정하는데 이용될 수 있다.
도 3 내지 14는 도 1에 도시된 양면센서를 제조하는 과정을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 가시광선 및 근적외선에 대해 광학적으로 투명하며, 제1 평면(101) 및 제2 평면(102)을 포함하는 양면 센서 기판(100)이 준비된다. 양면 센서 기판(100)은, 예를 들어, 실리콘으로 형성된 기판이며, P형 불순물로 도핑될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 한편, 양면 센서 기판(100)은 이미지 센서의 제조에 주로 사용되는 에피텍셜(Epitaxial) 기판 또는 SOI 기판일 수 있다.
도 4를 참조하면, 양면 센서 기판(100)의 제1 평면(101)에 복수의 제1 수광부(100IR)를 형성한다. 제1 수광부(100IR)는, 예를 들어, N형 불순물을 양면 센서 기판(100)의 제1 평면(101)에 도핑하여 형성될 수 있다. 제1 수광부(100IR)와 양면 센서 기판(100)간 계면에 PN 접합면이 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 양면 센서 기판(100)의 제1 평면(101) 상부에 제1 메탈층(110)을 형성한다. 제1 메탈층(110)은 제1 메탈 라인(110M1) 및 제2 메탈 라인(110M2)을 포함한다. 제1 메탈 라인(110M1) 및 제2 메탈 라인(110M2)은 전도성 물질, 예를 들어, 금속으로 형성되며, 제1 수광부(100IR)에 제어 신호를 전달하고, 생성된 화소 전류를 외부로 전달하는 전기 배선을 형성한다. 제1 메탈 라인(110M1)과 제2 메탈 라인(110M2) 사이 영역은, 예를 들어, IMD 등으로 충진될 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 5의 양면 센서 기판(100)을 뒤집으며, 도 7을 참조하면, 제1 메탈층(110)의 하면에 캐리어 웨이퍼(130)가 결합된다. 캐리어 웨이퍼(130)는 도 8 이하의 공정 진행시 양면 센서 기판(100) 및 제1 메탈층(110)을 지지함으로써, 공정중에 가해질 수 있는 외력에 의해 양면 이미지 센서에 손상이 발생하는 것을 방지한다.
도 8을 참조하면, 양면 센서 기판(100)의 제2 평면(102)을, 예를 들어, 그라인딩하여 소정 두께로 Thinning한다. 여기서, 소정 두께는 5 내지 20um로서, 근적외선이 제1 수광부(100IR)와 양면 센서 기판(100)간 PN 접합면에 도달할 수 있는 두께이다. 양면 센서 기판(100)의 두께에 따라 근적외선의 감도 특성이 달라질 수 있다.
도 9를 참조하면, 양면 센서 기판(100)의 제2 평면(102')에 복수의 제2 수광부(100C)를 형성한다. 제2 수광부(100C)는, 예를 들어, N형 불순물을 양면 센서 기판(100)의 제2 평면(102')에 도핑하여 형성될 수 있다. 제2 수광부(100C)와 양면 센서 기판(100)간 계면에 PN 접합면이 형성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 양면 센서 기판(100)의 제2 평면(102') 상부에 제2 메탈층(120)을 형성한다. 제2 메탈층(120)은 제1 메탈 라인(120M1) 및 제2 메탈 라인(120M2)을 포함한다. 제1 메탈 라인(120M1) 및 제2 메탈 라인(120M2)은 전도성 물질, 예를 들어, 금속으로 형성되며, 제2 수광부(100C)에 제어 신호를 전달하고, 생성된 화소 전류를 외부로 전달하는 전기 배선을 형성한다. 또한, 제1 메탈 라인(120M1) 및 제2 메탈 라인(120M2)은 가시광선 및 근적외선이 통과하는 광입사 경로를 정의한다. 제1 메탈 라인(120M1)과 제2 메탈 라인(120M2) 사이 영역 및 광입사 경로는, 예를 들어, IMD 등으로 충진될 수 있다.
도 11을 참조하면, 실리콘 관통 비아(Through Silicon Via; TSV)(140)가 화소 영역의 외곽에 형성된다. 실리콘 관통 비아(140)는 제2 메탈층(120)-양면 센서 기판(100)-제1 메탈층(110)을 관통하는 비아를 형성한 후, 도전성 물질, 예를 들어, 금속을 충진하여 형성된다. 추가적으로, 외부와의 전기적 연결을 위한 상부 컨택(미도시)이 제2 메탈층(120)의 상면에 더 형성되며, 상부 컨택은 실리콘 관통 비아(140)의 상부에 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 실리콘 관통 비아(140)는 적어도 일부가 제1 메탈층(110)의 하면으로부터 수직 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 도 11에 도시된 공정이 종료되면, 양면 이미지 센서가 형성된 웨이퍼를 다이싱(Dicing)한 후 패키징할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 실리콘 관통 비아(140)가 화소 영역 외곽에 형성되어 복수의 제1 수광부(100IR) 및 복수의 제2 수광부(100C)를 제어하는데 이용되므로, 단위 화소마다 실리콘 관통 비아를 형성하는 것보다 공정이 단순해질 수 있다. 또한, 제1 메탈층(110)-양면 센서 기판(100)-제2 메탈층(120)이 실질적으로 하나의 웨이퍼에 구현되므로, 이종의 웨이퍼를 결합하는 것보다 공정이 용이하다.
이하에서는 양면 이미지 센서의 하부에 회로 기판을 결합하기 위한 공정을 설명한다.
도 12를 참조하면, 캐리어 웨이퍼(130)를 양면 이미지 센서가 형성된 웨이퍼에서 분리한다. 양면 이미지 센서 웨이퍼에 주변회로 또는 DSP 웨이퍼를 결합한 후 다이싱할 수도 있으나, 이하에서는, 분리된 양면 이미지 센서에 개별적으로 주변회로 또는 DSP 회로가 형성된 기판(회로 기판이라 총칭함)을 결합하는 방식을 설명한다.
도 13을 참조하면, 양면 이미지 센서와 회로 기판(200)을 결합한다. 상면에 컨택 패드(210)가 형성된 회로 기판(200)은 양면 이미지 센서의 하면, 즉, 제1 메탈층(110)의 하면에 배치된다. 제1 메탈층(110)의 하면을 통해 연장된 실리콘 관통 비아(140) 또는 실리콘 관통 비아(140)와 전기적으로 연결된 하부 컨택과 회로 기판(200)의 컨택 패드(210)는, 예를 들어, 범프(150) 등을 이용하여 전기적으로 연결될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 14 내지 15는 도 1에 도시된 양면센서에 회로 기판을 결합하는 과정을 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 14를 참조하면, 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 메탈층(120)이 형성된 상태에서 캐리어 웨이퍼(130)을 제거한 후, 제2 메탈층(120)의 하면에 회로 기판(200)을 결합한다. 가 형성되어 있다.
도 15를 참조하면, 실리콘 관통 비아(140)가 화소 영역의 외곽에 형성된다. 실리콘 관통 비아(140)는 제2 메탈층(120)으로부터 회로 기판(200)의 상면에는 컨택 패드(210까지 실질적으로 수직하게 연장되는 비아를 형성한 후 도전성 물질로 충진하여 형성된다.
도 16 및 17은 양면센서를 예시적으로 도시한 단면도로서, 제1 수광부(100IR)를 통과한 근적외선을 흡수하기 위한 구조를 나타낸다.
도 16을 참조하면, 제1 메탈층(110)의 복수의 메탈 라인 중 하나는 제1 수광부(100IR)에 적어도 일부가 중첩되는 반사층(115M1)을 형성한다. 설명의 편의를 위해서, 도 5를 참조하면, 제1 메탈 라인(110M1)은 제1 수광부(100IR)의 적어도 일부를 덮도록 형성된다. 제1 메탈층(110)을 통해서는 빛이 입사하지 않으므로, 제1 메탈 라인(110M1)은 제1 수광부(100IR) 전체를 덮도록 형성될 수도 있다. 제1 수광부(100IR)의 적어도 일부 또는 전체를 덮는 제1 메탈 라인(110M1)은 반사층(115M1)의 역할을 한다.
다시 도 16을 참조하여 반사층(115M1)의 역할을 설명하면, 제2 메탈층(120)의 광입사 경로-양면 센서 기판(100)을 통과하여 입사한 대부분의 근적외선은 제1 수광부(100IR)에 흡수되지만, 일부는 제1 수광부(100IR)를 통과할 수 있다. 또한, 경사지게 입사한 근적외선의 적어도 일부는 제1 수광부(100IR)를 거치지 않고 회로 기판(200)에 입사할 수도 있다. 근적외선이 제1 메탈층(110) 하부에 위치한 회로 기판(200)에 입사하면, 회로 기판(200)의 동작에 영향을 미칠 수 있으므로, 제1 수광부(100IR)를 통과한 근적외선은 반사층(115M1)에 의해 반사되어 제1 수광부(100IR)에 흡수된다.
도 17을 참조하면, 제1 메탈층(110)과 회로 기판(200) 사이에 금속으로 형성된 반사층(115ML)이 개재된다. 설명의 편의를 위해서, 도 5를 참조하면, 도 17의 반사층(115ML)은 제1 메탈층(110) 상면의 적어도 일부에 형성된다. 일 실시예로, 반사층(115ML)은 제1 메탈층(110)의 상면 중 수광부가 형성되지 않은 화소 영역의 외곽을 제외한 나머지 영역에 형성될 수 있다. 다른 실시예로, 반사층(115ML)은 제1 메탈층(110)의 상면 중 실리콘 관통 비아(140)가 형성될 영역을 제외한 나머지 영역에 형성될 수 있다.
한편, 다른 실시예로, 반사층(115ML) 대신에 흡광 물질 또는 무반사성 물질로 형성된 흡수층이 제1 메탈층(110)과 회로 기판(200) 사이에 개재될 수 있다. 흡수층은 제1 수광부(100IR)에 흡수되지 않고 통과하거나 경사지게 입사한 근적외선을 흡수할 수 있다.
도 18은 양면 이미지 센서의 구동방식을 설명하기 위한 예시도이다.
양면 이미지 센서는 (1) 제1 수광부(100IR)가 출력한 IR 화소 전류와 제2 수광부(100C)가 출력한 C 화소 전류의 차이를 출력하거나, (2) 제1 수광부(100IR)가 출력한 IR 화소 전류 및 제2 수광부(100C)가 출력한 C 화소 전류를 순차적으로 출력하거나, (3) 제1 수광부(100IR)가 출력한 IR 화소 전류 및 제2 수광부(100C)가 출력한 C 화소 전류를 동시에 출력할 수 있다. 방식 (1) 및 (2)로 동작하는 경우, 종래의 이미지 센서의 상부 컨택의 개수와 실질적으로 동일한 개수의 상부 컨택으로 양면 이미지 센서를 구현할 수 있으며, 방식 (3)으로 동작하는 경우, 화소 전류를 출력하는 리드아웃 라인에 연결된 상부 컨택의 개수는 종래의 이미지 센서의 상부 컨택의 개수보다 많을 수 있다. 즉, 제1 수광부(100IR)가 출력하는 IR 화소 전류를 외부로 출력하기 위한 상부 컨택과, 제2 수광부(100C)가 출력하는 C 화소 전류를 외부로 출력하기 위한 상부 컨택이 별도로 구비되어야 한다. 이하에서는 양면 이미지 센서가 방식 (1) 및 (2)로 구동하는 경우를 설명한다.
도 18의 (a)를 참조하면, 화소 전류가 출력되는 리드아웃 라인의 종단에 출력 회로(320)가 배치된다. 방식 (1)을 구현하는 경우, 출력 회로(320)는 IR 화소 전류와 C 화소 전류의 차이를 출력하는 Subtractor일 수 있다. 방식 (2)를 구현하는 경우, 출력 회로(310)는 IR 화소 전류와 C 화소 전류를 선택적으로 출력하는 MUX일 수 있다. 도 18의 (a)는 출력 회로(320)가 제2 수광부(100C)와 제2 메탈층(120)이 형성된 양면 이미지 센서의 상부에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이는 예시일 뿐이다.
제어 신호, 예를 들어, row select(300)가 제2 메탈층(120)의 row 라인에 인가되면, 실리콘 관통 비아(140R)에 의해 row select(300)는 분기되어(301, 302) 제1 메탈층(110)의 row 라인 및 제2 메탈층(120)의 row 라인에 각각 인가된다. row select(301, 302)에 의해 복수의 제1 수광부(100IR) 및 복수의 제2 수광부(100C)가 선택된 상태에서, scan(310)이 제2 메탈층(120)의 column 라인에 인가되면, 실리콘 관통 비아(140C1)에 의해 scan(310)는 분기되어(311, 312) 제1 메탈층(110)의 column 라인 및 제2 메탈층(120)의 column 라인에 각각 인가된다. row select(300)와 scan(310)에 의해 선택된 제1 수광부(100IR)는 제1 메탈층(110)에 형성된 리드아웃 라인을 통해 IR 화소 전류(321)를 출력하며, 제2 수광부(100C)도 제2 메탈층(120)에 형성된 리드아웃 라인을 통해 C 화소 전류(322)를 출력한다.
IR 화소 전류(321)는 실리콘 관통 비아(140C2)를 통해서 그리고 C 화소 전류(322)는 제2 메탈층(120)의 리드아웃 라인을 통해서 제2 메탈층(120)에 구현된 출력 회로(310)에 입력된다. 방식 (1)에서, 출력 회로(320)는 IR 화소 전류(321)와 C 화소 전류(322)의 차이를 출력한다. 방식 (2)에서, 출력 회로(320)는 IR 화소 전류(321)와 C 화소 전류(322) 중 어느 하나를 먼저 출력한 후, 나머지를 출력한다.
도 18의 (b)를 참조하면, 방식 (2)를 구현하기 위해서, row select(300)가 인가되는 row 라인 또는 scan(310)이 인가되는 column 라인에 선택 회로(330, 340)가 배치된다. 여기서, 선택 회로(330, 340) 중 하나는 생략될 수 있다. 도 18의 (b)는 선택 회로(330, 340)가 제2 수광부(100C)와 제2 메탈층(120)이 형성된 양면 이미지 센서의 상부에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이는 예시일 뿐이다.
먼저, 선택 회로(330)는 row 라인에 배치되지 않고, 선택 회로(340)가 column 라인에만 배치된 경우를 설명한다.
row select(300)가 제2 메탈층(120)의 row 라인에 인가되면, 실리콘 관통 비아(140R)에 의해 row select(300)는 분기되어(331, 332) 제1 메탈층(110)의 row 라인 및 제2 메탈층(120)의 row 라인에 각각 인가된다. row select(331, 332)에 의해 복수의 제1 수광부(100IR) 및 복수의 제2 수광부(100C)가 선택된 상태에서, scan(310)이 제2 메탈층(120)의 column 라인의 일부 또는 전체에 인가되면, 선택 회로(340)는 실리콘 관통 비아(140C1)를 통해서 scan(341)을 제2 메탈층(120)의 column 라인에 먼저 출력하며 일정 시간 경과 후 scan(342)을 제1 메탈층(110)의 column 라인에 출력한다. 한편, 그 반대 순서로 출력할 수도 있다.
row select(331, 332)에 의해 복수의 제1 수광부(100IR) 및 복수의 제2 수광부(100C)가 선택된 상태에서, 제1 수광부(100IR)와 제2 수광부(100C)는 scan(341, 342)에 의해 제1 메탈층(110)의 리드아웃 라인과 제2 메탈층(120)의 리드아웃 라인을 통해 IR 화소 전류(321)와 C 화소 전류(322)를 출력한다. 선택 회로(340)가 scan(341, 342)을 순차적으로 인가하므로, 제1 수광부(100IR)와 제2 수광부(100C) 역시 순차적으로 화소 전류를 출력한다. 따라서, 제1 메탈층(110)의 리드아웃 라인과 제2 메탈층(120)의 리드아웃 라인이 실리콘 관통 비아(140C2)에 의해 전기적으로 연결되어 있더라도 IR 화소 전류(321)와 C 화소 전류(322)는 동시에 출력되지 않는다.
다음으로, 선택 회로(330)가 row 라인에만 배치되고, 선택 회로(340)는 column 라인에는 배치되지 않은 경우를 설명한다.
scan(310)이 제2 메탈층(120)의 column 라인의 일부 또는 전체에 인가되면, 실리콘 관통 비아(140C1)에 의해 scan(310)은 분기되어(341, 342) 제1 메탈층(110)의 column 라인 및 제2 메탈층(120)의 column 라인에 각각 인가된다. row select(300)가 제2 메탈층(120)의 row 라인에 인가되면, 선택 회로(330)는 실리콘 관통 비아(140R)를 통해서 row select(331)를 제1 메탈층(110)의 row 라인에 먼저 출력하며 일정 시간 경과 후 row select(332)를 제2 메탈층(120)의 row 라인에 출력한다. 한편, 그 반대 순서로 출력할 수도 있다.
scan(310)에 의해 복수의 제1 수광부(100IR) 및 복수의 제2 수광부(100C)가 선택된 상태에서, 제1 수광부(100IR)와 제2 수광부(100C)는 제1 메탈층(110)의 리드아웃 라인과 제2 메탈층(120)의 리드아웃 라인을 통해 IR 화소 전류(321)와 C 화소 전류(322)를 출력한다. 선택 회로(330)가 row select(331, 332)를 순차적으로 인가하므로, 제1 수광부(100IR)와 제2 수광부(100C) 역시 순차적으로 화소 전류를 출력한다. 따라서, 제1 메탈층(110)의 리드아웃 라인과 제2 메탈층(120)의 리드아웃 라인이 실리콘 관통 비아(140C2)에 의해 전기적으로 연결되어 있더라도 IR 화소 전류(321)와 C 화소 전류(322)가 동시에 출력되지 않는다.
양면 이미지 센서는, 빛의 파장에 따라 실리콘의 침투 깊이가 다른 물리적 특성을 이용하여 근적외선 대역의 빛을 검출할 수 있다. 이를 통해서, 이미지 센서의 저조도 감도를 향상시킬 수 있다. 적외선의 광량을 이용하여 컬러를 보정할 수 있다. 또한, 주/야간시 적외선 차단 필터 없이도 적외선 성분을 신호처리과정에서 제거하여 컬러 이미지 구현이 가능하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 양면 센서 기판의 제1면에 제1 수광부 및 상기 제1 수광부의 상부에 제1 메탈층을 형성하는 단계;
    상기 양면 센서 기판을 뒤집어서 상기 제1 메탈층에 캐리어 웨이퍼를 결합하는 단계;
    상기 제1면에 대향하는 상기 양면 센서 기판의 제2면에 제2 수광부 및 상기 제2 수광부의 상부에 제2 메탈층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 메탈층과 상기 제2 메탈층을 전기적으로 연결하는 실리콘 관통 비아를 형성하는 단계를 포함하는 복수의 평면에 단위 화소를 제조하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1면에 대향하는 상기 양면 센서 기판의 제2면에 제2 수광부 및 상기 제2 수광부의 상부에 제2 메탈층을 형성하는 단계 이전에,
    상기 양면 센서 기판의 두께를 소정 두께로 줄이는 단계를 더 포함하는 복수의 평면에 단위 화소를 제조하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 소정 두께는 5~20um인 복수의 평면에 단위 화소를 제조하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 메탈층과 상기 제2 메탈층을 결합하는 실리콘 관통 비아를 형성하는 단계 이후에,
    상기 제1 메탈층으로부터 상기 캐리어 웨이퍼를 분리하는 단계; 및
    회로 기판을 상기 제1 메탈층에 결합하는 단계를 더 포함하는 복수의 평면에 단위 화소를 제조하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 메탈층과 상기 제2 메탈층을 결합하는 실리콘 관통 비아를 형성하는 단계 이전에,
    상기 제1 메탈층으로부터 상기 캐리어 웨이퍼를 분리하는 단계; 및
    회로 기판을 상기 제1 메탈층에 결합하는 단계를 더 포함하는 복수의 평면에 단위 화소를 제조하는 방법.
  6. 이미지 센서에 있어서,
    입사된 빛을 화소 전류로 변환하는 복수의 단위화소로 형성된 화소영역; 및
    상기 복수의 단위화소의 동작을 제어하는 주변 회로를 포함하며,
    상기 화소영역은,
    제1 평면에 복수의 제1 수광부가 형성되며, 상기 제1 평면에 대향하는 제2 평면에 복수의 제2 수광부가 형성된 양면 센서 기판;
    상기 제1 평면의 하부에 형성되며, 상기 복수의 제1 수광부를 제어하고 상기 복수의 제1 수광부 각각이 생성한 복수의 제1 화소전류를 외부로 출력하기 위한 전기배선을 형성하는 복수의 메탈 라인으로 구성된 제1 메탈층;
    상기 제2 평면의 상부에 형성되며, 상기 복수의 제2 수광부를 제어하고 상기 복수의 제2 수광부 각각이 생성한 복수의 제2 화소전류를 외부로 출력하기 위한 전기배선을 형성하는 복수의 메탈 라인으로 구성된 제2 메탈층; 및
    상기 화소영역의 외곽에 형성되며, 상기 제1 메탈층과 상기 제2 메탈층을 전기적으로 연결하는 실리콘 관통 비아를 포함하는 양면 이미지 센서.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 수광부는 상기 제2 수광부 및 상기 양면 센서 기판을 투과하여 입사한 빛을 검출하여 상기 제1 화소 전류를 생성하는 양면 이미지 센서.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 양면 센서 기판의 두께는 5~20um인 양면 이미지 센서.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 제1 수광부는 상기 제2 수광부보다 큰 면적을 가지는 양면 이미지 센서.
  10. 청구항 6에 있어서, 상기 제1 메탈층 하부에 결합된 캐리어 웨이퍼를 더 포함하는 양면 이미지 센서.
  11. 청구항 6에 있어서, 상기 제1 메탈층 하부에 결합되는 회로 기판을 더 포함하는 양면 이미지 센서.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 회로 기판은 상기 실리콘 관통 비아를 통해 상기 화소영역과 전기적으로 연결되는 양면 이미지 센서.
  13. 청구항 6에 있어서, 상기 제1 메탈층의 상기 복수의 메탈 라인 중 하나는 상기 제1 수광부에 적어도 일부가 중첩되는 반사층을 형성하는 양면 이미지 센서.
  14. 청구항 6에 있어서, 상기 제1 메탈층의 하부에 형성된 반사층을 더 포함하는 양면 이미지 센서.
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