KR102268714B1 - 이미지 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서 및 이의 제조 방법을 제공한다. 이 이미지 센서에서는 깊은 소자분리부가 전면으로부터 기판 속으로 연장되는 제 1 깊은 소자분리막과 후면으로부터 기판 속으로 연장되는 제 2 깊은 소자분리막을 포함한다.
Description
본 발명은 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상(Optical image)을 전기신호로 변환하는 반도체 소자이다. 상기 이미지 센서는 CCD(Charge coupled device) 형 및 CMOS(Complementary metal oxide semiconductor) 형으로 분류될 수 있다. 상기 CMOS 형 이미지 센서는 CIS(CMOS image sensor)라고 약칭된다. 상기 CIS는 2차원적으로 배열된 복수개의 화소들을 구비한다. 상기 화소들의 각각은 포토 다이오드(photodiode, PD)를 포함한다. 상기 포토다이오드는 입사되는 광을 전기 신호로 변환해주는 역할을 한다.
반도체 소자가 고집적화됨에 따라 이미지 센서도 고집적화고 있다. 고집적화에 의하여 화소들 각각의 크기가 작아져, 화소간의 크로스 토크(cross talk) 발생 위험도 커질 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 크로스 토크를 방지할 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 구현 가능성을 증대시킬 수 있는 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서는, 서로 대향되는 제 1 면과 제 2 면, 및 복수의 단위 화소 영역들을 포함하는 기판; 상기 제 1 면에 인접하도록 배치되는 얕은 소자분리막; 및 상기 기판 내에서 상기 얕은 소자분리막으로부터 상기 제 2 면에 이르며 상기 단위 화소 영역들을 분리시키는 깊은 소자분리부를 포함하되, 상기 깊은 소자분리부는, 상기 얕은 소자분리막에 인접하도록 배치되는 제 1 깊은 소자분리막; 및 상기 제 2 면에 인접하도록 배치되며 수직적으로 상기 제 1 깊은 소자분리막과 중첩되는 제 2 깊은 소자분리막을 포함한다.
상기 제 1 깊은 소자분리막과 상기 제 2 깊은 소자분리막은 서로 접할 수 있다.
상기 제 1 깊은 소자분리막은, 상기 기판의 측벽과 접하는 매립 절연막; 및 상기 제 1 매립 절연막 내에 배치되는 폴리실리콘 패턴을 포함할 수 있다.
상기 폴리실리콘 패턴은 N형의 불순물로 도핑될 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 깊은 소자분리부의 측면을 따라 상기 기판에 배치되는 불순물 주입 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 깊은 소자분리막은, 상기 기판의 측벽과 접하는 고정 전하막; 및 상기 고정 전하막 내에 배치되는 매립 절연막을 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는, 상기 고정 전하막과 상기 매립 절연막 사이에 개재되는 산소 투과 방지막을 더 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는, 상기 산소 투과 방지막과 상기 매립 절연막 사이에 개재되는 갭필 보조막을 더 포함할 수 있다.
상기 고정전하막은 연장되어 상기 제 2 면을 덮을 수 있다.
상기 제 2 깊은 소자분리막의 측면은 상기 제 1 깊은 소자분리막의 측면과이격될 수 있다.
다른 예에 있어서, 상기 제 1 깊은 소자분리막과 상기 제 2 깊은 소자분리막은 이격될 수 있으며, 상기 깊은 소자분리부는 상기 제 1 깊은 소자분리막과 상기 제 2 깊은 소자분리막 사이에 개재되는 채널 스탑 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 깊은 소자분리부는, 상기 제 1 깊은 소자분리막과 상기 제 2 깊은 소자분리막 중 적어도 하나의 안에 배치되는 에어 갭 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 깊은 소자분리부는 상기 제 2 면에 배치되는 고정 전하막을 더 포함할 수 있다.
상기 깊은 소자분리부는 평면적으로 각각의 단위 화소 영역을 둘러쌀 수 있다.
상기 제 1 깊은 소자분리막의 폭은 상기 제 2 깊은 소자분리막의 폭과 다를 수 있다.
상기 제 1 깊은 소자분리막의 수직 길이는 상기 제 2 깊은 소자분리막의 수직 길이와 다를 수 있다.
상기 제 1 깊은 소자분리막과 상기 제 2 깊은 소자분리막의 수직 길이는 각각 바람직하게는 2㎛~5㎛이다.
상기 얕은 소자분리막, 상기 제 1 깊은 소자분리막 및 상기 제 2 깊은 소자분리막 중 적어도 하나의 측벽은 경사질 수 있다.
상기 얕은 소자분리막은 상기 제 1 면에 인접할수록 넓은 폭을 가질 수 있다.
상기 제 1 깊은 소자분리막은 상기 제 1 면에 인접할수록 넓은 폭을 가질 수 있다.
상기 제 2 깊은 소자분리막은 상기 제 2 면에 인접할수록 넓은 폭을 가질 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 이미지 센서는, 서로 대향되는 제 1 면과 제 2 면, 및 복수의 단위 화소 영역들을 포함하는 기판; 및 상기 제 1 면으로부터 상기 제 2 면에 이르며 상기 단위 화소 영역들을 분리시키는 깊은 소자분리부를 포함하되, 상기 깊은 소자분리부는, 상기 제 1 면에 인접하도록 배치되는 제 1 깊은 소자분리막; 및 상기 제 2 면에 인접하도록 배치되며 상기 제 1 깊은 소자분리막과 평면적으로 중첩되는 제 2 깊은 소자분리막을 포함한다.
상기 제 1 깊은 소자분리막은 'T'자형 단면을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 서로 대향되는 제 1 면과 제 2 면, 및 복수의 단위 화소 영역들을 포함하는 기판을 준비하는 단계; 상기 제 1 면으로부터 상기 기판을 제 1 깊이로 식각하여 제 1 깊은 트렌치를 형성하는 단계; 상기 제 1 깊은 트렌치 안에 제 1 깊은 소자분리막을 형성하는 단계; 상기 제 2 면으로부터 상기 기판을 제 2 깊이로 식각하여 상기 제 1 깊은 소자분리막과 중첩되는 위치의 제 2 깊은 트렌치를 형성하는 단계; 및 상기 제 2 깊은 트렌치 안에 제 2 깊은 소자분리막을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 제 1 깊은 소자분리막과 상기 제 2 깊은 소자분리막은 상기 단위 화소 영역들을 서로 분리시키는 깊은 소자분리부를 구성한다.
상기 제 2 깊은 트렌치는 상기 제 1 깊은 소자분리막을 노출시키도록 형성될 수 있다.
상기 방법은, 상기 제 1 깊은 소자분리막을 형성한 후에, 상기 제 1 면에 인접한 상기 기판의 일부분과 상기 제 1 깊은 소자분리막의 일부분을 제거하여 얕은 트렌치를 형성하는 단계; 및 상기 얕은 트렌치 안에 얕은 소자분리막을 형성하여 활성 영역을 정의하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 제 1 깊은 트렌치 아래의 상기 기판 내에 채널 스탑 영역을 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 제 2 깊은 트렌치는 상기 제 1 깊은 트렌치와 이격되며 상기 채널 스탑 영역을 노출시키도록 형성될 수 있다.
상기 제 1 깊은 소자분리막을 형성하는 단계는, 상기 제 1 깊은 트렌치의 측벽과 바닥을 콘포말하게 덮는 매립 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 깊은 트렌치를 채우는 폴리실리콘 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 2 깊은 소자분리막을 형성하는 단계는, 상기 제 2 면 상에 고정 전하막을 콘포말하게 형성하는 단계; 및 매립 절연막을 형성하여 상기 제 2 깊은 트렌치를 채우는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 제 1 깊은 트렌치와 상기 제 2 깊은 트렌치 중 적어도 하나를 형성한 후에, 상기 적어도 하나의 내벽을 통해 상기 기판 속으로 불순물 주입 영역을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 이미지 센서는 단위 화소 영역들을 서로 분리시키는 깊은 소자분리부를 포함하여, 크로스 토크를 방지할 수 있다.
상기 이미지 센서는, 고정 전하막을 포함한다. 상기 고정 전하막은 음의 고정전하를 띠게 되어 주변에 정공의 축적(hole accumulation)이 발생할 수 있다. 이로써 암전류의 발생 및 화이트 스팟(white spot)을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
상기 이미지 센서에서, 깊은 소자분리막 내에 폴리실리콘 패턴이 배치되고, 상기 폴리실리콘 패턴은 기판을 이루는 실리콘과 거의 같은 열팽창률을 가지므로, 물질들의 열 팽창률 차이에 의해 발생되는 물리적 스트레스를 줄일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 이미지 센서의 제조 방법에서는, 기판을 제 1 면으로부터 식각하여 제 1 깊은 트렌치를 형성하고 제 2 면으로부터 식각하여 제 2 깊은 트렌치를 형성한다. 따라서 깊은 소자분리부를 형성하기 위하여 기판을 한번에 다 식각하지 않으므로, 식각해야 하는 깊이가 줄어들게 된다. 이로써 식각 공정의 부담을 줄일 수 있다. 또한, 매립해야 하는 깊은 트렌치들의 깊이가 줄어들게 되어 상기 제 1 및 제 2 깊은 소자분리막들의 갭필(gap-fill)특성을 향상시킬 수 있다. 이로써 신뢰성 있는 이미지 센서의 구현 가능성을 증대시킬 수 있다.
또한 한번에 깊은 트렌치를 형성하는 경우 깊이가 깊어야 하므로 낫 오픈(not open) 현상을 방지하기 위하여 처음에 넓은 폭을 가지도록 형성해야 한다. 이로써 깊은 소자분리부의 크기를 줄이기 어려워 이미지 센서의 고집적화에 어려움이 있다. 그러나 본 발명에서는 두번에 걸쳐 식각 공정이 이루어지므로 깊은 소자분리부의 폭도 상대적으로 더 줄일 수 있다. 이로써 이미지 센서의 고집적화를 구현하기가 보다 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 이미지 센서의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 이미지 센서의 레이아웃이다. 도 3은 도 2를 A-A' 선으로 자른 단면도들이다.
도 4 내지 11은 도 3의 이미지 센서를 제조하는 과정을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
도 12a 내지 도 12e는 도 3의 다른 변형예들에 따른 이미지 센서의 단면도들이다.
도 13은 본 발명의 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 14는 도 13의 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 17은 도 16의 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 20은 도 19의 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자장치를 도시한 블록도이다.
도 24 내지 도 28은 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서가 적용된 멀티미디어 장치의 예들을 보여준다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 이미지 센서의 레이아웃이다. 도 3은 도 2를 A-A' 선으로 자른 단면도들이다.
도 4 내지 11은 도 3의 이미지 센서를 제조하는 과정을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
도 12a 내지 도 12e는 도 3의 다른 변형예들에 따른 이미지 센서의 단면도들이다.
도 13은 본 발명의 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 14는 도 13의 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 17은 도 16의 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 20은 도 19의 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자장치를 도시한 블록도이다.
도 24 내지 도 28은 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서가 적용된 멀티미디어 장치의 예들을 보여준다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 이미지 센서의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 상기 이미지 센서의 단위 화소들 각각은 광전변환 영역(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 소스 팔로워 트랜지스터(Sx), 리셋 트랜지스터(Rx), 및 선택 트랜지스터(Ax)를 포함할 수 있다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 소스 팔로워 트랜지스터(Sx), 리셋 트랜지스터(Rx), 및 선택 트랜지스터(Ax)는 각각 트랜스퍼 게이트(TG), 소스 팔로워 게이트(SF), 리셋 게이트(RG) 및 선택 게이트(SEL)을 포함한다. 상기 광전변환 영역(PD)에, 광전변환부가 제공된다. 상기 광전변환부는 N형 불순물 영역과 P형 불순물 영역을 포함하는 포토다이오드일 수 있다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 드레인은 부유확산 영역(FD)으로 이해될 수 있다. 상기 부유확산 영역(FD)은 상기 리셋 트랜지스터(Rx, reset transistor)의 소오스일 수 있다. 상기 부유확산 영역(FD)은 상기 소스 팔로워 트랜지스터(Sx, source follower transistor)의 소스 팔로워 게이트(SF)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 소스 팔로워 트랜지스터(Sx)는 상기 선택 트랜지스터(Ax, selection transistor)에 연결된다. 상기 리셋 트랜지스터(Rx), 상기 소스 팔로워 트랜지스터(Sx) 및 상기 선택 트랜지스터(Ax)는 이웃하는 화소들에 의해 서로 공유될 수 있으며, 이에 의해 집적도가 향상될 수 있다.
상기 이미지 센서의 동작을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 빛이 차단된 상태에서 상기 리셋 트랜지스터(Rx)의 드레인과 상기 소스 팔로워 트랜지스터(Sx)의 드레인에 전원전압(VDD)을 인가하여 상기 부유확산 영역(FD)에 잔류하는 전하들을 방출시킨다. 그 후, 상기 리셋 트랜지스터(Rx)를 오프(OFF)시키고, 외부로부터의 빛을 상기 광전변환 영역(PD)에 입사시키면, 상기 광전변환 영역(PD)에서 전자-정공 쌍이 생성된다. 정공은 상기 P형 불순물 주입 영역쪽으로, 전자는 상기 N형 불순물 주입 영역으로 이동하여 축적된다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온(ON) 시키면, 이러한 전하는 상기 부유확산 영역(FD)으로 전달되어 축적된다. 축적된 전하량에 비례하여 상기 소스 팔로워 트랜지스터(Sx)의 게이트 바이어스가 변하여, 상기 소스 팔로워 트랜지스터(Sx)의 소오스 전위의 변화를 초래하게 된다. 이때 상기 선택 트랜지스터(Ax)를 온(ON) 시키면, 칼럼 라인으로 전하에 의한 신호가 읽히게 된다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 이미지 센서의 레이아웃이다. 도 3은 도 2를 A-A' 선으로 자른 단면도들이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 단위 화소 영역들(UP)을 포함하는 기판(3)이 제공된다. 상기 기판(3)은 실리콘 웨이퍼이거나 SOI(Silicon on insulator) 기판 또는 반도체 에피택시얼층일 수 있다. 상기 기판(3)은 서로 대향되는 제 1 면(3a)과 제 2 면(3b)을 포함한다. 상기 제 2 면(3b)을 통해 빛이 입사될 수 있다. 상기 제 1 면(3a)에 회로들이 배치될 수 있다. 상기 제 1 면(3a)에는 얕은 소자분리막(9)이 배치되어 활성 영역(AR)을 정의한다. 상기 얕은 소자분리막(9)은 얕은 트렌치(53) 안에 배치될 수 있다. 상기 단위 화소 영역들(UP)은 깊은 소자분리부(20)에 의해 서로 분리된다. 상기 깊은 소자분리부(20)는 상기 얕은 소자분리막(9)으로부터 상기 제 2 면(3b)에 이를 수 있다. 상기 깊은 소자분리부(20)는 평면적으로 그물망 형태로 형성될 수 있다. 즉, 상기 깊은 소자분리부(20)는 각각의 단위 화소 영역(UP)을 감싸는 구조를 가질 수 있다. 본 예에 따른 이미지 센서는 단위 화소 영역들(UP)을 서로 분리시키는 깊은 소자분리부(20)를 포함하여, 이웃 화소들 간의 크로스 토크를 방지할 수 있다.
상기 깊은 소자분리부(20)에 의해 분리된 각각의 단위 화소 영역(UP)의 상기 기판(3)에는 제 1 불순물 주입 영역(41)이 배치될 수 있다. 상기 제 1 불순물 주입 영역(41)은 상기 제 2 면(3b)에 인접하도록 배치될 수 있다. 상기 제 1 불순물 주입 영역(41) 아래에 상기 제 1 면(3a)에 인접하도록 제 2 불순물 주입 영역(43)이 배치된다. 상기 제 2 불순물 주입 영역(43)은 상기 제 1 불순물 주입 영역(41)과 반대되는 도전형의 불순물이 도핑될 수 있다. 예를 들면 상기 제 1 불순물 주입 영역(41)에는 N형의 불순물이 도핑될 수 있다. 상기 제 2 불순물 주입 영역(43)에는 P형의 불순물이 도핑될 수 있다. 상기 제 1 불순물 주입 영역(41)과 상기 제 2 불순물 주입 영역(43)은 도 1의 광전변환 영역(PD)을 구성할 수 있다.
계속해서, 상기 제 1 면(3a)에는 얕은 소자분리막(9)이 배치되어 각각의 단위 화소 영역(UP)에서 활성 영역(AR)을 정의한다. 상기 제 1 면(3a)에서 상기 활성 영역(AR)에 트랜스퍼 게이트(TG)와 부유 확산 영역(FD)이 배치될 수 있다. 상기 트랜스퍼 게이트(TG)는 상기 기판(3) 내로 일부 연장된 부분을 포함하는 수직 트랜스퍼 게이트 형태를 가질 수 있다. 이와는 달리, 상기 트랜스퍼 게이트(TG)는 상기 기판(3)의 상기 제 1 면(3a) 상에만 배치되는 플랫형(flat-type) 트랜스퍼 게이트의 형태를 가질 수도 있다. 상기 트랜스퍼 게이트(TG)와 이격되는 위치에 트랜지스터(15)가 배치될 수 있다. 상기 트랜지스터(15)는 도 1의 소스 팔로워 트랜지스터(Sx), 리셋 트랜지스터(Rx), 및 선택 트랜지스터(Ax) 중 적어도 하나에 해당될 수 있다. 상기 제 1 면(3a) 상에는 다층의 층간절연막(17)과 배선들(19)이 배치될 수 있다. 상기 층간절연막(17)은 제 1 패시베이션막(21)으로 덮인다.
계속해서, 상기 깊은 소자분리부(20)는 상기 얕은 소자분리막(9)에 인접한 제 1 깊은 소자분리막(7)과 상기 제 2 면(3b)에 인접한 제 2 깊은 소자분리막(11)을 포함한다. 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)은 제 1 깊은 트렌치(51) 안에 배치되고 상기 제 2 깊은 소자분리막(11)은 제 2 깊은 소자분리막(55) 안에 배치된다. 본 예에서 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)과 상기 제 2 깊은 소자분리막(11)은 실리콘 산화막으로 이루어질 수 있다. 상기 제 2 깊은 소자분리막(11)의 상부면은 상기 제 2 면(3b)과 공면을 이룰 수 있다. 본 예에서 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)은 제 1 수직 길이(D1)를 가지며 상기 제 2 깊은 소자분리막(11)은 제 2 수직 길이(D2)를 가진다. 상기 제 1 수직 길이(D1)는 상기 제 2 수직 길이(D2)와 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 도 3에서, 일 예로서, 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)은 상기 제 2 소자분리막(11)과 같은 폭(W1)을 가지도록 도시되었다. 또한 도 3에서, 일 예로서, 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)의 측벽은 상기 제 2 소자분리막(11)의 측벽과 정렬되도록 도시되었다. 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)의 상기 제 1 수직 길이(D1)와 상기 제 2 깊은 소자분리막(11)의 상기 제 2 수직 길이(D2)는 각각 바람직하게는 2㎛~5㎛이다.
상기 제 2 면(3b) 상에는 고정전하막(23)이 배치된다. 상기 고정 전하막(23)은 화학양론비 보다 부족한 양의 산소 또는 불소를 포함하는 금속산화막 또는 금속 불화막으로 이루어질 수 있다. 이로써 상기 고정 전하막(23)은 음의 고정전하를 가질 수 있다. 상기 고정 전하막(23)은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 이트륨(Y) 및 란타노이드를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 산화물(metal oxide) 또는 금속 불화물(metal fluoride)로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 고정 전하막(23)은 하프늄 산화막 또는 알루미늄 불화막일 수 있다. 상기 고정전하막(23)에 의하여 상기 제 2 면(3b) 주변에 정공의 축적(hole accumulation)이 발생할 수 있다. 이로써 암전류의 발생 및 화이트 스팟(white spot)을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
상기 고정 전하막(27)은 제 2 패시베이션막(27)으로 덮일 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 패시베이션막들(21, 27)은 실리콘 질화막 및 폴리이미드 중 적어도 하나의 막으로 형성될 수 있다. 상기 제 2 패시베이션막(27) 상에는 각각의 단위 화소 영역(UP)에 대응되도록 칼라필터(29)와 마이크로렌즈(31)가 차례로 적층될 수 있다. 상기 칼라 필터(29)는 매트릭스 형태로 배열된 컬러 필터 어레이에 포함될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 컬러 필터 어레이는 레드 필터, 그린 필터 및 블루 필터를 포함하는 베이어 패턴(Bayer pattern)을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 컬러 필터 어레이는 옐로우 필터, 마젠타 필터 및 시안 필터를 포함할 수 있다. 또한, 상기 컬러 필터 어레이는 화이트 필터를 추가적으로 구비할 수 있다.
도 4 내지 11은 도 3의 이미지 센서를 제조하는 과정을 순차적으로 나타내는 단면도들이다.
도 4를 참조하면, 복수개의 단위 화소 영역들(UP)을 포함하는 기판(3)을 준비한다. 상기 기판(3)은 서로 대향되는 제 1 면(3a)과 제 2 면(3b)을 포함한다. 상기 기판(3)은 반도체 웨이퍼이거나 반도체 에피택시얼층일 수 있다.
도 5를 참조하면, 복수의 이온 주입 공정을 진행하여 각각의 단위 화소 영역(UP)에서 상기 기판(3) 내에 제 1 불순물 주입 영역(41)와 제 2 불순물 주입 영역(43)을 형성한다. 예를 들면 상기 광전 변환부(PD)는 N형의 불순물로 도핑될 수 있다. 상기 제 2 불순물 주입 영역(43)은 P형의 불순물로 도핑될 수 있다. 각각의 단위 화소 영역(UP)을 덮는 제 1 마스크 패턴(M1)을 상기 기판(3) 상에 형성한다. 그리고 상기 제 1 마스크 패턴(M1)을 식각 마스크로 이용하여 상기 기판(3)을 패터닝하여 제 1 깊은 트렌치(51)을 형성한다. 상기 제 1 깊은 트렌치(51)는 단위 화소 영역들(UP) 간의 경계에 형성된다. 상기 제 1 깊은 트렌치(51)의 바닥면은 상기 기판(3)의 상기 제 2 면(3b)으로부터 이격된다. 상기 제 1 깊은 트렌치(51)는 제 3 깊이(D3)와 제 1 폭(W1)을 가지도록 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 제 1 마스크 패턴(M1)을 제거한다. 상기 제 1 면(3a) 상에 실리콘 산화막과 같은 절연막을 형성하고 평탄화 식각 공정을 진행하여 상기 제 1 깊은 트렌치(51) 안에 제 1 깊은 소자분리막(7)을 형성한다.
도 7을 참조하면, 상기 제 1 면(3a)에 인접한 상기 기판(3)의 일부분과 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)의 일부분을 제거하여 얕은 트렌치(53)을 형성한다. 상기 제 1 면(3a) 상에 실리콘 산화막과 같은 절연막을 형성하고 평탄화 식각 공정을 진행하여 상기 얕은 트렌치(53) 안에 얕은 소자분리막(9)을 형성한다. 이로써 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)은 상기 제 1 수직 길이(D1)를 가질 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제 1 면(3a)에 트랜스퍼 게이트(TG), 부유 확산 영역(FD) 및 트랜지스터(15) 등을 형성한다. 그리고 배선들(19)과 층간절연막(17) 및 제 1 패시베이션막(21)을 형성한다.
도 9를 참조하면, 상기 기판(3)을 뒤집어서 상기 제 2 면(3b)이 위로 향하게 한다. 평탄화 식각 공정을 진행하여 상기 기판(3)의 일부분을 제 1 두께(T1) 만큼 제거한다. 이때 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)이 노출되지 않는다.
도 10을 참조하면, 상기 기판(3)의 제 2 면(3b) 상에 제 2 마스크 패턴(M2)을 형성한다. 상기 제 2 마스크 패턴(M2)은 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)과 중첩되는 개구부를 가질 수 있다. 상기 제 2 마스크 패턴(M2)을 식각 마스크로 이용하여 상기 기판(3)을 식각하여 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)을 노출시키는 제 2 깊은 트렌치(55)를 형성한다. 이때 상기 제 2 깊은 트렌치(55)는 제 4 깊이(D4)와 제 2 폭(W2)을 가지도록 형성될 수 있다. 상기 제 2 깊이(D4)는 상기 제 3 깊이(D3)과 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 도 10에서 일 예로서, 상기 제 2 폭(W2)은 상기 제 1 폭(W1)과 거의 같도록 도시되었다.
도 11을 참조하면, 상기 제 2 마스크 패턴(M2)을 제거한다. 상기 제 2 면(3b) 상에 실리콘 산화막과 같은 절연막을 형성하고 평탄화 식각 공정을 진행하여 상기 제 2 깊은 트렌치(55) 안에 제 2 깊은 소자분리막(11)을 형성한다.
후속으로 도 3을 참조하면, 상기 기판(3)의 제 2 면(3b) 상에 고정 전하막(23)을 증착한다. 상기 고정 전하막(23)은 화학기상증착 방법 또는 원자박막증착 방법으로 형성될 수 있다. 상기 고정 전하막(23)은 화학양론비 보다 부족한 양의 산소 또는 불소를 포함하는 금속산화막 또는 금속 불화막으로 이루어질 수 있다. 상기 고정 전하막(23)은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 이트륨(Y), 텅스텐(W) 및 란타노이드를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 산화물(metal oxide) 또는 금속 불화물로 이루어질 수 있다. 상기 고정 전하막(23)을 형성한 후에 진행되는 후속공정은 바람직하게는 상기 고정 전하막(23)을 형성하는 공정 온도와 같거나 보다 낮다. 이로써 상기 고정 전하막(23) 내에 산소의 함량이 화학양론비보다 부족한 상태를 유지할 수 있으며 이로써 상기 고정전하막(23)이 음의 고정 전하를 띠게 될 수 있다. 상기 기판(3)의 제 2 면(3b) 상에 제 2 패시베이션막(27)을 형성한다. 그리고 각각의 단위 화소 영역(UP) 상에 칼라필터(29)와 마이크로 렌즈(31)를 차례로 형성한다.
본 예의 이미지 센서의 제조 방법에서, 깊은 소자분리부(20)를 형성하기 위해 하나의 깊은 트렌치를 형성하는 것이 아니라 상기 제 1 면(3a)으로부터 식각하여 제 3 깊이(D3)의 제 1 깊은 트렌치(51)를 형성하고 상기 제 2 면(3b)으로부터 식각하여 제 4 깊이(D4)의 제 2 깊은 트렌치(55)를 형성하므로, 식각해야 하는 깊이가 줄어들게 된다. 이로써 식각 공정의 부담을 줄일 수 있다. 또한, 매립해야 하는 깊은 트렌치들(51, 55)의 깊이가 줄어들게 되어 상기 제 1 및 제 2 깊은 소자분리막들(7, 11)의 갭필(gap-fill)특성을 향상시킬 수 있다. 이로써 신뢰성 있는 이미지 센서의 구현 가능성을 증대시킬 수 있다. 또한 한번에 깊은 트렌치를 형성하는 경우 깊이가 깊어야 하므로 낫 오픈(not open) 현상을 방지하기 위하여 처음에 넓은 폭을 가지도록 형성해야 한다. 이로써 깊은 소자분리부의 크기를 줄이기 어려워 이미지 센서의 고집적화에 어려움이 있다. 그러나 본 발명에서는 두번에 걸쳐 식각 공정이 이루어지므로 깊은 소자분리부의 폭도 상대적으로 더 줄일 수 있다. 이로써 이미지 센서의 고집적화를 구현하기가 보다 용이하다.
도 12a 내지 도 12e는 도 3의 다른 변형예들에 따른 이미지 센서의 단면도들이다.
도 12a를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서에서는 제 1 깊은 소자분리막(7)과 상기 제 2 소자분리막(11)의 측벽들이 서로 이격될 수 있다. 이는 도 10의 단계에서 제 2 깊은 트렌치(55)를 형성할 때 마스크 오정렬이 발생할 수 있다. 이로써 상기 제 2 깊은 트렌치(55)는 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)의 상부면 일부를 노출시킬 수 있다. 상기 제 2 깊은 트렌치(55)를 채우는 제 2 깊은 소자분리막(11)은 상기 제 1 깊은 소자분리막(11)의 상부면과 측면 일부를 덮도록 형성될 수 있다. 그 외의 구성 및 제조 공정은 도 3 내지 도 11을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 12b를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서에서는 제 1 깊은 소자분리막(7)의 폭(W1)은 제 2 깊은 소자분리막(11)의 폭(W2)과 다를 수 있다. 본 예에서 제 1 깊은 소자분리막(7)의 폭(W1)은 제 2 깊은 소자분리막(11)의 폭(W2)보다 넓을 수 있다. 제 1 깊은 소자분리막(7)의 수직 길이(D1)는 제 2 깊은 소자분리막(11)의 수직 길이(D2)와 다를 수 있다. 그 외의 구성 및 제조 공정은 도 3 내지 도 11을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 12c를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서에서는 제 1 깊은 소자분리막(7)의 폭(W1)은 제 2 깊은 소자분리막(11)의 폭(W2)과 다를 수 있다. 본 예에서 제 1 깊은 소자분리막(7)의 폭(W1)은 제 2 깊은 소자분리막(11)의 폭(W2)보다 좁을 수 있다. 그 외의 구성 및 제조 공정은 도 12b를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 12d를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서에서는, 얕은 소자분리막(9)의 측면은 경사질 수 있다. 상기 얕은 소자분리막(9)은 상기 제 1 면(3a)에 가까울수록 넓은 폭을 또는 상기 제 2 면(3b)에 가까울수록 좁은 폭을 가질 수 있다. 제 1 깊은 소자분리막(7)의 측면도 경사질 수 있다. 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)은 상기 제 1 면(3a)에 가까울수록 넓은 폭을 또는 상기 제 2 면(3b)에 가까울수록 좁은 폭을 가질 수 있다. 제 2 깊은 소자분리막(11)의 측면도 경사질 수 있다. 상기 제 2 깊은 소자분리막(11)은 상기 제 1 면(3a)에 가까울수록 좁은 폭을 또는 상기 제 2 면(3b)에 가까울수록 넓은 폭을 가질 수 있다. 이로써 깊은 소자분리부(20)의 가운데 부분은 상대적으로 좁고 양단으로 갈수록 넓어지는 형태를 가질 수 있다. 본 예에서, 상기 얕은 소자분리막(9)의 측면과 이에 인접한 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)의 측면 사이에 배치되는 상기 얕은 소자분리막(9)의 일 면은 평평하며 상기 기판(3)과 접할 수 있다. 즉, 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)의 하부 모서리는 상기 얕은 소자분리막(9)의 상기 일 면과 접할 수 있으며, 상기 얕은 소자분리막(9)의 상부 모서리와 이격될 수 있다.
상기 얕은 소자분리막(9)의 측면의 경사는 얕은 트렌치(53)의 측면을 경사지게 형성함으로써 형성될 수 있다. 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)의 측면의 경사는 제 1 깊은 트렌치(51)의 측면을 경사지게 형성함으로써 형성될 수 있다. 상기 제 2 깊은 소자분리막(11)의 측면의 경사는 제 2 깊은 트렌치(55)의 측면을 경사지게 형성함으로써 형성될 수 있다. 상기 얕은 소자분리막(9)의 측면의 경사도, 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)의 측면의 경사도 및 상기 제 2 깊은 소자분리막(11)의 측면의 경사도는 서로 같거나 다를 수 있다. 그 외의 구성 및 제조 공정은 도 3 내지 도 11을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 12e를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서에서는, 얕은 소자분리막(9), 제 1 깊은 소자분리막(7) 및 제 2 깊은 소자분리막(11)의 측면들은 경사질 수 있다. 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)의 하부 모서리는 상기 얕은 소자분리막(9)의 상부 모서리와 접할 수 있다. 상기 얕은 소자분리막(9)의 측면의 경사도, 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)의 측면의 경사도 및 상기 제 2 깊은 소자분리막(11)의 측면의 경사도는 서로 같거나 다를 수 있다. 그 외의 구성 및 제조 공정은 도 12d를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 13을 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서에서는 제 1 깊은 소자분리막(7)이 제 1 매립 절연막(7a)과 폴리실리콘 패턴(4b)을 포함한다. 상기 제 1 매립 절연막(7a)은 제 1 깊은 트렌치(51)의 측벽과 바닥을 콘포말하게 덮는다. 상기 폴리실리콘 패턴(4b)은 상기 제 1 깊은 트렌치(51)를 채운다. 상기 제 1 매립 절연막(7a)은 실리콘 산화막 계열의 물질을 포함할 수 있다. 상기 폴리실리콘 패턴(7b)은 상기 기판(3)을 이루는 실리콘과 거의 같은 열팽창률을 가지므로, 상기 이미지 센서를 구성하는 물질들의 열 팽창률 차이에 의해 발생되는 물리적 스트레스를 다소 줄일 수 있다.
제 2 깊은 소자분리막(11)은 제 2 깊은 트렌치(55)의 측벽과 바닥을 차례로 콘포말하게 덮는 고정 전하막(23), 산소 투과 방지막(24), 갭필 보조막(25) 및 제 2 매립 절연막(26)을 포함한다. 상기 고정 전하막(23)은 도 3을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 상기 제 2 매립 절연막(26)은 실리콘 산화막 계열의 물질을 포함할 수 있다. 상기 산소 투과 방지막(24)은 예를 들면 실리콘 질화막 계열의 물질로 형성될 수 있다. 상기 산소 투과 방지막(24)은 상기 제 2 매립 절연막(26)을 형성할 때 공급되는 산소가 상기 고정 전하막(23)으로 공급되는 것을 방지하는 역할을 한다. 상기 고정 전하막(23)은 산소가 상대적으로 부족한 금속 산화물을 포함하므로써 음의 고정전하를 가질 수 있다. 만약 상기 산소 투과방지막(24)이 없다면 상기 제 2 매립 절연막(26)을 형성하는 과정에서 공급된 산소가 상기 고정 전하막(23)을 구성하는 금속 산화물과 결합함으로써 상기 고정 전하막(23)이 음의 고정전하 성능을 잃을 수 있다. 상기 갭필 보조막(25)은 예를 들면 하프늄 산화막으로 이루어질 수 있다. 상기 갭필 보조막(25)은 상기 제 2 매립 절연막(26)의 갭필 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 제 2 깊은 소자분리막(11)을 구성하는 상기 고정 전하막(23), 산소 투과 방지막(24), 갭필 보조막(25) 및 제 2 매립 절연막(26)은 상기 제 2 면(3b) 상으로 연장된다. 본 예에서는 상기 고정 전하막(23)이 상기 제 1 불순물 주입 영역(41)을 상부면과 측면에서 모두 감싸는 구조를 가지므로 더욱 암전류 특성을 향상시킬 수 있다. 그 외의 구성은 도 3을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 14는 도 13의 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 14를 참조하면, 도 6에서 제 1 깊은 소자분리막(7)을 형성할 때, 제 1 매립 절연막(7a)을 콘포말하게 형성하고 폴리실리콘막을 형성하여 제 1 깊은 트렌치(51)을 채운다. 그리고 평탄화 식각 공정을 진행하여 상기 제 1 깊은 트렌치(51) 안에 제 1 매립 절연막(7a)과 폴리실리콘 패턴(7b)을 남긴다. 얕은 트렌치(53)를 형성할 때 상기 제 1 매립 절연막(7a)과 상기 폴리실리콘 패턴(7b)도 식각될 수 있다. 상기 얕은 트렌치(53) 안에 얕은 소자분리막(53)을 형성한다. 도 8과 도 9를 참조하여 설명한 공정들을 진행한 후에 제 2 면(3b) 상에 제 2 마스크 패턴(M2)을 형성하고 이를 식각 마스크로 이용하여 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)을 노출시키는 제 2 깊은 트렌치(55)를 형성한다. 이대 상기 제 1 매립 절연막(7a)의 상부면이 노출될 수 있다. 다시 도 13을 참조하여, 상기 제 2 면(3b)의 전면 상에 고정 전하막(23), 산소 투과 방지막(24), 갭필 보조막(25) 및 제 2 매립 절연막(26)을 차례로 콘포말하게 형성하여 상기 제 2 깊은 트렌치(55)를 채우는 제 2 깊은 소자분리막(11)을 형성한다. 상기 제 2 매립 절연막(27) 상에 제 2 패시베이션막(27), 칼라필터(29) 및 마이크로 렌즈(31)를 차례로 형성한다. 그 외의 제조 과정은 도 4 내지 도 11을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 15는 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 15를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서에서는 제 1 깊은 트렌치(51)의 측벽과 제 2 깊은 트렌치(55)의 측벽을 따라 이에 인접한 상기 기판(3) 내에 제 3 불순물 주입 영역(30)이 배치된다. 상기 제 3 불순물 주입 영역(30)은 상기 제 2 불순물 주입 영역(43)과 동일한 타입의 불순물이 도핑될 수 있다. 예를 들면 상기 제 3 불순물 주입 영역(30)은 P형의 불순물이 도핑될 수 있다. 상기 제 3 불순물 주입 영역(30)은 상기 제 2 불순물 주입 영역(43) 보다 고농도로 도핑될 수 있다. 그 외의 구성은 도 13을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 도 15의 이미지 센서는 상기 제 1 깊은 트렌치(51)와 상기 제 2 깊은 트렌치(55)를 각각 형성한 후에 경사 이온 주입 공정을 진행하여 상기 제 3 불순물 주입 영역(3)을 형성할 수 있다. 그 외의 제조 방법은 도 14를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 16은 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 16을 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서에서는 깊은 소자분리부(20)가 제 1 깊은 소자분리막(7)과 제 2 깊은 소자분리막(11), 그리고 이들 사이에 배치되는 채널 스탑 영역(12)을 포함한다. 이때 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)과 상기 제 2 깊은 소자분리막(11)은 서로 이격되어 있다. 상기 채널 스탑 영역(12)은 제 2 불순물 주입 영역(43)과 동일한 타입의 불순물이 도핑될 수 있다. 예를 들면 상기 채널 스탑 영역(12)은 P형의 불순물이 도핑될 수 있다. 상기 채널 스탑 영역(12)은 상기 제 2 불순물 주입 영역(43) 보다 고농도로 도핑될 수 있다. 그 외의 구성은 도 3을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 17은 도 16의 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 17을 참조하면, 도 5의 단계에서 제 1 깊은 트렌치(51)를 형성한 후에 수직 이온주입 공정을 진행하여 상기 제 1 깊은 트렌치(51)의 바닥에 채널 스탑 영역(12)을 형성한다. 그리고 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명한 공정들을 진행한 후에, 제 2 깊은 트렌치(55)를 형성한다. 이때 상기 제 2 깊은 트렌치(55)는 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)과 이격되되 상기 채널 스탑 영역(12)을 노출시키도록 형성될 수 있다. 후속 공정은 도 11을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 18은 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 18을 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서는, 깊은 소자분리부(20)가 기판(3)을 관통하여 제 1 면(3a)과 제 2 면(3b)을 연결한다. 즉, 제 1 깊은 소자분리막(7)의 상부면이 상기 제 1 면(3a)과 공면을 이룰 수 있다. 그 외의 구성은 도 3을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 도 18의 이미지 센서는 얕은 소자분리막(9)과 제 1 깊은 소자분리막(7)의 형성 순서를 서로 바꿈으로써 형성될 수 있다. 즉, 먼저 기판(3)의 제 1 면(3a)에 얕은 소자분리막(9)을 형성하고, 단위 화소 영역들(UP) 경계에 위치하는 상기 얕은 소자분리막(9)과 그 하부의 상기 기판(3)을 연속적으로 식각하여 제 1 깊은 트렌치(51)를 형성한다. 그리고 상기 제 1 깊은 트렌치(51)를 채우는 상기 제 1 깊은 소자분리막(7)을 형성한다. 그 외의 제조 과정은 도 4 내지 도 11을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 19는 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 19를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서에서는 단위 화소 영역들(UP) 경계에 위치하는 얕은 소자분리막은 제 1 깊은 소자분리막(7c)과 일체형이다. 이로써 상기 제 1 깊은 소자분리막(7c)은 'T'자 형 단면을 가질 수 있다. 깊은 소자분리부(20)는 기판(3)을 관통하여 제 1 면(3a)과 제 2 면(3b)을 연결할 수 있다. 상기 제 1 깊은 소자분리막(7c)과 이격된 얕은 소자분리막(7d)은 도 3의 얕은 소자분리막(9)과 동일한 형태를 가질 수 있다. 그 외의 구성은 도 3을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 20은 도 19의 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 20을 참조하면, 기판(3)의 제 1 면(3a)에 활성 영역들(AR)을 정의하는 얕은 트렌치들(53)을 형성한다. 그리고 제 1 깊은 트렌치(51)를 정의하는 제 3 마스크 패턴(M3)을 상기 제 1 면(3a) 상에 형성한다. 상기 제 3 마스크 패턴(M3)은 일부 상기 얕은 트렌치들(53)을 채울 수 있다. 상기 제 3 마스크 패턴(M3)을 식각 마스크로 이용하여 단위 화소 영역들(UP) 경계에 위치하는 얕은 트렌치(53)의 바닥면 아래의 상기 기판(3)을 식각하여 제 1 깊은 트렌치(51)를 형성한다. 후속으로 상기 제 3 마스크 패턴(M3)을 제거한다. 이로써 상기 얕은 트렌치들(53)과 제 1 깊은 트렌치(51)을 형성한다. 상기 제 1 깊은 트렌치(51)와 이에 인접한 상기 얕은 트렌치(53)은 이중 다마신 홀의 형태를 가질 수 있다. 절연막을 적층하여 상기 얕은 트렌치들(53)과 상기 제 1 깊은 트렌치(51)를 채우고 평탄화 식각 공정을 진행하여 도 19의 얕은 소자분리막(7d)과 제 1 깊은 소자분리막(7c)을 형성한다. 그 외의 다른 공정은 도 4 내지 도 11을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 21은 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 21을 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서에서는 깊은 소자분리막(20)이 제 1 면(3a)에 인접한 제 1 깊은 소자분리막(7c), 제 2 면(3b)에 인접한 제 2 깊은 소자분리막(11), 그리고 이들 사이에 개재되는 채널 스탑 영역(12)을 포함한다. 상기 제 1 깊은 소자분리막(7c)은 도 19를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 상기 채널 스탑 영역(12)은 도 16을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 22는 본 발명의 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 22를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서에서는 제 1 깊은 소자분리막(7)이 제 1 매립 절연막(7a)과 이 안에 형성된 제 1 에어 갭 영역(AG1)을 포함한다. 제 2 깊은 소자분리막(11)이 고정전하막(23), 제 2 매립 절연막(26) 그리고 이 안에 형성된 제 2 에어 갭 영역(AG2)을 형성한다. 이때 상기 제 2 매립 절연막(26)은 상기 고정 전하막(23)의 기능 저하를 방지하기 위하여 실리콘 산화막 계열이 아닌 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다.
이상으로 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 이미지 센서들에 대하여 설명하였다. 이들 실시예들은 서로 조합될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자장치를 도시한 블록도이다. 상기 전자장치는 디지털 카메라 또는 모바일 장치일 수 있다. 도 23을 참조하면, 디지털 카메라 시스템은 이미지 센서(100), 프로세서(200), 메모리(300), 디스플레이(400) 및 버스(500)를 포함한다. 도 23에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(100)는 프로세서(200)의 제어에 응답하여 외부의 영상 정보를 캡쳐(Capture)한다. 프로세서(200)는 캡쳐된 영상정보를 버스(500)를 통하여 메모리(300)에 저장한다. 프로세서(200)는 메모리(300)에 저장된 영상정보를 디스플레이(400)로 출력한다.
도 24 내지 도 28은 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서가 적용된 멀티미디어 장치의 예들을 보여준다. 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는 이미지 촬영 기능을 구비한 다양한 멀티미디어 장치들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는, 도 24에 도시된 바와 같이 모바일 폰 또는 스마트 폰(2000)에 적용될 수 있고, 도 25에 도시된 바와 같이 태블릿 또는 스마트 태블릿(3000)에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는 도 26에 도시된 바와 같이 노트북 컴퓨터(4000)에 적용될 수 있고, 도 27에 도시된 바와 같이 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(5000)에 적용될 수 있다. 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는 도 28에 도시된 바와 같이 디지털 카메라 또는 디지털 캠코더(6000)에 적용될 수 있다.
상술한 설명들은 본 발명의 개념을 예시하는 것들이다. 또한, 상술한 내용은 본 발명의 개념을 당업자가 쉽게 이해할 수 있도록 구현한 예들을 나타내고 설명하는 것일 뿐이며, 본 발명은 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용될 수 있다. 즉, 본 발명은 본 명세서에 개시된 발명의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 및 수정 등이 가능할 수 있다. 또한, 상술한 실시예들은 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능할 수 있다. 따라서, 상술한 발명의 상세한 설명은 개시된 실시예들은 본 발명을 제한하지 않으며, 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함한다.
20: 깊은 소자 분리부
9, 7d: 얕은 소자 분리막
12: 채널 스탑 영역
AG: 에어 갭 영역
PD: 광전변환부
PW: 웰 영역
FD: 부유 확산 영역
TG: 트랜스퍼 게이트
RG: 리셋 게이트
SF: 소스 팔로워 게이트
SEL: 선택 게이트
UP: 단위 화소 영역
3: 기판
3a: 전면
3b: 후면
41, 43, 12: 불순물 주입 영역
7a, 26: 매립 절연막
7b: 폴리실리콘 패턴
17: 층간절연막
19: 배선
21, 27: 패시베이션막
23: 고정 전하막
24: 산소 투과 방지막
29: 컬러필터
31: 마이크로 렌즈
51, 55: 깊은 트렌치
9, 7d: 얕은 소자 분리막
12: 채널 스탑 영역
AG: 에어 갭 영역
PD: 광전변환부
PW: 웰 영역
FD: 부유 확산 영역
TG: 트랜스퍼 게이트
RG: 리셋 게이트
SF: 소스 팔로워 게이트
SEL: 선택 게이트
UP: 단위 화소 영역
3: 기판
3a: 전면
3b: 후면
41, 43, 12: 불순물 주입 영역
7a, 26: 매립 절연막
7b: 폴리실리콘 패턴
17: 층간절연막
19: 배선
21, 27: 패시베이션막
23: 고정 전하막
24: 산소 투과 방지막
29: 컬러필터
31: 마이크로 렌즈
51, 55: 깊은 트렌치
Claims (20)
- 서로 대향되는 제 1 면과 제 2 면, 및 복수의 단위 화소 영역들을 포함하는 기판;
상기 제 1 면에 인접하도록 배치되는 얕은 소자분리막; 및
상기 기판 내에서 상기 얕은 소자분리막으로부터 상기 제 2 면에 이르며 상기 단위 화소 영역들을 분리시키는 깊은 소자분리부를 포함하되,
상기 깊은 소자분리부는,
상기 기판의 상기 제 1 면으로부터 상기 제 2 면으로 형성되는 제 1 트렌치 안에 배치되는 제 1 깊은 소자분리막; 및
상기 기판의 상기 제 2 면으로부터 상기 제 1 면으로 형성되는 제 2 트렌치 안에 배치되며 수직적으로 상기 제 1 깊은 소자분리막과 중첩되는 제 2 깊은 소자분리막을 포함하며,
상기 제 1 깊은 소자분리막은 제1절연막을 포함하고, 상기 제 2 깊은 소자분리막은 제2 절연막을 포함하고,
상기 제 1 깊은 소자분리막의 폭은 상기 제 2 깊은 소자분리막에 가까울수록 좁아지고,
상기 제 2 깊은 소자분리막의 폭은 상기 제 1 깊은 소자분리막에 가까울수록 좁아지는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 깊은 소자분리막과 상기 제 2 깊은 소자분리막은 서로 접하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 절연막은 상기 제 1 트렌치의 내측벽과 접하고,
상기 제 1 깊은 소자분리막은,
상기 제 1 절연막을 사이에 두고 상기 기판과 이격되는 폴리실리콘 패턴을 더 포함하는 이미지 센서. - 제 3 항에 있어서,
상기 폴리실리콘 패턴은 N형의 불순물로 도핑되는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 깊은 소자분리부의 측면을 따라 상기 기판에 배치되는 불순물 주입 영역을 더 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 깊은 소자분리막은, 상기 제 2 트렌치 안에서 상기 기판의 측벽과 접하는 고정 전하막을 더 포함하되, 상기 제 2 절연막은 상기 고정전하막에 의해 상기 기판과 이격되는 이미지 센서. - 제 6 항에 있어서,
상기 고정 전하막과 상기 제2 절연막 사이에 개재되는 산소 투과 방지막을 더 포함하는 이미지 센서. - 제 7 항에 있어서,
상기 고정전하막은 연장되어 상기 제 2 면을 덮는 이미지 센서. - 제 7 항에 있어서,
상기 산소 투과 방지막과 상기 제2 절연막 사이에 개재되는 갭필 보조막을 더 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 깊은 소자분리막의 측면은 상기 제 1 깊은 소자분리막의 측면과수평적으로 이격되는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 깊은 소자분리막과 상기 제 2 깊은 소자분리막은 수직적으로 이격되며,
상기 깊은 소자분리부는 상기 제 1 깊은 소자분리막과 상기 제 2 깊은 소자분리막 사이에 개재되는 불순물 주입 영역을 더 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 깊은 소자분리부는, 상기 제 1 깊은 소자분리막과 상기 제 2 깊은 소자분리막 중 적어도 하나의 안에 배치되는 에어 갭 영역을 더 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 면에 배치되는 고정 전하막을 더 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 깊은 소자분리부는 평면적으로 각각의 단위 화소 영역을 둘러싸는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 깊은 소자분리막의 폭은 상기 제 2 깊은 소자분리막의 폭과 다른 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 깊은 소자분리막의 수직 길이는 상기 제 2 깊은 소자분리막의 수직 길이와 다른 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 깊은 소자분리막과 상기 제 2 깊은 소자분리막의 수직 길이는 각각 2㎛~5㎛인 이미지 센서. - 서로 대향되는 제 1 면과 제 2 면, 및 복수의 단위 화소 영역들을 포함하는 기판;
상기 제 1 면에 인접하도록 배치되는 얕은 소자분리막; 및
상기 기판 내에서 상기 얕은 소자분리막으로부터 상기 제 2 면에 이르며 상기 단위 화소 영역들을 분리시키는 깊은 소자분리부를 포함하되,
상기 깊은 소자분리부는,
상기 기판의 상기 제 1 면으로부터 상기 제 2 면으로 형성되는 제 1 트렌치의 내벽을 덮는 제 1 절연막;
상기 제 1 트렌치를 채우는 폴리실리콘 패턴;
상기 제 2 면으로부터 상기 제 1 면으로 형성되는 제 2 트렌치의 내벽을 덮는 고정전하막; 및
상기 제 2 트렌치를 채우는 제 2 절연막을 포함하며,
상기 고정전하막은 상기 제 2 절연막과 상기 폴리실리콘 패턴 사이에 개재되는 이미지 센서. - 제 18 항에 있어서,
상기 고정전하막은 상기 제 2 트렌치 밖으로 연장되어 상기 제 2 면과 접하는 이미지 센서. - 제 18 항에 있어서,
상기 제 2 절연막은 상기 제 2 트렌치 밖으로 연장되어 상기 제 2 면을 덮는 이미지 센서.
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