KR102343456B1 - 이미지 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시내용은 기판(400) 및 적어도 하나의 화소 유닛을 포함하는 이미지 센서를 제공한다. 화소 유닛은, 기판 내에 설치되며, 감광면이 기판의 배면을 향하고, 기판의 배면으로부터 입사광이 수신될 경우 전하를 생성시키는 광 검출기(401); 기판에 설치되며, 감광면의 대향면에 위치하는 구관 형상 구조(406); 구관 형상 구조의 상부에 설치되고, 입사광이 도달할 경우, 매개층 반사광을 생성시키는 컨포멀 형상 매개층(420); 및 컨포멀 형상 매개층의 상부에 설치되며, 입사광이 도달할 경우, 반사층 반사광을 생성시키는 반사층(430)을 포함하여, 입사광의 흡수율을 증가시키고, 이미지의 신호 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

이미지 센서 및 이의 제조방법
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2018년 11월 23일자로 출원된 국제 출원 제PCT/CN2018/117194호의 계속이며, 이 기초출원은 그의 전문이 참고로 본 명세서에 원용된다
기술 분야
본 개시내용은 이미지 센서 기술 영역에 관한 것으로, 특히 이미지 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
CMOS 이미지 센서는 휴대폰, 디지털 카메라, 주행기록기 및 보안 모니터링 장치 등 기기에 널리 사용된다. 작동 원리는, 광전 변환 효과를 기반으로, 광이 이미지 센서의 픽셀 어레이(pixel array)를 조사할 경우, 각각의 화소 유닛은 대응되는 위치의 광 강도에 따라 상응한 양의 전하를 생성하고, 디지털 신호로 변환시키며, 마지막으로 모든 화소 유닛의 신호는 처리를 거쳐 이미지로 출력하는 것이다. 구조에 따라 분류하면, CMOS 이미지 센서는 전면 조사형 이미지 센서 및 배면 조사형 이미지 센서로 분류되는데, 배면 조사형 이미지 센서는 입사광이 배면에서 직접 감광 영역에 조사하므로, 배면 조사형 이미지 센서의 감응도가 전면 조사형 이미지 센서보다 높다.
선행기술에서 흔히 볼 수 있는 배면 조사형 이미지 센서의 화소 유닛의 회로도는 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 포토다이오드(11) 및 네 개의 트랜지스터(12, 14, 16 및 18)를 포함한다. 여기서, 전송 트랜지스터(12)는 포토다이오드(11)에 의해 생성된 전하가 플로팅 확산 노드로 전송되도록 제어한다. 화소 유닛 구조(10)의 예시적인 구조는 점선 프레임 영역으로 표시되어 있다. 도 2를 참조할 수 있는데, 실리콘 기판(100) 상에 하나의 포토다이오드(101)(즉, 도 1에서의 포토다이오드(11)) 및 하나의 플로팅 확산 노드(102)(즉, 도 1에서의 (13))를 포함한다. 실리콘 기판(100) 상에 전송 트랜지스터의 게이트 구조(105)가 설치되어 있다. 입사광(140)은 실리콘 기판(100)의 배면에서 포토다이오드(101)로 조사하며 전하를 생성시킨다.
본 발명자는 선행기술에서 적어도 하기와 같은 문제점이 존재하는 것을 발견하였다. 최근에는, AR/VR, 3D 얼굴 인식 등 새로운 기술이 등장하였고, 이러한 기술은 사람의 눈에 보이지 않는 근적외선 광을 광원(예를 들면, 940㎚의 VCSEL을 광원으로서 사용한 Apple iphone X 도트 매트릭스 프로젝션 모듈)으로 사용하므로, 근적외선 광에서 높은 감응도를 가지는 이미지 센서에 대한 수요가 날로 증가하고 있다. 가시광 대역과 비교하여, 근적외선 광은 긴 파장으로 인해 포토다이오드에서의 흡수율이 낮다. 실리콘의 두께가 작을 경우, 일부 근적외선 광이 실리콘을 투과하는데, 예를 들어, 도 2에서의 (141)은 흡수되지 못해 투과되는 광이다. 따라서, 종래의 배면 조사형 이미지 센서는 입사광의 흡수율이 낮아, 이미지의 신호 품질이 나빠지는 문제점이 있다.
본 개시내용의 일부 실시예의 목적은 입사광에 대한 이미지 센서의 흡수율을 증가시키고, 이미지의 신호 품질을 향상시키는 이미지 센서 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 개시내용의 실시예는 기판 및 적어도 하나의 화소 유닛포함하는 이미지 센서를 제공한다. 상기 화소 유닛은, 기판 내에 설치되며, 감광면이 상기 기판의 배면을 향하고, 상기 기판의 배면으로부터 입사광이 수신될 경우 전하를 생성시키는 광 검출기; 상기 기판에 설치되고, 상기 감광면의 대향면에 위치하는 구관 형상 구조(spherical crown structure); 구관 형상 구조의 상부에 설치되며, 입사광이 도달할 경우, 매개층 반사광을 생성시키는 컨포멀 형상 매개층(conformal dielectric layer); 및 컨포멀 형상 매개층의 상부에 설치되고, 입사광이 도달할 경우, 반사층 반사광을 생성시키는 반사층을 포함한다.
본 개시내용의 실시예는, 광 검출기가 내부에 설치되고, 광 검출기의 감광면이 배면을 향하는 기판을 제공하는 단계; 상기 기판의 상부에 그리고 광 검출기의 감광면의 대향면에 구관 형상 구조를 형성하는 단계; 구관 형상 구조에 컨포멀 형상 매개층을 형성하는 단계; 및 컨포멀 형상 매개층의 상부에 반사층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조방법을 제공한다.
선행기술과 비교하여 본 개시내용의 실시예는, 이미지 센서의 화소 유닛은 광 검출기의 감광면의 대향면에 구관 형상 구조가 설치되고, 그리고 입사광이 컨포멀 형상 매개층에 도달할 경우, 매개층 반사광을 생성시키도록 구관 형상 구조의 상부에 컨포멀 형상 매개층이 설치된다. 구관 형상 구조 및 컨포멀 형상 매개층은 입사광이 임의의 각도로 입사할 경우, 광 검출기를 통해 진입되어 기판을 통과하여 컨포멀 형상 매개층에 도달하는 광 경로가 동일하도록 하고, 입사광이 컨포멀 형상 매개층에 도달하여 생성되는 매개층 반사광은 기판을 통과한 입사광이 광 검출기 내에 다시 되돌아갈 수 있도록 함으로써, 상이한 입사각도의 입사광의 흡수를 증가시킬 수 있다. 컨포멀 형상 매개층을 통과한 입사광에 있어서, 컨포멀 형상 매개층의 상부에 설치된 반사층을 이용하여 반사층 반사광을 생성시킨다. 이와 같이 해서, 반사층에 도달한 입사광이 광 검출기 내에 되돌아갈 수 있도록 하여, 광 검출기가 상이한 입사각도로 입사하는 입사광을 충분히 이용할 수 있도록 함으로써, 입사광의 흡수율을 증가하고, 이미지의 신호 품질을 향상시킨다.
예를 들면, 컨포멀 형상 매개층은 구체적으로 다층 컨포멀 형상 매개층이다. 여기서, 인접한 두 개의 컨포멀 형상 매개층의 굴절률은 상이하다. 다시 말해, 컨포멀 형상 매개층은 상이한 굴절률을 가지는 매개 재료로 교대로 적층된 구조를 사용할 수 있고, 광의 흡수율을 더 증가시키는데 유리하다.
일부 실시예에서, 다층 컨포멀 형상 매개층은 구체적으로 3층 컨포멀 형상 매개층이고; 여기서, 3층 컨포멀 형상 매개층은 각각, 구관 형상 구조에 위치하는 제1 이산화규소 매개층; 제1 이산화규소 매개층에 위치하는 이산화티탄 매개층; 및 이산화티탄 매개층에 위치하는 제2 이산화규소 매개층이다.
일부 실시예에서, 컨포멀 형상 매개층은 사전 설정 두께를 구비하고, 사전 설정 두께는 입사광의 광학 공명 조건을 만족시킨다. 입사광의 광학 공명 조건을 만족시키기 위해 컨포멀 형상 매개층의 두께를 제어함으로써, 상이한 각도로 입사된 입사광이 동일한 구조에서 모두 광학 공명을 실현할 수 있도록 할 수 있도록하고, 입사광의 최대 이용에 유리하다.
일부 실시예에서, 매개층 반사광의 위상 θ 및 반사층 반사광의 위상
Figure 112019120069866-pct00001
는 구체적으로 하기와 같은 공식에 의해 산출된다:
Figure 112019120069866-pct00002
Figure 112019120069866-pct00003
여기서, d는 컨포멀 형상 매개층의 사전 설정 두께이며, nd는 컨포멀 형상 매개층의 굴절률이고, λ는 입사광의 파장이며; nr은 반사층의 굴절률이고, kr은 반사층의 소광 계수인 θ 및
Figure 112019120069866-pct00004
의 계산 공식을 제공하여, θ와
Figure 112019120069866-pct00005
사이의 관계에 의해 컨포멀 형상 매개층의 사전 설정 두께를 정확하게 얻기에 유리하다.
일부 실시예에서, 구관 형상 구조는 구체적으로 구관 형상 실리콘 구조이고, 구관 형상 구조의 재료 유형을 제공한다.
일부 실시예에서, 입사광은 구체적으로 근적외선 단색광이고, 사람의 눈에 보이지 않는 근적외선 단색광을 광원으로 사용하는 시나리오에서, 근적외선 단색광의 흡수율을 최적화하고, 근적외선 밴드에서의이미지 센서의 감응도를 향상시키는데 유리하다.
하나 또는 복수의 실시예는 첨부 도면에 의해 예시된다. 예시적인 설명은 실시예에 대한 제한을 구성하지 않는다. 동일한 참조 부호를 가진 요소는 유사한 요소를 나타낸다. 첨부 도면에서의 각 도면은 달리 언급되지 않는 한, 비율적인 제한을 구성하지 않는다.
도 1은 본 개시내용의 배경기술에 따른 배면 조사형 이미지 센서의 화소 유닛의 회로도;
도 2는 본 개시내용의 배경기술에 따른 배면 조사형 이미지 센서의 화소 유닛의 구조 모식도;
도 3은 본 개시내용의 제1 실시예에 따른 이미지 센서에 의해 사용되는 실리콘층-단일층 컨포멀 형상 매개층-반사층의 모식도;
도 4는 본 개시내용의 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 유닛의 구조 모식도;
도 5는 본 개시내용의 제2 실시예에 따른, 이산화규소 매개층의 두께에 따른 파장이 940㎚인 입사광에 대한 광 검출기의 흡수율 그래프;
도 6은 본 개시내용의 제3 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 유닛의 구조 모식도;
도 7은 본 개시내용의 제3 실시예에 따른, 입사광의 파장에 따른 광 검출기의 광 흡수율의 그래프;
도 8은 본 개시내용의 제4 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법의 흐름도;
도 9a 내지 도 9f는 본 개시내용의 제4 실시예에 따른 각 공정의 구조 모식도;
도 10은 본 개시내용의 제5 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법의 흐름도.
본 개시내용의 목적, 기술적 해결수단 및 장점을 보다 명확하게 하기 위해, 이하 도면 및 실시예를 결부하여, 본 개시내용의 일부 실시예를 더 상세하게 설명한다. 여기서 설명된 구체적인 실시예는 단지 본 개시내용을 설명하기 위한 것으로, 본 개시내용을 한정하려는 것이 아님을 이해하여야 한다. 각 실시예는 설명의 편의를 위해 분할된 것으로, 본 발명의 구체적 실현 방식을 한정하는 것이 아니고, 각 실시예는 모순되지 않는 전제하에서 서로 결합되며 서로 인용될 수 있다.
본 개시내용의 제1 실시예는 이미지 센서에 관한 것으로, 상기 이미지 센서는 기판 및 적어도 하나의 화소 유닛을 포함하고, 상기 화소 유닛은, 기판 내에 설치되고, 감광면이 기판의 배면을 향하며, 기판의 배면으로부터 입사광이 수신될 경우 전하를 생성시키는 광 검출기; 상기 기판에 설치되고, 상기 감광면의 대향면에 위치하는, 기판과 재질이 동일한 구관 형상 구조; 구관 형상 구조의 상부에 설치되며, 입사광이 도달할 경우, 매개층 반사광을 생성시키는 컨포멀 형상 매개층; 및 컨포멀 형상 매개층의 상부에 설치되고, 입사광이 도달할 경우, 반사층 반사광을 생성시키는 반사층을 포함하여, 입사광의 흡수율을 증가시키며, 이미지의 신호 품질을 향상시킬 수 있다. 이하, 본 실시혀태의 이미지 센서의 화소 유닛 구조의 구현 세부 사항을 구체적으로 설명할 것이다. 이하의 내용은 단지 이해의 편의를 위해 구현 세부 사항을 제공한 것으로, 본 해결수단을 실시하는데 반드시 필수적인 것은 아니다.
본 실시예에서, 이미지 센서의 컨포멀 형상 매개층은 단일층 컨포멀 형상 매개층을 예로 들었지만, 실제 응용에서는 이에 한정되지 않는다. 본 실시예의 이해를 용이하게 하기 위해, 먼저 도 3에 따라 구체적으로 설명한다. 설명해야 할 것은, 도 3은, 입사광이 구관 형상 구조(300), 단일층 컨포멀 형상 매개층(320) 및 반사층(330) 사이에서 생성되는 상이한 반사광의 설명을 용이하게 하기 위해, 구관 형상 구조(300), 단일층 컨포멀 형상 매개층(320) 및 반사층(330)의 형상 또는 구조를 구현하지 않는다는 점이다. 여기서, 본 실시예에서의 구관 형상 구조는 실리콘층을 예로 들었지만, 단일층 컨포멀 형상 매개층은 이산화규소 매개층, 이산화티탄 매개층 등일 수 있고, 반사층은 일반적으로 알루미늄 및 은과 같은 금속이다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 한 줄기의 수직 입사된 단일 파장의 입사광(340)은 공기(350) 및 실리콘층 인터페이스(301)에 도달할 경우, 반사광(341)을 생성하고; 입사광이 실리콘층과 단일층 컨포멀 형상 매개층(320)의 인터페이스(310)에 도달할 경우, 반사광(342)을 생성하며; 입사광이 단일층 컨포멀 형상 매개층(320)과 반사층(330)의 인터페이스(325)에 도달할 경우, 반사광(343)을 생성한다.
나아가, 본 실시예에서의 이미지 센서는 기판(400), 및 도 4에 도시된 화소 유닛 구조를 포함한다. 도 4에 도시된 화소 유닛 구조는 광 검출기(401), 플로팅 확산 노드(402), 얕은 트렌치 격리(403), 게이트 매개층(404), 전송 트랜지스터의 게이트 구조(405), 구관 형상 구조(406), 층간 매개층(410), 단일층 컨포멀 형상 매개층(420) 및 반사층(430)을 포함한다.
구체적으로, 기판(400)은 정면과 배면을 구비하는 실리콘 기판일 수 있고, 도 4에서 상향 화살표의 방향 배면이며, 하향 화살표의 방향은 정면이다.
구체적으로, 광 검출기(401)는 기판(400) 내에 설치되고, 광 검출기(401)의 감광면은 기판(400)의 배면을 향하며, 기판(400)의 배면으로부터 입사광이 수신될 경우, 전하를 생성시키고, 도 4에서 입사된 입사광(440) 및 비수직 입사된 입사광(450)과 같이 입사광은 임의의 입사각도로 입사될 수 있으며, 여기서, 본 실시예에서의 광 검출기(401)는 포토다이오드일 수 있다.
나아가, AR/VR, 3D 얼굴 인식 등 새로운 기술이 등장하였고, 이러한 기술은 사람의 눈에 보이진 않는 근적외선 광을 광원으로 사용하므로, 근적외선 광에서 높은 감응도를 가지는 이미지 센서에 대한 수요가 날로 증가하고 있는데, 가시광 대역과 비교하여, 근적외선 광은 긴 파장으로 인해 광 검출기에서의 흡수율이 낮으며; 실리콘의 두께가 작을 경우, 일부 근적외선 광이 실리콘을 투과하여 광의 이용에 유리하지 않다. 그러나 본 실시예에서의 이미지 센서의 화소 유닛 구조는 실리콘층을 투과한, 상이한 각도로 입사된 근적외선 광을 광 검출기 내에 다시 되돌아갈 수 있도록 함으로써, 광의 흡수를 증가시킨다. 다시 말해, 입사광의 파장이 780 내지 1100㎚인 근적외선 단색광일 경우, 단색성이 양호한 레이저를 근적외선 광의 광원으로 사용하는 응용 시나리오에서, 근적외선 대역에서의 이미지 센서의 감응도를 향상시키는데 유리하다.
구체적으로, 플로팅 확산 노드(402)는 기판(400) 내에 설치되고, 수신된 전하를 저장하며, 저장된 전하를 전압 신호로 변환시킨다.
구체적으로, 얕은 트렌치 격리(403)는 기판(400)의 양측에 설치되어 인접한 화소 유닛 구조의 간섭을 차단시킨다.
구체적으로, 전송 트랜지스터의 게이트 구조(405)는, 기판(400)에 설치된 게이트 매개층(404)에 설치되고, 전송 트랜지스터는 광 검출기(401)에 의해 생성된 전하가 플로팅 확산 노드(402)로 전송되도록 제어하며, 게이트 구조(405)는 전하 전송을 제어하는 스위치로서 기능할 수 있고, 전하 전송 시작 또는 전하 전송 정지를 제어한다. 여기서, 도 1에서 도시된 전송 트랜지스터(12)의 게이트 구조는 도 4에서의 전송 트랜지스터의 게이트 구조(405)이다.
구체적으로, 구관 형상 구조(406)는, 곡률 반경이 R인 구관 형상 구조일 수 있다. 구관 형상 구조(406)는 기판(400)과 동일한 재질을 사용할 수 있으며, 예를 들면 사용된 재료는 흔히 볼 수 있는 반도체 재료, 바람직하게는, 본 실시예에서 기판은 실리콘 기판이고, 구관 형상 구조는 구관 형상 실리콘 구조이지만, 실제 응용에서는 이에 한정되지 않는다. 구관 형상 실리콘 구조는 상기 기판(400)에 설치되고 광 검출기(401)의 감광면의 대향면에 위치한다.
구체적으로, 단일층 컨포멀 형상 매개층(420)은, 구관 형상 구조(406)의 상부에 설치되어, 입사광이 단일층 컨포멀 형상 매개층(420)에 도달할 경우, 매개층 반사광을 생성시키고, 단일층 컨포멀 형상 매개층(420)은 일정한 두께를 가질 수 있다.
구체적으로, 반사층(430)은, 단일층 컨포멀 형상 매개층(420)의 상부에 설치되고, 입사광이 반사층(430)에 도달할 경우, 반사층 반사광을 생성시킨다.
전술한 화소 유닛 구조로부터, 수직 입사된 입사광(440) 또는 비수직 입사된 입사광(450)은 반사층(430)에 도달하는 광 경로가 동일하다는 것을 알 수 있다.
선행기술에 대비하여 본 실시예는, 광 검출기의 감광면의 대향면의 상부 영역에 하나의 특정 곡률 반경의 구관 형상 실리콘 구조를 형성한 후, 상기 구관 형상 실리콘 구조의 상부에 특정 두께의 단일층 컨포멀 형상 매개층 및 반사층을 형성한다. 본 실시예에서의 화소 유닛 구조는 실리콘층을 투과한 입사광을 광 검출기 내에 다시 되돌아갈 수 있도록 함으로써, 광의 흡수를 증가시킨다. 또한, 상이한 각도로 입사된 입사광이 동일한 광 경로를 갖도록 함으로써, 상이한 각도로 입사하는 입사광의 광 검출기에서의 흡수율을 최적화할 수 있다.
본 개시내용의 제2 실시예는 이미지 센서에 관한 것으로, 본 실시예에서, 컨포멀 형상 매개층은 사전 설정 두께를 가지고, 사전 설정 두께는 광학 공명 조건을 만족시키며, 광학 공명 효과를 이용하여 반사율을 최대화하고, 입사광의 흡수율을 더 증가시킨다.
구체적으로, 광학 공명 조건은 도 3에서의 반사광(342)과 반사광(343)의 위상차는 0 또는 2π의 정수배이고, 즉, 정상파를 형성한다. 전술한 위상차는 두 가지 부분으로부터 유래된다. 하나는 단일층 컨포멀 형상 매개층(320)의 두께 d에 의해 야기된 위상 변화 θ이고, 하기 공식(1)에 정의된 바와 같다:
Figure 112019120069866-pct00006
(1)
다른 하나는 반사층(330)의 인터페이스(325)일 경우, 반사층(330)의 광 흡수에 의해 야기된 위상 변화
Figure 112019120069866-pct00007
이며, 하기 공식(2)에 정의된 바와 같다:
Figure 112019120069866-pct00008
(2)
여기서, nd는 단일층 컨포멀 형상 매개층(320)의 굴절률이고, nr및 kr는 각각 반사층(330)의 굴절률 및 소광 계수이며, λ는 입사광의 파장이다. 정상파를 형성하는 조건, 즉, 반사광(342)과 반사광(343)의 위상차는 하기와 같은 공식(3)을 만족시킨다:
Figure 112019120069866-pct00009
(3)
여기서, N은 자연수이다.
나아가, 상기 공식(1) 내지 (3)으로부터, 상이한 각도로 입사된 입사광에 대해, 단일층 컨포멀 형상 매개층(320)의 두께(d)가 특정 조건을 만족시키면, 광의 공명 조건을 만족시킴으로써, 광의 흡수율을 크게 증가시키는 것을 알 수 있다.
일례에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 단일층 컨포멀 형상 매개층(420)은 구체적으로 컨포멀 형상의 이산화규소 매개층일 수 있고, 두께는 dSiO2이며, 구관 형상 구조(406)의 곡률 반경 R = 2215㎚이고, 입사광의 파장은 940㎚이며, 실리콘에서의 상기 입사광의 흡수율이 이산화규소 매개층 두께에 따른 변화의 그래프는 도 5에 도시된 바와 같다. 공식(3)으로부터, dSiO2 = 144.9㎚, 468.8㎚ 또는 792.6㎚일 경우, 모두 광학 공명 조건을 만족시킬 수 있고, 이때 흡수율에 대응되는 최대치는 38.5%인 것을 산출할 수 있다. 이 밖에, 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 이산화규소 매개층이 없을 경우, 흡수율은 5%일 뿐이고, 즉, 본 실시예에 설치된 단일층 컨포멀 형상 매개층(420)은 입사광의 흡수율을 향상시키는데 유리하다. 설명해야 할 것은, 본 실시예에서의 단일층 컨포멀 형상 매개층(420)은 단지 컨포멀 형상의 이산화규소 매개층을 예로 들었지만, 실제 응용에서는 이에 한정되지 않는다. 주의해야 할 것은, 본 명세서에서 상기 “컨포멀 형상"은 특정 구조와 동일한 형상을 유지하는 것을 의미하고, 예를 들면, 컨포멀 형상 매개층은 구관 형상 실리콘 구조와 동일한 형상을 유지한다.
선행기술에 대비하여 본 실시예에서, 컨포멀 형상 매개층은 사전 설정 두께를 가지고, 사전 설정 두께는 입사광의 광학 공명 조건을 만족시켜, 상이한 각도로 입사된 입사광이 구관 형상 실리콘 구조, 컨포멀 형상 매개층 및 반사층을 경과한 후 모두 광학 공명을 형성할 수 있도록 하며, 입사광의 흡수율을 최적화시키고, 입사광의 최대 이용에 유리하다. 또한 본 실시예에서의 화소 구조 유닛을 이용하여, 동일한 구조에 의해 상이한 각도로 입사하는 입사광이 모두 광학 공명 조건을 만족시킬 수 있도록 한다. 동시에 제공된 θ 및
Figure 112019120069866-pct00010
의 계산 공식에 따르면, θ와
Figure 112019120069866-pct00011
사이의 관계에 의해 컨포멀 형상 매개층의 사전 설정 두께를 정확하게 얻는 것이 유리하다.
본 개시내용의 제3 실시예는 이미지 센서에 관한 것으로, 본 실시예는 제2 실시예와 대체로 동일하지만, 상이한 부분은 제2 실시예에서 컨포멀 형상 매개층은 구체적으로 단일층 컨포멀 형상 매개층이지만, 본 실시예에서 컨포멀 형상 매개층은 구체적으로 다층 컨포멀 형상 매개층인 것이고, 컨포멀 형상 매개층의 구현 형태를 제공한다.
본 실시예에서의 이미지 센서의 화소 유닛 구조의 다층 컨포멀 형상 매개층에서, 인접한 두 개의 컨포멀 형상 매개층의 굴절률은 상이하다. 다시 말해 컨포멀 형상 매개층은 상이한 굴절률을 가지는 매개 재료로 교대로 적층된 구조를 사용할 수 있다. 이하에서는, 3층 컨포멀 형상 매개층을 예를 들어 설명하지만, 실제 응용에서는 3 층에 한정되지 않는다. 3층 컨포멀 형상 매개층을 가지는 이미지 센서의 화소 유닛 구조는 도 6에 도시된 바와 같다.
구체적으로, 3층 컨포멀 형상 매개층은 각각 구관 형상 구조에 위치하는 제1 이산화규소 매개층(620); 제1 이산화규소 매개층(620)에 위치하는 이산화티탄 매개층(621); 및 이산화티탄 매개층(621)에 위치하는 제2 이산화규소 매개층(622)으로 이루어질 수 있다. 여기서, 이산화규소의 굴절률은 1.45로, 저굴절률 재료이고; 이산화티탄의 굴절률은 2.25로, 고굴절률 재료이며, 이러한 고굴절률 및 저굴절률 재료로 교대로 적층된 구조를 사용하는 것은 광의 흡수율을 더 증가시키는데 유리하다. 설명해야 할 것은, 본 실시예에서, 상이한 매개 재료는 단지 이산화규소 및 이산화티탄을 예로 들었지만, 실제 응용에서는 이에 한정되지 않는다는 점이다.
나아가, 각 층의 매개 재료의 두께는 특정 파장 단색광의 광학 공명 조건을 만족시킨다. 광의 공명 조건에 따라 제1 이산화규소 매개층(620)의 두께가 485.8㎚이고, 이산화티탄층 매개층의 두께가 104.5㎚이며, 제2 이산화규소 매개층의 두께가 144.9㎚일 경우, 파장이 940㎚인 단색광의 광학 공명 조건을 만족시킬 수 있다는 것을 산출할 수 있다. 도 7의 입사광 파장에 따른 광 검출기의 광 흡수율의 그래프에 도시된 바와 같이, 이때 광의 흡수율이 40.5%인 최대치에 도달한다.
선행기술에 대비하여 본 실시예는, 컨포멀 형상 매개층은 구체적으로 다층 컨포멀 형상 매개층이고; 여기서, 인접한 두 개의 컨포멀 형상 매개층의 굴절률은 상이하다. 다시 말해 컨포멀 형상 매개층은 상이한 굴절률의 매개 재료로 교대로 적층된 구조를 사용할 수 있고, 광의 흡수율을 더 증가시키는데 유리하다.
본 개시내용의 제4 실시예는 이미지 센서의 화소 유닛 구조의 제조방법에 관한 것으로, 광 검출기가 내부에 설치되고, 광 검출기의 감광면이 배면을 향하는 기판을 제공하는 단계; 기판의 상부에 그리고 광 검출기의 감광면의 대향면에 구관 형상 구조를 형성하는 단계(여기서 구관 형상 구조는 기판과 재질이 동일함); 구관 형상 구조에 컨포멀 형상 매개층을 형성하는 단계; 컨포멀 형상 매개층의 상부에 반사층을 형성하는 단계를 포함한다. 이와 같이 해서, 제1 실시예에서의 이미지 센서의 화소 유닛 구조를 제조할 수 있다. 이하 본 실시형태의 이미지 센서의 화소 유닛 구조의 제조방법의 구현 세부 사항을 구체적으로 설명할 것이다. 이하의 내용은 단지 이해의 편의를 위해 구현 세부 사항을 제공한 것으로, 본 해결수단을 실시하는데 반드시 필수적인 것은 아니다.
본 실시예에서의 이미지 센서의 제조방법에서, 화소 유닛 구조의 컨포멀 형상 매개층은 단일층 컨포멀 형상 매개층을 제조하고, 즉, 제1 실시예 또는 제2 실시예에서의 이미지 센서의 화소 유닛 구조를 제조한다. 제조방법의 구체적인 흐름도는 도 8에 도시된 바와 같이, 구체적으로 하기와 같은 단계를 포함한다.
단계 801에서, 얕은 트렌치 절연이 형성되는 기판을 제공한다.
구체적으로, 도 9a를 참조할 수 있는데, 기판(900)의 양측에 인접한 화소의 간섭을 차단시키는 얕은 트렌치 절연(901)이 형성된다.
단계 802에서, 기판의 상부에 그리고 광 검출기의 감광면의 대향면에 구관 형상 구조를 형성한다.
구체적으로, 구관 형상 실리콘 구조는 일종의 구관 형상 구조이고, 구관 형상 구조는 기판과 재질이 동일하며, 본 실시예에서의 기판은 실리콘 기판을 예로 들고, 구관 형상 구조는 구관 형상 실리콘 구조를 예로 들었지만, 실제 응용에서 이에 한정되지 않는다. 구체적으로, 포토레지스트 리플로우 또는 휘도 마스크 노광 공정에 의해 먼저 구관 형상의 포토레지스트를 형성하고, 그 다음에 반응 이온 에칭에 의해 구관 형상 포토레지스트의 형태를 기판(900)으로 전사시키며, 도 9b를 참조할 수 있는데, 여기서 광 검출기(903) 영역의 상부에 구관 형상 실리콘 구조(904)가 형성된다. 본 실시예에서의 광 검출기(903)는 포토다이오드일 수 있고, 포토다이오드는 기판(900) 내에 설치된다.
단계 803에서, 기판에 이온 도핑 영역, 게이트 전극, 제1 층간 매개층 등과 같은 구조를 형성한다.
구체적으로, 도 9c를 참조할 수 있는데, 기판 내에 형성된 이온 도핑 영역은 광 검출기(903), 플로팅 확산 노드(906) 등을 포함할 수 있고, 게이트 매개층(907), 게이트 구조(908) 및 제1 층간 매개층(910) 등과 같은 구조를 더 형성할 수 있다.
단계 804에서, 광 검출기의 감광면의 대향면의 제1 층간 매개층을 제거하고, 구관 형상 실리콘 구조를 노출시킨다.
구체적으로, 도 9d를 참조할 수 있는데, 광 검출기(903)의 상부 영역에 위치된 제1 층간 매개층(910)을 제거하여, 구관 형상 실리콘 구조(904)를 노출시킨다.
단계 805에서, 구관 형상 실리콘 구조에 컨포멀 형상 매개층을 형성하고, 컨포멀 형상 매개층의 상부에 반사층을 형성한다.
구체적으로, 도 9e를 참조할 수 있는데, 구관 형상 실리콘 구조(904)에 한 층의 특정 두께의 컨포멀 형상 매개층(920) 및 반사층(930)을 형성하고, 그 다음에 제2 층간 매개층(940)을 증착시키며 평탄화시킨다. 바람직하게는, 컨포멀 형상 매개층(920)은 사전 설정 두께를 구비할 수 있고, 사전 설정 두께는 광학 공명 조건을 만족시킬 수 있으며, 광학 공명 조건의 내용은 제2 실시예에서 상세하게 설명되었으므로, 제2 실시예에서의 설명을 참조할 수 있다. 반복을 방지하기 위해 본 실시예는 여기서 반복하여 설명하지 않을 것이다.
설명해야 할 것은, 제2 층간 매개층(940)을 증착시키고 평탄화시킨다는 점이다. 나머지 공정은 표준 이미지 센서의 공정 흐름에 따라 완성할 수 있다. 도 9f를 참조하면, 도전성 비아(911), 금속 상호 접속선(912) 및 금속 간 매개층(915)의 제조, 나머지 공정은 캐리어 위이퍼(950)와의 결합, 기판(900)의 배면을 얇아지도록 하며, 항반사층 및 마이크로 렌즈(970)의 제조 등을 포함한다. 이는 모두 이미지 센서의 표준 공정이므로 여기서는 일일이 설명하지 않는다.
본 개시내용의 제5 실시예는 이미지 센서의 제조방법에 관한 것으로, 본 실시예는 제4 실시예와 대체로 동일하지만, 상이한 부분은 제4 실시예에서 제조된 이미지 센서의 화소 유닛 구조에서의 컨포멀 형상 매개층은 단일층이지만, 본 실시예에서 제조된 이미지 센서의 화소 유닛 구조에서의 컨포멀 형상 매개층은 다층으로, 즉, 본 실시예는 제3 실시예에서의 이미지 센서의 화소 유닛 구조의 제조방법을 제공한다.
본 실시예에서의 이미지 센서의 제조방법의 구체적인 흐름도는 도 10에 도시된 바와 같이 구체적으로 하기와 같은 단계를 포함한다.
단계 1001에서, 얕은 트렌치 절연이 형성되는 기판을 제공한다.
단계 1002에서, 기판의 상부에 그리고 광 검출기의 감광면의 대향면에 구관 형상 구조를 형성한다.
단계 1003에서, 기판에 이온 도핑 영역, 게이트 전극, 제1 층간 매개층 등과 같은 구조를 형성한다.
단계 1004에서, 광 검출기의 감광면의 대향면의 제1 층간 매개층을 제거하고, 구관 형상 실리콘 구조를 노출시킨다.
단계 1001 내지 단계 1004는 단계 801 내지 단계 804와 대체로 동일하므로, 반복되는 것을 방지하기 위해 여기서는 일일이 설명하지 않는다.
단계 1005에서, 구관 형상 실리콘 구조에 2층 또는 2층 이상의 특정 두께의 컨포멀 형상 매개층을 형성하고 컨포멀 형상 매개층의 상부에 반사층을 형성한다.
구체적으로, 2층 또는 2층 이상의 컨포멀 형상 매개층은 고굴절률 및 저굴절률 재료로 교대로 적층된 구조이다. 이하, 3층 컨포멀 형상 매개층을 예를 들어 설명한다. 먼저 광의 공명 조건에 따라 3개의 상이한 매개 재료의 컨포멀 형상 매개층의 두께를 각각 얻을 수 있다. 3층의 특정 두께를 가지는 컨포멀 형상 매개층을 형성할 경우, 먼저 구관 형상 실리콘 구조에 제1 이산화규소 매개층을 형성하고; 그 다음에 제1 이산화규소 매개층에 이산화티탄 매개층을 형성하며; 이산화티탄 매개층에 제2 이산화규소 매개층을 형성하여, 3층 컨포멀 형상 매개층이 적층된 구조가 최종적으로 형성될 수 있다. 마지막으로 제2 이산화규소 매개층에 반사층을 형성한다. 설명해야 할 것은, 본 실시예에서, 상이한 매개 재료는 단지 이산화규소 및 이산화티탄을 예를 들었지만, 실제 응용에서는 이에 한정되지 않는다.
설명해야 할 것은, 단계 1005 이후, 제4 실시예의 단계 805 이후의 단계는 표준 이미지 센서의 공정 흐름에 따라 나머지 공정을 완성할 수 있고, 반복되는 것을 방지하기 위해 여기서는 일일이 설명하지 않는다는 점이다.
상기 방법에서, 단일 픽셀 구조가 설명 대상으로 된다. 대응되게 도 9a 내지 도 9f에 도시된 기판(900)의 경계는 기판의 실제 경계가 아님을 이해해야 한다.
전술한 다양한 방법의 단계들은 설명의 명료성을 위해 분할된 것으로 했지만, 동일한 논리적 관계가 본 특허의 보호범위 내에 포함되는 한, 구현 시 하나의 단계로 결합되거나 특정 단계로 분할되어 여러 단계로 분해될 수 있다. 알고리즘 또는 프로세스의 핵심 디자인을 변경하지 않고 알고리즘 또는 프로세스에 대한 중요하지 않은 수정의 추가 또는 중요하지 않은 디자인의 도입은 모두 본 특허의 보호범위 내에 있다.
상기 실시예는 본 개시내용을 구현하기 위한 구체적인 실시예이고, 실제 응용에서, 본 개시내용의 정신과 범위를 벗어나지 않는 전제하에서 형태 및 세부 사항에 있어서 다양한 변경이 이루어질 수 있음은 당업자에 의해 이해될 것이다.

Claims (23)

  1. 기판 및 적어도 하나의 화소 유닛을 포함하는 이미지 센서로서,
    상기 화소 유닛은,
    상기 기판 내에 설치되고, 감광면이 상기 기판의 배면을 향하며, 상기 기판의 상기 배면으로부터 입사광이 수신될 경우 전하를 생성시키는 광 검출기;
    상기 기판에 설치되고, 상기 감광면의 대향면에 위치되는 구관 형상 구조(spherical crown structure);
    상기 구관 형상 구조의 상부에 설치되며, 상기 입사광이 도달할 경우, 매개층 반사광을 생성시키는데 사용되는 컨포멀 형상 매개층(conformal dielectric layer); 및
    상기 컨포멀 형상 매개층의 상부에 설치되고, 상기 입사광이 도달할 경우, 반사층 반사광을 생성시키는 반사층을 포함하고,
    상기 컨포멀 형상 매개층은 사전 설정 두께를 구비하고, 상기 사전 설정 두께는 상기 입사광의 광학 공명 조건을 만족시키며,
    상기 광학 공명 조건은, 상기 매개층 반사광의 위상 θ 및 상기 반사층 반사광의 위상
    Figure 112021066803976-pct00037
    가 하기와 같은 공식을 만족시키고,
    Figure 112021066803976-pct00038

    식 중, N은 자연수인, 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컨포멀 형상 매개층은 다층 컨포멀 형상 매개층이고; 인접한 두 개의 컨포멀 형상 매개층의 굴절률은 상이한 것인, 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다층 컨포멀 형상 매개층은 3층 컨포멀 형상 매개층이되; 상기 3층 컨포멀 형상 매개층은 각각,
    상기 구관 형상 구조에 위치하는 제1 이산화규소 매개층;
    상기 제1 이산화규소 매개층에 위치하는 이산화티탄 매개층; 및
    상기 이산화티탄 매개층에 위치하는 제2 이산화규소 매개층인, 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 매개층 반사광의 위상 θ 및 상기 반사층 반사광의 위상
    Figure 112021066803976-pct00014
    는 구체적으로 하기와 같은 공식에 의해 산출되는, 이미지 센서:
    Figure 112021066803976-pct00015
    및
    Figure 112021066803976-pct00016

    식 중, d는 상기 컨포멀 형상 매개층의 사전 설정 두께이며, nd는 상기 컨포멀 형상 매개층의 굴절률이고, λ는 상기 입사광의 파장이며; nr은 상기 반사층의 굴절률이고, kr은 상기 반사층의 소광 계수이다.
  5. 제1항에 있어서, 상기 구관 형상 구조는 구관 형상 실리콘 구조인, 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판에 설치된 게이트 매개층에 설치된 전송 트랜지스터의 게이트 구조로서, 상기 전송 트랜지스터는 상기 광 검출기에 의해 생성된 전하가 플로팅 확산 노드로 전송되도록 제어하며, 상기 게이트 구조는 전하 전송을 제어하는 스위치인, 상기 전송 트랜지스터의 게이트 구조; 및
    상기 기판 내에 설치된 상기 플로팅 확산 노드로서, 수신된 전하를 저장하고, 저장된 전하를 전압 신호로 변환시키는, 상기 플로팅 확산 노드를 더 포함하는, 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 양측에 설치되고, 인접한 화소 유닛 구조의 간섭을 차단시키는 얕은 트렌치 격리를 더 포함하는, 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 입사광은 근적외선 단색광인, 이미지 센서.
  9. 제1항에 있어서, 상기 구관 형상 구조는 상기 기판과 재질이 동일한, 이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 광 검출기는 포토다이오드인, 이미지 센서.
  11. 이미지 센서의 제조방법으로서,
    광 검출기가 내부에 설치되고, 상기 광 검출기의 감광면이 배면을 향하는 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판의 상부에 그리고 상기 광 검출기의 감광면의 대향면에 구관 형상 구조를 형성하는 단계로서, 상기 구관 형상 구조는 상기 기판과 재질이 동일한, 상기 구관 형상 구조를 형성하는 단계;
    상기 구관 형상 구조에 컨포멀 형상 매개층을 형성하는 단계; 및
    상기 컨포멀 형상 매개층의 상부에 반사층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 컨포멀 형상 매개층은 사전 설정 두께를 구비하고, 상기 사전 설정 두께는 입사광의 광학 공명 조건을 만족시키며,
    상기 광학 공명 조건은, 상기 매개층의 반사광의 위상 θ 및 상기 반사층의 반사광의 위상
    Figure 112021066803976-pct00039
    가 하기와 같은 공식을 만족시키고,
    Figure 112021066803976-pct00040

    식 중, N은 자연수인, 이미지 센서의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 기판의 상부에 그리고 상기 광 검출기의 감광면의 대향면에 구관 형상 구조를 형성하는 단계는,
    포토레지스트 리플로우 또는 휘도 마스크 노광 공정에 의해 구관 형상의 포토레지스트를 형성하는 단계;
    반응 이온 에칭에 의해 상기 구관 형상의 포토레지스트를 상기 기판 내로 전사시키는 단계;
    상기 기판에 제1 층간 매개층을 형성하는 단계;
    상기 광 검출기의 감광면의 대향면의 상부 영역에 위치한 제1 층간 매개층을 제거하고, 상기 구관 형상 구조를 노출시키는 단계를 포함하는, 이미지 센서의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 컨포멀 형상 매개층의 상부에 반사층을 형성하는 단계 이후에, 상기 이미지 센서의 제조방법은,
    상기 반사층에 제2 층간 매개층을 증착시키고 평탄화시키는 단계를 더 포함하는, 이미지 센서의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 기판 내에 광 검출기를 형성하는 단계 이후에,
    상기 기판 내에 플로팅 확산 노드를 형성하고, 상기 기판에 전송 트랜지스터의 게이트 구조를 형성하는 단계를 더 포함하는, 이미지 센서의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 기판 내에 광 검출기를 형성하는 단계 이전에,
    상기 기판의 양측에 얕은 트렌치 격리를 형성하는 단계를 더 포함하는, 이미지 센서의 제조방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 컨포멀 형상 매개층은 다층 컨포멀 형상 매개층이고, 인접한 두 개의 컨포멀 형상 매개층의 굴절률은 상이한, 이미지 센서의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 다층 컨포멀 형상 매개층은 3층 컨포멀 형상 매개층이고, 상기 3층 컨포멀 형상 매개층은 각각,
    상기 구관 형상 구조에 위치하는 제1 이산화규소 매개층;
    상기 제1 이산화규소 매개층에 위치하는 이산화티탄 매개층; 및
    상기 이산화티탄 매개층에 위치하는 제2 이산화규소 매개층인, 이미지 센서의 제조방법.
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