KR102424652B1 - 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서는, 반도체 기판에 구비되는 포토 다이오드들 및 상기 포토 다이오드들 상에 배치되고, 입사광을 파장에 따라 분광하고 상기 분광된 광을 상기 서로 다른 포토 다이오드들로 각각 입사시키는 스프리터를 포함할 수 있다. 상기 스프리터는 복수개의 굴절막 패턴들이 측방으로 적층되는 단면 구조를 갖는 제1 패턴 구조물을 포함할 수 있다. 상기 이미지 센서는 고감도를 가질 수 있다.

Description

이미지 센서{AN IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 스프리터를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
최근에, 픽셀의 크기가 작으면서도 우수한 특성을 갖는 이미지 센서가 개발되고 있다. 상기 이미지 센서는 포토 다이오드에 도달하지 못하고 흡수되는 광량을 감소시켜 고감도를 갖도록 하는 것이 요구되고 있다.
본 발명의 과제는 고감도를 갖는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판에 구비되는 포토 다이오드들 및 상기 포토 다이오드들 상에 배치되고, 입사광을 파장에 따라 분광하고 분광된 광을 상기 서로 다른 포토 다이오드들로 각각 입사시키는 스프리터를 포함할 수 있다. 상기 스프리터는 복수개의 굴절막 패턴들이 측방으로 적층되는 단면 구조를 갖는 제1 패턴 구조물을 포함할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판 내에 구비되고 단위 픽셀 영역들을 구분하는 소자 분리 패턴과, 상기 반도체 기판의 단위 픽셀 영역 내에 각각 구비되는 포토 다이오드들과, 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 상기 포토 다이오드들과 이격되게 배치되고, 입사광을 파장에 따라 분광하고 분광된 광을 서로 다른 포토 다이오드들로 각각 입사시키는 스프리터 및 상기 반도체 기판의 제2 면 상에 구비되는 배선 구조물을 포함할 수 있다. 상기 스프리터는 복수개의 굴절막 패턴들은 수직 방향으로 경계면이 있는 구조를 갖는 제1 패턴 구조물을 포함할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판 내에 구비되고 단위 픽셀 영역들을 구분하는 소자 분리 패턴과, 상기 반도체 기판의 단위 픽셀 영역 내에 각각 구비되는 포토 다이오드들과, 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 상기 포토 다이오드들과 이격되게 배치되고, 입사광을 파장에 따라 분광하고 분광된 광을 서로 다른 포토 다이오드들로 각각 입사시키는 스프리터와, 상기 스프리터 상에 구비되는 유기 포토 다이오드 및 상기 반도체 기판의 제2 면 상에 구비되는 배선 구조물을 포함할 수 있다. 상기 스프리터는 복수개의 굴절막 패턴들이 측방으로 적층되는 단면 구조를 갖는 제1 패턴 구조물을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 이미지 센서는 스프리터를 포함함으로써 포토 다이오드로 입사되는 광량이 증가되어 고감도를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 개략적인 단면도이다.
도 2는 스프리터의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 개략적인 단면도이다.
도 4 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 스프리터의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도 및 평면도들이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 스프리터를 나타내는 단면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 스프리터를 나타내는 단면도이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 스프리터의 형성 방법을 설명하는 단면도들이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 스프리터를 나타내는 단면도이다.
도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 22는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 개략적인 단면도이다. 도 2는 스프리터의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함할 수 있다. 상기 각 단위 픽셀들은 포토 다이오드(10a, 10b, 10c) 및 컬러 필터(14a, 14b, 14c)를 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터(14a, 14b, 14c) 상에는 스프리터(18)가 구비될 수 있다.
반도체 기판 내부에 상기 포토 다이오드들(10a, 10b, 10c)이 구비될 수 있다. 상기 반도체 기판은 각 벌크(bulk) 기판, 에피텍셜(epitaxial) 기판 또는 SOI(silicon on insulator)기판 중 어느 하나일 수 있다. 반도체 기판은 예를 들면, 실리콘(Si, silicon)을 포함할 수 있다. 또는 반도체 기판은 게르마늄(Ge, germanium)과 같은 반도체 원소, 또는 SiC (silicon carbide), GaAs(galliumarsenide), InAs (indium arsenide), 및 InP (indium phosphide)와 같은 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 상기 포토 다이오드들(10a, 10b, 10c)은 불순물이 도핑된 불순물 영역을 포함할 수 있다.
상기 반도체 기판 상에 상기 포토 다이오드들(10a, 10b, 10c)을 덮는 제1 층간 절연막(12)이 구비될 수 있다. 상기 제1 층간 절연막(12)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 제1 층간 절연막(12) 상에는 특정 파장을 갖는 색의 광만 선택적으로 투과시키는 컬러 필터들(14a, 14b, 14c)이 구비될 수 있다.
상기 컬러 필터들은 적색 컬러 필터(14a), 녹색 컬러 필터(14b) 및 청색 컬러 필터(14c)를 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터들(14a, 14b, 14c)은 상기 포토 다이오드들(10a, 10b, 10c)과 이격되면서 상기 포토 다이오드들(10a, 10b, 10c)과 각각 대향하게 배치될 수 있다. 예를들어, 상기 적색 컬러 필터(14a)는 제1 포토 다이오드(10a)와 대향하고, 녹색 컬러 필터(14b)는 제2 포토 다이오드(10b)와 대향하고, 청색 컬러 필터(14c)는 제3 포토다이오드(10c)와 대향할 수 있다.
상기 컬러 필터들(14a, 14b, 14c) 상에는 평탄화막(16)이 구비될 수 있다. 상기 평탄화막(16)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 예를들어, 상기 평탄화막(16)은 SOG막을 포함할 수 있다.
상기 스프리터(splitter, 18)는 외부로부터 입사되는 광이 상기 컬러 필터(14a, 14b, 14c)에 도달하기 이 전에 광을 파장에 따라 분광시키고, 분광된 광을 서로 다른 컬러 필터들(14a, 14b, 14c)에 각각 입사키는 역할을 한다. 그러므로, 상기 스프리터(18)는 상기 컬러 필터(14a, 14b, 14c)와 이격되면서 상기 컬러 필터(14a, 14b, 14c) 상에 구비될 수 있다. 상기 스프리터(18)는 상기 평탄화막 상에 구비될 수 있다. 상기 스프리터(18)를 통해 적색광은 적색 컬러 필터(14a)로 입사되도록 하고, 녹색광은 녹색 컬러 필터(14b)로 입사되도록 하고, 청색광은 청색 컬러 필터(14c)로 입사되도록 할 수 있다.
상기 스프리터(18) 양 측에는 매립막 패턴(20)이 구비될 수 있다. 상기 매립막 패턴(20)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 스프리터(18)의 상부면과 상기 매립막 패턴(20)의 상부면은 실질적으로 동일한 평면 상에 위치할 수 있다.
상기 스프리터(18)로 제공되는 패턴 구조물의 단면은 복수개의 굴절막 패턴들(18a, 18b)이 측방으로 반복 적층되는 형상을 가질 수 있다. 따라서, 상기 굴절막 패턴들(18a, 18b)은 수직 방향으로 경계면이 있을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 패턴 구조물(18)은 기판 표면과 수직한 방향(이하, 수직 방향)으로 4000 내지 8000Å의 높이를 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 패턴 구조물(18)은 2000 내지 4000 Å의 폭을 가질 수 있다. 상기 패턴 구조물(18)의 폭을 가질 수 있도록, 상기 굴절막 패턴들(18a, 18b)의 각각의 폭 및 적층 개수가 조절될 수 있다. 상기 패턴 구조물에서, 각 굴절막 패턴들은 중심 부위에 위치하는 굴절막 패턴(18b)을 기준으로 서로 대칭되게 배치될 수 있다.
상기 각 굴절막 패턴들(18a, 18b)은 2.0 내지 3.0 범위의 높은 굴절율을 갖는 투명 물질을 포함할 수 있다. 상기 투명 물질은 예를들어 티타늄 산화물, 니오븀 산화물과 같은 금속 산화물을 포함할 수 있다.
상기 굴절막 패턴들(18a, 18b)이 측방으로 적층되는 구조를 가지므로, 상기 굴절막 패턴들(18a, 18b)의 계면에는 수직 방향으로 그레인 바운더리(grain boundary)가 생길 수 있다.
예시적인 실시예에서, 서로 이웃하는 굴절막 패턴들(18a, 18b)은 동일한 투명 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 서로 이웃하는 굴절막 패턴들(18a, 18b)은 서로 다른 투명 물질을 포함할 수 있다. 예를들어, 2개의 서로 다른 굴절막 패턴들(18a, 18b)이 서로 번갈아가며 측방으로 적층될 수 있다. 따라서, 상기 굴절막 패턴들(18a, 18b)은 수직 방향으로 경계면이 있을 수 있다.
예시적인 실시예에서, 서로 이웃하는 굴절막 패턴들(18a, 18b)은 동일한 폭을 갖거나 또는 서로 다른 폭을 가질 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 상기 스프리터(18)는 각 컬러 필터들(14a, 14b, 14c)의 적어도 일부분과 상기 수직 방향으로 대향할 수 있다. 평면도에서 볼 때, 상기 스프리터(18)는 격자 형상을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 스프리터(18)는 상기 녹색 컬러 필터(14b)를 대각선 방향으로 가로지르도록 연장되는 형상을 가질 수 있다.
상기 스프리터(18) 및 매립막 패턴(20)상에는 캡핑막(22)이 구비될 수 있다. 상기 캡핑막(22)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 캡핑막(22) 상에 마이크로 렌즈(24)가 구비될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 마이크로 렌즈는 구비되지 않을 수도 있다.
설명한 것과 같이, 상기 스프리터(18)는 외부로부터 입사되는 광을 파장에 따라 분광한 다음 분광된 광을 서로 다른 각각의 컬러 필터(14a, 14b, 14c)로 입사시킨다. 즉, 각 컬러 필터(14a, 14b, 14c)들을 투과할 수 있는 파장을 갖는 광들이 상기 컬러 필터(14a, 14b, 14c)들에 각각 입사될 수 있다. 때문에, 상기 컬러 필터들(14a, 14b, 14c)에서 흡수되는 광이 매우 감소되고, 이에 따라 상기 포토 다이오드(10a, 10b, 10c)로 입사되는 광량이 증가될 수 있다. 또한, 상기 스프리터(18)는 측방으로 적층되는 각 굴절막 패턴들(18a, 18b)의 물질을 변경하거나 또는 각 굴절막 패턴들의 폭들을 변경함으로써 원하는 분광 특성을 갖도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 개략적인 단면도이다.
도 3의 이미지 센서는 단위 픽셀 내에 컬러 필터 및 평탄화막이 구비되지 않는 것을 제외하고는 도 1에 도시된 이미지 센서와 동일하다.
도 3을 참조하면, 반도체 기판 내부에는 포토 다이오드들(10a, 10b, 10c)이 구비될 수 있다. 상기 반도체 기판 상에 상기 포토 다이오드들(10a, 10b, 10c)을 덮는 제1 층간 절연막(12)이 구비될 수 있다.
상기 제1 층간 절연막(12) 상에는 스프리터(18)가 구비될 수 있다.
상기 스프리터(18)는 외부로부터 조사되는 광을 파장에 따라 분광하고, 상기 분광된 광이 서로 다른 각각의 포토 다이오드들(10a, 10b, 10c)에 입사되도록 한다. 예시적인 실시예에서, 상기 스프리터(18)는 컬러 필터의 역할을 함께 할 수 있다. 예를들어, 상기 스프리터(18)를 통해, 적색광은 제1 포토 다이오드(10a)에 조사되도록 하고, 녹색광은 제2 포토 다이오드(10b)에 조사되도록 하고, 청색광은 제3 포토 다이오드(10c)에 조사되도록 할 수 있다.
상기 스프리터(18)는 도 1을 참조로 설명한 것과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.
상기 스프리터(18)의 양 측에는 매립막 패턴(20)이 구비될 수 있다. 상기 스프리터(18) 및 매립막 패턴(20) 상에 캡핑막(22)이 구비될 수 있다. 상기 캡핑막(22) 상에 마이크로 렌즈(24)가 구비될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 마이크로 렌즈는 구비되지 않을 수도 있다.
설명한 것과 같이, 상기 스프리터(18)는 외부로부터 입사되는 광을 파장에 따라 분광하여 컬러 필터를 거치지 않고 서로 다른 각각의 포토 다이오드들(10a, 10b, 10c)로 입사시킬 수 있다. 따라서, 이미지 센서의 적층 구조가 단순해질 수 있다.
이하에서는, 상기 이미지 센서에 포함되는 스프리터의 형성 방법에 대해 설명한다.
도 4 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 스프리터의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도 및 평면도들이다.
도시하지 않았지만, 반도체 기판 내부에 포토 다이오드가 형성될 수 있다. 상기 포토 다이오드 상에는 컬러 필터들이 형성될 수 있다. 상기 컬러 필터들을 덮는 하부막(15)을 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 컬러 필터가 형성되지 않을 수도 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 하부막(15) 상에 마스크 패턴(30)을 형성한다. 상기 하부막(15)은 평탄화막 또는 층간 절연막일 수 있다. 상기 마스크 패턴(30)은 사진 공정을 통해 형성된 포토레지스트 패턴을 포함할 수 있다.
상기 마스크 패턴(30)은 스프리터가 형성될 부위 상에 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 마스크 패턴(30)은 평면도에서 볼 때 격자 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 상기 마스크 패턴(30)은 도 2에 도시된 것과 같이, 하부에 위치하는 녹색 컬러 필터를 대각선 방향으로 가로지르도록 연장되는 형상을 가질 수 있다.
상기 마스크 패턴(30)은 형성하고자 하는 스프리터의 목표 선폭보다 좁은 제1 선폭(d1)을 갖도록 형성할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 제1 선폭(d1)은 상기 스프리터의 목표 선폭의 1/2 이하일 수 있다. 예를들어, 상기 제1 선폭(d1)은 상기 스프리터의 목표 선폭의 약 1/3 일 수 있다. 상기 마스크 패턴(30)은 형성하고자 하는 스프리터의 목표 높이보다 더 높은 높이를 갖도록 형성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 마스크 패턴(30)의 표면 및 하부막(15) 표면 상에 컨포멀하게 제1 굴절막(32)을 형성한다. 상기 제1 굴절막(32)은 원자층 적층법을 통해 형성할 수 있다. 상기 제1 굴절막(32)은 제1 두께(d2)를 갖도록 형성할 수 있다.
상기 제1 굴절막(32)은 2.0 내지 3.0 범위의 높은 굴절율을 갖는 투명 물질을 포함할 수 있다. 상기 투명 물질은 예를들어 티타늄 산화물, 니오븀 산화물과 같은 금속 산화물을 포함할 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 제1 굴절막(32)을 이방성 식각하여 상기 마스크 패턴(30) 측벽 상에 제1 굴절막 패턴(18a)을 형성한다. 상기 제1 굴절막 패턴(18a)은 상기 제1 두께와 실질적으로 동일한 제2 선폭(d2)을 가질 수 있다.
평면도에서 볼 때, 상기 제1 굴절막 패턴(18a) 및 상기 마스크 패턴(30)은 격자 형상을 가질 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 마스크 패턴(30)을 제거하여 트렌치(34)를 형성한다. 상기 트렌치(34)는 격자 형상을 가질 수 있다. 상기 마스크 패턴(30)을 제거하는 공정은 에싱 스트립 공정을 포함할 수 있다. 또한, 상기 트렌치(34)의 양 측에는 상기 제1 굴절막 패턴(18a)이 구비될 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 제1 굴절막 패턴(18a)들 사이의 트렌치(34)를 채우면서 상기 제1 굴절막 패턴(18a) 측벽 및 하부막(15) 표면 상에 컨포멀하게 제2 굴절막(36)을 형성한다. 상기 제2 굴절막(36)은 원자층 적층법을 통해 형성할 수 있다. 상기 제2 굴절막(36)은 제2 두께(d3)를 갖도록 형성할 수 있다.
상기 제2 굴절막(36)은 2.0 내지 3.0 범위의 높은 굴절율을 갖는 투명 물질을 포함할 수 있다. 상기 투명 물질은 예를들어 티타늄 산화물, 니오븀 산화물과 같은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제2 굴절막(36)은 상기 제1 굴절막 패턴(18a)과 동일한 물질로 형성하거나 또는 다른 물질로 형성할 수 있다.
도 12를 참조하면, 상기 제2 굴절막(36)을 이방성 식각하여 상기 트렌치(34)의 내부 및 상기 제1 굴절막 패턴(18a)의 측벽 상에 제2 굴절막 패턴(18b)을 형성한다. 따라서, 상기 제2 굴절막 패턴(18b)과 상기 제1 굴절막 패턴(18a)이 번갈아 측방으로 적층되는 예비 패턴 구조물(38)을 형성할 수 있다. 상기 제1 및 제2 굴절막 패턴들(18a, 18b) 사이의 경계면은 수직 방향으로 위치할 수 있다.
상기 트렌치(34) 내부에 형성되는 제2 굴절막 패턴(18b)은 상기 제1 선폭(d1)을 가질 수 있다. 또한, 예비 패턴 구조물(38)의 최측방에 위치하는 제2 굴절막 패턴(18b)은 상기 제2 두께와 실질적으로 동일한 제3 선폭(d3)을 가질 수 있다.
상기 예비 패턴 구조물(38)은 예비 스프리터로 제공될 수 있다. 상기 예비 패턴 구조물(38)의 높이는 이 전에 형성된 상기 마스크 패턴(30)의 높이에 의해 결정될 수 있다. 즉, 상기 예비 패턴 구조물(38)의 높이는 상기 마스크 패턴(30)과 실질적으로 동일하거나 상기 마스크 패턴(30)보다 다소 낮을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 예비 패턴 구조물(38)의 선폭은 상기 제1 선폭(d1), 제2 선폭(d2)의 2배 및 제3 선폭(d3)의 2배가 더해진 값을 가질 수 있다. 상기 예비 패턴 구조물(38)의 선폭은 목표한 스프리터의 선폭과 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 스프리터의 목표 선폭에 따라서, 상기 제1 내지 제3 선폭(d1, d1, d2)을 조절할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 예비 패턴 구조물(38) 상에 추가적으로 굴절막의 증착 및 이방성 식각 공정을 더 수행함으로써, 상기 예비 패턴 구조물의 측벽 상에 굴절막 패턴을 더 형성할 수도 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 예비 패턴 구조물(38)은 예를들어, 4000 Å 내지 8000 Å 의 높이를 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 예비 패턴 구조물은 예를들어, 2000 Å 내지 4000 Å 의 너비를 가질 수 있다.
상기 설명한 공정을 통해 예비 패턴 구조물(38)을 형성하면, 상기 굴절막들의 증착 두께는 4000 Å 내지 8000 Å 보다 얇을 수 있다. 예를들어, 상기 예비 패턴 구조물(38)을 형성하기 위하여, 상기 제1 및 제2 굴절막들(32, 36)의 증착 두께의 합은 목표한 예비 패턴 구조물(38)의 높이의 약 1/2 내지 1/3 정도가 될 수 있다. 이와같이, 상기 예비 패턴 구조물(38)을 형성하기 위하여 증착되는 제1 및 제2 굴절막들(32, 36)의 두께가 감소됨으로써, 상기 예비 패턴 구조물(38)을 형성하는 시간이 감소될 수 있다. 또한, 상기 예비 패턴 구조물(38)을 장시간에 걸쳐 형성하는 중에 발생될 수 있는 불량이 감소될 수 있다.
도 13을 참조하면, 상기 예비 패턴 구조물(38)을 덮는 매립막(40)이 구비될 수 있다. 상기 매립막(40)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 매립막(40)은 예를들어, SOG막을 포함할 수 있다.
도 14 및 15를 참조하면, 상기 예비 패턴 구조물(38)의 상부면이 평탄해지도록 상기 예비 패턴 구조물(38) 및 매립막(40)의 상부면을 평탄화하여 패턴 구조물(18) 및 매립막 패턴(40a)을 형성한다. 상기 패턴 구조물(18)은 스프리터로 제공될 수 있다. 상기 평탄화 공정은 화학 기계적 연마 또는 에치백 공정을 포함할 수 있다. 상기 평탄화 공정을 수행하면, 상기 예비 패턴 구조물(38)의 상부면이 일부 제거될 수 있다. 따라서, 상기 패턴 구조물(18)의 높이는 상기 예비 패턴 구조물(38)의 높이보다 다소 낮아질 수 있다. 상기 패턴 구조물(18)은 이미지 센서의 픽셀에 포함되는 스프리터로 제공될 수 있다.
상기 패턴 구조물(18)은 가장 중심에 형성되는 굴절막 패턴(18b)을 기준으로 상기 중심의 굴절막 패턴의 양 측방에 서로 대칭되도록 굴절막 패턴들이 각각 적층될 수 있다.
상기 공정에 의해 형성되는 스프리터(18)는 측방으로 적층되는 각 굴절막 패턴들(18a, 18b)의 물질 및 폭들을 변경함으로써 원하는 분광 특성을 갖도록 할 수 있다.
이하에서는, 상기 패턴 구조물과 다른 적층 구조를 갖는 스프리터들에 관한 실시예들 및 이의 형성 방법에 대해 설명한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 스프리터를 나타내는 단면도이다.
도 16을 참조하면, 스프리터(58)는 제1 패턴 구조물(50) 및 제2 패턴 구조물(54)이 적층되는 구조를 가질 수 있다.
예시적인 실시예에서, 스프리터에 포함되는 4000 Å 내지 8000 Å 의 높이를 갖는 패턴 구조물이 한번에 형성하는 것이 아니라, 약 2000 Å 내지 4000 Å 의 높이를 갖는 패턴 구조물들(50, 54)이 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 패턴 구조물(50)은 복수개의 굴절막 패턴들(50a, 50b)이 측방으로 적층되는 형상을 가질 수 있다. 따라서, 상기 굴절막 패턴들(50a, 50b)은 수직 방향으로 경계면이 있을 수 있다.
예를들어, 상기 제1 패턴 구조물(50)은 제2 굴절막 패턴(50b)과 제1 굴절막 패턴(50a)이 번갈아 측방으로 적층되는 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 패턴 구조물(50)은 도 1을 참조로 설명한 패턴 구조물과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 패턴 구조물(50)의 양 측에는 제1 매립막 패턴(52)이 구비될 수 있다. 상기 제1 패턴 구조물(50)의 상부면과 제1 매립막 패턴(52)의 상부면은 실질적으로 동일한 평면에 위치할 수 있다. 상기 제1 매립막 패턴(52)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 제2 패턴 구조물(54)은 상기 제1 패턴 구조물(50) 상에 구비될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 제2 패턴 구조물(54)은 상기 제1 패턴 구조물(50)과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 예를들어, 상기 제2 패턴 구조물(54)에 포함되는 굴절막 패턴들(54a, 54b) 각각의 폭 및 물질은 상기 제1 패턴 구조물(50)에 포함되는 굴절막 패턴들(50a, 50b) 각각의 폭 및 물질과 실질적으로 동일할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 제2 패턴 구조물(54)에 포함되는 각각의 굴절막 패턴들(54a, 54b)의 폭 및/또는 물질은 상기 제1 패턴 구조물(50)에 포함되는 각각의 굴절막 패턴들(50a, 50b)의 폭 및/또는 물질과 다를 수도 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제2 패턴 구조물(54)의 높이와 상기 제1 패턴 구조물(50)의 높이는 실질적으로 동일하거나 또는 서로 다를 수 있다.
칩 단위의 각 이미지 센서 내의 픽셀들의 위치에 따라, 각 픽셀에 입사되는 광의 각도 및 광량이 다를 수 있다. 따라서, 상기 픽셀들의 위치에 따라 상기 제1 패턴 구조물(50) 상에 형성되는 제2 패턴 구조물(54)의 위치를 변경시켜 광들이 정확한 위치로 분광되도록 할 수 있다. 즉, 각 픽셀의 위치에 따라, 상기 제2 패턴 구조물(54)은 상기 제1 패턴 구조물(50)의 상부면과 정확하게 얼라인되어 적층되거나 또는 상기 제1 패턴 구조물(50)과 일부분이 어긋나게 얼라인되어 적층될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 각 이미지 센서의 중심 부위에 위치하는 픽셀들 상에는 상기 제1 및 제2 패턴 구조물들(50, 54)이 정확하게 얼라인되어 적층될 수 있다. 또한, 상기 각 이미지 센서의 가장자리 부위에 위치하는 픽셀들 상에는 상기 제1 및 제2 패턴 구조물들(50, 54)이 일부분이 어긋나게 얼라인되어 적층될 수 있다.
상기 제2 패턴 구조물(54)의 양 측에는 제2 매립막 패턴(56)이 구비될 수 있다. 상기 제2 매립막 패턴(56)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제2 패턴 구조물(54)의 상부면과 제2 매립막 패턴(56)의 상부면은 실질적으로 동일한 평면에 위치할 수 있다.
상기 스프리터(58)를 형성하기 위하여, 도 4 내지 도 15를 참조로 설명한 것과 실질적으로 동일한 공정을 수행하여 상기 제1 패턴 구조물(50) 및 제1 매립막 패턴(52)을 먼저 형성한다. 이 후, 다시 도 4 내지 도 15를 참조로 설명한 것과 실질적으로 동일한 공정을 더 수행하여 상기 제1 패턴 구조물(50) 및 제1 매립막 패턴(52) 상에 상기 제2 패턴 구조물(54) 및 제2 매립막 패턴(56)을 형성할 수 있다. 다만, 상기 제1 및 제2 패턴 구조물들(50, 54)의 두께의 합이 목표한 스프리터의 두께가 되도록 상기 제1 및 제2 패턴 구조물들(50, 54)은 각각 설정된 두께를 갖도록 형성할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 스프리터를 나타내는 단면도이다.
도 17을 참조하면, 상기 스프리터(62)는 제1 패턴 구조물(50) 및 제2 패턴 구조물(60a)이 적층되는 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 패턴 구조물(50)의 양측에는 제1 매립막 패턴(52)이 구비될 수 있다. 상기 제1 패턴 구조물(50) 및 제1 매립막 패턴(52)은 도 16을 참조로 설명한 제1 패턴 구조물(50) 및 제1 매립막 패턴(52)과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.
상기 제2 패턴 구조물(60a)은 상기 제1 패턴 구조물(50) 상에 구비될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 제2 패턴 구조물(60a)은 하나의 굴절막 패턴을 포함할 수 있다. 즉, 상기 굴절막 패턴은 수직 방향으로 그레인 바운더리가 형성되지 않을 수 있다.
상기 굴절막 패턴은 2.0 내지 3.0 범위의 높은 굴절율을 갖는 투명 물질을 포함할 수 있다. 상기 투명 물질은 예를들어 티타늄 산화물, 니오븀 산화물과 같은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 굴절막 패턴에 포함되는 물질은 상기 제1 패턴 구조물(50)에 포함되는 물질의 적어도 일부와 동일하거나 또는 서로 다를 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제2 패턴 구조물(60a)의 높이는 상기 제1 패턴 구조물(50)의 높이와 실질적으로 동일하거나 또는 서로 다를 수 있다.
상기 제2 패턴 구조물(60a)의 양 측에는 제2 매립막 패턴(56)이 구비될 수 있다. 상기 제2 매립막 패턴(56)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제2 패턴 구조물(60a)의 상부면과 상기 제2 매립막 패턴(56)의 상부면은 실질적으로 동일한 평면에 위치할 수 있다.
각 이미지 센서 내의 픽셀들의 위치에 따라, 상기 제2 패턴 구조물(60a)은 상기 제1 패턴 구조물(50) 상부면과 정확하게 얼라인되어 적층되거나 또는 상기 제1 패턴 구조물(50)과 일부분이 어긋나게 얼라인되어 적층될 수 있다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 스프리터의 형성 방법을 설명하는 단면도들이다.
먼저, 하부막(15) 상에 제1 패턴 구조물(50) 및 제1 매립막 패턴(52)을 형성한다. 상기 제1 패턴 구조물(50) 및 제1 매립막 패턴(52)은 도 4 내지 도 15를 참조로 설명한 것과 실질적으로 동일한 공정을 수행하여 형성할 수 있다. 다만, 상기 제1 패턴 구조물(50)은 목표 스프리터 두께보다 얇은 설정된 두께를 갖도록 형성할 수 있다.
도 18을 참조하면, 상기 제1 패턴 구조물(50) 및 제1 매립막 패턴(52) 상에 굴절막(60)을 형성한다. 상기 굴절막(60)은 원자층 적층법으로 형성할 수 있다.
도 19를 참조하면, 상기 굴절막(60) 상에 마스크 패턴(도시안됨)을 형성한다. 상기 마스크 패턴은 사진 공정을 통해 형성되는 포토레지스트 패턴을 포함할 수 있다. 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 굴절막을 식각함으로써 제2 패턴 구조물(60a)을 형성한다.
다시, 도 17을 참조하면, 상기 제2 패턴 구조물(60a)을 덮는 제2 매립막이 구비될 수 있다. 상기 제2 매립막은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제2 매립막은 예를들어, SOG막을 포함할 수 있다.
상기 제2 패턴 구조물(60a)의 상부면이 평탄해지도록 상기 제2 패턴 구조물(60a) 및 상기 제2 매립막의 상부면을 평탄화한다. 상기 공정에 의해 상기 제2 패턴 구조물(60a)의 양측에 제2 매립막 패턴(56)이 형성될 수 있다. 상기 평탄화 공정은 화학 기계적 연마 또는 에치백 공정을 포함할 수 있다. 상기 평탄화 공정에서, 상기 제2 패턴 구조물(60a)의 상부면이 일부 식각되어 상기 제2 패턴 구조물(60a)의 높이가 다소 낮아질 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 스프리터를 나타내는 단면도이다.
도 20을 참조하면, 상기 스프리터(72)는 제1 패턴 구조물(70a) 및 제2 패턴 구조물(54)이 적층되는 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 패턴 구조물(70a)의 양 측에는 제1 매립막 패턴(52)이 구비되고, 상기 제2 패턴 구조물(54)의 양 측에는 제2 매립막 패턴(56)이 구비될 수 있다.
상기 제1 패턴 구조물(70a) 및 제1 매립막 패턴(52)은 도 17을 참조로 설명한 제2 패턴 구조물(60a) 및 제2 매립막 패턴(56)과 각각 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 제1 패턴 구조물(70a)은 하나의 굴절막 패턴을 포함할 수 있다. 상기 굴절막 패턴은 수직 방향으로 그레인 바운더리가 형성되지 않을 수 있다.
상기 제2 패턴 구조물(54)은 상기 제1 패턴 구조물(70a) 상에 구비될 수 있다. 상기 제2 패턴 구조물(54) 및 제2 매립막 패턴(56)은 도 17을 참조로 설명한 제1 패턴 구조물(50) 및 제1 매립막 패턴(52)과 각각 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 제2 패턴 구조물(54)은 복수개의 굴절막 패턴들(54a, 54b)이 측방으로 적층되는 형상을 가질 수 있다. 따라서, 상기 굴절막 패턴들(54a, 54b)은 수직 방향으로 경계면이 있을 수 있다. 상기 굴절막 패턴들(54a, 54b)의 계면에는 수직 방향으로 그레인 바운더리가 형성될 수 있다.
각 이미지 센서 내의 픽셀들의 위치에 따라, 상기 제2 패턴 구조물(54)은 상기 제1 패턴 구조물(70a) 상부면과 정확하게 얼라인되어 적층되거나 또는 상기 제1 패턴 구조물(70a)과 일부분이 어긋나게 얼라인되어 적층될 수 있다.
상기 스프리터(72)를 형성하기 위하여 먼저, 도 18 및 도 19를 참조로 설명한 것과 동일한 공정을 수행하여 상기 제1 패턴 구조물(70a) 및 제1 매립막 패턴(52)을 형성한다. 이 후, 상기 제1 패턴 구조물(70a) 및 제1 매립막 패턴(52) 상에 도 4 내지 도 15를 참조로 설명한 것과 실질적으로 동일한 공정을 수행하여 제2 패턴 구조물(54) 및 제2 매립막 패턴(56)을 형성할 수 있다.
상기 설명한 본 발명의 일 실시예들에 따른 스프리터들은 다양한 구조의 이미지 센서 내에 구비될 수 있다. 그러므로, 상기 이미지 센서의 구조는 한정되지 않을 수 있다. 이하에서는, 본 발명의 일 실시예들에 따른 스프리터들을 포함하는 이미지 센서들의 일부 예를 설명한다.
도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 21에 도시된 이미지 센서는 후면 조사형 CMOS 이미지 센서일 수 있다.
도 21을 참조하면, 상기 이미지 센서는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함할 수 있다. 상기 단위 픽셀은 반도체 기판(100) 내부에 구비되는 포토 다이오드(104), 상기 반도체 기판(100)의 제1 표면(1) 상에 구비되는 컬러 필터(116), 상기 컬러 필터(116) 상에 구비되는 스프리터(120)를 포함할 수 있다. 상기 반도체 기판(100)의 제2 표면(2) 상에는 트랜지스터들(도시안됨) 및 배선 구조물(108)이 포함될 수 있다.
상기 반도체 기판(100) 내에는 각 단위 픽셀 영역을 구분하는 딥 트렌치 소자 분리 패턴(102)이 구비될 수 있다. 상기 딥 트렌치 소자 분리 패턴(102)은 상기 반도체 기판(100)의 제2 표면(2)으로부터 제1 표면(1)까지 관통하는 제1 트렌치 내에 구비될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 딥 트렌치 소자 분리 패턴(102)은 상기 제1 트렌치의 측벽 상에 구비되는 절연 스페이서(도시안됨)와 상기 절연 스페이서 상에 상기 제1 트렌치의 내부를 채우는 도전 패턴(도시안됨), 예를들어 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 상기 딥 트렌치 소자 분리 패턴(102)은 상기 반도체 기판(100)의 제2 표면(2)으로부터 제1 표면(1)으로 갈수록 내부 폭이 좁아질 수 있다.
상기 포토 다이오드(104)는 상기 단위 픽셀 영역 내에 각각 구비될 수 있다. 상기 포토 다이오드(104)는 불순물 영역을 포함할 수 있다. 상기 반도체 기판(100)의 제2 표면(2)과 인접하는 기판 내부에는 플로팅 확산 영역(106)이 배치될 수 있다. 상기 플로팅 확산 영역(106)은 예를들어 n형 불순물로 도핑될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 반도체 기판(100)의 제2 표면(2) 상에는 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 선택 트랜지스터 등이 구비될 수 있다.
상기 반도체 기판(100)의 제2 표면(2) 상에는 상기 트랜지스터들을 덮는 제1 층간 절연막(110)이 구비될 수 있다. 상기 제1 층간 절연막(110) 내부 및 상기 제1 층간 절연막(110) 상에는 상기 배선 구조물(108)이 구비될 수 있다. 상기 배선 구조물(108)은 상기 트랜지스터들 및 플로팅 확산 영역(106)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 반도체 기판(100)의 제1 표면(1) 상에는 제2 층간 절연막(112)이 구비될 수 있다. 상기 제2 층간 절연막(112) 상에는 상기 포토 다이오드(104)와 대향하는 컬러 필터(116)가 구비될 수 있다. 상기 컬러 필터(116)는 예를들어, 적색 필터(R), 청색 필터(B) 및 녹색 필터(G)를 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터들은 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.
상기 적색, 청색 및 녹색 필터들(R,G,B)은 각각 절연 펜스(114)에 의해 생성되는 홀의 내부에 배치될 수 있다. 즉, 상기 적색, 청색 및 녹색 필터들(R,G,B) 사이에는 격자 형상을 갖는 상기 절연 펜스(114)가 구비될 수 있다. 상기 절연 펜스(114)는 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 절연 펜스(114)가 구비됨으로써, 크로스 토크(cross talk) 불량이 방지될 수 있다.
상기 컬러 필터들(116) 및 절연 펜스(114) 상에 평탄화막(118)이 구비될 수 있다.
상기 평탄화막(118) 상에 스프리터(120)가 구비될 수 있다. 상기 스프리터(120)는 적색광은 적색 필터(R)로 조사되도록 하고, 청색광은 청색 필터(B)로 조사되도록 하고, 녹색광은 녹색 필터(G)로 조사되도록 분광할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 스프리터(120)는 도 2를 참조로 설명한 것과 동일한 배치를 가지면서 상기 컬러 필터들(116) 상에 형성될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 스프리터(120)는 도 1, 도 16, 17 또는 도 20을 참조로 설명한 것 중 어느 하나와 같은 적층 구조를 가질 수 있다. 상기 스프리터(120) 양 측으로 매립막 패턴(122)이 구비될 수 있다.
상기 스프리터(120) 및 매립막 패턴(122) 상에는 캡핑막(124)이 구비될 수 있다. 상기 캡핑막(124)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 캡핑막(124) 상에는 마이크로 렌즈(126)가 구비될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 마이크로 렌즈(126)는 구비되지 않을 수도 있다.
도 22는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 22에 도시된 이미지 센서는 컬러 필터들이 구비되지 않는 것을 제외하고는 도 21에 도시된 이미지 센서와 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.
도 22를 참조하면, 상기 반도체 기판(100)의 제1 면 상에 형성된 제2 층간 절연막(112) 상에 스프리터(120)가 구비될 수 있다.
상기 스프리터(120)는 적색, 청색 및 녹색광이 서로 다른 각각의 포토 다이오드로 조사되도록 할 수 있다. 예를들어, 상기 적색광은 제1 포토 다이오드(104a)로 조사되도록 하고, 녹색광은 제2 포토 다이오드(104b)로 조사되도록 하고, 청색광은 제3 포토 다이오드(104c)로 조사되도록 분광할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 스프리터(120)는 도 1, 도 16, 17 또는 도 20을 참조로 설명한 것 중 어느 하나와 같은 적층 구조를 가질 수 있다. 상기 스프리터(120) 양 측으로 매립막 패턴(122)이 구비될 수 있다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 23에 도시된 이미지 센서는 유기 포토 다이오드를 포함하는 이미지 센서일 수 있다.
도 23을 참조하면, 상기 이미지 센서는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함할 수 있다. 상기 단위 픽셀에는 유기 포토 다이오드(232), 컬러 필터(216), 스프리터(220) 및 하부 포토 다이오드(204)를 포함할 수 있다. 반도체 기판(200)의 제2 표면(2) 상에는 트랜지스터들 및 배선 구조물(208)이 포함될 수 있다.
상기 반도체 기판(200)에는 각 단위 픽셀 영역을 구분하는 딥 트렌치 소자 분리 패턴(202)이 구비될 수 있다. 상기 딥 트렌치 소자 분리 패턴(202)은 상기 반도체 기판(200)의 제2 표면(2)으로부터 제1 표면(1)까지 관통하는 제1 트렌치 내에 구비될 수 있다.
상기 하부 포토 다이오드(204)는 상기 단위 픽셀 영역 내에 각각 구비될 수 있다. 상기 하부 포토 다이오드(204)는 반도체 기판(200)의 내부에 위치할 수 있다. 상기 하부 포토 다이오드(204)는 불순물 영역을 포함할 수 있다. 상기 반도체 기판(200)의 제2 표면(2)과 인접하는 기판 부위에는 플로팅 확산 영역(206)이 배치될 수 있다. 상기 플로팅 확산 영역(206)은 예를들어 n형 불순물로 도핑될 수 있다.
상기 반도체 기판(200)의 제2 표면(2) 상에는 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 선택 트랜지스터 등이 구비될 수 있다.
상기 반도체 기판(200)의 제2 표면(2) 상에는 상기 트랜지스터들을 덮는 제1 층간 절연막(210)이 구비될 수 있다. 상기 제1 층간 절연막(210) 내부 및 상기 제1 층간 절연막(210) 상에는 상기 배선 구조물(208)이 구비될 수 있다. 상기 배선 구조물(208)은 상기 트랜지스터들 및 플로팅 확산 영역(206)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 반도체 기판(200)의 제1 표면(1) 상에는 제2 층간 절연막(212)이 구비될 수 있다. 상기 제2 층간 절연막(212) 상에는 컬러 필터(216)가 구비될 수 있다. 상기 컬러 필터(216)는 예를들어, 적색 필터(R) 및 청색 필터(B)를 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터(216)는 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 상기 적색 및 청색 필터들은 각각 절연 펜스(214)에 의해 생성되는 홀의 내부에 배치될 수 있다.
상기 컬러 필터(216)를 덮는 평탄화막(218)이 구비될 수 있다. 상기 평탄화막(218) 상에 상기 스프리터(220)가 구비될 수 있다. 상기 스프리터(220)는 적색광은 적색 필터(R)로 조사되도록 하고, 청색광은 청색 필터(B)로 조사되도록 분광할 수 있다.
상기 스프리터(220)의 양 측에는 매립막 패턴(222)이 구비될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 스프리터(220)는 도 1, 도 16, 17 또는 도 20을 참조로 설명한 것 중 어느 하나와 같은 적층 구조를 가질 수 있다.
상기 스프리터(220) 및 매립막 패턴(222) 상에 제3 층간 절연막(224) 상기 제3 층간 절연막(224) 상에 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 제3 층간 절연막(224) 상에 유기 포토 다이오드들(232)이 구비될 수 있다.
상기 유기 포토 다이오드(232)는 하부 투명 전극(226), 유기막(228) 및 상부 투명 전극막(230)이 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 하부 투명 전극(226)은 상기 각각의 컬러 필터(216)와 이격되면서 서로 대향하게 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 각 단위 픽셀 영역 내에는 하나의 컬러 필터(216)와 하나의 하부 투명 전극(226)이 서로 대향하도록 배치될 수 있다.
상기 유기 포토 다이오드(232)들은 상기 하부 투명 전극(226)에 의해 서로 구분될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 상기 하부 투명 전극(226)은 관통 실리콘 비아 콘택 및 비아 콘택들을 통해 상기 반도체 기판(100)의 제2 표면까지 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 상기 하부 투명 전극(226)은 상기 배선 구조물(208)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 하부 투명 전극(226)은 상기 제3 층간 절연막(148)에 형성된 개구부들 내부에 위치할 수 있다. 또한, 상기 하부 투명 전극(226) 및 상기 제3 층간 절연막(148)의 상부면은 평탄할 수 있다.
상기 유기막(228) 및 상부 투명 전극막(230)은 이웃하는 유기 포토 다이오드들(232)과 공통적으로 사용될 수 있다.
상기 하부 투명 전극(226) 및 상부 투명 전극막(230)은 예를들어, ITO, IZO, ZnO, SnO2, ATO(antimony-doped tin oxide), AZO(Al-doped zinc oxide), GZO(gallium-doped zinc oxide), TiO2, 또는 FTO(fluorine-doped tin oxide) 등을 포함할 수 있다.
상기 유기막(228)은 상기 하부 투명 전극들(226) 및 제3 층간 절연막(224) 상에 구비될 수 있다. 상기 유기막(228)은 특정 파장의 광만 광전 변화를 일으키는 유기 물질일 수 있다. 예를들어, 상기 유기막(228)은 녹색 광의 파장에서만 광전 변화가 일어날 수 있다. 따라서, 상기 유기막(228)은 포토 다이오드 및 녹색 컬러 필터의 역할을 함께 할 수 있다.
상기 유기막(228)은 전자 공여 유기 물질과 전자 수용 유기 물질이 서로 혼합된 유기 물질로 구현될 수 있다. 예를들어, 상기 유기막(228)은 p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질이 pn 접합(pn flat junction) 또는 벌크 이종접합(bulk heterojunction)을 형성하는 층으로 단일 층 또는 다수 층으로 구성될 수 있다.
상기 상부 투명 전극막(230) 상에 캡핑막(234)이 구비될 수 있다. 상기 캡핑막(234)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
상기 캡핑막(234) 상에는 마이크로 렌즈(236)가 구비될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 마이크로 렌즈(236)는 구비되지 않을 수도 있다.
상기 유기 포토 다이오드를 포함하는 이미지 센서의 경우, 녹색광은 상기 유기막(228)을 통해 광전 변환되어 광전하가 생성될 수 있다. 또한, 적색광 및 청색광은 상기 유기막(228) 아래에 배치되는 상기 스프리터(220)에 의해 분광되어 각각 적색 필터 및 청색 필터로 조사될 수 있다. 따라서, 상기 적색 필터 및 청색 필터에서 각각 흡수되는 광이 감소되므로, 상기 이미지 센서는 고감도를 가질 수 있다.
도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 24에 도시된 이미지 센서는 컬러 필터들이 구비되지 않는 것을 제외하고는 도 23에 도시된 이미지 센서와 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.
도 24를 참조하면, 상기 제2 층간 절연막(212) 상에 스프리터(220)가 구비될 수 있다.
상기 스프리터(220)는 적색 및 청색광이 제1 및 제2 하부 포토 다이오드(204a, 204b)로 조사되도록 할 수 있다. 예를들어, 상기 적색광은 제1 하부 포토 다이오드(204a)로 조사되도록 하고, 청색광은 제2 하부 포토 다이오드(204b)로 조사되도록 분광할 수 있다. 녹색광은 유기 포토 다이오드(232)에 의해 광전 변환될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 스프리터(220)는 도 1, 도 16, 17 또는 도 20을 참조로 설명한 것 중 어느 하나와 같은 적층 구조를 가질 수 있다. 상기 스프리터(220) 양 측으로 매립막 패턴(222)이 구비될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10a, 10b, 10c, 104 : 포토 다이오드
204 : 하부 포토 다이오드
14a, 14b, 14c, 116, 216 : 컬러 필터
16 : 평탄화막 18, 120, 220 : 스프리터
20, 40a, 122, 214 : 매립막 패턴
22, 124, 234 : 캡핑막
24, 126, 236 : 마이크로 렌즈
30 :마스크 패턴
32 : 제1 굴절막 36 : 제2 굴절막
50, 70a : 제1 패턴 구조물 52 : 제1 매립막 패턴
54, 60a :제2 패턴 구조물 56 제2 매립막 패턴
100, 200 : 반도체 기판 102, 202 : 딥 트렌치 소자 분리 패턴
226 : 하부 투명 전극 230 : 상부 투명 전극막
232 : 유기 포토 다이오드

Claims (20)

  1. 반도체 기판에 구비되는 포토 다이오드들;
    상기 포토 다이오드들 상에 배치되고, 입사광을 파장에 따라 분광하고 상기 분광된 광을 서로 다른 포토 다이오드들로 각각 입사시키는 스프리터; 및
    상기 스프리터 양 측에 실리콘 산화물을 포함하는 매립막 패턴을 포함하고,
    상기 스프리터는 제2 굴절막 패턴의 양 측벽 상에 인접하여 순차적으로 제1 굴절막 패턴 및 제2 굴절막 패턴이 적층된 제1 패턴 구조물을 포함하고, 상기 제1 패턴 구조물에 포함된 굴절막 패턴들은 중심 부위에 위치하는 제2 굴절막 패턴을 기준으로 서로 대칭되게 배치되고, 상기 제1 및 제2 굴절막 패턴들 사이의 계면에는 그레인 바운더리가 형성되고,
    상기 제1 및 제2 굴절막 패턴은 금속 산화물이며, 상기 중심 부위에 위치하는 제2 굴절막 패턴은 인접한 제1 굴절막 패턴들 사이로 정의된 영역에 형성되며,
    상기 매립막 패턴의 상부면 및 상기 제1 패턴 구조물의 상부면은 실질적으로 동일한 평면에 위치하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 패턴 구조물에 포함되는 제1 및 제2 굴절막 패턴들은 2.0 내지 3.0 범위의 굴절율을 갖는 투명 물질을 포함하는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서, 각각의 제1 및 제2 굴절막 패턴들은 티타늄 산화물 또는 니오븀 산화물을 포함하는 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 패턴 구조물에 포함되는 제1 및 제2 굴절막 패턴들은 동일한 투명 물질을 포함하거나 또는 서로 다른 투명 물질을 포함하는 이미지 센서.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 스프리터는 제1 패턴 구조물 상부면 또는 하부면에 적층되는 제2 패턴 구조물을 더 포함하는 이미지 센서
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 패턴 구조물은 상기 제1 패턴 구조물과 실질적으로 동일한 구조를 갖거나 또는 상기 제1 패턴 구조물과 다른 구조를 갖는 이미지 센서.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제2 패턴 구조물은 하나의 굴절막 패턴으로 이루어지는 이미지 센서.
  10. 제7항에 있어서, 상기 스프리터는 형성된 위치에 따라 상기 제1 패턴 구조물 표면에 정확하게 상기 제2 패턴 구조물이 얼라인되어 적층되거나 또는 제1 패턴 구조물과 상기 제2 패턴 구조물의 일부분이 어긋나게 얼라인되어 적층되는 이미지 센서.
  11. 제1항에 있어서, 상기 스프리터는 평면도에서 볼 때 격자 형상을 갖는 이미지 센서.
  12. 제1항에 있어서, 상기 포토 다이오드들 및 상기 스프리터 사이에는 컬러 필터들이 더 구비되고, 상기 컬러 필터들은 상기 포토 다이오드들과 이격되면서 상기 포토 다이오드들과 각각 대향하도록 배치되는 이미지 센서.
  13. 제12항에 있어서, 상기 컬러 필터들은 적색, 청색 및 녹색 컬러 필터들이 어레이 형태로 배치되고, 녹색 컬러 필터를 대각선 방향으로 가로지르도록 연장되는 형상을 가지는 이미지 센서
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서, 상기 스프리터 상에 유기 포토 다이오드가 더 포함되는 이미지 센서.
  16. 제1항에 있어서, 상기 스프리터 상에 마이크로 렌즈가 더 포함되는 이미지 센서.
  17. 반도체 기판 내에 구비되고 단위 픽셀 영역들을 구분하는 소자 분리 패턴;
    상기 반도체 기판의 단위 픽셀 영역 내에 각각 구비되는 포토 다이오드들;
    상기 반도체 기판의 제1 면 상에 상기 포토 다이오드들과 이격되게 배치되고, 입사광을 파장에 따라 분광하고 상기 분광된 광을 서로 다른 포토 다이오드들로 각각 입사시키는 스프리터;
    상기 스프리터 양 측에 실리콘 산화물을 포함하는 매립막 패턴;
    상기 반도체 기판의 제2 면 상에 구비되는 배선 구조물을 포함하고,
    상기 스프리터는 제2 굴절막 패턴의 양 측벽 상에 인접하여 순차적으로 제1 굴절막 패턴 및 제2 굴절막 패턴이 적층되고, 각 굴절막 패턴들은 수직 방향으로 경계면이 있는 구조를 갖는 제1 패턴 구조물을 포함하고,
    상기 제1 패턴 구조물에 포함된 굴절막 패턴들은 중심 부위에 위치하는 제2 굴절막 패턴을 기준으로 서로 대칭되게 배치되고, 상기 제1 및 제2 굴절막 패턴들 사이의 계면에는 그레인 바운더리가 형성되고,
    상기 제1 및 제2 굴절막 패턴은 금속 산화물이며, 상기 중심 부위에 위치하는 제2 굴절막 패턴은 인접한 제1 굴절막 패턴들 사이로 정의된 영역에 형성되며,
    상기 매립막 패턴의 상부면 및 상기 제1 패턴 구조물의 상부면은 실질적으로 동일한 평면에 위치하는 이미지 센서.
  18. 제17항에 있어서, 상기 포토 다이오드들 및 상기 스프리터 사이에는 컬러 필터들이 더 구비되고, 상기 컬러 필터들은 상기 포토 다이오드들과 이격되면서 상기 포토 다이오드들과 각각 대향하도록 배치되는 이미지 센서.
  19. 제18항에 있어서, 상기 컬러 필터들은 적색, 청색 및 녹색 컬러 필터들이 어레이 형태로 배치되고, 상기 스프리터는 녹색 컬러 필터를 대각선 방향으로 가로지르도록 연장되는 형상을 가지는 이미지 센서
  20. 반도체 기판 내에 구비되고 단위 픽셀 영역들을 구분하는 소자 분리 패턴;
    상기 반도체 기판의 단위 픽셀 영역 내에 각각 구비되는 포토 다이오드들;
    상기 반도체 기판의 제1 면 상에 상기 포토 다이오드들과 이격되게 배치되고, 입사광을 파장에 따라 분광하고 상기 분광된 광을 서로 다른 포토 다이오드들로 각각 입사시키는 스프리터;
    상기 스프리터 양 측에 실리콘 산화물을 포함하는 매립막 패턴;
    상기 스프리터 및 매립막 패턴 상에 구비되는 유기 포토 다이오드; 및
    상기 반도체 기판의 제2 면 상에 구비되는 배선 구조물을 포함하고,
    상기 스프리터는 제2 굴절막 패턴의 양 측벽 상에 인접하여 순차적으로 제1 굴절막 패턴 및 제2 굴절막 패턴이 적층된 제1 패턴 구조물을 포함하고, 상기 제1 패턴 구조물에 포함된 굴절막 패턴들은 중심 부위에 위치하는 제2 굴절막 패턴을 기준으로 서로 대칭되게 배치되고, 상기 제1 및 제2 굴절막 패턴들 사이의 계면에는 그레인 바운더리가 형성되고,
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    상기 매립막 패턴의 상부면 및 상기 제1 패턴 구조물의 상부면은 실질적으로 동일한 평면에 위치하는 이미지 센서.

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