KR20100079246A - 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 후면수광 이미지센서는 기판의 전면(前面)(Front Side)의 픽셀영역에 깊이를 달리하여 컬러별로 수직 배치되는 광감지부; 상기 광감지부가 형성된 기판의 전면(全面) 상에 형성된 에피층; 상기 에피층에 형성된 소자분리영역; 상기 에피층의 전면(全面) 상에 형성된 층간절연층과 배선; 상기 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 형성된 마이크로렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이미지센서, 광감지부, 후면수광

Description

후면수광 이미지센서 및 그 제조방법{Back Side Illumination Image Sensor and Method for Manufacturing the Same}
실시예는 후면수광 이미지센서에 관한 것이다.
이미지센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD) 이미지센서와 씨모스(CMOS) 이미지센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
종래의 기술에서는 기판에 포토다이오드(Photodiode)를 이온주입 방식으로 형성시킨다. 칩사이즈(Chip Size) 증가 없이 픽셀(Pixel) 수 증가를 위한 목적으로 포토다이오드의 사이즈가 점점 감소함에 따라 수광부 면적 축소로 이미지 특성(Image Quality)이 감소하는 경향을 보이고 있다.
또한, 수광부 면적 축소만큼의 적층높이(Stack Height)의 감소가 이루어지지 못하여 에어리 디스크(Airy Disk)라 불리는 빛의 회절 현상으로 수광부에 입사되는 포톤(Photon)의 수 역시 감소하는 경향을 보이고 있다.
이를 극복하기 위한 대안 중 하나로 웨이퍼 백사이드(Wafer Back Side)를 통해 빛을 받아들여 수광부 상부의 단차를 최소화하고 메탈 라우팅(Metal Routing)에 의한 빛의 간섭 현상을 없애는 시도(후면수광 이미지센서)가 이루어지고 있다.
종래기술에 의한 후면수광 이미지센서는 기판의 전면에 수광소자와 배선공정을 진행한 후 기판의 후면을 일정한 두께로 제거하는 후면 연마공정(Back Side Grinding)을 진행한다. 이는 기판의 후면을 적정한 두께로 연마하여 외부 모듈과 광학렌즈와의 간격을 맞추기 위함이다.
그런데, 종래기술에 의한 후면수광 이미지센서는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(Wafer)를 수광소자와 회로부가 형성되는 도너 웨이퍼(Donor Wafer)로 사용한 후 핸들 웨이퍼(Handle Wafer)와 본딩(Bonding)을 시킨다. 이후, 도너 웨이퍼에 대해 후면 연마공정을 진행한다.
종래기술에 의한 도너 웨이퍼의 후면 연마공정은 하기와 같다.
우선, 도너 웨이퍼 백사이드 그라인딩(Backside Grinding)을 진행하여 BOX(Buried Oxide) 상부 기준 수십 ㎛를 남긴다. 이후, 에치백(Etch-Back)을 진행하여 백사이드 박막화(Backside Thinning) 공정을 완료한다.
그런데, 종래기술에 의한 후면수광 이미지센서의 기술에 있어서는 도너 웨이퍼인 주 기판(prime wafer) 내에 로직회로 부분과 포토다이오드(PD)를 함께 형성하고, 배선(interconnection)공정 후 후면 연마공정을 진행하는데 후면연마 공정 후 잔존하는 도너 기판이 너무 얇아 후속 공정에 어려움이 있다. 이에 종래기술에 의하면 핸들웨이퍼인 지지기판(support plate)이 필요한 별도의 공정이 요구되는 문제가 있다.
또한, 종래기술에 의한 후면수광 이미지센서의 기술에 있어서는 도너 웨이퍼 인 주 기판(prime wafer)의 픽셀영역에 포토다이오드(PD)가 형성되고, 그 픽셀영역의 포토다이오드 수평 일측에 리드아웃 회로를 함께 형성함에 따라 픽셀영역에 대한 필팩터가 리드아웃 회로 영역에 의해 감소되는 문제가 있다.
또한, 종래기술에 의하면 도너 웨이퍼 백사이드 연마공정(Grinding)을 진행하는 경우 Wafer Edge Thinning이 발생한다. 이에 따라, 후속 에치백(Etch-Back) 공정 시 웨이퍼 에지(Wafer Edge)부 칩(chip)은 불량(Fail)이 발생할 수 있으므로 경제성 크게 떨어지는 문제가 있다.
또한, 종래기술에 의하면 웨이퍼 센터부(Wafer Center) 역시 수십 ㎛에 달하는 두께의 에치백(Etch-Back) 공정 중 플라즈마 대미지(Plasma Damage)에 노출되어 이미지센서 성능(Sensor Performance)의 열화 가능성이 증가하는 문제가 있다.
한편, 종래기술에 의하면 포토다이오드를 비정질 실리콘(amorphous Si)으로 증착하거나, 리드아웃 회로(Readout Circuitry)은 실리콘 기판(Si Substrate)에 형성시키고, 포토다이오드는 다른 웨이퍼에 형성시킨 후 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩(Wafer-to-Wafer Bonding)을 하여 포토다이오드가 리드아웃 회로 상부에 형성되는 이미지센서(이하 "3D 이미지센서"라고 칭함)가 이루어지고 있다. 포토다이오드와 리드아웃 회로는 배선(Metal Line)을 통해 연결된다.
그런데, 3D 이미지센서의 종래기술에 의하면 리드아웃 회로가 형성된 웨이퍼 대 포토다이오드가 형성된 웨이퍼 본딩이 필수적으로 진행되는데, 이때 본딩의 문제로 인해 리드아웃 회로과 포토다이오드의 전기적인 연결이 제대로 이루어지기 어려운 점이 있다. 예를 들어, 종래기술에 의하면 리드아웃 회로 상에 배선을 형성하 고, 상기 배선과 포토다이오드가 접촉하도록 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩을 진행하는 데, 배선과 포토다이오드의 접촉이 제대로 이루어지기 어려울 뿐만아니라, 나아가 배선과 포토다이오드의 오믹컨택이 어려운 문제가 있다. 또한, 종래기술에 의하면 포토다이오드와 전기적으로 연결되기 위한 배선이 숏트가 발생하는 문제가 있고, 이러한 숏트를 방지하기 위한 연구가 있으나 복잡한 공정이 소요되는 문제가 있다.
종래기술에 의한 BSI(back side illumination) CIS에서는 결정된 픽셀 사이즈(pixel size)에 빛의 양을 증가시켜 시그널 투 노이즈 비율(signal to noise ratio)을 개선시키는 장점이 있으나, 픽셀사이즈(pixel size) 자체는 크게 할 수 없는 단점이 있다. 실시예는 이를 개선하기 위하여 주어진 픽셀피치(pixel pitch)에서 포토다이오드 디자인(photo diode design) 및 형성방법을 달리하여 픽셀 사이즈를 크게 증가 시켜, 현재의 BSI 보다 signal to noise ratio를 증가 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 픽셀 사이즈를 더욱 감소(shrink)시킬 수 있는 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 후면수광 이미지센서에서 별도의 지지기판(support plate) 없이 후면 연마공정(BackSide Grinding) 후에도 후속 공정을 진행하는데 필요한 기계적인 강도를 확보할 수 있는 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 후면수광 이미지센서에서 필팩터를 100%에 근접시킬 수 있는 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 기판의 후면을 안정적이고 효율적으로 제거할 수 있는 후면수광 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 광감지부 상측에 리드아웃 회로를 형성하여 수광부 상부의 적층(Stack)을 최소화하면서 입사광량을 최대화시킬 수 있고, 메탈 라우팅(Metal Routing)에 의한 빛의 간섭 및 반사현상을 방지할 수 있는 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 후면수광 이미지센서는 기판의 전면(前面)(Front Side)의 픽셀영역에 깊이를 달리하여 컬러별로 수직 배치되는 광감지부; 상기 광감지부가 형성된 기판의 전면(全面) 상에 형성된 에피층; 상기 에피층에 형성된 소자분리영역; 상기 에피층의 전면(全面) 상에 형성된 층간절연층과 배선; 상기 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 형성된 마이크로렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 제조방법은 기판의 전면(前面)(Front Side)에 전체적으로 이온주입층을 형성하는 단계; 상기 이온주입층이 형성된 기판의 픽셀영역에 깊이를 달리하여 컬러별로 수직 배치되는 광감지부를 형성하는 단계; 상기 광감지부가 형성된 기판의 전면(全面) 상에 에피층을 형성하는 단계; 상기 에피층에 소자분리영역을 형성하는 단계; 상기 에피층의 전면(全面) 상에 층간절연층과 배선을 형성하는 단계; 상기 이온주입층을 기준으로 상기 기판의 하측을 제거하는 단계; 및 상기 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 제조방법은 기판의 전면(前面)(Front Side)의 픽셀영역에 깊이를 달리하여 컬러별로 수직 배치되는 광감지부를 형성하는 단계; 상기 광감지부가 형성된 기판의 전면에 전체적으로 이온주입층 을 형성하는 단계; 상기 이온주입층이 형성된 기판의 전면(全面) 상에 에피층을 형성하는 단계; 상기 에피층에 소자분리영역을 형성하는 단계; 상기 에피층의 전면(全面) 상에 층간절연층과 배선을 형성하는 단계; 상기 이온주입층을 기준으로 상기 기판의 하측을 제거하는 단계; 및 상기 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 제조방법은 매몰 절연층을 포함하는 기판의 전면(前面)(Front Side)의 픽셀영역에 깊이를 달리하여 컬러별로 수직 배치되는 광감지부를 형성하는 단계; 상기 광감지부가 형성된 기판의 전면(全面) 상에 에피층을 형성하는 단계; 상기 에피층에 소자분리영역을 형성하는 단계; 상기 에피층의 전면(全面) 상에 층간절연층과 배선을 형성하는 단계; 상기 매몰 절연층을 기준으로 상기 기판의 하측을 제거하는 단계; 및 상기 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 종래기술의 BSI 방법을 적용한 CIS의 픽셀 디자인(pixel design) 및 공정을 변경하여 포토다이오드(photo diode)의 면적을 주어진 픽셀 피치(pixel pitch)에서 크게 증가시키는 방법으로, signal to noise ratio를 크게 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 현재의 픽셀사이지를 더욱 감소할 수 있다. 즉, 실시예는 포토다이오드(photo diode)를 소자분리막 아래 부분에까지 확대하여 제작하는 방법으로, 픽셀 피치(pixel pitch)에 준하는 면적을 포토다이오드(photo diode)로 사용함으로써 필팩터를 100%에 근접시킬 수 있다.
또한, 실시예는 광감지부를 컬러별 깊이를 달리하여 수직배치함으로써 별도의 장비투자 없이 칩 사이즈(chip size)를 줄일수 있고, 필팩터(fill factor)를 증가시킬 수 있을 뿐만아니라, 필셀 덴서티(pixel density)를 획기적으로 개선 시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 실시예에 의하면 후면수광 이미지센서에서 별도의 지지기판(support plate) 없이 후면 연마공정(BackSide Grinding) 후에도 후속 공정을 진행하는데 필요한 기계적인 강도를 확보하기 위해서 포토다이오드를 기판에 형성하고, 기판 상에 에피층을 형성한 후 로직(logic)회로 부분을 에피층에 형성함으로써 에피층이 지지기판과 같은 역할을 하므로 잔존하는 기판의 두께를 두껍게 유지할 수 있으며, 별도의 지지기판의 본딩공정이 없으므로 공정에 소요되는 시간 및 비용을 현저히 감축할 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예에 의하면 이온주입 기술을 이용하여 기판의 후면을 안정적이고 효율적으로 제거할 수 있다. 즉, 실시예에 의하면 이온주입 및 클리빙 채용으로 백 그라인딩(Back Grinding) 및 에치백(Etch-Back)이 필요 없어 에지다이 불량(Edge Die Fail) 및 플라즈마 대미지(Plasma Damage) 등의 문제가 발생하지 않는 장점이 있다.
또한, 실시예에 따르면, 도너 웨이퍼에 대한 최종적인 그라인딩이 진행되지 않으므로 광감지부와 회로부에 손상이 방지될 수 있는 장점이 있다.
또한, 실시예에 의하면 도너 웨이퍼(doner wafer)로 에피 웨이퍼(Epi Wafer)를 사용할 수 있으며, 포토다이오드를 회로의 상측에 형성하는 3D 이미지센서에서의 본딩프로세스(bonding process)가 필요없이 제조가 용이하며, 따라서 본딩의 문제, 컨택의 문제 등이 없는 장점이 있다.
또한, 실시예에 의하면 수광부 상부의 적층(Stack)을 최소화함으로써 입사 광량을 최대화시킬 수 있고 메탈 라우팅(Metal Routing)에 의한 빛의 간섭 및 반사현상이 없어져 이미지센서의 광특성을 극대화시킬 수 있다.
이하, 실시예에 따른 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
본 발명은 씨모스 이미지센서에 한정되는 것이 아니며, CCD 이미지센서 등 모든 이미지센서에 적용이 가능하다.
(제1 실시예)
도 1은 제1 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 단면도이다.
제1 실시예에 따른 후면수광 이미지센서는 기판(10)의 전면(前面)(Front Side)의 픽셀영역에 깊이를 달리하여 컬러별로 수직 배치되는 광감지부(30); 상기 광감지부(30)가 형성된 기판의 전면(全面) 상에 형성된 에피층(15); 상기 에피 층(15)에 형성된 소자분리영역(20); 상기 에피층(15)의 전면(全面) 상에 형성된 층간절연층(55)과 배선(50); 상기 기판(10) 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부(30) 상에 형성된 마이크로렌즈(미도시);를 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 2에서의 미설명 부호는 이하 제조방법에서 설명하기로 한다.
상기 광감지부(30)는 기판(10) 전체에 깊이를 달리하여 컬러별(31, 32, 33)로 수직 배치되는 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 상기 블루 광감지부(33)는 약 300~500nm의 깊이에, 상기 그린 광감지부(32)는 약 450~700nm의 깊이에, 상기 레드 광감지부(31)는 약 650~1,000nm 깊이에 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 상기 깊이의 기준은 상기 기판(10) 후면(後面)(Back Side)으로부터의 깊이를 기준으로 한다.
제1 실시예에 따른 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 종래기술의 BSI 방법을 적용한 CIS의 픽셀 디자인(pixel design) 및 공정을 변경하여 포토다이오드(photo diode)의 면적을 주어진 픽셀 피치(pixel pitch)에서 크게 증가시키는 방법으로, signal to noise ratio를 크게 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 현재의 픽셀사이지를 더욱 감소할 수 있다. 즉, 실시예는 포토다이오드(photo diode)를 소자분리막 아래 부분에까지 확대하여 제작하는 방법으로, 픽셀 피치(pixel pitch)에 준하는 면적을 포토다이오드(photo diode)로 사용함으로써 필팩터를 100%에 근접시킬 수 있다.
또한, 제1 실시예는 광감지부를 컬러별 깊이를 달리하여 수직배치함으로써 별도의 장비투자 없이 칩 사이즈(chip size)를 줄일수 있고, 필팩터(fill factor) 를 증가시킬 수 있을 뿐만아니라, 필셀 덴서티(pixel density)를 획기적으로 개선 시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 제1 실시예에 따른 후면수광 이미지센서에 의하면, 후면수광 이미지센서에서 별도의 지지기판(support plate) 없이 후면 연마공정(Back Grinding) 후에도 후속 공정을 진행하는데 필요한 기계적인 강도를 확보하기 위해서 포토다이오드를 기판에 형성하고, 기판 상에 에피층을 형성한 후 로직(logic) 회로 부분을 에피층에 형성함으로써 에피층이 지지기판과 같은 역할을 하므로 후면 연마공정(Back Grinding) 후 잔존하는 기판의 두께를 두껍게 유지할 수 있으며, 별도의 지지기판의 본딩공정이 없으므로 공정에 소요되는 시간 및 비용을 현저히 감축할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여 제1 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 제조방법을 설명한다.
우선, 도 2과 같이 기판(10)의 전면(前面)(Front Side)에 이온주입층(120)을 형성할 수 있다. 상기 기판(10)은 에피 웨이퍼일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예는 상기 이온주입층(120)을 기준으로 기판의 하측(10a), 기판의 상측(10b)이 구분될 수 있다.
제1 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 제조방법에서는 도너 웨이퍼(doner wafer)(10)로 에피 웨이퍼(Epi Wafer)를 사용할 수 있는데, 이에 따라 실시예에 의하면 에피 웨이퍼 사용으로 SOI 웨이퍼 사용 대비 제조원가를 현저히 절감시킬 수 있다.
제1 실시예에서 상기 이온주입층(120)은 상기 기판(10)의 전면(前面)(Front Side)에 대한 이온주입을 통해 진행될 수 있다. 상기 기판(10)의 후면(後面)(Back Side)은 수백 ㎛에 달하기 때문에 전면을 통해 이온주입하는 것이 바람직하다.
즉, 기판(10)의 두께가 이온주입 깊이에 비해 매우 두꺼우므로 상기 기판(10)의 후면으로부터 이온주입은 진행하기 어렵다. 그러므로, 제1 실시예와 같이 배선(50) 형성공정 전에 미리 이온주입층(120)을 형성함으로써 본딩 후 기판의 하측(10a)을 용이하게 제거할 수 있다.
제1 실시예에서 상기 이온주입층(120) 형성공정은 수소(H) 또는 헬륨(He) 등의 이온을 주입하여 이온주입층을 형성할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또는, 제1 실시예의 다른 예로 기판(10)의 전면에 소자분리영역(20)을 형성한 후 이온주입층(120)을 형성할 수도 있다.
또는, 제1 실시예의 또 다른 예로, 상기 픽셀영역에 광감지부(30)를 형성한 후 이온주입층(120)을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 제1 감광막 패턴(130)을 마스크로 기판(10)의 전면의 픽셀영역에 광감지부(30)를 형성할 수 있다. 상기 광감지부(30)는 포토다이오드일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광감지부(30)는 P형의 기판(10)에 N형 이온주입영역을 형성하고, 기판(10)의 N형 이온주입영역 상에 Po 영역(미도시)을 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 Po 영역에 의해 잉여전자 등을 방지할 수 있다. 또한, 실시예에 의하면 PNP 졍선을 형성하여 전하덤핑(Charge Dumping) 효과를 얻을 수 있다.
제1 실시예에서 광감지부(30)는 기판(10) 전체에 깊이를 달리하여 컬러 별(31, 32, 33)로 수직 배치되는 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 상기 블루 광감지부(33)는 약 300~500nm의 깊이에, 상기 그린 광감지부(32)는 약 450~700nm의 깊이에, 상기 레드 광감지부(31)는 약 650~1,000nm 깊이에 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 물론, 이러한 컬러별 광감지부(31, 32, 33)의 깊이의 기준은 기판의 하측(10a)이 제거된 후 기판(10)의 후면으로 부터의 깊이가 될 수 있다. 실시예에서 컬러별 광감지부(31, 32, 33)를 형성하기 위해서 복수의 감광막 패턴을 이용할 수 있다.
한편, 제1 실시예는 광감지부(30)가 픽셀영역 전체에 형성될 수 있다. 이로써, 실시예에 의하면 후면수광 이미지센서를 채용하면서 필팩터를 100%에 근접시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 트랜지스터(40)는 광감지부(30) 상측의 에피층(15)에 형성됨으로써 필팩터를 현저히 높일 수 있는 장점이 있다.
다음으로, 도 3과 같이 상기 제1 감광막 패턴(130)을 제거하고, 상기 광감지부(30)가 형성된 기판(10)의 전면 상에 에피층(15)을 형성한다. 상기 에피층(15)은 기판(10)과 같은 재질일 수 있다. 상기 에피층(15)은 단일층이거나 복수의 층일 수 있다.
제1 실시예에 따른 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 후면수광 이미지센서에서 별도의 지지기판(support plate) 없이 후면 연마공정(Back Grinding) 후에도 후속 공정을 진행하는데 필요한 기계적인 강도를 확보하기 위해서 포토다이오드를 기판에 형성하고, 기판 상에 에피층(15)을 형성한 후 로직(logic) 부분인 리드아웃 회로를 에피층(15)에 형성함으로써 에피층(15)이 지지 기판과 같은 역할을 하므로 잔존하는 기판의 두께를 두껍게 유지할 수 있으며, 별도의 지지기판의 본딩공정이 없으므로 공정에 소요되는 시간 및 비용을 현저히 감축할 수 있는 효과가 있다.
다음으로, 도 4 및 5와 같이 상기 에피층(15) 전면(全面)에 회로부인 리드아웃 회로를 형성한다. 상기 리드아웃 회로은 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터, 실렉트 트랜지스터 등 트랜지스터(40)를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 리드아웃 회로는 상기 광감지부(30)와 전기적으로 연결되는 플러그(80)를 더 포함할 수 있다. 상기 플러그(80)는 도 4와 같이 제2 감광막 패턴(135)을 마스크로 이온주입에 의해 형성되거나 에피층(15)과 기판(10)에 비아홀(미도시)을 형성하고, 비아홀을 금속층으로 메워서 형성될 수 있다.
도 4에서는 레드 포토다이오드(31)에 대한 플러그(80)만을 도시하고 있으나 이에 한정되는 것이 아니며, 다른 컬러 광감지부(32, 33)에 대한 플러그를 별도로 형성할 수 있다.
상기 리드아웃 회로는 상기 플러그(80)와 연결되어 상기 광감지부(30)의 광전자 정보를 수용하는 도전성 웰(미도시)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 에피층(15)의 전면(全面)의 일부에 고농도 N형 이온주입에 의해 N+ well을 만들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 플러그(80)가 형성되기 전에 도전성 웰이 형성될 수도 있다.
상기 리드아웃 회로는 상기 도전성 웰의 일측에 트랜지스터(40)를 포함할 수 있다. 도 5에서 도시된 트랜지스터(40)는 트랜스퍼 트랜지스터 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 도 5와 같이 전자 정보가 플러그(80)와 도전성 웰을 통해 트랜스퍼 트랜지스터(40)를 통해 플로팅 디퓨젼영역(미도시)으로 이동할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 전자정보는 플러그(80)를 통해 드라이브 트랜지스터(미도시)의 게이트로 바로 전송될 수도 있다.
또한, 도 5에서는 레드 포토다이오드(31)에 대한 트랜지스터(40)만을 도시하고 있으나 이에 한정되는 것이 아니며, 다른 컬러 광감지부(32, 33)에 대한 트랜지스터를 별도로 형성할 수 있다.
상기 리드아웃 회로은 상기 에피층(15) 전면의 내측면 또는 상측면 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 5는 리드아웃 회로가 에피층(15) 전면의 상측면에 형성된 예를 들고 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 리드아웃 회로의 트랜지스터(40)는 에피층(15) 전면에 트렌치를 형성하고, 그 트렌치에 형성될 수도 있다.
이후, 상기 에피층(15) 전면 상에 층간절연층(55)을 형성하고, 상기 층간절연층(55)에 배선(50)을 형성할 수 있다. 이후, 상기 배선(50) 상에 보호 절연층(60)을 더 형성할 수 있다.
다음으로, 도 6과 같이 기판(10)에서 상기 이온주입층(120)을 기준으로 상기 기판의 하측(10a)을 제거한다. 예를 들어, 상기 이온주입층(120)에 열처리를 진행하여 수소이온을 기공(Bubble)화 시키고, 상기 기판의 하측(10a)을 블레이드 등으 로 컷팅하여 제거하고, 기판의 상측(10b)을 잔존시킬 수 있다. 이후, 상기 컷팅된 기판(10) 면에 대해 평탄화공정이 진행될 수 있다.
한편, 클리빙 기술을 응용한 종래의 3차원(3D) 이미지센서 관련 특허에서는 광감지부와 리드아웃 회로를 각각 별도의 웨이퍼(Wafer)에 형성하여 본딩(Bonding) 및 배선공정(Interconnection)을 진행하는 발명이 주류이며, 종래기술에서는 클리빙 레이어(Cleaving Layer) 형성을 위한 수소 혹은 헬륨 이온 주입 공정은 본딩(Bonding) 직전에 진행한다.
그런데, 3D 이미지센서의 종래기술에 의하면 리드아웃 회로과 포토다이오드의 전기적인 연결이 제대로 이루어지기 어려운 점이 있으며, 또한, 포토다이오드와 전기적으로 연결되기 위한 배선에 숏트가 발생하는 문제가 있었다.
한편, 3D 이미지센서의 종래기술에서 본딩(Bonding) 직전에 수소 혹은 헬륨 이온주입 공정이 가능한 것은 광감지부에서 생성된 전자가 전자 회로부에 전달되어 전압으로 변환되므로 광감지부에는 포토다이오드(PD)만 형성시키면 되므로 메탈(Metal) 및 층간 절연막 형성이 필요치 않아 가능한 것이다.
그러나, 제1 실시예서는 웨이퍼(Wafer)인 기판(10)에 광감지부(30)를 형성하고, 그 상측의 에피층(15)에 리드아웃 회로를 형성시킨다. 이에 따라, 제1 실시예에 의하면 같은 기판(10)의 전면(全面) 방향에 광감지부(30)과 리드아웃 회로를 함께 형성시킴으로 배선(50) 및 층간절연층(55) 형성 등 후공정(BEOL) 공정이 필수적이다.
따라서 제1 실시예의 공정 스킴(Process Scheme)을 사용시 종래기술에서와 같이 본딩(Bonding) 직전에 수소 혹은 헬륨 등을 이용한 이온 주입 공정은 불가능하며, 제1 실시예와 같이 도너 웨이퍼인 기판(10)의 에피 웨이퍼 상부에 배선(50) 및 층간절연층(55)을 형성시키기 전에 수소 혹은 헬륨 이온주입 공정을 진행함으로써 이온주입층(120)을 형성시킬 수 있다.
다음으로, 도 7과 같이 상기 기판(10) 후면의 상기 광감지부(30) 상에 절연층(65)이 추가로 형성하고, 마이크로렌즈(미도시)를 형성할 수 있다.
실시예는 패드 플러그(100)와 패드(110)를 형성할 수 있다. 이때, 실시예의 패드 플러그(80)는 탑메탈과 연결되는 것으로 도시되어 있으나 이에 한정되는 것이 아니며, 제1 메탈(M1)과 연결되어 형성될 수도 있다.
제1 실시예에 따른 후면수광 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면, 종래기술의 BSI 방법을 적용한 CIS의 픽셀 디자인(pixel design) 및 공정을 변경하여 포토다이오드(photo diode)의 면적을 주어진 픽셀 피치(pixel pitch)에서 크게 증가시키는 방법으로, signal to noise ratio를 크게 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 현재의 픽셀사이지를 더욱 감소할 수 있다. 즉, 실시예는 포토다이오드(photo diode)를 소자분리막 아래 부분에까지 확대하여 제작하는 방법으로, 픽셀 피치(pixel pitch)에 준하는 면적을 포토다이오드(photo diode)로 사용함으로써 필팩터를 100%에 근접시킬 수 있다.
또한, 실시예는 광감지부를 컬러별 깊이를 달리하여 수직배치함으로써 별도의 장비투자 없이 칩 사이즈(chip size)를 줄일수 있고, 필팩터(fill factor)를 증가시킬 수 있을 뿐만아니라, 필셀 덴서티(pixel density)를 획기적으로 개선 시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 제1 실시예에 따르면, 후면수광 이미지센서에서 별도의 지지기판(support plate) 없이 후면 연마공정(Back Grinding) 후에도 후속 공정을 진행하는데 필요한 기계적인 강도를 확보하기 위해서 포토다이오드를 기판에 형성하고, 기판 상에 에피층을 형성한 후 로직(logic) 부분을 에피층에 형성함으로써 에피층이 지지기판과 같은 역할을 하므로 잔존하는 기판의 두께를 두껍게 유지할 수 있으며, 별도의 지지기판의 본딩공정이 없으므로 공정에 소요되는 시간 및 비용을 현저히 감축할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제1 실시예에 의하면 이온주입 기술을 이용하여 기판의 후면을 안정적이고 효율적으로 제거할 수 있다.
또한, 제1 실시예에 따르면, 도너 웨이퍼에 대한 그라인딩이 진행되지 않으므로 광감지부와 회로부에 손상이 방지될 수 있는 장점이 있다.
또한, 제1 실시예에 의하면 도너 웨이퍼(doner wafer)로 에피 웨이퍼(Epi Wafer)를 사용하여, 광감지부와 회로부를 형성할 수 있다.
또한, 제1 실시예에 의하면 도너 웨이퍼(doner wafer)로 에피 웨이퍼(Epi Wafer)를 사용할 수 있으며, 광감지부와 회로부가 에피 웨이퍼에 형성됨으로써, 포토다이오드를 회로의 상측에 형성하는 3D 이미지센서에서의 본딩프로세스(bonding process)가 필요없이 제조가 용이하며, 따라서 본딩의 문제, 컨택의 문제 등이 없는 장점이 있다.
또한, 제1 실시예에 의하면 수광부 상부의 적층(Stack)을 최소화함으로써 입 사 광량을 최대화시킬 수 있고 메탈 라우팅(Metal Routing)에 의한 빛의 간섭 및 반사현상이 없어져 이미지센서의 광특성을 극대화시킬 수 있다.
(제2 실시예)
도 8은 제2 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 제조방법의 공정단면도이다.
제2 실시예는 상기 제1 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 제조방법의 특징을 채용할 수 있다.
한편, 제2 실시예는 제1 실시예와 달리 기판(10)의 하측을 매몰 절연층(125)을 기준으로 백그라인딩에 의해 제거할 수 있다.
즉, 제2 실시예는 매몰 절연층(125)이 형성된 기판(105)에 광감지부(30)를 형성하고, 기판(10) 전면에 에피층(15)을 형성하고, 상기 에피층(15)에 리드아웃 회로를 형성한다. 이후, 상기 에피층(15) 상에 층간절연층(55) 및 배선(50)을 형성한다.
이후, 상기 기판(10)의 하측을 상기 매몰 절연층(125)을 기준으로 백그라인딩에 의해 기판(10)의 하측을 제거할 수 있다.
제2 실시예에 의하면, 종래기술의 BSI 방법을 적용한 CIS의 픽셀 디자인(pixel design) 및 공정을 변경하여 포토다이오드(photo diode)의 면적을 주어진 픽셀 피치(pixel pitch)에서 크게 증가시키는 방법으로, signal to noise ratio를 크게 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 현재의 픽셀사이지를 더욱 감소할 수 있다. 즉, 실시예는 포토다이오드(photo diode)를 소자분리막 아래 부분에까지 확대하여 제작 하는 방법으로, 픽셀 피치(pixel pitch)에 준하는 면적을 포토다이오드(photo diode)로 사용함으로써 필팩터를 100%에 근접시킬 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
도 1는 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 단면도.
도 2 내지 도 7은 제1 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 제조방법의 공정단면도.
도 8은 제2 실시예에 따른 후면수광 이미지센서의 제조방법의 공정단면도.

Claims (15)

  1. 기판의 전면(前面)(Front Side)의 픽셀영역에 깊이를 달리하여 컬러별로 수직 배치되는 광감지부;
    상기 광감지부가 형성된 기판의 전면(全面) 상에 형성된 에피층;
    상기 에피층에 형성된 소자분리영역;
    상기 에피층의 전면(全面) 상에 형성된 층간절연층과 배선;
    상기 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 형성된 마이크로렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광감지부는
    상기 기판의 픽셀영역 전체에 형성되는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광감지부와 연결되는 플러그; 및
    상기 플러그의 일측의 상기 에피층의 전면 상에 형성된 트랜지스터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 트랜지스터는
    상기 에피층 전면(全面)의 내측면 또는 상측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서.
  5. 기판의 전면(前面)(Front Side)에 전체적으로 이온주입층을 형성하는 단계;
    상기 이온주입층이 형성된 기판의 픽셀영역에 깊이를 달리하여 컬러별로 수직 배치되는 광감지부를 형성하는 단계;
    상기 광감지부가 형성된 기판의 전면(全面) 상에 에피층을 형성하는 단계;
    상기 에피층에 소자분리영역을 형성하는 단계;
    상기 에피층의 전면(全面) 상에 층간절연층과 배선을 형성하는 단계;
    상기 이온주입층을 기준으로 상기 기판의 하측을 제거하는 단계; 및
    상기 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  6. 기판의 전면(前面)(Front Side)의 픽셀영역에 깊이를 달리하여 컬러별로 수직 배치되는 광감지부를 형성하는 단계;
    상기 광감지부가 형성된 기판의 전면에 전체적으로 이온주입층을 형성하는 단계;
    상기 이온주입층이 형성된 기판의 전면(全面) 상에 에피층을 형성하는 단계;
    상기 에피층에 소자분리영역을 형성하는 단계;
    상기 에피층의 전면(全面) 상에 층간절연층과 배선을 형성하는 단계;
    상기 이온주입층을 기준으로 상기 기판의 하측을 제거하는 단계; 및
    상기 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  7. 매몰 절연층을 포함하는 기판의 전면(前面)(Front Side)의 픽셀영역에 깊이를 달리하여 컬러별로 수직 배치되는 광감지부를 형성하는 단계;
    상기 광감지부가 형성된 기판의 전면(全面) 상에 에피층을 형성하는 단계;
    상기 에피층에 소자분리영역을 형성하는 단계;
    상기 에피층의 전면(全面) 상에 층간절연층과 배선을 형성하는 단계;
    상기 매몰 절연층을 기준으로 상기 기판의 하측을 제거하는 단계; 및
    상기 기판 후면(後面)(Back Side)의 상기 광감지부 상에 마이크로렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  8. 제5 항 내지 제7 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 광감지부는
    상기 기판의 픽셀영역 전체에 형성되는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  9. 제5 항 내지 제7 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 광감지부와 연결되는 플러그를 형성하는 단계; 및
    상기 플러그의 일측의 상기 에피층의 전면 상에 트랜지스터를 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 트랜지스터는
    상기 에피층 전면(全面)의 내측면 또는 상측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  11. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 이온주입층을 형성하는 단계는
    수소이온주입 또는 헬륨이온주입을 통하여 이온주입층을 형성하는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  12. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 이온주입층을 형성하는 단계는
    상기 기판의 전면(前面)을 통하여 이온주입을 진행함으로써 이온주입층을 형성하는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  13. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 이온주입층을 기준으로 상기 기판의 하측을 제거하는 단계는,
    상기 이온주입층에 열처리를 통해서 상기 기판의 하측을 제거하는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  14. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 이온주입층을 형성하는 단계는
    상기 기판의 전면에서 일정한 깊이에 전체적으로 이온주입층을 형성하는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
  15. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 기판의 하측을 제거하는 단계는 상기 이온주입층을 기준으로 상기 기판의 전면측의 반대측을 제거하는 것을 특징으로 하는 후면수광 이미지센서의 제조방법.
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