KR20180035431A - 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 기술은 이미지 센서에 관한 것으로, 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 복수의 단위픽셀들 각각은, 광전변환소자를 포함하는 기판; 상기 광전변환소자 내에 형성된 하나 이상의 공핍유도층; 상기 기판상에 형성된 층간절연층; 및 상기 층간절연층 내에 형성되어 하나 이상의 상기 공핍유도층 각각과 중첩되는 하나 이상의 플로팅전극을 포함할 수 있다.

Description

이미지 센서 및 그 제조방법{IMAGE SENSOR AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 반도체 장치 제조 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 집적도 및 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
본 발명의 실시예는 성능이 향상된 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 복수의 단위픽셀들 각각은, 광전변환소자를 포함하는 기판; 상기 광전변환소자 내에 형성된 하나 이상의 공핍유도층; 상기 기판상에 형성된 층간절연층; 및 상기 층간절연층 내에 형성되어 하나 이상의 상기 공핍유도층 각각과 중첩되는 하나 이상의 플로팅전극을 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 이미지 센서는 상기 층간절연층에 형성되어 하나 이상의 상기 공핍유도층 각각과 중첩되는 하나 이상의 트렌치를 더 포함하고, 상기 플로팅전극은 상기 트렌치에 매립된 형태를 가질 수 있다.
상기 광전변환소자는, 제1도전형을 갖는 제1불순물영역; 및 상기 제1도전형과 상보적인 제2도전형을 갖고, 수직방향으로 상기 제1불순물영역과 중첩되며, 상기 제1불순물영역보다 큰 두께를 갖는 제2불순물영역을 포함하고, 상기 공핍유도층은 상기 제2불순물영역 내에 위치할 수 있다. 상기 공핍유도층은 불순물영역을 포함하고, 상기 불순물영역은 상기 제2불순물영역과 상보적인 도전형을 가질 수 있다. 상기 공핍유도층은 수직방향으로 상기 제2불순물영역의 센터에 위치할 수 있다. 상기 공핍유도층은 삼각형 이상의 다각형, 삼각형 이상의 다각형 링, 원형, 원형 링, 타원형 또는 타원형 링으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 평면형상을 갖는 기둥형태를 포함할 수 있다. 상기 층간절연층은 상기 기판상의 제1절연층 및 상기 제1절연층 상의 제2절연층을 포함하고, 상기 플로팅전극은 상기 제1절연층 내에 위치할 수 있다. 상기 플로팅전극은 상기 공핍유도층과 동일한 평면형상을 가질 수 있다. 상기 플로팅전극의 선폭은 상기 공핍유도층의 선폭과 동일하거나, 또는 더 작을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 복수의 단위픽셀들 각각은, 광전변환소자를 포함하는 기판; 상기 광전변환소자 내에 형성된 하나 이상의 공핍유도층; 상기 기판상에 형성된 층간절연층; 상기 층간절연층 내에 형성되고, 제1전극 및 상기 제1전극 저면에 연결되어 하나 이상의 상기 공핍유도층 각각과 중첩된 하나 이상의 제2전극을 포함하는 플로팅전극을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 상기 층간절연층은 제1절연층, 제2절연층 및 제3절연층이 순차적으로 적층된 다층구조를 갖고, 상기 제2절연층에 형성된 제1트렌치; 및 상기 제1절연층에 형성되고, 입구가 상기 제1트렌치의 저면에 연결되며, 하나 이상의 상기 공핍유도층 각각과 중첩된 하나 이상의 제2트렌치를 더 포함하며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 각각 상기 제1트렌치 및 상기 제2트렌치에 매립된 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1절연층과 상기 제2절연층 사이에 삽입된 반사방지층을 더 포함할 수 있다. 상기 제1트렌치는 상기 제2트렌치보다 작은 높이를 가질 수 있다. 상기 제1트렌치는 상기 제2트렌치보다 큰 선폭을 가질 수 있다.
상기 광전변환소자는, 제1도전형을 갖는 제1불순물영역; 및 상기 제1도전형과 상보적인 제2도전형을 갖고, 수직방향으로 상기 제1불순물영역과 중첩되며, 상기 제1불순물영역보다 큰 두께를 갖는 제2불순물영역을 포함하고, 상기 공핍유도층은 상기 제2불순물영역 내에 위치할 수 있다. 상기 공핍유도층은 불순물영역을 포함하고, 상기 불순물영역은 상기 제2불순물영역과 상보적인 도전형을 가질 수 있다. 상기 공핍유도층은 수직방향으로 상기 제2불순물영역의 센터에 위치할 수 있다. 상기 제1전극은 상기 광전변환소자에 대응하는 면적 또는 그 이상의 면적을 가질 수 있다. 상기 공핍유도층은 삼각형 이상의 다각형, 삼각형 이상의 다각형 링, 원형, 원형 링, 타원형 또는 타원형 링으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 평면형상을 갖는 기둥형태를 포함할 수 있다. 상기 제2전극은 상기 공핍유도층과 동일한 평면형상을 가질 수 있다. 상기 제2전극의 선폭은 상기 공핍유도층의 선폭과 동일하거나, 또는 더 작을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 광전변환소자를 포함하는 기판 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층을 선택적으로 식각하여 상기 광전변환소자와 중첩되는 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치가 형성된 절연층을 이온주입장벽으로 상기 광전변환소자에 불순물을 이온주입하여 공핍유도층을 형성하는 단계; 및 상기 트렌치 내에 도전물질을 매립하여 상기 공핍유도층과 중첩되는 플로팅전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 광전변환소자는 제1도전형을 갖는 제1불순물영역 및 상기 제1도전형과 상보적인 제2도전형을 갖고, 수직방향으로 상기 제1불순물영역과 중첩되며, 상기 제1불순물영역보다 큰 두께를 갖는 제2불순물영역을 포함할 수 있다. 상기 공핍유도층은 상기 제2불순물영역과 상보적인 도전형을 갖도록 형성할 수 있다. 상기 공핍유도층은 상기 제2불순물영역 내에 위치하도록 형성할 수 있다. 상기 공핍유도층은 수직방향으로 상기 제2불순물영역의 센터에 위치하도록 형성할 수 있다. 상기 트렌치, 상기 공핍유도층 및 상기 플로팅전극은 상호 동일한 평면형상을 가질 수 있다. 상기 공핍유도층은 삼각형 이상의 다각형, 삼각형 이상의 다각형 링, 원형, 원형 링, 타원형 또는 타원형 링으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 평면형상을 갖는 기둥형태를 포함할 수 있다. 상기 플로팅전극의 선폭은 상기 공핍유도층의 선폭과 동일하거나, 또는 더 작을 수 있다. 상기 플로팅전극을 형성하는 단계는, 적어도 상기 트렌치를 갭필하도록 상기 절연층 전면에 도전물질을 증착하는 단계; 및 상기 절연층이 노출될때까지 평탄화공정을 진행하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 과제의 해결 수단을 바탕으로 하는 본 기술은 광전변환소자 내에 공핍유도층을 구비함으로써, 장치가 요구하는 풀 웰 캐패시턴스를 확보함과 동시에 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 층간절연층 내에 형성되어 공핍유도층과 중첩되는 플로팅전극을 구비함으로써, 픽셀간의 특성 편차를 완화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 블럭도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에서 하나의 단위픽셀그룹을 도시한 평면도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서를 도 2에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서의 변형예를 도시한 평면도.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에서 하나의 단위픽셀그룹을 도시한 평면도.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지 센서를 도 6에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도시한 단면도.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도면은 반드시 일정한 비율로 도시된 것이라 할 수 없으며, 몇몇 예시들에서, 실시예의 특징을 명확히 보여주기 위하여 도면에 도시된 구조물 중 적어도 일부의 비례는 과장될 수도 있다. 도면 또는 상세한 설명에 둘 이상의 층을 갖는 다층 구조물이 개시된 경우, 도시된 것과 같은 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 특정 실시예를 반영할 뿐이어서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 달라질 수도 있다. 또한, 다층 구조물의 도면 또는 상세한 설명은 특정 다층 구조물에 존재하는 모든 층들을 반영하지 않을 수도 있다(예를 들어, 도시된 두 개의 층 사이에 하나 이상의 추가 층이 존재할 수도 있다). 예컨대, 도면 또는 상세한 설명의 다층 구조물에서 제1층이 제2층 상에 있거나 또는 기판상에 있는 경우, 제1층이 제2층 상에 직접 형성되거나 또는 기판상에 직접 형성될 수 있음을 나타낼 뿐만 아니라, 하나 이상의 다른 층이 제1층과 제2층 사이 또는 제1층과 기판 사이에 존재하는 경우도 나타낼 수 있다.
후술하는 본 발명의 실시예는 성능이 향상된 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다. 여기서, 성능이 향상된 이미지 센서는 고화소 이미지를 제공할 수 있는 이미지 센서를 의미할 수 있다. 보다 구체적으로, 고화소 이미지를 제공하기 위해 공유 픽셀 구조를 적용함에 따른 픽셀들 특성의 균일성(Uniformity) 저하를 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이미지 센서는 복수의 단위픽셀그룹(110)들이 매트릭스 구조로 배열된 픽셀 어레이(pixel array, 100), 상관 이중 샘플링(correlated double sampling, CDS, 120), 아날로그-디지털 컨버터(analog digital converter, ADC, 130), 버퍼(Buffer, 140), 로우 드라이버(row driver, 150), 타이밍 제너레이터(timing generator, 160), 제어 레지스터(control register, 170) 및 램프 신호 제너레이터(ramp signal generator, 180)를 포함할 수 있다.
타이밍 제너레이터(160)는 로우 드라이버(150), 상관 이중 샘플링(120), 아날로그-디지털 컨버터(130) 및 램프 신호 제너레이터(180) 각각의 동작을 제어하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 생성한다. 제어 레지스터(170)는 램프 신호 제너레이터(180), 타이밍 제너레이터(160) 및 버퍼(140) 각각의 동작을 제어하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 생성한다.
로우 드라이버(150)는 픽셀 어레이(100)를 로우라인(row line) 단위로 구동한다. 예컨대, 로우 드라이버(150)는 복수의 로우라인(row line)들 중에서 어느 하나의 로우라인(row line)을 선택할 수 있는 선택 신호를 생성할 수 있다. 복수의 로우라인(row line)들 각각에는 복수의 단위픽셀그룹(110)들과 연결된다. 그리고, 복수의 단위픽셀그룹(110)들 각각에는 하나의 로우라인(row line)이 연결된다.
복수의 단위픽셀그룹(110)들 각각은 입사광을 감지하여 이미지 리셋 신호와 이미지 신호를 컬럼라인(column line)을 통해 상관 이중 샘플링(120)으로 출력한다. 상관 이중 샘플링(120)은 수신된 이미지 리셋 신호와 이미지 신호 각각에 대하여 샘플링을 수행한다. 복수의 컬럼라인(column line)들 각각에는 복수의 단위픽셀그룹(110)들이 연결된다. 복수의 단위픽셀그룹(110)들 각각에는 하나의 컬럼라인(column line)이 연결된다. 아날로그-디지털 컨버터(130)는 램프 신호 제너레이터(180)로부터 출력된 램프 신호와 상관 이중 샘플링(120)으로부터 출력되는 샘플링 신호를 서로 비교하여 비교 신호를 출력한다. 타이밍 제너레이터(160)로부터 제공되는 클럭 신호에 따라 비교 신호의 레벨 전이(transition) 시간을 카운트하고, 카운트 값을 버퍼(140)로 출력한다. 램프 신호 제너레이터(180)는 타이밍 제너레이터(160)의 제어 하에 동작할 수 있다.
버퍼(140)는 아날로그-디지털 컨버터(130)로부터 출력된 복수의 디지털 신호 각각을 저장한 후 이들 각각을 감지 증폭하여 출력한다. 따라서, 버퍼(140)는 메모리(미도시)와 감지증폭기(미도시)를 포함할 수 있다. 메모리는 카운트 값을 저장하기 위한 것이며, 카운트 값은 복수의 단위픽셀그룹(110)들로부터 출력된 신호에 연관된 카운트 값을 의미한다. 감지증폭기는 메모리로부터 출력되는 각각의 카운트 값을 감지하여 증폭한다.
여기서, 고화소 이미지를 제공하기 위해서는 픽셀 어레이(100) 내 집적되는 픽셀수를 필연적으로 증가시켜야한다. 즉, 제한된 면적내에 더 많은 픽셀들을 배치해야되기 때문에 픽셀사이즈가 점차 감소하고 있다. 픽셀사이즈가 감소함에 따라 광전변환소자의 면적도 감소하여 양질의 이미지를 구현하기 점차 어려워지고 있다. 또한, 감소하는 픽셀사이즈 내에서 최대한의 필펙터(fill factor)를 확보하기 위해 복수의 단위픽셀그룹(110) 각각이 공유 픽셀 구조를 갖는 이미지 센서가 도입되었다. 이처럼, 공유 픽셀 구조를 적용함에 따라 전원 라우팅 경로(Power Routing path)의 증가, 배선 저항의 불균일성(non-uniformity)에 기인한 전원전압 공급의 미스매치등의 문제점이 발생하고, 이로 인해 픽셀들의 특성 편차가 점점더 심해지고 있는 실정이다.
따라서, 후술하는 실시예는 양질의 이미지를 구현할 수 있고, 각 픽셀들의 특성 편차를 완화시켜 각 픽셀들이 균일한 특성을 갖는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에서 하나의 단위픽셀그룹을 도시한 평면도이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서를 도 2에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀그룹(110)들 또는 복수의 단위픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 복수의 단위픽셀그룹(110) 각각은 입사광에 응답하여 광전하를 생성하는 수광부(113) 및 수광부(113)에서 생성된 광전하에 대응하는 이미지 신호를 출력하는 출력부(111)를 포함할 수 있다. 출력부(111)는 제2방향(또는 컬럼방향)으로 수광부(113)의 일측에 위치할 수 있다. 참고로, 제1실시예에서는 단위픽셀그룹(110)이 하나의 수광부(113) 및 하나의 출력부(111)로 구성되는 경우를 예시하였으나, 단위픽셀그룹(110)은 복수의 수광부(113) 및 하나의 출력부(111)로 구성될 수도 있다. 즉, 단위픽셀그룹(110)은 복수의 수광부(113)가 하나의 출력부(111)를 공유하는 형태를 가질 수도 있다.
수광부(113)는 플로팅디퓨전(FD) 및 하나의 플로팅디퓨전(FD)을 공유하는 적어도 둘 이상의 수광유닛(115)을 포함할 수 있다. 여기서, 각각의 수광유닛(115)을 단위픽셀로 볼 수 있다. 따라서, 각각의 수광유닛(115)은 입사광에 응답하여 광전하를 생성하는 광전변환소자(PD, photoelectric conversion element) 및 광전변환소자(PD)에서 생성된 광전하를 전송신호에 응답하여 플로팅디퓨전(FD)으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor)를 포함할 수 있다. 트랜스퍼 트랜지스터는 트랜스퍼 게이트(Tx)를 포함할 수 있고, 광전변환소자(PD) 및 플로팅디퓨전(FD)이 각각 소스 및 드레인으로 작용할 수 있다. 전송신호는 트랜스퍼 게이트(Tx)에 인가될 수 있다. 제1실시예에서는 4개의 수광유닛(115)이 하나의 플로팅디퓨전(FD)을 공유하는 경우를 예시하였으며, 4개의 수광유닛(115)은 플로팅디퓨전(FD)을 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다.
출력부(111)는 로우라인(미도시)을 통해 인가되는 선택신호에 응답하여 이미지 신호를 컬럼라인(미도시)으로 출력할 수 있다. 출력부(111)는 리셋 트랜지스터(reset transistor), 소스 팔로워 트랜지스터(source follower transister) 및 선택 트랜지스터(selection transistor)를 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터, 소스 팔로워 트랜지스터 및 선택 트랜지스터는 하나의 활성영역(117)을 공유할 수 있으며, 각각 리셋 게이트(Rx), 소스 팔로워 게이트(SFx) 및 선택 게이트(Sx)를 포함할 수 있다. 소스 팔로워 게이트(SFx)는 활성영역(117)의 센터에 위치할 수 있고, 제1방향(또는 로우방향)으로 소스 팔로워 게이트(SFx) 일측 및 타측에 각각 리셋 게이트(Rx) 및 선택 게이트(Sx)가 위치할 수 있다.
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 광전변환소자(PD)를 포함하는 기판(200), 광전변환소자(PD) 내에 형성된 공핍유도층(210), 기판(200)상에 형성된 층간절연층(208) 및 층간절연층(208) 내에 형성되어 공핍유도층(210)과 중첩되는 플로팅전극(214)을 포함할 수 있다. 또한, 층간절연층(208)에 형성되어 공핍유도층(210)과 중첩되는 트렌치(212)를 포함할 수 있고, 트렌치(212) 내부에 플로팅전극(214)이 형성될 수 있다. 즉, 플로팅전극(214)은 트렌치(212)에 매립된 형태를 가질 수 있다.
이하, 제1실시예에 따른 이미지 센서의 구성요소에 대해 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 광전변환소자(PD), 인접한 광전변환소자(PD) 사이를 분리하는 소자분리구조물(202), 소자분리구조물(202) 상에 형성된 웰(206)을 포함하는 기판(200)을 구비할 수 있다. 웰(206)에는 플로팅디퓨전(FD)이 위치할 수 있고, 웰(206) 상부에는 트랜스퍼 게이트(Tx)들이 위치할 수 있다.
기판(200)은 제1면(S1) 및 제1면(S1)에 대향하는 제2면(S2)을 가질 수 있다. 예컨대, 제1면(S1)은 기판(200)의 후면일 수 있고, 제2면(S2)은 기판(200)의 전면일 수 있다. 제1면(S1)은 광전변환소자(PD)로 입사광이 유입되는 입사면일 수 있다. 기판(200)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 반도체 기판은 단결정 상태(Single crystal state)일 수 있으며, 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 즉, 기판(200)은 단결정의 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 그리고, 기판(200)은 씨닝공정(thinning process)을 통해 박막화된 기판일 수도 있다. 예를 들어, 기판(200)은 실리콘에피층 또는 씨닝공정을 통해 박막화된 벌크 실리콘 기판일 수 있다.
소자분리구조물(202)은 STI(Shallow Trench Isolation), DTI(Deep Trench Isolation) 또는 전위장벽을 포함할 수 있다. 전위장벽은 기판(200)에 불순물을 주입하여 형성된 불순물영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전위장벽은 기판(200)에 P형 불순물인 보론(Boron)을 주입하여 형성된 P형 불순물영역일 수 있다. 소자분리구조물(202)은 STI, DTI 또는 전위장벽 중 어느 하나로 구성되거나, 또는 둘 이상이 혼합되어 구성될 수 있다. 구체적으로, 소자분리구조물(202)은 인접한 광전변환소자(PD) 사이를 분리하는 제1분리구조물(202A) 및 웰(206) 하부에 형성된 제2분리구조물(202B)을 포함할 수 있다. 제1분리구조물(202A)은 DTI, 전위장벽 또는 DTI와 전위장벽이 결합된 구조를 가질 수 있다. 제2분리구조물(202B)은 전위장벽일 수 있다. 제1실시예에서는 제1분리구조물(202A)이 DTI이고, 제2분리구조물(202B)이 전위장벽 즉, P형 불순물영역인 경우를 예시하였다.
광전변환소자(PD)는 유기 또는 무기 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광전변환소자(PD)는 기판(200)에 형성되고 서로 상보적인 도전형을 갖는 제1불순물영역(204A)과 제2불순물영역(204B)이 수직방향으로 적층된 형태를 가질 수 있다. 제1불순물영역(204A)은 제2불순물영역(204B) 대비 매우 얇을 두께를 가질 수 있다. 제1불순물영역(204A) 및 제2불순물영역(204B)은 기판(200)에 소정의 불순물을 이온주입하여 형성된 것일 수 있다. 구체적으로, 제1불순물영역(204A)은 P형 불순물영역일 수 있고, 제2불순물영역(204B)은 N형 불순물영역일 수 있다. 제1불순물영역(204A)은 기판(200)의 제2면(S2)에 접할 수 있고, 제2불순물영역(204B)은 기판(200)의 제1면(S1)에 접할 수 있다. 그리고, 제1불순물영역(204A)과 제2불순물영역(204B)가 접하는 계면은 기판의 제2면(S2)에 인접할 수 있다.
플로팅디퓨전(FD)을 둘러싸는 복수의 광전변환소자(PD)들 사이의 소자분리구조물(202) 상에 형성된 웰(206)은 플로팅디퓨전(FD)이 형성될 공간 및 트랜스퍼 트랜지스터의 채널을 제공하기 위한 것으로, 도전형이 P형일 수 있다. 여기서, 제2분리구조물(202B)이 전위장벽 즉, P형 불순물영역일 때, 웰(206)은 제2분리구조물(202B)과 동일한 도전형을 갖되, 더 큰 불순물 도핑농도를 가질 수 있다. 웰(206) 내에 형성된 플로팅디퓨전(FD)은 웰(206)과 상보적인 도전형을 갖는 불순물영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 플로팅디퓨전(FD)은 N형 불순물영역을 포함할 수 있다. 한편, 제1실시예에서는 플로팅디퓨전(FD)이 위치하는 영역에만 웰(206)이 형성된 경우를 예시하였으나, 제1분리구조물(202A)이 전위장벽 즉, P형 불순물영역인 경우에 웰(206)은 플로팅디퓨전(FD)이 형성되지 않는 제1분리구조물(202A) 상에도 형성될 수 있다.
또한, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 광전변환소자(PD) 내에 형성된 공핍유도층(210)을 포함할 수 있다. 이미지 센서의 집적도가 증가함에 따라 광전변환소자(PD)를 형성할 수 있는 면적이 점차 감소하기 때문에 양질의 이미지를 구현하기 어렵다. 양질의 이미지를 구현하기 위해서는 장치에서 요구하는 풀 웰 캐패시턴스(Full Well Capacitance, FWC)를 확보해야하며, 이를 위해서는 광전변환소자(PD)의 제2불순물영역(204B)에 대한 불순물 도핑농도를 증가시켜야 한다. 여기서, 제2불순물영역(204B)의 피닝(Pinning)을 위한 제1불순물영역(204A) 및 제1불순물영역(204A)과 동일한 도전형을 갖는 구조물들이 모두 제2불순물영역(204B)의 외각에만 형성되기 때문에 풀 웰 캐패시턴스를 확보하기 위해 제2불순물영역의 불순물 도핑농도를 증가시키면 제2불순물영역(204B)을 완전공핍화 시킬 수 없어 이미지 센서의 감도가 저하되는 치명적인 문제가 발생한다. 이를 방지하기 위해, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 광전변환소자(PD) 내에 공핍유도층(210)을 형성하여 광전변환소자(PD)의 완전공핍(fully depletion)을 용이하게 구현할 수 있다.
광전변환소자(PD)의 제2불순물영역(204B)에 대한 완전공핍을 구현하기 위하여 공핍유도층(210)은 제2불순물영역(204B)과 상보적인 도전형을 갖는 불순물영역을 포함할 수 있다. 즉, 공핍유도층(210)은 P형 불순물영역을 포함할 수 있다. 공핍유도층(210)은 제2불순물영역(204B) 내에 위치할 수 있으며, 수직방향으로 제2불순물영역(204B)의 센터에 위치할 수 있다. 그리고, 공핍유도층(210)은 수직방향으로 연장된 기둥형태를 가질 수 있으며, 삼각형 이상의 다각형, 원형 또는 타원형의 평면형상을 가질 수 있다. 이처럼, 공핍유도층(210)은 제2불순물영역(204B) 내부에서 공핍영역을 형성하기 때문에 제2불순물영역(204B)을 완전공핍화시킬 수 있다. 따라서, 풀 웰 캐패시턴스를 확보함과 동시에 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 기판(200)상에 형성된 층간절연층(208), 층간절연층(208)에 형성된 트렌치(212) 및 트렌치(212)에 매립된 형태를 갖는 플로팅전극(214)을 포함할 수 있다.
기판(200)상에 형성된 층간절연층(208)은 제1절연층(208A) 및 제2절연층(208B)을 포함할 수 있다. 제1절연층(208A) 및 제2절연층(208B)은 서로 동일한 물질을 포함할 수 있다. 제1절연층(208A) 및 제2절연층(208B)은 산화물, 질화물 및 산화질화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 단일막 또는 둘 이상의 다중막을 포함할 수 있다.
층간절연층(208)에 형성되어 플로팅전극(214)이 매립되는 트렌치(212)는 제1절연층(208A)에 형성될 수 있다. 트렌치(212)의 저면은 제1절연층(208A)과 기판(200)이 접하는 계면보다 높은 레벨을 가질 수 있다. 이는, 플로팅전극(214)이 광전변환소자(PD)와 전기적으로 연결되는 것을 방지하고, 플로팅전극(214)에 기인한 커플링 캐패시터의 용량을 제어하기 위함이다. 트렌치(212)는 공핍유도층(210)과 동일한 평면형상을 가질 수 있다. 예컨대, 트렌치(212)는 삼각형 이상의 다각형, 원형 또는 타원형의 평면형상을 가질 수 있다. 그리고, 트렌치(212)는 공핍유도층(210)과 동일하거나, 또는 더 작은 선폭을 가질 수 있다. 이는, 트렌치(212)가 형성된 제1절연층(208A)이 공핍유도층(210) 형성공정시 이온주입장벽으로 사용될 수 있기 때문이다.
플로팅전극(214)은 픽셀들 사이의 특성 편차를 완화시키는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로, 플로팅전극(214)은 인접한 구조물과 커플링 캐패시터(Coupling Capcitor)를 형성하여 픽셀들 사이의 특성 편차를 완화시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 각각의 픽셀들마다 전원 라우팅 경로(Power Routing path)가 서로 상이하기 때문에 발생하는 전원공급의 미스매치 즉, 픽셀 어레이에서 각 픽셀들의 위치에 따른 공급 전압의 차이를 플로팅전극(214)으로 인해 발생하는 커플링 캐패시터를 이용하여 보상해줌으로써, 픽셀간 특성 편차를 완화시킬 수 있다. 따라서, 픽셀 어레이 내 위치에 따라 각 픽셀들에서의 플로팅전극(214) 위치는 서로 상이할 수도 있다.
또한, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 층간절연층(208)을 관통하여 플로팅디퓨전(FD)에 연결된 콘택플러그(216)를 포함할 수 있다. 아울러, 도면에 도시하지는 않았지만, 층간절연층(208) 상에 형성된 배선들을 포함할 수 있다. 일례로, 층간절연층(208) 상에는 콘택플러그(216)에 연결되어 플로팅디퓨전(FD)과 소스 팔로워 게이트(SFx) 사이를 연결하는 배선이 형성될 수 있다.
또한, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 도면에 도시하지는 않았지만, 기판(200)의 제1면(S1) 상에 형성된 색분리소자(color separation elemant) 및 색분리소자(light focusing element) 상에 형성된 집광소자를 포함할 수 있다. 색분리소자는 컬러필터를 포함할 수 있다. 컬러필터는 레드 필터(red filter), 그린 필터(green filter), 블루 필터(blue filter), 사이언 필터(cyan filter), 옐로우 필터(yellow filter), 마젠타 필터(magenta filter), 화이트필터(white filter), 블랙필터(black filter), 적외선차단필터(IR cutoff filter) 등을 포함할 수 있다. 집광소자는 디지털 렌즈(digital lens) 또는 반구형 렌즈(hemispherical lens)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 광전변환소자(PD) 내에 공핍유도층(210)을 구비함으로써, 광전변환소자(PD)의 완전공핍을 용이하게 구현할 수 있다. 이로써, 장치가 요구하는 풀 웰 캐패시턴스를 확보함과 동시에 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 플로팅전극(214)을 구비함으로써, 픽셀간의 특성 편차를 완화시킬 수 있다.
한편, 제1실시예에서는 트렌치(212) 내부에 플로팅전극(214)이 매립된 경우를 예시하였으나, 변형예로서 트렌치(212) 내부에 도전물질 대신에 절연물질이 매립될 수도 있다. 예컨대, 트렌치(212) 내부에 제2절연층(208B)이 매립될 수도 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서의 변형예를 도시한 평면도이다. 설명의 편의를 위하여 본 발명의 제1실시예와 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 변형예에 따른 이미지 센서는 광전변환소자(PD) 내에 형성된 공핍유도층(210)을 포함하되, 완전공핍을 보다 용이하게 구현하기 위하여 공핍유도층(210)의 평면형상이 링 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 공핍유도층(210)은 삼각형 이상의 다각형 링, 원형 링 또는 타원형 링으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 포함할 수 있다. 링 형태를 갖는 공핍유도층(210)은 광전변환소자(PD)의 제2불순물영역(204B)과 접하는 면적을 증대시켜 완전공핍을 보다 용이하게 구현할 수 있다.
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 다른 변형예에 따른 이미지 센서는 광전변환소자(PD) 내에 형성된 복수개의 공핍유도층(210) 및 각각의 공핍유도층(210)과 중첩되는 복수개의 플로팅전극(214)을 포함할 수 있다. 공핍유도층(210) 및 플로팅전극(214)의 개수는 요구되는 특성에 따라 조절할 수 있다. 도 5에서는 복수개의 공핍유도층(210)이 모두 동일한 평면형상을 갖는 경우를 예시하였으나, 이들은 서로 다른 평면형상을 가질 수도 있다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에서 하나의 단위픽셀그룹을 도시한 평면도이다. 그리고, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지 센서를 도 6에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도이다. 설명의 편의를 위하여 제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 이미지 센서는 광전변환소자(PD)를 포함하는 기판(200), 광전변환소자(PD) 내에 형성된 하나 이상의 공핍유도층(210), 기판(200)상에 형성된 층간절연층(230) 및 층간절연층(230) 내에 형성되어 하나 이상의 공핍유도층(210) 각각과 중첩되는 하나 이상의 플로팅전극(214)을 포함할 수 있다. 또한, 층간절연층(230)에 형성되어 하나 이상의 공핍유도층(210) 각각과 중첩되는 하나 이상의 트렌치(212)를 포함할 수 있고, 각각의 트렌치(212) 내부에 플로팅전극(214)이 형성될 수 있다. 즉, 플로팅전극(214)은 트렌치(212)에 매립된 형태를 가질 수 있다.
이하, 제1실시예와 대비되는 구성을 중심으로 제2실시예에 따른 이미지 센서의 구성요소에 대해 상세히 설명하기로 한다.
제2실시예에 따른 이미지 센서는 기판(200)상에 형성된 층간절연층(230), 층간절연층(230)에 형성된 트렌치(212) 및 트렌치(212)에 매립된 형태를 갖는 플로팅전극(214)을 포함할 수 있다.
기판(200)상에 형성된 층간절연층(230)은 순차적으로 적층된 제1절연층(231), 반사방지층(232), 제2절연층(233) 및 제3절연층(234)을 포함할 수 있다. 반사방지층(232)은 트렌치(212) 형성공정시 식각정지막으로도 사용될 수 있다. 제1절연층(231), 반사방지층(232), 제2절연층(233) 및 제3절연층(234)은 산화물, 질화물 및 산화질화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 단일막 또는 둘 이상의 다중막을 포함할 수 있다.
층간절연층(230)에 형성된 트렌치(212)는 제1트렌치(212A) 및 입구가 제1트렌치(212A)의 저면에 연결된 제2트렌치(212B)를 포함할 수 있다. 제1트렌치(212A)는 제2절연층(233)에 형성될 수 있고, 제2트렌치(212B)는 반사방지층(232) 및 제1절연층(231)에 형성될 수 있다. 제1트렌치(212A)의 저면은 반사방지층(232)에 접할 수 있고, 제2트렌치(212B)의 저면은 제1절연층(231)과 기판(200)이 접하는 계면보다 높은 레벨을 가질 수 있다. 이는, 플로팅전극(214)이 광전변환소자(PD)와 전기적으로 연결되는 것을 방지하고, 플로팅전극(214)에 기인한 커플링 캐패시터의 용량을 제어하기 위함이다.
각각의 수광유닛(115) 즉, 각 픽셀마다 하나의 제1트렌치(212A)를 포함할 수 있고, 제1트렌치(212A)에는 하나 이상의 제2트렌치(212B)가 연결될 수 있다. 제1트렌치(212A)는 제2트렌치(212B)보다 작은 두께(또는 높이)를 가질 수 있고, 제1트렌치(212A)는 제2트렌치(212B)보다 큰 선폭 또는 큰 면적을 가질 수 있다. 제1트렌치(212A) 및 제2트렌치(212B)의 두께 및 선폭(또는 면적)은 이들에 매립되는 플로팅전극(214)의 볼륨을 제어하기 위함이다. 즉, 필요 이상의 캐패시턴스가 발생하는 것을 방지하기 위함이다. 일례로, 제1트렌치(212A)는 광전변환소자(PD)에 대응하는 면적 또는 그 이상의 면적을 가질 수도 있다. 제2실시예에서는 제1트렌치(212A)가 광전변환소자(PD)보다 큰 면적을 갖는 경우를 예시하였다. 제2트렌치(212B)는 공핍유도층(210)과 동일한 평면형상을 가질 수 있다. 예컨대, 제2트렌치(212B)는 삼각형 이상의 다각형, 삼각형 이상의 다각형 링, 원형, 원형 링, 타원형 또는 타원형 링으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 평면형상을 가질 수 있다. 이는 제2트렌치(212B)가 형성된 반사방지층(232) 및 제1절연층(231)이 공핍유도층(210) 형성공정시 이온주입장벽으로 사용될 수 있기 때문이다.
플로팅전극(214)은 픽셀들 사이의 특성 편차를 완화시키는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로, 플로팅전극(214)은 인접한 구조물과 커플링 캐패시터(Coupling Capcitor)를 형성하여 픽셀들 사이의 특성 편차를 완화시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 각각의 픽셀들마다 전원 라우팅 경로(Power Routing path)가 서로 상이하기 때문에 발생하는 전원공급의 미스매치 즉, 픽셀 어레이에서 각 픽셀들의 위치에 따른 공급 전압의 차이를 플로팅전극(214)으로 인해 발생하는 커플링 캐패시터를 이용하여 보상해 줄 수 있다. 따라서, 픽셀 어레이 내 위치에 따라 각 픽셀들에서의 플로팅전극(214) 위치는 서로 상이할 수 있다.
플로팅전극(214)은 트렌치(212)에 매립된 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 플로팅전극(214)은 제1트렌치(212A)에 매립된 제1전극(214A) 및 제2트렌치(212B)에 매립된 제2전극(214B)을 포함할 수 있다. 여기서, 플로팅전극(214)이 제1전극(214A) 및 제2전극(214B)을 구비함으로써, 인접한 구조물 사이의 중첩 정도를 용이하게 제어할 수 있다. 즉, 플로팅전극(214)을 이용한 커플링 캐패시터의 캐패시턴스를 보다 용이하게 제어할 수 있으며, 이를 통해 픽셀들 사이의 특성 편차를 보다 용이하게 완화시킬 수 있다. 아울러, 제1전극(214A)은 광전변환소자(PD)를 관통하여 제1절연층(231)으로 유입된 입사광에 대한 후면 반사층으로도 작용할 수 있다. 이를 통해, 광전변환소자(PD)의 양자효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제2실시예에 따른 이미지 센서는 층간절연층(230)을 관통하여 플로팅디퓨전(FD)에 연결된 콘택플러그(216)를 포함할 수 있다. 아울러, 도면에 도시하지는 않았지만, 층간절연층(230) 상에 형성된 배선들을 포함할 수 있다. 일례로, 층간절연층(230)에는 콘택플러그(216)에 연결되어 플로팅디퓨전(FD)과 소스 팔로워 게이트(SFx) 사이를 연결하는 배선이 형성될 수 있다.
또한, 제2실시예에 따른 이미지 센서는 도면에 도시하지는 않았지만 기판(200)의 제1면(S1)상에 형성된 색분리소자(color separation elemant) 및 색분리소자(light focusing element) 상에 형성된 집광소자를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제2실시예에 따른 이미지 센서는 광전변환소자(PD) 내에 공핍유도층(210)을 구비함으로써, 광전변환소자(PD)의 완전공핍을 용이하게 구현할 수 있다. 이로써, 장치가 요구하는 풀 웰 캐패시턴스를 확보함과 동시에 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 제2실시예에 따른 이미지 센서는 플로팅전극(214)을 구비함으로써, 픽셀간의 특성 편차를 완화시킬 수 있다.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도시한 단면도이다. 여기서는, 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법에 대한 일례를 설명하기로 한다. 따라서, 도 8a 내지 도 8f는 도 2에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 기판(10)을 준비한다. 기판(10)은 제1면(S1) 및 제1면(S1)에 대향하는 제2면(S2)을 가질 수 있다. 예컨대, 제1면(S1)은 기판(10)의 후면일 수 있고, 제2면(S2)은 기판(10)의 전면일 수 있다. 기판(10)은 반도체 기판(10)을 포함할 수 있다. 반도체 기판(10)은 단결정 상태(Single crystal state)일 수 있으며, 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 즉, 기판(10)은 단결정의 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다.
다음으로, 기판(10)에 복수의 광전변환소자(PD)를 형성한다. 광전변환소자(PD)는 유기 또는 무기 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광전변환소자(PD)는 기판(10)에 소정의 불순물을 이온주입하여 형성되고, 서로 상보적인 도전형을 갖는 제1불순물영역(16) 및 제2불순물영역(18)이 수직방향으로 적층된 형태를 갖도록 형성할 수 있다. 제1불순물영역(16)은 제2불순물영역(18) 대비 매우 얇을 두께를 가질 수 있다. 제1불순물영역(16)은 P형 불순물영역일 수 있고, 제2불순물영역(18)은 N형 불순물영역일 수 있다. 제1불순물영역(16)은 기판(10)의 제2면(S2)에 접할 수 있고, 제2불순물영역(18)은 기판(10)의 제1면(S1)에 접할 수 있다. 기판의 제1면(S1)은 입사광이 광전변환소자(PD)로 유입되는 입사면일 수 있다.
다음으로, 복수의 광전변환소자(PD) 사이를 분리하는 소자분리구조물(12)을 형성한다. 소자분리구조물(12)은 STI(Shallow Trench Isolation), DTI(Deep Trench Isolation) 또는 전위장벽을 포함할 수 있다. 전위장벽은 기판(10)에 불순물을 주입하여 형성된 불순물영역을 포함할 수 있다. 소자분리구조물(12)은 STI, DTI 또는 전위장벽 중 어느 하나로 구성되거나, 또는 둘 이상이 혼합되어 구성될 수 있다. 구체적으로, 소자분리구조물(12)은 인접한 광전변환소자(PD) 사이를 분리하는 제1분리구조물(12A) 및 플로팅디퓨전(FD)이 형성될 영역의 하부에 형성된 제2분리구조물(12B)을 포함할 수 있다.
다음으로, 플로팅디퓨전(FD)이 형성될 영역의 소자분리구조물(12) 상부에 웰(14)을 형성한다. 웰(14)의 도전형은 P형일 수 있다. 여기서, 제2분리구조물(12B)이 전위장벽 즉, P형 불순물영역일 때, 웰(14)은 제2분리구조물(12B)과 동일한 도전형을 갖되, 더 큰 불순물 도핑농도를 가질 수 있다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 제2면(S2) 상에 트랜스퍼 게이트(Tx)를 형성한 후, 트렌스퍼 게이트(Tx) 사이의 웰(14)에 플로팅디퓨전(FD)을 형성한다. 플로팅디퓨전(FD)은 웰(14)에 N형 불순물 예컨대, 인(P) 또는 아세닉(As)을 이온주입하여 형성할 수 있다.
다음으로, 기판(10)의 제2면(S2) 상에 제1절연층(20A)을 형성한다. 제1절연층(20A)은 층간절연층으로 작용하며, 산화물, 질화물 및 산화질화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 단일막 또는 둘 이상의 다중막으로 형성할 수 있다.
도 8c에 도시된 바와 같이, 제1절연층(20A) 상에 마스크패턴(미도시)을 형성한 후, 마스크패턴을 식각장벽으로 제1절연층(20A)을 식각하여 광전변환소자(PD)와 중첩되는 트렌치(22)를 형성한다. 트렌치(22)를 형성하기 위한 식각공정은 건식식각으로 진행할 수 있다. 트렌치(22)의 저면은 기판(10)의 제2면(S2)보다 높은 레벨에 위치하도록 형성할 수 있다. 그리고, 트렌치(22)는 삼각형 이상의 다각형, 삼각형 이상의 다각형 링, 원형, 원형 링, 타원형 또는 타원형 링으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 평면형상을 가질 수 있다.
트렌치(22)를 형성하기 위한 마스크패턴(미도시)은 공지된 미세패턴 형성방법을 사용할 수 있다. 일례로, 감광막패턴을 형성한 후, 감광막패턴의 측벽에 스페이서를 형성하여 오픈부의 선폭을 감소시키는 일련의 공정과정을 통해 마스크패턴(미도시)을 형성할 수 있다.
도 8d에 도시된 바와 같이, 트렌치(22)가 형성된 제1절연층(20A)을 이온주입장벽으로 불순물 이온주입공정 및 활성화공정을 순차적으로 진행하여 광전변환소자(PD) 내에 공핍유도층(24)을 형성한다. 이때, 트렌치(22)에 기인한 제1절연층(20A)의 두께 차이로 인해 트렌치(22)와 중첩되는 광전변환소자(PD)에만 불순물이 이온주입될 수 있다.
공핍유도층(24)은 광전변환소자(PD)의 제2불순물영역(18)과 상보적인 도전형을 갖는 불순물영역으로 형성할 수 있다. 즉, 공핍유도층(24)은 P형 불순물영역을 포함할 수 있다. 공핍유도층(24)은 제2불순물영역(18) 내에 위치하도록 형성할 수 있으며, 이온주입에너지를 조절하여 수직방향으로 제2불순물영역(18)의 센터에 위치하도록 형성할 수 있다. 그리고, 공핍유도층(24)은 수직방향으로 연장된 기둥형태를 갖도록 형성할 수 있다.
공핍유도층(24)은 트렌치(22)가 형성된 제1절연층(20A)을 이온주입장벽으로 형성되기 때문에 트렌치(22)의 평면형상과 동일한 평면형상을 가질 수 있다. 그리고, 공핍유도층(24)은 트렌치(22)와 동일한 선폭을 갖거나, 또는 더 큰 선폭을 가질 수 있다. 공핍유도층(24)이 트렌치(22) 보다 더 큰 선폭을 갖는 것은 주입된 불순물에 대한 활성화공정시 불순물 확산에 기인한 것일 수 있다.
이처럼, 후속 공정을 통해 형성된 플로팅전극(26)을 위한 트렌치(22)를 이용하여 공핍유도층(24)을 형성함으로써, 공정과정을 단순화시킬 수 있으며, 집적도 증가로 인해 면적이 감소한 광전변환소자(PD) 내에 미세선폭을 갖는 공핍유도층(24)을 용이하게 형성할 수 있다.
도 8e에 도시된 바와 같이, 트렌치(22)에 매립된 플로팅전극(26)을 형성한다. 플로팅전극(26)은 픽셀들 사이의 특성 편차를 완화시키는 역할을 수행할 수 있다. 플로팅전극(26)은 트렌치(22)를 포함한 제1절연층(20A) 전면에 적어도 트렌치(22)를 갭필하도록 도전물질을 증착한 후, 제1절연층(20A)이 노출될때까지 평탄화공정을 진행하는 일련의 공정과정을 통해 형성할 수 있다. 여기서, 평탄화공정은 화학적기계적연마법을 사용할 수 있다.
이로써, 광전변환소자(PD) 내에 형성된 공핍유도층(24)과 중첩되는 플로팅전극(26)을 형성할 수 있다.
도 8f에 도시된 바와 같이, 제1절연층(20A) 상에 제2절연층(20B)을 형성한다. 제2절연층(20B)은 제1절연층(20A)과 마찬가지로 층간절연층으로 작용한다. 제2절연층(20B)은 산화물, 질화물 및 산화질화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 단일막 또는 둘 이상의 다중막일 수 있다. 이하, 제1절연층(20A)과 제2절연층(20B)이 적층된 다중막을 층간절연층(20)으로 지칭하기로 한다.
다음으로, 층간절연층(20)을 관통하여 플로팅디퓨전(FD)에 연결된 콘택플러그(28)를 형성한다.
다음으로, 도면에 도시하지는 않았지만 층간절연층(20) 상에 배선을 형성한다. 예를 들어, 층간절연층(20) 상에 콘택플러그(28)에 연결되어 플로팅디퓨전(FD)과 소스 팔로워 게이트(SFx) 사이를 연결하는 배선을 형성할 수 있다.
이후, 공지된 제조방법을 이용하여 이미지 센서를 완성할 수 있다.
상술한 실시예들에 따른 이미지 센서는 다양한 전자장치 또는 시스템에 이용될 수 있다. 이하에서는, 도 9를 참조하여 카메라에 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 적용한 경우를 예시하여 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면이다.
도 9를 참조하여, 실시예들에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치는 정지영상 또는 동영상을 촬영할 수 있는 카메라일 수 있다. 전자장치는 광학 시스템(910, 또는, 광학 렌즈), 셔터 유닛(911), 이미지 센서(900) 및 셔터 유닛(911)을 제어/구동하는 구동부(913) 및 신호 처리부(912)를 포함할 수 있다.
광학 시스템(910)은 피사체로부터의 이미지 광(입사광)을 이미지 센서(900)의 픽셀 어레이(도 1의 도면부호 '100' 참조)로 안내한다. 광학 시스템(910)은 복수의 광학 렌즈로 구성될 수 있다. 셔터 유닛(911)은 이미지 센서(900)에 대한 광 조사 기간 및 차폐 기간을 제어한다. 구동부(913)는 이미지 센서(900)의 전송 동작과 셔터 유닛(911)의 셔터 동작을 제어한다. 신호 처리부(912)는 이미지 센서(900)로부터 출력된 신호에 관해 다양한 종류의 신호 처리를 수행한다. 신호 처리 후의 이미지 신호(Dout)는 메모리 등의 저장 매체에 저장되거나, 모니터 등에 출력된다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 단위픽셀그룹 111 : 출력부
113 : 수광부 115 : 수광유닛
117 : 활성영역 PD : 광전변환소자
FD : 플로팅디퓨전 Tx : 트랜스퍼 게이트
Rx : 리셋 게이트 SFx : 소스 팔로워 게이트
Sx : 선택 게이트 200 : 기판
202 : 소자분리구조물 206 : 웰
208 : 층간절연층 210 : 공핍유도층
212 : 트렌치 214 : 플로팅전극
216 : 콘택플러그

Claims (30)

  1. 복수의 단위픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이를 포함하고,
    상기 복수의 단위픽셀들 각각은,
    광전변환소자를 포함하는 기판;
    상기 광전변환소자 내에 형성된 하나 이상의 공핍유도층;
    상기 기판상에 형성된 층간절연층; 및
    상기 층간절연층 내에 형성되어 하나 이상의 상기 공핍유도층 각각과 중첩되는 하나 이상의 플로팅전극
    을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 층간절연층에 형성되어 하나 이상의 상기 공핍유도층 각각과 중첩되는 하나 이상의 트렌치를 더 포함하고,
    상기 플로팅전극은 상기 트렌치에 매립된 형태를 갖는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광전변환소자는,
    제1도전형을 갖는 제1불순물영역; 및
    상기 제1도전형과 상보적인 제2도전형을 갖고, 수직방향으로 상기 제1불순물영역과 중첩되며, 상기 제1불순물영역보다 큰 두께를 갖는 제2불순물영역을 포함하고,
    상기 공핍유도층은 상기 제2불순물영역 내에 위치하는 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공핍유도층은 불순물영역을 포함하고, 상기 불순물영역은 상기 제2불순물영역과 상보적인 상기 제1도전형을 갖는 이미지 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 공핍유도층은 수직방향으로 상기 제2불순물영역의 센터에 위치하는 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공핍유도층은 삼각형 이상의 다각형, 삼각형 이상의 다각형 링, 원형, 원형 링, 타원형 또는 타원형 링으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 평면형상을 갖는 기둥형태를 포함하는 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 층간절연층은 상기 기판상의 제1절연층 및 상기 제1절연층 상의 제2절연층을 포함하고, 상기 플로팅전극은 상기 제1절연층 내에 위치하는 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 플로팅전극은 상기 공핍유도층과 동일한 평면형상을 갖는 이미지 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 플로팅전극의 선폭은 상기 공핍유도층의 선폭과 동일하거나, 또는 더 작은 이미지 센서.
  10. 복수의 단위픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이를 포함하고,
    상기 복수의 단위픽셀들 각각은,
    광전변환소자를 포함하는 기판;
    상기 광전변환소자 내에 형성된 하나 이상의 공핍유도층;
    상기 기판상에 형성된 층간절연층;
    상기 층간절연층 내에 형성되고, 제1전극 및 상기 제1전극 저면에 연결되어 하나 이상의 상기 공핍유도층 각각과 중첩된 하나 이상의 제2전극을 포함하는 플로팅전극
    을 포함하는 이미지 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 층간절연층은 제1절연층, 제2절연층 및 제3절연층이 순차적으로 적층된 다층구조를 갖고,
    상기 제2절연층에 형성된 제1트렌치; 및
    상기 제1절연층에 형성되고, 입구가 상기 제1트렌치의 저면에 연결되며, 하나 이상의 상기 공핍유도층 각각과 중첩된 하나 이상의 제2트렌치를 더 포함하며,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극은 각각 상기 제1트렌치 및 상기 제2트렌치에 매립된 형태를 갖는 이미지 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1절연층과 상기 제2절연층 사이에 삽입된 반사방지층을 더 포함하는 이미지 센서.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1트렌치는 상기 제2트렌치보다 작은 높이를 갖는 이미지 센서.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1트렌치는 상기 제2트렌치보다 큰 선폭을 갖는 이미지 센서.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 광전변환소자는,
    제1도전형을 갖는 제1불순물영역; 및
    상기 제1도전형과 상보적인 제2도전형을 갖고, 수직방향으로 상기 제1불순물영역과 중첩되며, 상기 제1불순물영역보다 큰 두께를 갖는 제2불순물영역을 포함하고,
    상기 공핍유도층은 상기 제2불순물영역 내에 위치하는 이미지 센서.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 공핍유도층은 불순물영역을 포함하고, 상기 불순물영역은 상기 제2불순물영역과 상보적인 도전형을 갖는 이미지 센서.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 공핍유도층은 수직방향으로 상기 제2불순물영역의 센터에 위치하는 이미지 센서.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 제1전극은 상기 광전변환소자에 대응하는 면적 또는 그 이상의 면적을 갖는 이미지 센서.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 공핍유도층은 삼각형 이상의 다각형, 삼각형 이상의 다각형 링, 원형, 원형 링, 타원형 또는 타원형 링으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 평면형상을 갖는 기둥형태를 포함하는 이미지 센서.
  20. 제10항에 있어서,
    상기 제2전극은 상기 공핍유도층과 동일한 평면형상을 갖는 이미지 센서.
  21. 제10항에 있어서,
    상기 제2전극의 선폭은 상기 공핍유도층의 선폭과 동일하거나, 또는 더 작은 이미지 센서.
  22. 광전변환소자를 포함하는 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층을 선택적으로 식각하여 상기 광전변환소자와 중첩되는 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 트렌치가 형성된 절연층을 이온주입장벽으로 상기 광전변환소자에 불순물을 이온주입하여 공핍유도층을 형성하는 단계; 및
    상기 트렌치 내에 도전물질을 매립하여 상기 공핍유도층과 중첩되는 플로팅전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 광전변환소자는 제1도전형을 갖는 제1불순물영역 및 상기 제1도전형과 상보적인 제2도전형을 갖고, 수직방향으로 상기 제1불순물영역과 중첩되며, 상기 제1불순물영역보다 큰 두께를 갖는 제2불순물영역을 포함하는 이미지 센서 제조방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 공핍유도층은 상기 제2불순물영역과 상보적인 도전형을 갖도록 형성하는 이미지 센서 제조방법.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 공핍유도층은 상기 제2불순물영역 내에 형성하는 이미지 센서 제조방법.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 공핍유도층은 수직방향으로 상기 제2불순물영역의 센터에 위치하도록 형성하는 이미지 센서 제조방법.
  27. 제22항에 있어서,
    상기 트렌치, 상기 공핍유도층 및 상기 플로팅전극은 상호 동일한 평면형상을 갖는 이미지 센서 제조방법.
  28. 제22항에 있어서,
    상기 공핍유도층은 삼각형 이상의 다각형, 삼각형 이상의 다각형 링, 원형, 원형 링, 타원형 또는 타원형 링으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 평면형상을 갖는 기둥형태를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
  29. 제22항에 있어서,
    상기 플로팅전극의 선폭은 상기 공핍유도층의 선폭과 동일하거나, 또는 더 작은 이미지 센서 제조방법.
  30. 제22항에 있어서,
    상기 플로팅전극을 형성하는 단계는,
    적어도 상기 트렌치를 갭필하도록 상기 절연층 전면에 도전물질을 증착하는 단계; 및
    상기 절연층이 노출될때까지 평탄화공정을 진행하는 단계
    를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
KR1020160125506A 2016-09-29 2016-09-29 이미지 센서 및 그 제조방법 KR102643521B1 (ko)

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