KR20220002244A - 반도체 이미지 센서의 픽셀 및 픽셀 제조 방법 - Google Patents

반도체 이미지 센서의 픽셀 및 픽셀 제조 방법 Download PDF

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Abstract

양자 효율이 향상된 픽셀(1)은 입사 표면으로 구성된 제1 포면(3)과 제1 표면(3)상에 입사하는 빛을 캡처하도록 구성된 광 캡처 영역(4a)을 갖는 반도체 본체(2)를 포함한다. 픽셀은 구조화된 계면(5), 제1 표면(3)에 수직인 반도체 본체의 적어도 2개의 표면(7)상의 절연층(6), 및 임계각(αc)보다 더 작은 입사각(α)으로 제1 표면(3)상에 입사하는 빛이 필터 소자(8)에 충돌하도록 제1 표면(3)으로부터 거리를 두고 배열되는 필터 소자를 더 포함한다.

Description

반도체 이미지 센서의 픽셀 및 픽셀 제조 방법
본 개시는 반도체 이미지 센서에서 사용하기 위한 픽셀 및 그러한 픽셀을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
CMOS 이미지 센서는 스마트 폰, 태플릿 컴퓨터, 랩탑 등의 카메라 모듈과 같은 다양한 어플리케이션에 사용된다. 이러한 어필리케이션의 대부분은 활성 조명의 사용, 특히 LED 또는 VCSEL과 같은 레이저 광원을 사용하는 것에 의존한다. 특히 이러한 경우, 이미지 센서의 효율적인 동작을 위해, 이미지 센서의 개별 픽셀의 높은 양자 효율이 필수적이다. 3D 이미징과 같은 적외선 대역의 어필리케이션의 경우, 감지되지 않고 픽셀로부터 빠져나가는 빛, 즉, 픽셀의 활성 영역에 의해 흡수되는 빛으로 인해, 최첨단 이미지 센서는 낮은 효율성에 시달린다. 또한, 추가적인 단점은 종종 원하지 않은 배경 신호로 인한 높은 노이즈 기여(noise contribution) 및 픽셀의 대상 파장 이외의 빛의 파장에서의 불필요한 높은 감도를 포함한다.
따라서, 달성하고자 하는 목표는 대상 파장에서 향상된 양자 효율을 특징으로 하고, 현대 이미지 센서의 단점을 극복한 반도체 이미지 센서의 픽셀에 대한 개선된 개념을 제공하는 것이다.
이 목표는 독립 청구항의 주제로 달성된다. 개선된 개념의 실시예와 전개(development)는 종속항에서 정의된다.
예를 들어, 소형의 고해상도 이미지 센서를 얻기 위해 픽셀의 작은 치수를 동시에 유지해야 하는 경우, 포토 다이오드의 활성 광 캡쳐 영역과 같이 검출기 재료의 두께를 증가시킴으로써 픽셀의 활성 영역을 증가시키는 명확한 접근방식은 일반적으로 실현하는 것이 불가능하다. 그러나, 개선된 개념은 빛이 결국 픽셀의 활성 영역에 흡수되어 감지될 때까지 이상적으로는 오랜 시간 동안 픽셀의 볼륨 내에 빛을 가둘 수 있는 픽셀을 이미지 센서에 제공한다는 아이디어를 기반으로 한다. 또한, 개선된 개념에 따른 픽셀은 적어도 하나의 미리 결정된 대상 파장에서 협대역 감도를 보장하고 동시에 임의의 파장에서 원하지 않는 배경 광으로부터의 노이즈 기여를 방지한다.
특히, 개선된 개념에 따른 픽셀은 입사 면으로 구성된 제1 표면 및 제1 표면상에 입사되는 광을 캡처하도록 구성된 광 캡처 영역을 갖는 반도체 본체를 포함한다. 픽셀은 구조화된 인터페이스, 제1 표면에 수직인 반도체 본체의 적어도 두 표면상의 절연층 및 임계각보다 더 작은 입사각으로 제1 표면상에 입사되는 광이 필터 소자 상에 충돌하도록 제1 표면으로부터 일정 거리에 배열되는 필터 소자를 더 포함한다.
이미지 센서의 각 픽셀은 각각의 픽셀에 입사되는 광학 정보를 캡처하고 광학 정보를 나타내는 전기 정보를 생성하도록 구성된다. 특히, 표준 CMOS 기술에 따라 제조된 이미지 센서의 경우, 픽셀의 작동 원리는 포토 다이오드를 사용하여 광 강도를 광 전류로 변환하는 것이다. 반도체 본체로 구성된 실리콘 기반 포토 다이오드는 이러한 연결에서 일반적인 선택이다. 이러한 다이오드는 190nm에서 1100nm 사이의 넓은 파장 범위에 민감하기 때문에 가시광선과 적외선 도메인 모두에서 전자기 스펙트럼의 관련 부분을 커버한다. 또한, 실리콘의 밴드갭이 크기 때문에, 실리콘 기반 포토 다이오드는 게르마늄 기반 포토 다이오드와 같은 다른 포토다이오드에 비해 우수한 노이즈 성능을 보여준다.
구조화된 계면은, 예를 들어, 반도체 본체의 표면상의 광 산란층에 의해 형성된 광 산란 계면을 구현함으로써 입사광을 산란하도록 구성된다. 예를 들어, 광 산란 층의 표면상의 구조는 구조화된 표면을 형성하는 피라미드 형상을 갖는다. 광 산란 층은, 예를 들어, 실리콘과 같은 반도체 본체의 재료와 동일한 재료이거나 반도체 본체의 재료와 굴절률이 상이한 산화물과 같은 상이한 재료일 수 있다. 픽셀 볼륨 내의 입사광의 산란은 그것의 전파 경로를 변경함으로써 픽셀 볼륨 내의 빛을 가둘 수 있게 한다.
빛이 흡수되기 전에 픽셀 볼륨에서 빠져나가는 것을 추가로 방지하기 위해, 절연층은 반도체 본체의 여러 표면 상에 배열된다. 예를 들어, 픽셀의 측면, 즉, 제1 표면에 수직인 면은 반도체 본체의 재료의 굴절률과는 상이한 굴절률을 갖는 이산화 규소와 같은 재료의 층을 포함한다. 컷오프 각보다 더 큰 입사각을 가진 절연층에 의해 생성된 계면에 충돌하는 픽셀 볼륨내의 빛은 완전히 반사되어 픽셀 볼륨 내에 갇힌다. 바람직하게는 작은 컷오프 각은 미리 결정되고, 반도체 본체와 절연층의 굴절률에 따라 달라진다. 픽셀 볼륨은 제1 표면, 제1 표면에 대향하는 반도체 본체의 표면, 및 제1 표면에 수직인 반도체 본체의 측면에 의해 범위가 정해지는 반도체 본체에 의해 정의된다.
또한, 픽셀의 볼륨 내의 표면, 즉, 광 산란 계면과 절연층에 의해 형성되는 계면에 반사된 후에 제1 표면을 통해 빛이 빠져나가는 것을 방지하기 위해, 필터 소자는 제1 표면으로부터 일정 거리에 배열된다. 거기서 필터 소자는 제1 표면에 가능한 한 가깝게 픽셀 볼륨의 외부에 배열된다. 또한, 필터 소자의 치수는 임계각보다 작은 입사각으로 입사되는 모든 광이 픽셀 볼륨에 들어가기 전에 필터 소자를 가로지르도록 선택된다. 필터 소자는 입사광을 투과하여 후자가 제1 표면상에 충돌하여 픽셀 볼륨으로 들어가고 픽셀 볼륨을 떠난 후, 즉, 픽셀 볼륨으로부터 빠져나간 후에 필터 소자에 충돌하는 빛을 반사하도록 구성된다. 따라서 필터 소자는 효과적인 단방향 미러로 간주될 수 있다.
일부 실시예에서, 필터 소자의 투과 값은 입사각 및/또는 빛의 파장에 따라 달라진다.
앞서 설명한 바와 같이, 구조화된 인터페이스가 입사광의 반사 각도를 변경시킴에 따라, 픽셀 볼륨으로부터 빠져나가는 광은, 픽셀 볼륨에 처음 들어갈 때, 제1 표면상에 충돌하는 빛과 상이한 각도로 필터 소자에 충돌할 것이다. 이러한 방식으로, 픽셀은 일반적으로 이미지화 될 물체 또는 광원을 향하기 때문에 일반적으로 0°에 가까운 입사각 아래에서 픽셀에 들어가는 빛은 각도 의존 필터 소자, 구조화된 계면 및 절연층의 상호작용에 의해 효과적으로 가둬진다. 대안적으로 또는 추가적으로, 필터 소자의 투과는 다른 파장이 반사되는 동안 대상 파장만이 우선 투과되도록 파장 의존적일 수 있다.
일부 추가 실시예에서, 필터 소자는 입사각이 임계값 보다 크면 빛을 반사하고, 입사각이 임계값보다 작거나 같으면 빛을 투과하도록 구성된다.
이러한 실시예에서, 픽셀의 시야(field-of-view)를 정의하기 위해, 필터는 컷오프 각으로 임계각을 갖도록 설계되고, 여기서 광은 임계각보다 작은 입사각으로 필터 소자에 충돌하는 경우에만 필터 소자에 의해 투과된다. 임계각에서 또는 그보다 높은 각도로 입사하는 빛은 필터 소자에 의해 반사되고, 따라서 픽셀 볼륨으로 들어가는 것이 방지된다.
일부 실시예에서, 필터 소자는 이색성 필터(dichroic filter)를 포함한다.
이색성 필터는 필터 소자에 입사하는 빛의 파장 의존적 투과를 실현하기 위해 간결한 해결책을 제공한다. 또한 브래그(Bragg) 필터라고 알려진 이색성 필터는 굴절률이 상이한 박막의 교호층들(alternating layers)의 세트에 의해 형성된다. 박막 간섭 원리를 실현하는 이러한 종류의 필터는 높은 파장 의존 투과를 가능하게 하여 원하지 않는 빛이 제1 표면을 통해 픽셀로 들어가는 것을 방지하는 것을 돕는다. 레이어의 수, 재료 및 두께를 조정함으로써, 필터의 통과 대역은 특정 대상 파장으로 조정될 수 있고, 원하는 대로 좁거나 넓게 설계될 수 있다.
일부 실시예에서, 픽셀은 필터 소자와 제1 표면 사이에 배열되는 도파관(waveguide) 구조를 더 포함한다.
예를 들어, 빛이 반도체 본체의 제1 표면과 필터 소자 사이에 형성되는 갭을 통해 빠져나가는 것을 방지하기 위해, 광이 픽셀 내에 한정되고 인접 픽셀에 들어갈 수 없도록 상기 갭 내에 도파관 구조가 배열될 수 있다. 절연층 및 반도체 본체와 유사하게, 도파관 구조는 내부 전반사 원리를 사용할 수 있다.
일부 실시예에서, 필터 소자는 특정 협대역 파장 범위, 특히 940nm 및/또는 850nm를 포함하는 파장 범위내의 광학 파장에서 빛을 투과하도록 구성된다.
일반적으로 적외선의 장점은 사람의 눈에 보이지 않는다는 것이다. 따라서 고강도 활성 조명을 요구하는 이미징 프로세스도 사람의 눈을 방해하지 않고 사용될 수 있다. 940nm 및 850nm의 파장은 특히 3D 이미징 또는 얼굴 인식과 같은 적외선 이미징 어플리케이션에 사용되는 것과 관련이 있다. 그 이유는 대기에서의 흡수로 인해 이들 파장에서 태양광의 강도가 낮기 때문이다. 따라서, 이들 파장에서의 동작은 원치 않는 배경광이 거의 없어 대낮에도 노이즈 이미징이 낮다는 것을 의미한다. 따라서 그러한 필터 소자를 사용하면 대상 파장에서는 높은 양자 효율로 이어지고 다른 파장에서는 낮은 효율로 이어진다. 이러한 맥락에서, 협대역은 50nm 미만, 특히 10nm 미만의 스펙트럼 폭을 갖는 투과 창을 의미할 수 있고, 여기서, 대상 파장은 투과창에 의해 포함되며, 예를 들어, 대상 파장은 중심 파장이다. 필터 소자는 두 개 이상의 투과창, 예를 들어, 850nm를 포함하는 제1창 및 940nm를 포함하는 제2창을 가질 수 있다. 창의 통과 대역폭은 장면(scene)을 비추는 활성 광원의 폭에 따라 다르다. 이것은, 예를 들어, 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser) 또는 VCSEL을 사용하는 조명을 위해 10nm만큼 작을 수 있다. 또는, 이것은, 예를 들어, 발광 다이오드 또는 다른 조명원을 사용하는 조명의 경우, 60nm 이상일 수 있다.
일부 실시예에서, 필터 소자는 패브리 페로 공동(Fabry-P
Figure pct00001
rot cavity) 으로 구성된다.
픽셀 볼륨에 들어가기 전에 입사광을 강력하게 선택적으로 필터링하는 것은 패브리 페로형 필터를 사용함으로써 실현될 수 있다. 일반적으로 서로 특정 거리에 배열된 두 개의 이색성 거울로 구성된, 형성된 패브리 페로 공동은 입사광에 대해 협대역 필터를 가능하게 한다. 특정 파장에서 활성 조명에 의존하는 많은 어플리케이션 에서와 같이, 이러한 협대역 필터는 광학 경로에 반드시 필요하고, 제1 표면 바로 위에 배열하면, 광이 흡수되고 추가 프로세싱을 위한 전기 신호로 변환될 때까지 픽셀 볼륨 내에서 빛을 가두어 양자 효율을 높이는 이점이 있다.
일부 실시예에서, 구조화된 계면은 제1 표면을 포함하는 픽셀의 측면에, 또는 제1 표면으로부터 대향하는 픽셀의 측면에 배열된다.
픽셀은 전면 또는 배면이 조명될 수 있는데, 이는 픽셀의 활성 영역이 제1 표면에 대향하는 픽셀의 측면 또는 제1 표면의 측면에 위치된다는 것을 의미한다. 마찬가지로, 제조 프로세스에 따라 구조화된 표면, 예를 들어, 광 산란층에 의해 형성된 표면은 언급된 픽셀의 두 측면 중 하나에 배열될 수 있다.
일부 실시예에서, 절연층은 반도체 본체의 적어도 두 개의 표면의 적어도 일부를 덮는다.
픽셀 볼륨 내에서 효과적인 광 트래핑을 위해, 절연층은 가능한한 제1 표면에 수직인 픽셀의 측면을 최대한 덮도록 요구된다. 예를 들어, 절연층은 픽셀의 반도체 본체 측면의 전부는 아니지만 대부분의 측면을 실질적으로 덮는 딥 트랜치 절연(DTI: deep trench isolation)에 의해 실현된다.
일부 실시예에서, 픽셀은 제1 표면에 수직인 반도체 본체의 모든 표면상의 절연층을 더 포함한다.
모든 치수들에서 효과적인 광 트래핑을 위해, 제1표면에 수직인 픽셀의 모든 측면상에 절연층이 요구된다. 스퀘어 풋프린트, 즉, 정사각형 제1 표면을 가진 픽셀의 경우, 이는 4개의 측면 표면이 절연층으로 덮여 있어야 함을 의미한다. 이는 인접 픽셀이 배열될 수 있는 측면을 향해 어떤 빛도 픽셀 볼륨을 떠나지 못하도록 보장한다.
이 목적은 또한 전술한 실시예 중 하나에 따라 복수의 픽셀을 포함하는 이미지 센서에 의해 해결되며, 여기서, 픽셀은 2개의 인접한 픽셀의 각 절연층이 서로 대향하도록 배열된다.
개선된 개념에 따라, 예를 들면, 배열체(array)나 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀을 가지는 이미지 센서는 특정 대상 파장에서 고감도 및 저 노이즈 이미징을 허용한다. 개선된 개념의 이점이 크게 적용된 어플리케이션은 캡처될 객체 또는 장면의 활성 조명에 의존하는 적외선 이미징 어플리케이션을 포함한다. 예를 들어, 이러한 어플리케이션은 얼굴 인식과 같은 식별 목적을 가지거나, 3D 이미징 및 감지 어플리케이션을 목적으로 한다. 활성 조명의 경우, 이미지 센서는 VCSEL 또는 LED와 같은 광원과 함께 작동하도록 구성될 수 있다. 그러한 이미지 센서의 필터 소자는 모든 픽셀 위에 배열된 필터 소자와 결합될 수 있거나, 각 픽셀이 자체 필터 소자를 가질 수도 있다.
일부 실시예에서, 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서이다.
이 목적은 또한 전술한 실시예 중 하나에 따라 픽셀을 가지는 이미지 센서를 포함하는, 카메라 시스템과 같은 이미지 시스템을 갖는 전자 장치에 의해 해결된다.
기존의 전자 장치는 일반적으로 얼굴 또는 홍채 인식과 같은 식별 목적으로 적외선 이미징용 카메라 모듈을 사용한다. 그러한 장치에서 이미지 센서는 종종 치수가 극도로 제한되어 픽셀 크기가 작아진다. 각 픽셀의 고감도 및 큰 양자 효율을 유지하는 개선된 개념은, 빛이 일단 픽셀 볼륨에 들어가면, 빛이 흡수될 때까지 픽셀의 활성 감지 영역내에 가두어 지도록 하여 빛의 이탈을 감소시키는 것을 보장한다. 또한, 전달되는 파장에 관하여 매우 선택적인 필터 소자는 빛과 원하지 않는 파장이 감지되는 것을 방지한다.
이 목적은 또한 픽셀을 제조하는 방법에 의해 해결되고, 여기서, 방법은 입사 면으로 구성된 제1 표면 및 제1 표면상에 입사되는 광을 캡처하도록 구성된 광 캡처 영역을 가지는 반도체 본체를 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 구조화된 계면을 형성하는 단계, 제1 표면에 수직인 반도체 본체의 적어도 2개의 표면상에 절연층을 적용하는 단계, 및 임계각보다 더 작은 입사각으로 제1 표면상에 입사하는 광이 필터 소자상에 충돌하도록 제1 표면으로부터 거리를 두고 필터 소자를 배열하는 단계를 추가로 포함한다.
방법의 추가 실시예는 전술한 픽셀의 실시예로부터 당업자에게 명백해진다. 예시적인 실시예의 도면에 대한 다음의 설명은 또한 개선된 개념의 양태를 예시하고 설명할 수 있다. 동일한 구조와 동일한 효과를 가지는 픽셀의 구성요소와 부분은 각각 동일한 참조 부호로 나타낸다. 픽셀의 구성요소와 부분이 다른 도면에서 그들의 기능 측면에서 서로 대응하는 한, 그 설명은 다음 도면의 각각에 대해 반복되지 않는다.
도1은 개선된 개념에 따른 픽셀의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도2는 개선된 개념에 따른 픽셀의 추가적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도3은 개선된 개념에 따른 픽셀의 추가적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도4는 개선된 개념에 따른 픽셀의 추가적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도5는 개선된 개념에 따른 픽셀의 추가적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도6은 개선된 개념에 따른 픽셀의 추가적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
본 발명은 특정 실시예에 대하여 및 특정 도면을 참조하여 설명될 것이지만, 본 발명은 이것으로 제한되지 않고, 청구항에 의해서만 제한된다. 설명된 도면은 개략적이며 비제한적이다. 도면에서, 일부 소자들의 크기는 과장될 수 있고 예시의 목적을 위해 축적대로 그려지지 않을 수 있다. “포함하는”이라는 용어가 본원의 상세한 설명 및 청구항에서 사용되는 경우, 이는 다른 소자 또는 단계를 배제하지 않는다. 또한, 상세한 설명 및 청구항에서 용어 제1, 제2, 제3 등은 유사한 소자들 사이에서 구별하기 위해 사용되며, 반드시 순차적 또는 시간순을 설명하기 위해 사용되는 것은 아니다. 그렇게 사용된 용어는 적절한 상황에서 상호교환 가능하고, 본원에 설명된 본 발명의 실시예는 본원에 설명되거나 도시된 것과는 다른 순서로 동작할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도1은 제안된 개념에 따른 픽셀(1)의 실시예를 도시한다. 특히, 픽셀(1)은 전자기 방사선, 일반적으로 가시광선 및/또는 적외선 대역의 광에 반응하는 실리콘 기반의 포토다이오드(4)와 같은 감광성 소자를 포함한다. 포토다이오드(4)는 일반적으로 n형 도핑된 완전 고갈성 영역(n-type doped fully depletable region)(4a) 및 p+ 표면 주입 고정층(p+ surface implanted pinning layer)(4b)의 접합에 의해 구성되는 고정형 포토다이오드를 형성하는 다르게 도핑된 영역에 의해 실현된다. 일반적으로, 포토다이오드(4)는 반도체 본체(2)의 표면 또는 기판 본체(2)내에 배열된다. 반도체 본체(2)는 실리콘일 수 있고, 실리콘 기판일 수 있다. 반도체 본체(2)는 p 도핑될 수 있다. 반도체 본체(2), 포토다이오드 임플란트(photodiode implant)(4a) 및 고정층(pinning layer)(4b)은 포토다이오드(4) 내부 영역을 완전히 공핍시킬 수 있는 2개의 접합을 형성한다. 이 영역에서, 반도체 본체(2)에 생성되는 포토캐리어가 수집된다. 상기 표면상의 반도체 본체(2)는 포토다이오드(4)의 음극(cathode)을 일반적으로 플로팅 확산하는 센스 노드(10)로 연결하는 전송 게이트(11)를 더 포함한다. 개방될 때, 즉, 노출 주기의 끝에서, 전송 게이트(11)는 축적된 전하를 포토다이오드(4)로부터 플로팅 확산(FD: floating diffusion)으로 전송하도록 구성된다.
본 실시예에서, 반도체 본체(2)는 입사광을 위한 입사면으로 작용하는 제1 표면(3)을 더 포함한다. 제1 표면(3)은 포토다이오드(4)와 함께 처리된 측면 또는 전면에 대향하는 반도체 본체(2)의 측면상에 위치하기 때문에, 이 픽셀 구조는 배면 조명 픽셀로 지칭된다. 제1 표면(3)상에, 산란층(5a)이 배열되어, 본 실시예에서 피라미드 형상의 표면 피처를 갖는 계면인 구조화된 계면(5)을 형성한다. 산란층(5a)은 반도체 본체(2)와 동일한 재료, 즉, 실리콘일 수 있거나 다른 재료, 예컨대, 이산화규소일 수 있다. 구조화된 계면은 반도체 본체(2)와 산란층(5a)에 의해 형성된 본 실시예에서의 픽셀 볼륨과, 예를 들어, 공기인 구조화된 계면(5) 위의 매체 사이의 전이(transition)를 구성한다. 구조화된 계면(5)은 제 1표면(3)에 대해 빛이 픽셀 볼륨으로 들어가는 입사각(α)을 조작하도록 구성된다.
전형적으로, 픽셀(1)과, 따라서 제1 표면(3)은 0°에 가까운 작은 입사각(α)을 발생시키는 광원 또는 조명된 객체를 향하여 디렉팅된다.
제1 표면(3)에 수직인 픽셀(1)의 측면(7)은 절연층(6)으로 덮여있다. 반도체 본체의 굴절율보다 더 작은 굴절율을 갖는 절연층(6)의 재료를 선택하면, 내부 전반사가 발생하는 각도를 넘는 작은 컷오프 각도(θ)를 발생시킨다. 반도체 본체의 재료가 굴절률 3.5인 실리콘이고 절연층의 재료가 굴절률 1.45인 실리콘인 경우, 컷오프 각(θ)은 대략 24°이다. 본 개시의 전반에 걸친 굴절률은 각 대상 파장에 대한 굴절률을 의미한다. 컷오프 각도(θ)및 구조화된 계면(5)의 정확한 형상을 적절하게 조정하면, 빛이 순간적으로 흡수되지 않을 수 있기 때문에, 픽셀 볼륨 내에서의 효과적인 광 트래핑 및 그에 따른 증가된 양자 효율을 보장한다. 절연층(6)은 인접한 픽셀로부터 픽셀(1)을 분리하는 트랜치일 수 있다.
특정 상황에서, 제1 표면을 통해 픽셀 볼륨에 들어간 후, 빛이 흡수되지 않고 이를 통해 빠져나갈 수 있기 때문에, 필터 소자(8)는 제1 표면(3)으로부터 거리를 두고 배치된다. 구조화된 계면(5)의 토포그래피를 고려하면, 필터 소자(8)는 이상적으로는 제1 표면(3)에 가능한한 가까이 배열된다. 도시된 바와 같이, 필터 소자(8)는, 예를 들어, 0°에 가까울 수 있는 미리 결정된 임계각(αc)보다 더 작은 입사각(α)으로 필터 소자에 입사하는 빛을 투과하도록 구성된다. 예를 들어, 원치않는 배경광의 검출을 방지하기 위해 임계각(αc)과 동일하거나 더 큰 각도(α)로 입사되는 빛은 반대로 반사된다. 이것은 필터 소자(8)의 각도 의존적 투과(angle-dependent transmission)에 의해 실현될 수 있다. 필터 소자(8)의 추가 목적은 효과적인 단방향 미러로서 작용하고 제1 표면(3)을 통해 픽셀 볼륨으로부터 빠져나온 빛을 반사하는 것이며, 그런 이유로 구조화된 계면(5)이다. 절연층(6)과 결합된 구조화된 인터페이스(5)가 이 경우에 빛이 필터 소자(8)에 충돌하는 각도를 수정한다는 사실 때문에, 이 효과는 필터 소자(8)의 투과 각도 의존성에 의해 실현될 수 있다. 예를 들어, 필터 소자(8)는 이색성 필터이다.
또한, 필터 소자(8)의 투과는 또한 파장 의존적일 수 있다. 임계각(αc)보다 더 큰 입사각(α)으로 필터에 충돌하는 빛을 필터링, 즉 반사하는 것뿐만 아니라 원하지 않는 파장의 빛을 필터링 하기 위해, 필터는 특정 파장의 빛 만을 투과하도록 구성될 수 있다. 이것은 마찬가지로 이색성 필터, 예를 들어, 교호층들의 두께 및/또는 재료에 대해 조정된, 상이한 굴절률의 교호층에 의해 실현될 수 있다. 예를 들어, 850 nm 및/또는 940nm 부근의 협대역 범위에서만 투과되도록 필터를 조정하는 것은, 대기중 흡수로 인해 태양광이 이러한 파장에서 스펙트럼이 딥(dip)을 나타내므로, 특히, 일광(daylight)에서 양자 효율성, 즉, 감지 효율성을 더욱 향상시키는 데 적합한 수단이다. 이러한 맥락에서 협대역은 50nm 미만, 특히 10nm 미만의 스펙트럼 폭을 갖는 투과창을 의미할 수 있고, 대상 파장은 투과창에 의해 포함될 수 있으며, 예를 들어, 대상 파장은 투과창의 중심 파장이다. 필터 소자(8)는 두 개 이상의 투과창, 예를 들어, 850nm를 포함하는 제1 창 및 940nm를 포함하는 제2 창을 가질 수 있다. 특히, 10nm 이하의 협대역 투과를 달성하기 위해, 패브리 페로 구조가 필터에 사용될 수 있다. 이 구조는 투과 파장에 최적화된 두께로 조정된, 사이에 유전체가 있는 2개의 이색성 거울(dichroic mirror)로 구성된다.
포토다이오드(4)가 있는 측면에서, 픽셀(1)은 포토다이오드(4)가 있는 표면을 통해 반도체 본체(2)로부터 빠져나가는 임의의 빛을 픽셀 볼륨으로 다시 반사시키도록 구성된 금속 반사기(9)를 더 포함할 수 있다. 반사기는 또한 비금속, 예를 들어, 실리콘 산화물 상부의 실리콘과 같은 임의의 다른 유형의 반사기일 수 있다.
도2는 전면 조명 픽셀로 구성된 픽셀(1)의 추가 실시예를 도시한다. 도1에 도시된 실시예와는 대조적으로, 입구 표면으로 구성된 제1 표면은 포토다이오드(4)를 포함하는 반도체 본체의 측면상에 배열된다. 이전 실시예와의 또다른 차이점은 구조화된 계면(5)을 형성하기 위한 산란층(5a)의 배열이다. 이 실시예에서, 산란층(5a)은 반도체 본체(2)의 배면상에 배열된다. 예를 들어, 처리 단계 동안 반도체 본체(2)의 표면은 피라미드 구조를 형성하기 위해 패턴화 및 구조화되고 산란층(5a)은 이 처리된 표면에 적용된다. 따라서, 도1의 실시예와 반대로, 본 실시예에서, 입사광은 구조화된 계면(5)에 충돌하기 전에 제1 표면(3)을 통해 반도체 본체로 들어가 가로지르며, 여기서 광은 편향된다. 예를 들어, 산란층(5a)은 반도체 본체와 굴절률이 다른 이산화물일 수 있고, 이는 실리콘일 수 있다.
절연층(6)은 제1 표면(3)으로부터 산란층(5a)을 향해 수직 방향으로 연장되는 트랜치로 실현된다. 예를 들어, 트랜치들은 모두 구조화된 계면(5)까지 확장된다. 제조 동안 트랜치들은 반도체 본체(2)의 재료보다 굴절률이 더 작은 것을 특징으로 하는 이산화 규소와 같은 산화물인 절연 재료로 채워진다. 설명된 바와 같이, 채워진 트랜치에 의해 달성된 절연은 일반적으로 DTI(deep trench isolation)라고 지칭된다.
이러한 전면 조명 픽셀 구조의 장점은 필터 소자(8)가 도 1에 도시된 실시예와 비교하여 제1 표면(3)으로부터 상당히 더 작은 거리에 배치될 수 있다는 점이다. 그러나, 배면 조명 픽셀은, 예를 들어, 더 간단한 제조 프로세스, 더 작은 전체 픽셀 구조, 픽셀의 상단의 상호접속에 대한 더 작은 라우팅 제약 및/또는 재료의 더 작은 비용과 같은 다른 이점이 있을 수 있다.
도3은 개선된 개념에 따른 픽셀(1)의 추가 실시예를 도시한다. 도시된 실시예는 도 2에 설명된 것에 기초하고 필터 소자(8)와 제1 표면(3) 사이의 갭에 배열된 금속 반사기(9)를 더 포함한다. 금속 반사기(9)는 단일 금속 반사기일 수 있거나, 복수의 소자를 포함할 수 있다. 금속 반사기(9)는 픽셀(1)의 주위의 적어도 일부가 금속 반사기(9)에 의해 둘러싸이도록 배열된다. 이 맥락에서 주위는 절연층(6)에 의한 제1 표면(3)의 경계에 의해 정의된다.
도4는 개선된 개념에 따른 픽셀(1)의 추가 실시예를 도시한다. 도시된 실시예는 도2에 설명된 것에 기초하고 제1 표면(3)과 필터 소자(8) 사이의 갭에 배열된 도파관 구조(12)를 더 포함한다. 예를 들어, 도파관 구조는 제1 굴절률을 갖는 재료의 클래딩(12a)(cladding)과 제1 굴절률보다 더 큰 제2 굴절률을 갖는 재료의 코어(12b)를 포함한다. 도3에 도시된 실시예의 금속 반사기(9)와 같이, 클래딩(12a)은 픽셀(1)의 주위의 전부가 아닌 적어도 일부가 클래딩(12a)에 의해 둘러싸이도록 배열된다.
도5 및 도6은 개선된 개념에 따른 픽셀(1)의 추가 실시예를 도시한다. 이러한 실시예는 모두 도2에 설명된 것에 기초하고, 제1 표면(3)에 수직인 반도체 본체(2)의 측면을 따라 부분적으로만 연장되는 절연층(6)을 도시한다. 도5에서, 절연층(6)은 미리 정의된 길이에 의해 제1 표면(3)에 대향하는 측면을 향해 제1 표면(3)으로부터 연장하는 것으로 도시된다. 이와 유사하게, 도6은 절연층(6)이 미리 정의된 길이만큼 제1 표면(3)에 대향하는 측면으로부터 제1 표면(3) 향하여 연장되는 경우를 도시한다. 이 경우 절연층(6)은 각각 부분 전면 DTI 또는 배면 DTI로 지칭될 수 있고, 원하는 광 트래핑 향상 및 이에 따른 향상된 양자 효율을 달성하는 데 충분할 수 있으며, 동시에 제조 프로세스를 단순하고 효율적으로 유지할 수 있다.
도1 내지 도 4의 실시예에 도시된 바와 같이, 구조화된 계면(5), 절연층(6) 및 필터 소자(8)의 조합은 본 개시의 작동 원리에 대한 기초를 마련하며, 여기서, 대상 파장의 입사광은 이상적으로는 포토다이오드(4)와 같은 감광성 소자의 광 캡처 영역(4a)에 의해 흡수될 때까지 픽셀 볼륨 내에 갇혀 있다. 형상, 재료 및 치수와 관련하여 전술한 소자를 적절하게 설계하는 것은 원하지 않는 파장의 빛을 거부하는 동시에 대상 파장의 입사광의 효율적인 감지를 보장한다. 이것은, 상세한 설명의 전반에 걸쳐 상세하게 설명된 바와 같이, 개선된 개념에 따라 픽셀(1)의, 그리고 그에 따라 복수의 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 양자 효율을 상당히 증가시킨다.
참조 번호
1 픽셀
2 반도체 본체
3 제1 표면
4 포토다이오드
4a 광 캡처 영역
4b 고정층
5 구조화된 계면
5a 산란층
6 절연층
7 측면
8 필터 소자
9 금속 반사기
10 센스 노드
11 전송 게이트
12 도파관 구조
12a 클래딩
12b 코어
α 입사각
αc 임계각
θ 컷오프 각

Claims (17)

  1. 픽셀(1)로서,
    - 입사면으로 구성된 제1 표면(3) 및 상기 제1 표면(3)상에 입사된 빛을 캡처하도록 구성된 광 캡처 영역(4a)을 갖는 반도체 본체(2);
    - 구조화된 계면(5);
    - 상기 제1 표면(3)에 수직인 상기 반도체 본체(2)의 적어도 2개의 표면(7)상의 절연층(6); 및
    - 임계각(αc) 보다 작은 입사각(α)으로 상기 제1 표면(3)상에 입사되는 빛이 필터 소자(8)에 충돌하도록 상기 제1 표면(3)으로부터 거리를 두고 배열된 상기 필터 소자(8)
    를 포함하는 픽셀(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필터 소자(8)는, 상기 임계각(αc) 보다 더 작은 상기 입사각(α)으로 입사되는 빛이 상기 반도체 본체(2)에 들어가기 전에 상기 필터 소자(8)를 가로지르도록 배열된, 픽셀(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 필터 소자(8)의 투과값은, 상기 입사각(α) 및/또는 상기 빛의 파장에 따라 달라지는, 픽셀(1).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 필터 소자(3)는,
    - 상기 입사각(α)이 상기 임계각(αc)보다 큰 경우, 빛을 반사하고; 또한
    - 상기 입사각(α)이 상기 임계각(αc)보다 작거나 같은 경우, 빛을 투과하는, 픽셀(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 소자(8)는, 이색성 필터(dichroic filter)를 포함하는, 픽셀(1).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 필터 소자(8)와 상기 제1 표면(3)사이에 배열된 도파관 구조(12)를 더 포함하는, 픽셀(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 소자(8)는, 특정 협대역 파장 범위, 특히, 940nm 및/또는 850nm를 포함하는 파장 범위 내의 광학 파장에서 빛을 투과시키도록 구성되는, 픽셀(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 소자(8)는 패브리 페로 공동(Fabry-P
    Figure pct00002
    rot cavity) 으로 구성되는, 픽셀(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조화된 계면(5)은,
    - 상기 제1 표면(3)을 포함하는 상기 픽셀의 측면상에; 또는
    - 상기 제1 표면(3)으로부터 대향하는 상기 픽셀의 측면상에
    배열되는, 픽셀(1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연층(6)은, 상기 반도체 본체(2)의 적어도 2개의 표면(7)의 적어도 일부를 덮는, 픽셀(1).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 표면(3)에 수직인 상기 반도체 본체의 모든 표면(7)상에 절연층(6)을 더 포함하는, 픽셀(1).
  12. 이미지 센서로서,
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 복수의 픽셀(1)을 포함하고,
    상기 픽셀(1)은, 두 개의 인접한 픽셀(1)의 각각의 절연층(6)이 서로 대향하도록 배열되는, 이미지 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 이미지 센서는, CMOS 이미지 센서인, 이미지 센서.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 이미지 센서는, 특히, 적외선 파장의 범위에서의 활성 조명과 결합하여 동작되는, 이미지 센서.
  15. 전자 장치로서,
    제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템을 구비한, 전자 장치.
  16. 픽셀(1)의 제조 방법으로서,
    - 입사면으로 구성된 제1 표면 및 상기 제1 표면(3)상에 입사하는 빛을 캡처하도록 구성된 광 캡처 영역(4)을 가지는 반도체 본체(2)를 제공하는 단계;
    - 구조화된 계면(5)을 형성하는 단계;
    - 상기 제1 표면(3)에 수직인 상기 반도체 본체(2)의 적어도 2개의 표면(7)상에 절연층(6)을 적용하는 단계; 및
    - 임계각(αc)보다 더 작은 입사각(α)으로 상기 제1 표면(3)상에 입사하는 빛이 필터 소자(8)에 충돌하도록 상기 제1 표면으로부터 거리를 두고 상기 필터 소자(8)를 배열하는 단계
    를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 필터 소자(8)는, 상기 임계각(αc)보다 더 작은 상기 입사각(α)으로 입사하는 상기 빛이 상기 반도체 본체(2)로 들어가기 전에 상기 필터 소자(8)를 가로지르도록 배열되는, 방법.
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