KR20220026670A - Image sensor with improved quantum efficiency and its manufacturing method - Google Patents

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KR20220026670A
KR20220026670A KR1020200107462A KR20200107462A KR20220026670A KR 20220026670 A KR20220026670 A KR 20220026670A KR 1020200107462 A KR1020200107462 A KR 1020200107462A KR 20200107462 A KR20200107462 A KR 20200107462A KR 20220026670 A KR20220026670 A KR 20220026670A
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임연섭
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Abstract

The present invention relates to an image sensor with improved quantum efficiency, which includes: a photodiode disposed on a substrate to generate photocharges based on light; an insulating layer formed on the photodiode; a refractive layer formed in the insulating layer corresponding to the photodiode and refracting and dispersing the incident light to the photodiode; and an isolation layer formed between each of the photodiodes disposed on the substrate by a deep trench isolation (DTI) method to reflect the refracted and dispersed light.

Description

양자효율이 개선된 이미지센서 및 그 제조방법{Image sensor with improved quantum efficiency and its manufacturing method} Image sensor with improved quantum efficiency and its manufacturing method}

본 발명은 양자효율이 개선된 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an image sensor with improved quantum efficiency and a method for manufacturing the same.

이미지센서는 일반적으로 광학 이미지(optical image)를 전기적 신호로 변환시키는 광전 소자를 말하는 것으로, 카메라, 동작 인식 카메라, 터치 패널, LiDAR(light detection and ranging), 3D 센서 등과 같은 다양한 분야에 사용되고 있는 가운데, 최근에는 저전압에서 동작이 가능하고 전력소모가 적으면서, 제작 공정이 용이하고 신뢰성이 높은 실리콘 기반의 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지센서가 이미지 소자로서 점점 널리 사용되고 있다. An image sensor generally refers to a photoelectric device that converts an optical image into an electrical signal, and is used in various fields such as a camera, a motion recognition camera, a touch panel, light detection and ranging (LiDAR), and a 3D sensor. , Recently, a silicon-based complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) image sensor that can operate at a low voltage, consumes little power, has an easy manufacturing process, and is highly reliable, is increasingly widely used as an image device.

이런 가운데 CMOS 이미지센서의 경쟁성을 확보하기 위해서 더 높은 고밀도 화소가 요구되고 있다. 고밀도 화소를 구현하기 위해서는 화소의 크기를 감소시켜야 한다. 하지만, 화소 크기를 감소시키는 경우 상대적으로 포토다이오드의 크기가 감소하게 되어 전체 화소 면적 중 포토다이오드가 차지하는 면적이 감소하게 된다. 이처럼 포토다이오드가 감소하면 하나의 화소가 유지할 수 있는 신호 전하들의 수 또한 감소되어 소자 특성을 열화시키기 때문에 포토다이오드의 면적을 무한정 감소시킬 수는 없다. Among these, higher-density pixels are required to secure the competitiveness of CMOS image sensors. In order to implement a high-density pixel, the size of the pixel needs to be reduced. However, when the pixel size is reduced, the size of the photodiode is relatively reduced, so that the area occupied by the photodiode among the total pixel area is reduced. As such, when the photodiode is reduced, the number of signal charges that can be maintained by one pixel is also reduced, thereby deteriorating device characteristics, so that the area of the photodiode cannot be reduced indefinitely.

이에 따라, 제한된 면적 내에서 포토다이오드의 면적은 증대시키면서 포토다이오드 사이의 간격, 즉 이웃하는 화소 사이의 간격을 감소시키는 방안이 제안되고 있다. 하지만, 포토다이오드 사이의 간격을 감소시키는 경우 이미지센서의 양자효율(Quantum Efficiency, QE)과 간섭(crosstalk) 특성에 심각한 열화를 초래하여 소자 특성이 저하되는 문제점이 있다. Accordingly, a method of reducing the distance between the photodiodes, that is, the distance between neighboring pixels while increasing the area of the photodiode within a limited area, has been proposed. However, when the distance between the photodiodes is reduced, the quantum efficiency (QE) and crosstalk characteristics of the image sensor are seriously deteriorated, thereby deteriorating the device characteristics.

이런 문제점을 해결하기 위한 종래기술로는 J Park, Y Lee, B Kim, B Kim, J Park…, Pixel Technology for Improving IR Quantum Efficiency of Backsideilluminated CMOS Image Sensor, - Proc. Int. Image …, 2019 - imagesensors.org이 있다. As prior art to solve this problem, J Park, Y Lee, B Kim, B Kim, J Park… , Pixel Technology for Improving IR Quantum Efficiency of Backsideilluminated CMOS Image Sensor, - Proc. Int. Image … , 2019 - imagesensors.org.

그러나 종래기술의 경우 포토다이오드로 입사되는 빛의 입사거리를 증가시키기 위하여 포토다이오드 사이에 DTI(Deep Trench Isolation) 공법으로 격리층을 형성하는 것 이외에 추가적으로 DTI(Deep Trench Isolation) 공법으로 포토다이오드내 식각을 통한 산란 패턴(Scattering pattern)인 BST를 구성하기 때문에 포토다이오드 누설(Leakage) 열화로 기인한 암전류(Dark Current)의 열화가 불가피하고, 픽셀(Pixel) 특성 관련 포토다이오드 임플란트(Implant) 구조 변경이 필요한 문제점이 있다. However, in the case of the prior art, in addition to forming an isolation layer between the photodiodes by the DTI (Deep Trench Isolation) method in order to increase the incident distance of the light incident on the photodiode, the DTI (Deep Trench Isolation) method is additionally etched within the photodiode. Since the BST, which is a scattering pattern through There is a necessary problem.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 포토다이오드 누설(Leakage) 열화로 기인한 암전류(Dark Current)의 열화가 없으면서, 포토다이오드 임플란트(Implant) 구조 변경 없이 양자효율을 개선할 수 있는 양자효율이 개선된 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다. The problem to be solved by the present invention is that quantum efficiency can be improved without changing the structure of the photodiode implant without deterioration of the dark current due to photodiode leakage deterioration. To provide an image sensor and a method for manufacturing the same.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 간단한 공정으로 입사된 빛을 굴절 분산시키는 굴절층을 형성하여 양자효율을 개선할 수 있는 양자효율이 개선된 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to provide an image sensor with improved quantum efficiency, which can improve quantum efficiency by forming a refractive layer that refracts and disperses incident light through a simple process, and a method for manufacturing the same.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 측면에 따르면, 양자효율이 개선된 이미지센서에 있어서, 기판상에 배치되어 빛을 바탕으로 광전하를 생성하는 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에 형성된 절연층; 상기 포토다이오드에 대응하여 상기 절연층 내 형성되어 입사된 빛을 상기 포토다이오드로 굴절 분산시키는 굴절층; 및 상기 기판상 배치된 각각의 상기 포토다이오드 사이에 DTI(Deep Trench Isolation) 공법으로 형성되어 상기 굴절 분산된 빛이 반사되는 격리층;을 포함하는 양자효율이 개선된 이미지센서를 제공할 수 있다. In order to solve the above technical problems, according to a preferred aspect of the present invention, there is provided an image sensor with improved quantum efficiency, comprising: a photodiode disposed on a substrate to generate photocharges based on light; an insulating layer formed on the photodiode; a refractive layer formed in the insulating layer to correspond to the photodiode and refracting and dispersing the incident light to the photodiode; and an isolation layer formed between each of the photodiodes disposed on the substrate by a Deep Trench Isolation (DTI) method to reflect the refracted and dispersed light.

또한, 상기 이미지센서가 전면조사형 구조인 경우, 상기 포토다이오드 상부 일부에 형성되어 상기 생성된 광전하를 전송하는 전송게이트;를 더 포함하되, 상기 굴절층은 상기 빛을 상기 격리층으로 굴절 분산시키는 형태를 가지면서, 상기 전송게이트를 제외한 상기 포트다이오드 전면을 덮는 구조일 수 있다. In addition, when the image sensor has a front-illuminated structure, a transmission gate formed on a portion of the upper portion of the photodiode to transmit the generated photocharge; further comprising, wherein the refractive layer refracts and disperses the light to the isolation layer It may have a structure that covers the entire surface of the port diode except for the transfer gate.

여기서, 상기 이미지센서가 후면조사형 구조인 경우, 상기 굴절층은 상기 빛을 상기 격리층으로 굴절 분산시키는 형태를 가지면서, 상기 포트다이오드 전면을 덮는 구조일 수 있다. Here, when the image sensor has a back-illuminated structure, the refractive layer may have a structure that refracts and disperses the light to the isolation layer and covers the front surface of the port diode.

여기서, 상기 굴절층은 상기 절연층보다 큰 굴절률을 갖을 수 있다. Here, the refractive layer may have a greater refractive index than that of the insulating layer.

본 발명의 바람직한 다른 측면에 따르면, 양자효율이 개선된 이미지센서 제조방법에 있어서, 기판 상에 포토다이오드를 형성하는 단계; 상기 기판상 배치된 각각의 상기 포토다이오드 사이에 DTI(Deep Trench Isolation)공법으로 격리층을 형성하는 단계; 상기 기판 상부에 빛을 상기 격리층으로 굴절 분산시키는 형태의 마스크 패턴을 이용한 경사 식각을 실시하여 굴절층을 형성하는 단계; 및 상기 굴절층 상부에 절연층을 형성하는 단계;를 포함하는 양자효율이 개선된 이미지센서 제조방법을 제공할 수 있다. According to another preferred aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing an image sensor with improved quantum efficiency, the method comprising: forming a photodiode on a substrate; forming an isolation layer between each of the photodiodes disposed on the substrate by a DTI (Deep Trench Isolation) method; forming a refractive layer by performing oblique etching on the substrate using a mask pattern in the form of refracting and dispersing light to the isolation layer; and forming an insulating layer on the refractive layer.

또한, 상기 이미지센서가 전면조사형 구조인 경우, 상기 격리층 형성 후 상기 포토다이오드 상부 일부에 전송게이트를 형성하는 단계;를 더 포함하되, 상기 굴절층은 상기 전송게이트를 제외한 상기 포트다이오드 전면을 덮는 구조일 수 있다. In addition, when the image sensor has a front-illuminated structure, forming a transfer gate on a portion of the upper portion of the photodiode after forming the isolation layer, wherein the refractive layer covers the entire surface of the port diode except for the transfer gate It may be a covering structure.

여기서, 상기 이미지센서가 후면조사형 구조인 경우, 상기 굴절층은 상기 포트다이오드 전면을 덮는 구조일 수 있다. Here, when the image sensor has a back-illuminated structure, the refractive layer may have a structure covering the front surface of the port diode.

여기서, 상기 굴절층은 상기 절연층보다 큰 굴절률을 갖을 수 있다. Here, the refractive layer may have a greater refractive index than that of the insulating layer.

본 발명은 암전류(Dark Current)의 열화가 없으면서, 포토다이오드 임플란트(Implant) 구조 변경 없이 양자효율을 개선할 수 있는 효과가 있다. The present invention has the effect of improving quantum efficiency without changing the structure of the photodiode implant without deterioration of the dark current.

또한, 본 발명은 간단한 공정으로 입사된 빛을 굴절 분산시키는 굴절층을 형성할 수 있는 효과가 있다. In addition, the present invention has the effect of forming a refractive layer that refracts and disperses incident light through a simple process.

또한, 본 발명은 굴절층을 포토다이오드는 덮는 구조로 형성하여 종래보다 많은 포토다이오드 내 입사된 빛의 입사거리를 증가시킬 수 있는 효과가 있다. In addition, the present invention has the effect of increasing the incident distance of light incident in more photodiodes than in the prior art by forming the refractive layer in a structure that covers the photodiode.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자효율이 개선된 이미지센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자효율이 개선된 이미지센서의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양자효율이 개선된 이미지센서의 제조방법을 도시한 공정단면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양자효율이 개선된 이미지센서의 제조방법을 도시한 공정단면도이다.1 is a cross-sectional view of an image sensor with improved quantum efficiency according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of an image sensor with improved quantum efficiency according to another embodiment of the present invention.
3A to 3E are process cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an image sensor with improved quantum efficiency according to another embodiment of the present invention.
4A to 4E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an image sensor having improved quantum efficiency according to another embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms including an ordinal number such as 1st, 2nd, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by these terms. These terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as 'connected' or 'connected' to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in between. It should be understood that there is On the other hand, when it is mentioned that a certain element is 'directly connected' or 'directly connected' to another element, it should be understood that there is no other element present in the middle.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as 'comprising' or 'having' are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자효율이 개선된 이미지센서의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of an image sensor with improved quantum efficiency according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 양자효율이 개선된 이미지센서(100)는 전면조사형(Front Side Illumination, FSI)으로 기판(110), 포토다이오드(120), 절연층(130), 굴절층(140) 및 격리층(150)을 포함한다. Referring to FIG. 1 , the image sensor 100 with improved quantum efficiency is a front side illumination (FSI) type substrate 110 , a photodiode 120 , an insulating layer 130 , and a refractive layer 140 . and an isolation layer 150 .

기판(110)은 빛이 입사되는 표면과 비 입사되는 표면을 갖는 반도체 물질로 포토다이오드(120)가 배치된다. The substrate 110 is made of a semiconductor material having a surface on which light is incident and a surface on which light is not incident, and the photodiode 120 is disposed thereon.

포토다이오드(120)는 입사되는 빛을 바탕으로 광전하를 생성한다. 또한, 포토다이오드(120)의 상부 즉, 빛이 입사되는 기판(110)의 표면 일부분에는 전송 신호에 응답하여 광전하를 전송하는 전송게이트(121)가 형성되어 있다. The photodiode 120 generates photocharges based on incident light. In addition, a transfer gate 121 for transmitting photocharges in response to a transmission signal is formed on the upper portion of the photodiode 120 , that is, on a portion of the surface of the substrate 110 on which light is incident.

절연층(130)은 포토다이오드(120) 상부에 형성된다. 구체적으로, 절연층(130)은 전송게이트(121)의 상부에 형성되는 제1 절연층(131)과 제1 절연층(131)의 상부에 형성된 굴절층(140)의 상부에 형성된 제2 절연층(132)으로 이뤄진다. The insulating layer 130 is formed on the photodiode 120 . Specifically, the insulating layer 130 includes the first insulating layer 131 formed on the transfer gate 121 and the second insulating layer formed on the refractive layer 140 formed on the first insulating layer 131 . It consists of layers 132 .

또한, 절연층(130)에는 금속배선이 형성되며, 절연층(130) 중 제2 절연층(132) 상부에는 컬러필터 및 마이크로렌즈가 형성된다. In addition, metal wiring is formed on the insulating layer 130 , and a color filter and a microlens are formed on the second insulating layer 132 of the insulating layer 130 .

굴절층(140)은 포토다이오드(120)에 대응하여 절연층(130) 내, 구체적으로 제1 절열층(131)의 상부인 제2 절연층(132) 내부에 형성되어 제2 절연층(132) 상부에 형성된 마이크로렌즈 및 컬러필터를 통과하여 입사된 빛을 포토다이오드(120)로 굴절 분산시켜 포토다이오드(120)에 입사되게 한다. 여기서, 굴절층(140)을 절연층(130) 내, 구체적으로 제1 절열층(131)의 상부인 제2 절연층(132) 내부에 형성시키는 것은 마이크로렌즈 아래 형성시키는 것 보다 입사된 빛을 격리층(150)으로 보다 더 많이 굴절 분산시키기 위함이다. The refractive layer 140 is formed in the insulating layer 130 to correspond to the photodiode 120 , specifically, in the second insulating layer 132 , which is an upper portion of the first insulating layer 131 , to form the second insulating layer 132 . ) The light incident through the microlens and color filter formed thereon is refracted and dispersed to the photodiode 120 to be incident on the photodiode 120 . Here, forming the refractive layer 140 in the insulating layer 130 , specifically, in the second insulating layer 132 , which is an upper portion of the first insulating layer 131 , reduces incident light rather than forming it under the microlens. This is for more refractive dispersion than the isolation layer 150 .

굴절층(140)은 전송게이트(121)를 제외한 포토다이오드(120)를 모두 덮는 구조를 갖는다. 이는 굴절층(140)에 입사된 빛을 모두 굴절 분산시켜 포토다이오드(120)로 입사되게 하기 위함이다. 여기서, 굴절층(140)의 상부 제2 절연층(132) 내에는 마이크로렌즈와 컬러필터를 통과한 빛을 굴절층(140)으로 모두 가이드하기 위한 광가이드(미도시)가 형성되어 있을 수 있으며, 광가이드는 컬러필터 하부는 컬러필터를 모두 덮는 구조를 가지면서, 굴절층(140) 상부는 전송게이트(121)와 금속배선 부분을 제외한 굴절층(140)을 모두 덮을 수 있게 컬러필터 하부 부분보다 좁은 형태를 가질 수 있다. The refractive layer 140 has a structure that covers all of the photodiode 120 except for the transfer gate 121 . This is to refract and disperse all light incident on the refractive layer 140 to be incident on the photodiode 120 . Here, a light guide (not shown) for guiding all of the light passing through the microlens and the color filter to the refractive layer 140 may be formed in the upper second insulating layer 132 of the refractive layer 140 , , the light guide has a structure in which the lower part of the color filter covers all the color filters, and the upper part of the refractive layer 140 covers all of the refractive layer 140 except for the transfer gate 121 and the metal wiring part. It may have a narrower shape.

굴절층(140)은 빛을 격리층(150)으로 굴절 분산시키는 형태로 예를들면, 뿔형 피라미드 또는 돔형 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 굴절층(140)의 개수 및 사이즈는 적용 목적에 따라 달라질 수 있으며, 굴절층(140)을 절연층(130) 내에 형성하여 포토다이오드(120)내 식각을 통한 산란 패턴(Scattering pattern)을 구성하는 방식보다 포토다이오드(120) 누설(Leakage) 열화로 기인한 암전류(Dark Current)의 열화를 방지할 수 있고, 픽셀(Pixel) 특성 관련 포토다이오드(120) 임플란트(Implant) 구조 변경이 필요하지 않다. The refractive layer 140 refracts and disperses light to the isolation layer 150 , and may be formed in a cone-shaped pyramid or dome-shaped form, for example. Here, the number and size of the refractive layers 140 may vary depending on the purpose of application, and the refractive layer 140 is formed in the insulating layer 130 to form a scattering pattern through etching in the photodiode 120 . It is possible to prevent the deterioration of the dark current due to leakage deterioration of the photodiode 120 rather than the configuration method, and there is no need to change the structure of the photodiode 120 implant related to the pixel characteristics. not.

굴절층(140)은 절연층(130)보다 큰 굴절률(Refractive index, RI)을 갖는다. 바람직하게는 굴절층(140)의 굴절률은 2.0 내지 2.3일 수 있다. 여기서, 절연층(130)의 굴절률은 포토다이오드(120)의 굴절률 보다 작으며, 이에 빛이 제2 절연층(132)에서 굴절층(140)으로 입사 시 수직선 기준 굴절각이 작아지고, 굴절층(140)에서 제1 절연층(131)으로 입사 시 수직선 기준 굴절각이 커지며, 제1 절연층(131)에서 포토다이오드(120)로 입사 시 수직선 기준 굴절각이 작아진다. The refractive layer 140 has a refractive index (RI) greater than that of the insulating layer 130 . Preferably, the refractive index of the refractive layer 140 may be 2.0 to 2.3. Here, the refractive index of the insulating layer 130 is smaller than the refractive index of the photodiode 120. Accordingly, when light is incident from the second insulating layer 132 to the refractive layer 140, the vertical reference refractive angle is decreased, and the refractive layer ( When incident from 140 to the first insulating layer 131 , the vertical reference refraction angle increases, and when incident from the first insulating layer 131 to the photodiode 120 , the vertical reference refraction angle decreases.

격리층(150)은 기판(110)상 배치된 각각의 포토다이오드(120) 사이에 DTI(Deep Trench Isolation) 공법으로 형성되며, 굴절층(140)을 통과하여 굴절 분산되어 포토다이오드(120)로 입사된 빛이 이웃한 포토다이오드(120)로 입사되는 것을 방지하는 것과 동시에 반사되게 하여 포토다이오드(120)로 입사된 빛의 입사 거리를 증가시킨다. 이처럼, 포토다이오드(120)로 입사되는 빛을 굴절층(130)을 이용하여 격리층(150)으로 굴절 분산시키고, 격리층(150)에 의하여 빛이 반사되어 입사된 장파장의 가시광선 및 근적외선 빛의 입사 거리가 증가하게 됨에 따라 양자효율(quantum efficiency, QE)이 개선된다. The isolation layer 150 is formed by a DTI (Deep Trench Isolation) method between each photodiode 120 disposed on the substrate 110 , and passes through the refractive layer 140 to be refracted and dispersed to form the photodiode 120 . By preventing the incident light from being incident on the neighboring photodiode 120 and allowing it to be reflected at the same time, the incident distance of the light incident on the photodiode 120 is increased. In this way, the light incident on the photodiode 120 is refracted and dispersed to the isolation layer 150 using the refraction layer 130 , and the light is reflected by the isolation layer 150 and incident long-wavelength visible light and near-infrared light. Quantum efficiency (QE) is improved as the incident distance of is increased.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자효율이 개선된 이미지센서의 단면도이다. 2 is a cross-sectional view of an image sensor with improved quantum efficiency according to another embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 양자효율이 개선된 이미지센서(200)는 후면조사형(Back Side Illumination, BSI)으로 기판(210), 포토다이오드(220), 절연층(230), 굴절층(240) 및 격리층(250)을 포함한다. Referring to FIG. 2 , the image sensor 200 with improved quantum efficiency is a back side illumination (BSI) substrate 210 , a photodiode 220 , an insulating layer 230 , and a refractive layer 240 . and an isolation layer 250 .

기판(210)은 빛이 입사되는 표면과 비 입사되는 표면을 갖는 반도체 물질로 포토다이오드(220)가 배치된다. The substrate 210 is made of a semiconductor material having a surface on which light is incident and a surface on which light is not incident, and the photodiode 220 is disposed thereon.

포토다이오드(220)는 입사되는 빛을 바탕으로 광전하를 생성한다. 또한, 포토다이오드(220)의 하부 즉, 빛이 비 입사되는 기판(210)의 표면 일부분에는 전송 신호에 응답하여 광전하를 전송하는 전송게이트(221)가 형성되어 있다. The photodiode 220 generates photocharges based on incident light. In addition, a transmission gate 221 for transmitting photocharges in response to a transmission signal is formed on a lower portion of the photodiode 220 , that is, a portion of the surface of the substrate 210 on which light is not incident.

절연층(230)은 포토다이오드(220) 상부에 형성된다. 구체적으로, 절연층(230)은 기판(210)의 상부에 형성되는 제1 절연층(231)과 제1 절연층(231)의 상부에 형성된 굴절층(240)의 상부에 형성된 제2 절연층(232)으로 이뤄진다. The insulating layer 230 is formed on the photodiode 220 . Specifically, the insulating layer 230 includes the first insulating layer 231 formed on the substrate 210 and the second insulating layer formed on the refractive layer 240 formed on the first insulating layer 231 . (232).

또한, 절연층(230) 중 제2 절연층(232) 상부에는 컬러필터 및 마이크로렌즈가 형성된다. In addition, a color filter and a microlens are formed on the second insulating layer 232 of the insulating layer 230 .

굴절층(240)은 포토다이오드(220)에 대응하여 절연층(230) 내, 구체적으로 제1 절열층(231)의 상부인 제2 절연층(232) 내부에 형성되어 제2 절연층(232) 상부에 형성된 마이크로렌즈 및 컬러필터를 통과하여 입사된 빛을 포토다이오드(220)로 굴절 분산시켜 포토다이오드(220)에 입사되게 한다. 여기서, 굴절층(240)을 절연층(230) 내, 구체적으로 제1 절열층(231)의 상부인 제2 절연층(232) 내부에 형성시키는 것은 마이크로렌즈 아래 형성시키는 것 보다 입사된 빛을 격리층(250)으로 보다 더 많이 굴절 분산시키기 위함이다. The refractive layer 240 is formed in the insulating layer 230 to correspond to the photodiode 220 , specifically, in the second insulating layer 232 , which is an upper portion of the first insulating layer 231 , to form the second insulating layer 232 . ) The light incident through the microlens and color filter formed thereon is refracted and dispersed to the photodiode 220 to be incident on the photodiode 220 . Here, forming the refraction layer 240 in the insulating layer 230, specifically, in the second insulating layer 232, which is an upper portion of the first insulating layer 231, absorbs incident light rather than forming it under the microlens. This is for more refractive dispersion than the isolation layer 250 .

굴절층(240)은 포토다이오드(220)를 모두 덮는 구조를 갖는다. 이는 굴절층(240)에 입사된 빛을 모두 굴절 분산시켜 포토다이오드(220)로 입사되게 하기 위함이다. The refractive layer 240 has a structure covering all of the photodiode 220 . This is to refract and disperse all light incident on the refractive layer 240 to be incident on the photodiode 220 .

굴절층(240)은 빛을 격리층(250)으로 굴절 분산시키는 형태로 예를들면, 뿔형 피라미드 또는 돔형 형태로 형성될 수 있으며, 절연층(230)보다 큰 굴절률(Refractive index, RI)을 갖는다. The refractive layer 240 refracts and disperses light to the isolation layer 250 , for example, may be formed in a cone-shaped pyramid or dome-shaped form, and has a refractive index (RI) greater than that of the insulating layer 230 . .

격리층(250)은 기판(210)상 배치된 각각의 포토다이오드(220) 사이에 DTI(Deep Trench Isolation) 공법으로 형성되며, 굴절층(240)을 통과하여 굴절 분산되어 포토다이오드(220)로 입사된 빛이 이웃한 포토다이오드(220)로 입사되는 것을 방지하는 것과 동시에 반사되게 하여 포토다이오드(220)로 입사된 빛의 입사 거리를 증가시킨다. The isolation layer 250 is formed by a DTI (Deep Trench Isolation) method between each photodiode 220 disposed on the substrate 210 , and is refracted and dispersed through the refractive layer 240 to form the photodiode 220 . By preventing the incident light from being incident on the neighboring photodiode 220 and allowing it to be reflected at the same time, the incident distance of the light incident on the photodiode 220 is increased.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양자효율이 개선된 이미지센서의 제조방법을 도시한 공정단면도이다. 3A to 3E are process cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an image sensor having improved quantum efficiency according to another embodiment of the present invention.

도 3a를 참조하면, 빛이 입사되는 표면과 비 입사되는 표면을 갖는 반도체 물질인 기판(110)상에 포토다이오드(120)를 형성시켜 배치한다. Referring to FIG. 3A , a photodiode 120 is formed and disposed on a substrate 110 that is a semiconductor material having a surface on which light is incident and a surface on which light is not incident.

도 3b를 참조하면, 기판(110)상 배치된 각각의 포토다이오드(120) 사이에 DTI(Deep Trench Isolation)공법으로 격리층(150)을 형성한다. Referring to FIG. 3B , an isolation layer 150 is formed between each photodiode 120 disposed on a substrate 110 by a deep trench isolation (DTI) method.

도 3c를 참조하면, 포토다이오드(120)의 상부 즉, 빛이 입사되는 기판(110)의 표면 일부분에 전송 신호에 응답하여 광전하를 전송하는 전송게이트(121)를 형성한 후, 절연층(130) 중 제1 절연층(131)을 형성한다. Referring to FIG. 3C , after a transfer gate 121 for transmitting photocharges in response to a transmission signal is formed on the upper portion of the photodiode 120 , that is, on a portion of the surface of the substrate 110 on which light is incident, the insulating layer ( 130) of the first insulating layer 131 is formed.

도 3d를 참조하면, 제1 절연층(131)의 상부에 굴절률이 2.0 내지 2.3인 물질을 도포한 후, 빛을 격리층(150)으로 굴절 분산시키는 형태의 마스크 패턴을 이용한 경사 식각(Etch)을 실시하여 전송게이트(121)를 제외한 포토다이오드(120)를 모두 덮는 굴절층(140)을 형성한다. Referring to FIG. 3D , after coating a material having a refractive index of 2.0 to 2.3 on the upper portion of the first insulating layer 131 , oblique etching using a mask pattern in which light is refracted and dispersed to the isolation layer 150 is used (Etch) to form a refractive layer 140 covering all of the photodiode 120 except for the transfer gate 121 .

도 3e를 참조하면, 굴절층(140) 상부에 절연층(130) 중 제2 절연층(132)을 형성한다. 여기서, 제2 절연층(132)을 형성한 후 제2 절연층(132)의 상부에 컬러필터 및 마이크로렌즈를 형성할 수 있으며, 컬러필터 및 마이크로렌즈를 형성 전 제2 절연층(132) 내에 컬러필터 하부는 컬러필터를 모두 덮는 구조를 가지면서, 굴절층(140) 상부는 전송게이트(121)와 금속배선 부분을 제외한 굴절층(140)을 모두 덮을 수 있게 컬러필터 하부 부분보다 좁은 형태를 가진 광가이드를 설치할 수도 있다. Referring to FIG. 3E , the second insulating layer 132 of the insulating layer 130 is formed on the refractive layer 140 . Here, after forming the second insulating layer 132 , a color filter and microlens may be formed on the second insulating layer 132 , and the color filter and microlens may be formed in the second insulating layer 132 before forming. The lower part of the color filter has a structure that covers all the color filters, and the upper part of the refracting layer 140 is narrower than the lower part of the color filter so as to cover all of the refracting layer 140 except for the transfer gate 121 and the metal wiring part. It is also possible to install a light guide with

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양자효율이 개선된 이미지센서의 제조방법을 도시한 공정단면도이다. 4A to 4E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an image sensor with improved quantum efficiency according to another embodiment of the present invention.

도 4a를 참조하면, 빛이 입사되는 표면과 비 입사되는 표면을 갖는 반도체 물질인 기판(210)상에 포토다이오드(220)를 형성시켜 배치한다. Referring to FIG. 4A , a photodiode 220 is formed and disposed on a substrate 210 that is a semiconductor material having a surface on which light is incident and a surface on which light is not incident.

도 4b를 참조하면, 기판(210)상 배치된 각각의 포토다이오드(220) 사이에 DTI(Deep Trench Isolation)공법으로 격리층(250)을 형성한다. Referring to FIG. 4B , an isolation layer 250 is formed between each photodiode 220 disposed on a substrate 210 by a deep trench isolation (DTI) method.

도 4c를 참조하면, 포토다이오드(220)의 하부 즉, 빛이 비 입사되는 기판(210)의 표면 일부분에 전송 신호에 응답하여 광전하를 전송하는 전송게이트(221)를 형성한 후, 절연층(230) 중 제1 절연층(231)을 포토다이오드(220)의 상부 즉, 빛이 입사되는 기판(210)의 표면에 형성한다. Referring to FIG. 4C , after a transfer gate 221 for transmitting photocharges in response to a transmission signal is formed on the lower portion of the photodiode 220 , that is, on a portion of the surface of the substrate 210 on which light is not incident, the insulating layer A first insulating layer 231 of 230 is formed on the upper portion of the photodiode 220 , that is, on the surface of the substrate 210 on which light is incident.

도 4d를 참조하면, 제1 절연층(231)의 상부에 굴절률이 2.0 내지 2.3인 물질을 도포한 후, 빛을 격리층(150)으로 굴절 분산시키는 형태의 마스크 패턴을 이용한 경사 식각(Etch)을 실시하여 포토다이오드(220)를 모두 덮는 굴절층(240)을 형성한다. Referring to FIG. 4D , after coating a material having a refractive index of 2.0 to 2.3 on the first insulating layer 231 , an oblique etching using a mask pattern in which light is refracted and dispersed to the isolation layer 150 is used (Etch) to form a refractive layer 240 covering all of the photodiode 220 .

도 4e를 참조하면, 굴절층(240) 상부에 절연층(230) 중 제2 절연층(232)을 형성한다. 여기서, 제2 절연층(232)을 형성한 후 제2 절연층(232)의 상부에 컬러필터 및 마이크로렌즈를 형성할 수 있다. Referring to FIG. 4E , the second insulating layer 232 of the insulating layers 230 is formed on the refractive layer 240 . Here, after the second insulating layer 232 is formed, a color filter and a microlens may be formed on the second insulating layer 232 .

이상에서 본 발명에 따른 실시 예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다. Although the embodiments according to the present invention have been described above, it will be understood that these are merely exemplary, and that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can make various modifications and equivalent ranges of embodiments therefrom. . Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the following claims.

110 : 기판 120 : 포토다이오드
130 : 절연층 140 : 굴절층
150 : 격리층110: substrate 120: photodiode
130: insulating layer 140: refractive layer
150: isolation layer

Claims (8)

양자효율이 개선된 이미지센서에 있어서,
기판상에 배치되어 빛을 바탕으로 광전하를 생성하는 포토다이오드;
상기 포토다이오드 상부에 형성된 절연층;
상기 포토다이오드에 대응하여 상기 절연층 내 형성되어 입사된 빛을 상기 포토다이오드로 굴절 분산시키는 굴절층; 및
상기 기판상 배치된 각각의 상기 포토다이오드 사이에 DTI(Deep Trench Isolation) 공법으로 형성되어 상기 굴절 분산된 빛이 반사되는 격리층;을 포함하는 것
을 특징으로 하는 양자효율이 개선된 이미지센서.
In the image sensor with improved quantum efficiency,
a photodiode disposed on a substrate to generate photocharges based on light;
an insulating layer formed on the photodiode;
a refracting layer formed in the insulating layer corresponding to the photodiode and refracting and dispersing incident light to the photodiode; and
An isolation layer formed by a DTI (Deep Trench Isolation) method between each of the photodiodes disposed on the substrate to reflect the refracted and dispersed light;
An image sensor with improved quantum efficiency, characterized by
 제1항에 있어서,
상기 이미지센서가 전면조사형 구조인 경우,
상기 포토다이오드 상부 일부에 형성되어 상기 생성된 광전하를 전송하는 전송게이트;를 더 포함하되,
상기 굴절층은 상기 빛을 상기 격리층으로 굴절 분산시키는 형태를 가지면서, 상기 전송게이트를 제외한 상기 포트다이오드 전면을 덮는 구조인 것
을 특징으로 하는 양자효율이 개선된 이미지센서.
According to claim 1,
When the image sensor has a front-illuminated structure,
A transfer gate formed on a portion of the upper portion of the photodiode to transmit the generated photocharge;
The refractive layer has a structure that refracts and disperses the light to the isolation layer and covers the entire surface of the port diode except for the transfer gate.
An image sensor with improved quantum efficiency, characterized by
 제1항에 있어서,
상기 이미지센서가 후면조사형 구조인 경우,
상기 굴절층은 상기 빛을 상기 격리층으로 굴절 분산시키는 형태를 가지면서, 상기 포트다이오드 전면을 덮는 구조인 것
을 특징으로 하는 양자효율이 개선된 이미지센서.
According to claim 1,
When the image sensor has a back-illuminated structure,
The refractive layer has a structure that refracts and disperses the light to the isolation layer and covers the entire surface of the port diode
An image sensor with improved quantum efficiency, characterized by
 제1항에 있어서,
상기 굴절층은 상기 절연층보다 큰 굴절률을 갖는 것
을 특징으로 하는 양자효율이 개선된 이미지센서.
According to claim 1,
The refractive layer has a refractive index greater than that of the insulating layer
An image sensor with improved quantum efficiency, characterized by
 양자효율이 개선된 이미지센서 제조방법에 있어서,
기판 상에 포토다이오드를 형성하는 단계;
상기 기판상 배치된 각각의 상기 포토다이오드 사이에 DTI(Deep Trench Isolation)공법으로 격리층을 형성하는 단계;
상기 기판 상부에 빛을 상기 격리층으로 굴절 분산시키는 형태의 마스크 패턴을 이용한 경사 식각을 실시하여 굴절층을 형성하는 단계; 및
상기 굴절층 상부에 절연층을 형성하는 단계;를 포함하는 것
을 특징으로 하는 양자효율이 개선된 이미지센서 제조방법.
In the method for manufacturing an image sensor with improved quantum efficiency,
forming a photodiode on a substrate;
forming an isolation layer between each of the photodiodes disposed on the substrate by a DTI (Deep Trench Isolation) method;
forming a refractive layer by performing oblique etching on the substrate using a mask pattern in the form of refracting and dispersing light to the isolation layer; and
Including; forming an insulating layer on the refractive layer
An image sensor manufacturing method with improved quantum efficiency, characterized in that
 제5항에 있어서,
상기 이미지센서가 전면조사형 구조인 경우,
상기 격리층 형성 후 상기 포토다이오드 상부 일부에 전송게이트를 형성하는 단계;를 더 포함하되,
상기 굴절층은 상기 전송게이트를 제외한 상기 포트다이오드 전면을 덮는 구조인 것
을 특징으로 하는 양자효율이 개선된 이미지센서 제조방법.
6. The method of claim 5,
When the image sensor has a front-illuminated structure,
After forming the isolation layer, forming a transfer gate on a portion of the upper portion of the photodiode; further comprising,
The refractive layer has a structure that covers the entire surface of the port diode except for the transfer gate
An image sensor manufacturing method with improved quantum efficiency, characterized in that
 제5항에 있어서,
상기 이미지센서가 후면조사형 구조인 경우,
상기 굴절층은 상기 포트다이오드 전면을 덮는 구조인 것
을 특징으로 하는 양자효율이 개선된 이미지센서 제조방법.
6. The method of claim 5,
When the image sensor has a back-illuminated structure,
The refractive layer has a structure that covers the entire surface of the port diode
An image sensor manufacturing method with improved quantum efficiency, characterized in that
 제5항에 있어서,
상기 굴절층은 상기 절연층보다 큰 굴절률을 갖는 것
을 특징으로 하는 양자효율이 개선된 이미지센서 제조방법. 6. The method of claim 5,
The refractive layer has a refractive index greater than that of the insulating layer
An image sensor manufacturing method with improved quantum efficiency, characterized in that
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