KR20220047465A - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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조인성
김진형
박다미
박인용
윤기상
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Abstract

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 구체적으로 복수의 픽셀 영역들을 포함하고, 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 기판, 상기 기판의 상기 제2 면 상의 반사 방지막, 상기 반사 방지막 상에 배치되는 패시베이션막, 상기 패시베이션막 상에 배치되고, 상기 복수의 픽셀 영역들 상에 각각 배치되는 컬러 필터들, 상기 컬러 필터들 상에 배치되는 마이크로 렌즈들, 및 상기 마이크로 렌즈들을 서로 이격시키는 갭 영역을 포함하되, 상기 갭 영역은 상기 컬러 필터들 사이로 연장되어 상기 컬러 필터들을 서로 이격시키고, 상기 갭 영역은 상기 패시베이션막의 상면의 일부를 노출시키고, 상기 패시베이션막의 두께는 상기 반사 방지막의 두께보다 더 작을 수 있다.

Description

이미지 센서 및 그 제조 방법{Image sensor and Method of fabricating the same}
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 씨모스(CMOS) 이미지 센서 및 그 제조방법에 대한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상(Optical image)을 전기신호로 변환하는 반도체 소자이다. 최근 들어 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대하고 있다. 이미지 센서는 CCD(Charge coupled device) 형 및 CMOS(Complementary metal oxide semiconductor) 형으로 분류될 수 있다. CMOS 형 이미지 센서는 CIS(CMOS image sensor)라고 약칭된다. 상기 CIS는 2차원적으로 배열된 복수 개의 픽셀들을 구비한다. 상기 픽셀들 각각은 포토 다이오드(photodiode, PD)를 포함한다. 상기 포토다이오드는 입사되는 광을 전기 신호로 변환해주는 역할을 한다. 상기 복수 개의 픽셀들은 이들 사이에 배치되는 깊은 소자분리패턴(deep isolation pattern)에 의해 정의된다.
본 발명에 이루고자 하는 일 기술적 과제는 크로스 토크 현상을 방지하고 감도 손실을 최소화할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 이미지 센서는, 복수의 픽셀 영역들을 포함하고, 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 기판, 상기 기판의 상기 제2 면 상의 반사 방지막, 상기 반사 방지막 상에 배치되는 패시베이션막, 상기 패시베이션막 상에 배치되고, 상기 복수의 픽셀 영역들 상에 각각 배치되는 컬러 필터들, 상기 컬러 필터들 상에 배치되는 마이크로 렌즈들, 및 상기 마이크로 렌즈들을 서로 이격시키는 갭 영역을 포함하되, 상기 갭 영역은 상기 컬러 필터들 사이로 연장되어 상기 컬러 필터들을 서로 이격시키고, 상기 갭 영역은 상기 패시베이션막의 상면의 일부를 노출시키고, 상기 패시베이션막의 두께는 상기 반사 방지막의 두께보다 더 작을 수 있다.
본 발명에 따른 이미지 센서는, 복수의 픽셀 영역들을 포함하는 기판, 상기 기판 상의 반사 방지막, 상기 픽셀 영역들 사이에 제공되고, 상기 반사 방지막 상에 배치되는 복수의 그리드 패턴들, 상기 반사 방지막 상에 배치되고, 상기 그리드 패턴들의 상면 및 측면을 컨포멀하게 덮는 패시베이션막, 상기 패시베이션막 상에 배치되고, 상기 복수의 픽셀 영역들 상에 각각 배치되는 컬러 필터들, 상기 컬러 필터들 상에 배치되는 마이크로 렌즈들, 및 상기 마이크로 렌즈들을 서로 이격시키는 갭 영역을 포함하되, 상기 갭 영역은 상기 컬러 필터들 사이로 연장되어 상기 컬러 필터들을 서로 이격시키고, 상기 갭 영역은 상기 패시베이션 막의 상면의 일부를 노출시키고, 상기 패시베이션막의 최상부면은 상기 컬러 필터들 각각의 최하부면보다 더 높은 레벨에 위치할 수 있다.
본 발명에 따른 이미지 센서는, 복수의 픽셀 영역들을 포함하고, 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 기판, 상기 픽셀 영역들 사이에 제공되고, 상기 기판 내에 배치되는 깊은 소자분리패턴, 상기 기판의 상기 제1 면 상에 배치되는 트랜지스터, 상기 기판의 상기 제2 면 상의 반사 방지막, 상기 반사 방지막 상에 배치되는 패시베이션막, 상기 패시베이션막 상에 제공되고, 상기 복수의 픽셀 영역들 상에 각각 배치되는 컬러 필터들, 상기 컬러 필터들 상에 배치되는 마이크로 렌즈들, 및 상기 마이크로 렌즈들을 서로 이격시키는 갭 영역을 포함하되, 상기 패시베이션막의 두께는 상기 반사 방지막의 두께보다 더 작고, 상기 갭 영역은 상기 컬러 필터들 사이로 연장되어 상기 컬러 필터들을 서로 이격시키고, 상기 갭 영역은 상기 패시베이션 막의 상면의 일부를 노출시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는, 갭 영역을 포함함에 따라, 컬러 필터들 및 마이크로 렌즈들의 각각이 서로 이격될 수 있고, 즉, 광학적으로 분리(Optical isolation)될 수 있다. 이에 따라, 픽셀 영역들 사이의 광학적 간섭을 방지할 수 있어, 크로스 토크(cross-talk) 현상을 방지할 수 있고, 이와 동시에, 빛의 감도 손실을 최소화할 수 있으며, 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 4는 도 3의 I-I' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 6은 도 5의 I-I' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 7 내지 도 14는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 도면들로, 도 3의 I-I' 선에 대응하는 단면도들이다.
도 15는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
도 16은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
도 17은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 18은 도 16의 Ⅱ-Ⅱ’선을 따라 자른 단면도이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 실시예들을 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서는 액티브 픽셀 센서 어레이(Active Pixel Sensor array; 1), 행 디코더(row decoder; 2), 행 드라이버(row driver; 3), 열 디코더(column decoder; 4), 타이밍 발생기(timing generator; 5), 상관 이중 샘플러(CDS: Correlated Double Sampler; 6), 아날로그 디지털 컨버터(ADC: Analog to Digital Converter; 7) 및 입출력 버퍼(I/O buffer; 8)를 포함할 수 있다.
상기 액티브 픽셀 센서 어레이(1)는 2차원적으로 배열된 복수의 픽셀들을 포함할 수 있고, 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(1)는 행 드라이버(3)로부터 제공되는, 픽셀 선택 신호, 리셋 신호 및 전하 전송 신호와 같은 복수의 구동 신호들에 의해 구동될 수 있다. 또한, 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(1)에 의해 변환된 전기적 신호는 상관 이중 샘플러(6)에 제공될 수 있다.
상기 행 드라이버(3)는, 상기 행 디코더(2)에서 디코딩된 결과에 따라, 상기 복수의 픽셀들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호들을 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(1)로 제공할 수 있다. 상기 복수의 픽셀들이 행렬 형태로 배열된 경우에는 각 행별로 구동 신호들이 제공될 수 있다.
상기 타이밍 발생기(5)는 상기 행 디코더(2) 및 상기 열 디코더(4)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공할 수 있다.
상기 상관 이중 샘플러(CDS; 6)는 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(1)에서 생성된 전기 신호를 수신하여 유지(hold) 및 샘플링할 수 있다. 상기 상관 이중 샘플러(6)는 특정한 잡음 레벨(noise level)과 전기적 신호에 의한 신호 레벨을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력할 수 있다.
상기 아날로그 디지털 컨버터(ADC; 7)는 상기 상관 이중 샘플러(6)에서 출력된 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
상기 입출력 버퍼(8)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호를 열 디코더(4)에서의 디코딩 결과에 따라 순차적으로 영상 신호 처리부(도면 미도시)로 출력할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 액티브 픽셀 센서 어레이(1)는 복수의 픽셀 영역들(PX)을 포함할 수 있고, 상기 픽셀 영역들(PX)은 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 상기 픽셀 영역들(PX)의 각각은 전송 트랜지스터(TX)와 로직 트랜지스터들(RX, SX, DX)을 포함할 수 있다. 상기 로직 트랜지스터들은 리셋 트랜지스터(RX), 선택 트랜지스터(SX), 및 드라이브 트랜지스터(DX)를 포함할 수 있다. 상기 전송 트랜지스터(TX), 상기 리셋 트랜지스터(RX), 및 상기 선택 트랜지스터(SX)는 각각 전송 게이트(TG), 리셋 게이트(RG), 및 선택 게이트(SG)를 포함할 수 있다. 상기 픽셀 영역들(PX)의 각각은 광전 변환 소자(PD) 및 플로팅 확산 영역(FD)을 더 포함할 수 있다.
상기 광전 변환 소자(PD)는 외부에서 입사된 빛의 양에 비례하여 광전하들을 생성 및 축적할 수 있다. 상기 광전 변환 소자(PD)는 P형 불순물 영역과 N형 불순물 영역을 포함하는 포토다이오드일 수 있다. 상기 전송 트랜지스터(TX)는 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하를 상기 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송할 수 있다. 상기 플로팅 확산 영역(FD)은 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하를 전송 받아 누적적으로 저장할 수 있다. 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 광전하들의 양에 따라 상기 드라이브 트랜지스터(DX)가 제어될 수 있다.
상기 리셋 트랜지스터(RX)는 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들을 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 전극은 상기 플로팅 확산 영역(FD)과 연결되고, 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 소스 전극은 전원 전압(VDD)에 연결될 수 있다. 상기 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온(turn-on)되면, 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 소스 전극에 연결된 전원 전압(VDD)이 상기 플로팅 확산 영역(FD)으로 인가될 수 있다. 따라서, 상기 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온되면, 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들이 배출되어 상기 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋될 수 있다.
상기 드라이브 트랜지스터(DX)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 할 수 있다. 상기 드라이브 트랜지스터(DX)는 상기 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전위 변화를 증폭하고, 이를 출력 라인(Vout)으로 출력할 수 있다.
상기 선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 읽어낼 픽셀 영역들(PX)을 선택할 수 있다. 상기 선택 트랜지스터(SX)가 턴 온될 때, 전원 전압(VDD)이 상기 드라이브 트랜지스터(DX)의 드레인 전극으로 인가될수 있다.
도 2에서 하나의 광전 변환 소자(PD)와 4개의 트랜지스터들(TX, RX, Dx, Sx)을 구비하는 단위 픽셀 영역(PX)을 예시하고 있지만, 본 발명에 따른 이미지 센서는 이에 한정되지 않는다. 일 예로, 상기 리셋 트랜지스터(RX), 상기 드라이브 트랜지스터(DX), 또는 상기 선택 트랜지스터(SX)는 이웃하는 픽셀 영역들(PX)에 의해 서로 공유될 수 있다. 이에 따라, 상기 이미지 센서의 집적도가 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이다. 도 4는 도 3의 I-I' 선을 따라 자른 단면도이다. 다만, 도 3에서 하나의 픽셀 영역(PX) 상에 전송, 드라이브, 선택 및 리셋 게이트들(TG, SFG, SG, RG)이 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 나머지 픽셀 영역들(PX) 상에 배치된 전송, 드라이브, 선택 및 리셋 게이트들(TG, SFG, SG, RG)은 생략 도시되어 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 이미지 센서는 광전 변환층(10), 배선층(20), 및 광 투과층(30)을 포함할 수 있다. 상기 광전 변환층(10)은 상기 배선층(20)과 상기 광 투과층(30) 사이에 배치될 수 있다.
상기 광전 변환층(10)은 기판(100)을 포함할 수 있고, 상기 기판(100)은 복수의 픽셀 영역들(PX)을 포함할 수 있다. 상기 기판(100)은 반도체 기판 (일 예로, 실리콘 기판, 게르마늄 기판, 실리콘-게르마늄 기판, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 기판, 또는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기판) 또는 SOI(Silicon on insulator) 기판일 수 있다. 상기 기판(100)은 서로 대향하는 제1 면(100a) 및 제2 면(100b)을 가질 수 있다. 상기 복수의 픽셀 영역들(PX)은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 평행한 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)을 따라 이차원적으로 배열될 수 있다. 상기 제1 방향(D1) 및 상기 제2 방향(D2)은 서로 교차할 수 있다.
상기 광전 변환층(10)은 상기 복수의 픽셀 영역들(PX) 사이의 상기 기판(100) 내에 배치되는 깊은 소자분리패턴(150)을 더 포함할 수 있다. 평면적 관점에서, 상기 깊은 소자분리패턴(150)은 상기 복수의 픽셀 영역들(PX)의 각각을 둘러싸는 격자 구조일 수 있다. 상기 깊은 소자분리패턴(150)은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 수직한 제3 방향(D3)을 따라 상기 기판(100)의 적어도 일부를 관통할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 깊은 소자분리패턴(150)은 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a)으로부터 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)을 향하여 연장될 수 있고, 상기 깊은 소자분리패턴(150)의 바닥면은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)과 실질적으로 공면을 이룰 수 있다. 상기 깊은 소자분리패턴(150)은 서로 이웃하는 픽셀 영역들(PX) 사이의 크로스 토크(cross-talk)를 방지할 수 있다. 상기 깊은 소자분리패턴(150)은 상기 기판(100)보다 굴절률이 낮은 절연 물질을 포함할 수 있다. 상기 깊은 소자분리패턴(150)은 하나 또는 복수 개의 절연막들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 깊은 소자분리패턴(150)은 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막 또는 실리콘 질화막을 포함할 수 있다.
상기 복수의 픽셀 영역들(PX)의 각각은 광전 변환 영역(PD), 및 상기 깊은 소자분리패턴(150)의 측면을 따라 연장되는 도핑 영역(120)을 포함할 수 있다. 이하, 광전 변환 영역(PD)은 도 1 및 도 2의 광전 변환 소자(PD)가 배치되는 영역을 지칭할 수 있다. 상기 도핑 영역(120)은 상기 광전 변환 영역(PD)과 상기 깊은 소자분리패턴(150) 사이에 배치될 수 있다.
상기 기판(100)은 제1 도전형을 가질 수 있고, 상기 광전 변환 영역(PD)은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형의 불순물이 도핑된 영역일 수 있다. 일 예로, 상기 제1 도전형 및 상기 제2 도전형은 각각 P형 및 N형일 수 있다. 이 경우, 상기 제2 도전형의 불순물은 인, 비소, 비스무스, 및/또는 안티몬과 같은 N형 불순물을 포함할 수 있다. 상기 광전 변환 영역(PD)은 상기 기판(100)과 PN접합을 이루어 포토다이오드를 구성할 수 있다. 상기 도핑 영역(120)은 상기 제1 도전형의 불순물도 도핑된 영역일 수 있다. 상기 도핑 영역(120)은 상기 복수의 픽셀 영역들(PX)의 각각의 측면에 존재할 수 있는 댕글링 본드들에 트랩되었던 전자들이 상기 광전 변환 영역(PD)으로 이동하는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라, 이미지 센서 내 암전류 또는 화이트 스팟 현상을 개선할 수 있다. 상기 제1 도전형의 불순물은 보론와 같은 P형 불순물을 포함할 수 있다.
얕은 소자분리패턴(103)이 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a)에 인접하게 배치될 수 있다. 상기 복수의 픽셀 영역들(PX)의 각각은 상기 얕은 소자분리패턴(103)에 의해 정의되는 활성영역들(ACT)을 포함할 수 있다. 상기 얕은 소자분리패턴(103)은 일 예로, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화질화막 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 깊은 소자분리패턴(150)은 상기 얕은 소자분리패턴(103)을 관통하여 상기 기판(100) 내로 연장될 수 있다. 상기 얕은 소자분리패턴(103)은 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a)으로부터 상기 기판(100) 내부로 연장되는 제1 트렌치(TR1) 내에 배치될 수 있다. 상기 깊은 소자분리패턴(150)은 상기 얕은 소자분리패턴(103)을 관통하고 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)으로 연장되는 제2 트렌치(TR2) 내에 배치될 수 있다. 상기 제1 트렌치(TR1) 및 상기 제2 트렌치(TR2)의 각각은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 평행한 방향(일 예로, 상기 제2 방향(D2))에 따른 폭을 가질 수 있다. 상기 제1 트렌치(TR1)의 바닥면의 폭은 상기 제2 트렌치(TR2)의 상부의 폭보다 클 수 있다.
전송 트랜지스터들(TX) 및 로직 트랜지스터들(RX, SX, DX)이 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 배치될 수 있다. 상기 트랜지스터들(TX, RX, SX, DX)의 각각은 각 픽셀 영역(PX)의 대응하는 활성영역(ACT) 상에 배치될 수 있다. 상기 전송 트랜지스터(TX)는, 대응하는 활성 영역(ACT) 상의, 전송 게이트(TG) 및 플로팅 확산 영역(FD)을 포함할 수 있다. 상기 전송 게이트(TG)의 하부는 상기 기판(100) 내로 삽입될 수 있고, 상기 전송 게이트(TG)의 상부는 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 위로 돌출될 수 있다. 게이트 유전막(GI)이 상기 전송 게이트(TG)와 상기 기판(100) 사이에 개재될 수 있다. 상기 플로팅 확산 영역(FD)은 상기 전송 게이트(TG)의 일측의 상기 대응하는 활성 영역(ACT) 내에 배치될 수 있다. 상기 플로팅 확산 영역(FD)은 상기 기판(100)의 상기 제1 도전형과 다른 상기 제2 도전형의 불순물(일 예로, N형 불순물)이 도핑된 영역일 수 있다.
상기 드라이브 트랜지스터(DX)는 대응하는 활성영역(ACT) 상의 드라이브 게이트(SFG)를 포함할 수 있고, 상기 선택 트랜지스터(SX)는 대응하는 활성영역(ACT) 상의 선택 게이트(SG)를 포함할 수 있다. 상기 리셋 트랜지스터(RX)는 대응하는 활성 영역(ACT) 상의 리셋 게이트(RG)를 포함할 수 있다. 추가적인 게이트 유전막(GI)이 상기 드라이브, 선택 및 리셋 게이트들(SFG, SG, RG)의 각각과 상기 기판(100) 사이에 개재될 수 있다.
상기 배선층(20)은 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 배치될 수 있다. 상기 배선층(20)은 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 차례로 적층된 제1 층간 절연막(210), 제2 층간 절연막(220), 및 제3 층간 절연막(230)을 포함할 수 있다. 상기 배선층(20)은 상기 제1 층간 절연막(210) 내의 콘택 플러그들(BCP), 상기 제2 층간 절연막(220) 내의 제1 배선 패턴들(222), 및 상기 제3 층간 절연막(230) 내의 제2 배선 패턴들(232)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 층간 절연막(210)은 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 배치되어 상기 트랜지스터들(TX, RX, SX, DX)을 덮을 수 있고, 상기 콘택 플러그들(BCP)은 상기 트랜지스터들(TX, RX, SX, DX)의 단자들에 연결될 수 있다. 상기 콘택 플러그들(BCP)은 상기 제1 배선 패턴들(222) 중 대응하는 제1 배선 패턴들(222)에 연결될 수 있고, 상기 제1 배선 패턴들(222)은 상기 제2 배선 패턴들(232) 중 대응하는 제2 배선 패턴들(232)에 연결될 수 있다. 상기 제1 및 제2 배선 패턴들(222, 232)은 상기 콘택 플러그들(BCP)을 통해 상기 트랜지스터들(TX, RX, SX, DX)에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 층간 절연막(210, 220, 230)의 각각은 절연 물질을 포함할 수 있고, 상기 콘택 플러그들(BCP), 상기 제1 배선 패턴들(222), 및 상기 제2 배선 패턴들(232)은 도전 물질을 포함할 수 있다.
상기 광 투과층(30)은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b) 상에 배치될 수 있다. 상기 광 투과층(30)은 절연막(311), 반사 방지막(310), 패시베이션막(312), 복수의 컬러 필터들(320), 복수의 마이크로 렌즈들(330) 및 갭 영역(300T)을 포함할 수 있다. 상기 광 투과층(30)은 외부에서 입사되는 광을 집광 및 필터링할 수 있고, 상기 광을 상기 광전 변환층(10)으로 제공할 수 있다.
절연막(311)이 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b) 상에 배치될 수 있다. 상기 절연막(311)은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)을 컨포멀하게 덮을 수 있다. 상기 절연막(311)의 두께는 반사 방지막(310)의 두께보다 더 작을 수 있다. 상기 절연막(311)의 두께는 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 평행한 제2 방향(D2)을 따라 실질적으로 균일하게 형성될 수 있다. 본 명세서에서, 두께는 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 수직한 제3 방향(D3)으로 측정된 수직적 거리를 의미할 수 있다. 상기 절연막(311)은 금속 산화물 및/또는 질화물을 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물은 일 예로, 알루미늄 산화물을 포함할 수 있고, 상기 질화물은 일 예로, 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
반사 방지막(310)이 상기 절연막(311) 상에 배치될 수 있다. 상기 반사 방지막(310)은 상기 절연막(311)의 상면을 컨포멀하게 덮을 수 있다. 상기 반사 방지막(310)의 두께는 상기 제2 방향(D2)을 따라 실질적으로 균일하게 형성될 수 있다. 상기 반사 방지막(310)은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)으로 입사되는 광이 상기 광전 변환 영역(PD)에 원활히 도달할 수 있도록 상기 광의 반사를 방지할 수 있다. 상기 반사 방지막(300)은 예를 들어, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막, 또는 고유전막(예를 들어, 하프늄 산화막, 알루미늄 산화막)을 포함할 수 있다.
패시베이션막(312)이 상기 반사 방지막(310) 상에 배치될 수 있다. 상기 패시베이션막(312)은 상기 반사 방지막(310)의 상면을 컨포멀하게 덮을 수 있다. 상기 패시베이션막(312)의 두께는 상기 반사 방지막(310)의 두께보다 더 작을 수 있다. 상기 패시베이션막(312)의 두께는 상기 제2 방향(D2)을 따라 실질적으로 균일하게 형성될 수 있다. 상기 패시베이션막(312)은 금속 산화물 및/또는 질화물을 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물은 일 예로, 알루미늄 산화물을 포함할 수 있고, 상기 질화물은 일 예로, 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
복수의 컬러 필터들(320)이 상기 패시베이션막(312) 상에 배치될 수 있다. 상기 복수의 컬러 필터들(320)의 각각은 대응하는 픽셀 영역(PX)의 상기 광전 변환 영역(PD)과 수직적으로(일 예로, 상기 제3 방향(D3)으로) 중첩하도록 배치될 수 있다. 컬러 필터들(320)은 단위 픽셀에 따라 적색, 녹색 또는 청색의 컬러 필터를 포함할 수 있다. 컬러 필터들(320)은 2차원적으로 배열될 수 있으며, 옐로우 필터, 마젠타 필터 또는 시안 필터를 포함할 수도 있다.
마이크로 렌즈들(330)이 상기 복수의 컬러 필터들(320) 상에 배치될 수 있다. 상기 복수의 마이크로 렌즈들(330)의 각각은 대응하는 픽셀 영역(PX)의 상기 광전 변환 영역(PD)과 수직적으로(일 예로, 상기 제3 방향(D3)으로) 중첩하도록 배치될 수 있다. 상기 마이크로 렌즈들(330)은 픽셀 영역들(PX)로 입사되는 빛을 집광시킬 수 있도록 볼록한 형태를 가질 수 있다.
갭 영역(300T)이 상기 패시베이션막(312) 상에 형성될 수 있다. 상기 갭 영역(300T)은 대응하는 상기 깊은 소자분리패턴(150)과 수직적으로(일 예로, 상기 제3 방향(D3)으로) 중첩하도록 배치될 수 있다. 상기 갭 영역(300T)은 상기 마이크로 렌즈들(330)을 서로 이격시킬 수 있다. 상기 갭 영역(300T)은 상기 컬러 필터들(320) 사이로 연장되어, 상기 컬러 필터들(320)을 서로 이격시킬 수 있다. 상기 갭 영역(300T)은 상기 패시베이션막(312)의 상면의 일부를 노출시킬 수 있다. 상기 갭 영역(300T)은 상기 컬러 필터들(320) 및 상기 마이크로 렌즈들(330)의 각각의 측벽들을 노출시킬 수 있다. 상기 갭 영역(300T)의 폭(W1)은 상기 픽셀 영역(PX)의 폭의 15 % 내지 25 %일 수 있다. 예를 들어, 상기 갭 영역(300T)의 폭(W1)은 40 nm 내지 350 nm일 수 있다. 본 명세서에서, 폭은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 평행한 상기 제2 방향(D2)으로 측정된 거리를 의미할 수 있다. 평면적 관점에서, 상기 갭 영역(300T)은 격자(lattice) 형상을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 갭 영역(300T)을 포함함에 따라, 컬러 필터들(320) 및 마이크로 렌즈들(330)의 각각이 서로 이격될 수 있고, 즉, 광학적으로 분리(Optical isolation)될 수 있다. 이에 따라, 각각의 마이크로 렌즈들(330)로 들어오는 빛을 대응하는 픽셀 영역(PX)으로 전달시키고, 다른 픽셀 영역들(PX)로 전달되지 않도록 하여, 픽셀 영역들(PX) 사이의 광학적 간섭을 방지할 수 있다. 특히, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 그리드 패턴 없이도, 크로스 토크(cross-talk) 현상을 방지할 수 있고, 이와 동시에, 빛의 감도 손실을 최소화할 수 있으며, 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)이 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이다. 도 6는 도 5의 I-I' 선을 따라 자른 단면도이다. 설명의 간소화를 위해, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 이미지 센서와 차이점을 주로 설명한다. 다만, 도 5에서 하나의 픽셀 영역(PX) 상에 전송, 드라이브, 선택 및 리셋 게이트들(TG, SFG, SG, RG)이 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 나머지 픽셀 영역들(PX) 상에 배치된 전송, 드라이브, 선택 및 리셋 게이트들(TG, SFG, SG, RG)은 생략 도시되어 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 이미지 센서는 광전 변환층(10), 배선층(20), 및 광 투과층(30)을 포함할 수 있다. 상기 광 투과층(30)은 절연막(311), 반사 방지막(310), 패시베이션막(312), 복수의 컬러 필터들(320), 복수의 마이크로 렌즈들(330) 및 갭 영역(300T)에 더하여 그리드 패턴(315)을 더 포함할 수 있다.
그리드 패턴(315)이 상기 픽셀 영역들(PX) 사이에 제공되고, 상기 반사 방지막 상에 배치될 수 있다. 상기 그리드 패턴(315)이 반사 방지막(310)과 패시베이션막(312) 사이에 개재될 수 있다. 일 예로, 상기 그리드 패턴(315)은 상기 깊은 소자분리패턴(150)과 수직적으로 중첩하도록 배치될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니고, 도시된 것과는 다르게, 상기 그리드 패턴(315)은 상기 깊은 소자분리패턴(150)과 수직적으로 중첩되지 않을 수 있다. 상기 그리드 패턴(315)의 하면은 컬러 필터들(320)의 각각의 하면보다 더 낮은 레벨에 위치할 수 있다. 상기 패시베이션막(312)은 상기 그리드 패턴들(315) 각각의 상면 및 측면을 컨포멀하게 덮을 수 있다. 상기 패시베이션막(312)은 상기 컬러 필터(320)의 측벽과 상기 그리드 패턴(315)의 측벽 사이에 개재될 수 있다. 평면적 관점에서, 상기 그리드 패턴(315)은 격자(lattice) 형상을 가질 수 있다.
상기 그리드 패턴(315)은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)으로 입사되는 광이 상기 광전 변환 영역(PD) 내로 입사되도록 상기 광을 가이드할 수 있다. 상기 그리드 패턴(315)은 금속 물질 또는 저굴절률(low reflective index, LRI) 물질을 포함할 수 있다. 상기 금속 물질은 일 예로, 텅스텐(W) 또는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다. 상기 저굴절률(LRI) 물질은 일 예로, 실리콘 산화물 또는 컬러 필터들(320)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
그리드 패턴(315)에 대한 설명을 제외하고는, 앞서 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 이미지 센서와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 도면들로, 도 3의 I-I' 선에 대응하는 단면도들이다. 설명의 간소화를 위해, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 이미지 센서와 중복되는 설명은 생략된다.
도 3 및 도 7을 참조하면, 서로 대향하는 제1 면(100a) 및 제2 면(100b)을 갖는 기판(100)이 제공될 수 있다. 제1 트렌치(TR1)가 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a)에 인접하게 형성될 수 있다. 상기 제1 트렌치(TR1)은 상기 기판(100) 내에 활성 영역들(ACT)을 정의할 수 있다. 상기 제1 트렌치(TR1)를 채워 얕은 소자분리패턴(103)이 형성될 수 있다. 제2 트렌치(TR2)가 상기 기판(100) 내에 형성될 수 있다. 상기 제2 트렌치(TR2)는 상기 기판(100) 내에 복수의 픽셀 영역들(PX)을 정의할 수 있다. 상기 제2 트렌치(TR2)를 채워 깊은 소자분리패턴(150)이 형성될 수 있다. 도핑 영역(120)이 상기 제2 트렌치(TR2)에 의해 노출된 상기 기판(100) 내에 형성될 수 있다. 상기 도핑 영역(120)을 형성하는 것은, 일 예로, 상기 제2 트렌치(TR2)에 의해 노출된 상기 기판(100) 내에 상기 제1 도전형의 불순물(일 예로, P형 불순물)을 주입하는 것을 포함할 수 있다. 광전 변환 영역(PD)이 상기 복수의 픽셀 영역들(PX)의 각각 내에 형성될 수 있다. 상기 광전 변환 영역(PD)을 형성하는 것은, 일 예로, 상기 기판(100) 내에 상기 제1 도전형(일 예로, P형)과 다른 제2 도전형(일 예로, N형)의 불순물을 주입하는 것을 포함할 수 있다. 트랜지스터들(TX, RX, SX, DX)이 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 형성될 수 있고, 각 픽셀 영역(PX) 상에 형성될 수 있다. 상술한 제조공정에 의해 광전 변환층(10)이 형성될 수 있다.
배선층(20)이 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 층간 절연막(210)이 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 형성될 수 있고, 상기 트랜지스터들(TX, RX, SX, DX)을 덮을 수 있다. 콘택 플러그들(BCP)이 상기 제1 층간 절연막(210) 내에 형성될 수 있고, 상기 트랜지스터들(TX, RX, SX, DX)의 단자들에 연결될 수 있다. 제2 층간 절연막(220) 및 제3 층간 절연막(230)이 상기 제1 층간 절연막(210) 상에 순차로 형성될 수 있다. 제1 배선 패턴들(222) 및 제2 배선 패턴들(232)이 상기 제2 층간 절연막(220) 및 상기 제3 층간 절연막(230) 내에 각각 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 배선 패턴들(222, 232)은 상기 콘택 플러그들(BCP)을 통해 상기 트랜지스터들(TX, RX, SX, DX)에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3 및 도 8을 참조하면, 광 투과층(30)이 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b) 상에 형성될 수 있다. 구체적으로, 절연막(311), 반사 방지막(310) 및 패시베이션막(312)이 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b) 상에 순차로 형성될 수 있다. 상기 절연막(311)은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)을 컨포멀하게 덮도록 형성될 수 있다. 상기 절연막(311)의 두께는 상기 제2 방향(D2)을 따라 실질적으로 균일하게 형성될 수 있다. 상기 반사 방지막(310)은 상기 절연막(311)의 상면을 컨포멀하게 덮도록 형성될 수 있다. 상기 반사 방지막(310)의 두께는 상기 제2 방향(D2)을 따라 실질적으로 균일하게 형성될 수 있다. 상기 패시베이션막(312)은 상기 반사 방지막(310)의 상면을 컨포멀하게 덮도록 형성될 수 있다. 상기 패시베이션막(312)의 두께는 상기 제2 방향(D2)을 따라 실질적으로 균일하게 형성될 수 있다.
도 3 및 도 9를 참조하면, 상기 패시베이션막(312) 상에 컬러 필터 패턴들(321)이 형성될 수 있다. 상기 컬러 필터 패턴들(321)을 형성하는 것은 컬러 필터층을 형성하는 것 및 상기 컬러 필터층을 패터닝하는 것을 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터층을 형성하는 것은 예를 들어, 스핀 코팅 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 컬러 필터층을 패터닝하는 것은 노광, 현상 공정 및 식각 공정에 의해 수행될 수 있다. 상기 컬러 필터 패턴들(321)의 각각은 대응하는 픽셀 영역(PX)의 상기 광전 변환 영역(PD)과 수직적으로(일 예로, 상기 제3 방향(D3)으로) 중첩하도록 형성될 수 있다.
도 3 및 도 10을 참조하면, 제1 예비 렌즈층(331)이 상기 컬러 필터 패턴들(321) 상에 형성되어, 상기 컬러 필터 패턴들(321)을 덮을 수 있다. 상기 제1 예비 렌즈층(331)은 투명한 포토레지스트 물질이나 투명한 열경화성 수지를 사용한 스핀 코팅 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 3 및 도 11을 참조하면, 예비 렌즈 패턴들(335)이 상기 예비 렌즈층(331) 상에 형성될 수 있다. 상기 예비 렌즈 패턴들(335)의 각각은 대응하는 픽셀 영역(PX)의 상기 광전 변환 영역(PD)과 수직적으로(일 예로, 상기 제3 방향(D3)으로) 중첩하도록 형성될 수 있다. 상기 예비 렌즈 패턴들(335)의 형성은 포토리소그라피 공정으로 포토레지스트 패턴들을 형성하는 것 및 이를 리플로우시키는 것을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 리플로우 공정에 의해 상기 예비 렌즈 패턴들(335)의 밀도가 증가되어 내화학성이 증가될 수 있다. 상기 예비 렌즈 패턴들(335)의 각각은 반구형일 수 있다.
도 3 및 도 4를 다시 참조하면, 상기 제1 예비 렌즈층(331) 및 상기 예비 렌즈 패턴들(335) 상에 식각 공정(일 예로, 에치백 공정)이 수행되어, 복수의 컬러 필터들(320), 복수의 마이크로 렌즈들(330) 및 갭 영역(300T)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 식각 공정에 의해, 상기 예비 렌즈 패턴들(335)의 형상이 상기 제1 예비 렌즈층(331) 상에 전사될 수 있다. 이에 따라, 마이크로 렌즈들(330)의 상부에 상기 예비 렌즈 패턴들(335)과 대응되는 형상, 일 예로, 볼록한 반구형의 형상이 형성될 수 있다. 이와 동시에, 상기 식각 공정에 의해, 상기 깊은 소자분리패턴(150)과 수직적으로(일 예로, 상기 제3 방향(D3)으로) 중첩되는 갭 영역(300T)이 형성될 수 있다. 상기 갭 영역(300T)을 형성하는 것은, 상기 패시베이션막(312)을 식각 정지막으로 이용하여, 상기 제1 예비 렌즈층(331) 및 상기 컬러 필터 패턴들(321)을 식각하는 것을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 패시베이션막(312)의 상면의 일부와 상기 컬러 필터들(320) 및 상기 마이크로 렌즈들(330)의 각각의 측벽들을 노출시킬 수 있다. 상기 갭 영역(300T)에 의해 이격된 복수의 컬러 필터들(320) 및 복수의 마이크로 렌즈들(330)이 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 추가적인 공정 없이, 마이크로 렌즈들(330)의 형성과 동시에 컬러 필터들(320) 및 마이크로 렌즈들(330)의 각각을 서로 이격시킬 수 있고, 광학적으로 분리(Optical isolation)시킬 수 있다. 이에 따라, 단순한 공정으로, 크로스 토크(cross-talk) 현상이 방지되고, 빛의 감도 특성이 개선된 이미지 센서의 제조 방법을 제공할 수 있다.
다시 도 3 및 도 8을 참조하면, 도시된 것과는 다르게, 상기 반사 방지막(310)을 형성한 후, 그리드 패턴(315)을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 그리드 패턴(315)이 상기 반사 방지막(310) 상에 형성될 수 있고, 상기 깊은 소자분리패턴(150)과 수직적으로 중첩되도록 형성될 수 있다. 상기 그리드 패턴(315)을 형성하는 것은, 일 예로, 상기 반사 방지막(310) 상에 금속막을 증착하는 것, 및 상기 금속막을 패터닝하는 것을 포함할 수 있다. 패시베이션막(312)이 상기 반사 방지막(310) 상에 형성될 수 있고, 상기 그리드 패턴(315)의 측면 및 상면을 컨포멀하게 덮도록 형성될 수 있다.
이후, 도 9 내지 도 11 및 도 4를 참조하여 설명한 방법과 실질적으로 동일한 방법을 수행하여, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 이미지 센서를 제조할 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 도면들로, 도 3의 I-I' 선에 대응하는 단면도들이다. 설명의 간소화를 위해, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 이미지 센서와 중복되는 설명은 생략된다.
도 7 내지 도 10과 도 12을 참조하면, 제1 예비 렌즈층(331)이 상기 컬러 필터 패턴들(321) 상에 형성될 수 있다. 이하, 도 7 내지 도 10을 참조하여 설명한 바와 중복되는 내용은 생략된다. 상기 예비 렌즈층(331) 및 상기 컬러 필터 패턴들(321) 상에 식각 공정이 수행되어, 컬러 필터들(320), 렌즈 패턴들(332) 및 갭 영역(300T)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 갭 영역(300T)을 형성하는 것은, 상기 패시베이션막(312)을 식각 정지막으로 이용하여, 상기 예비 렌즈층(331) 및 상기 컬러 필터 패턴들(321)을 식각하는 것을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 패시베이션막(312)의 상면의 일부와 상기 컬러 필터들(320) 및 상기 마이크로 렌즈들(330)의 각각의 측벽들을 노출시킬 수 있다. 상기 갭 영역(300T)에 의해 이격된 컬러 필터들(320) 및 렌즈 패턴들(332)이 형성될 수 있다.
도 3 및 도 13을 참조하면, 예비 렌즈 패턴들(335)의 각각이 대응하는 상기 렌즈 패턴(332) 상에 형성될 수 있다. 상기 예비 렌즈 패턴들(335)의 각각은 대응하는 픽셀 영역(PX)의 상기 광전 변환 영역(PD)과 수직적으로(일 예로, 상기 제3 방향(D3)으로) 중첩하도록 형성될 수 있다. 상기 예비 렌즈 패턴들(335)의 형성은 포토리소그라피 공정으로 포토레지스트 패턴들을 형성하는 것 및 이를 리플로우시키는 것을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 리플로우 공정에 의해 상기 예비 렌즈 패턴들(335)의 밀도가 증가되어 내화학성이 증가될 수 있다. 상기 예비 렌즈 패턴들(335)의 각각은 반구형일 수 있다.
도 3 및 도 4를 다시 참조하면, 상기 렌즈 패턴(332) 및 상기 예비 렌즈 패턴들(335) 상에 추가적인 식각 공정(일 예로, 에치백 공정)이 수행되어, 복수의 마이크로 렌즈들(330)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 추가적인 식각 공정에 의해, 상기 예비 렌즈 패턴들(335)의 형상이 상기 렌즈 패턴(332) 상에 전사될 수 있다. 이에 따라, 마이크로 렌즈들(330)의 상부에 상기 예비 렌즈 패턴들(335)과 대응되는 형상, 일 예로, 볼록한 반구형의 형상이 형성될 수 있다.
도 14는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 도면들로, 도 3의 I-I' 선에 대응하는 단면도들이다. 설명의 간소화를 위해, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 이미지 센서와 중복되는 설명은 생략된다.
도 7 내지 도 11과 도 14를 참조하면, 예비 렌즈 패턴들(335)이 상기 예비 렌즈층(331) 상에 형성될 수 있다. 이하, 도 7 내지 도 11을 참조하여 설명한 바와 중복되는 내용은 생략된다. 상기 제1 예비 렌즈층(331) 및 상기 예비 렌즈 패턴들(335) 상에 식각 공정(일 예로, 에치백 공정)이 수행되어, 제2 예비 렌즈층(333)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 식각 공정에 의해, 상기 예비 렌즈 패턴들(335)의 형상이 상기 제1 예비 렌즈층(331) 상에 전사될 수 있다. 이에 따라, 제2 예비 렌즈층(333)의 상부에 상기 예비 렌즈 패턴들(335)과 대응되는 형상, 일 예로, 볼록한 반구형의 형상이 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4를 다시 참조하면, 상기 제2 예비 렌즈층(333) 및 컬러 필터 패턴들(321) 상에 추가적인 식각 공정이 수행되어, 컬러 필터들(320), 렌즈 패턴들(332) 및 갭 영역(300T)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 갭 영역(300T)을 형성하는 것은, 상기 패시베이션막(312)을 식각 정지막으로 이용하여, 상기 제2 예비 렌즈층(333) 및 상기 컬러 필터 패턴들(321)을 식각하는 것을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 패시베이션막(312)의 상면의 일부와 상기 컬러 필터들(320) 및 상기 마이크로 렌즈들(330)의 각각의 측벽들을 노출시킬 수 있다. 상기 갭 영역(300T)에 의해 이격된 컬러 필터들(320) 및 렌즈 패턴들(332)이 형성될 수 있다.
도 15는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다. 설명의 간소화를 위해, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 이미지 센서와 차이점을 주로 설명한다.
도 15를 참조하면, 상기 광전 변환층(10)은 복수의 픽셀 영역들(PX)을 포함하는 기판(100), 및 상기 복수의 픽셀 영역들(PX) 사이의 상기 기판(100) 내에 배치되는 깊은 소자분리패턴(150)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 깊은 소자분리패턴(150)은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)으로부터 상기 기판(100)의 제1 면(100a)을 향하여 연장될 수 있다. 상기 깊은 소자분리패턴(150)의 바닥면은 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a)으로부터 더 높은 레벨에 위치할 수 있다. 본 명세서에서, 레벨은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)으로부터의 높이를 의미할 수 있다
상기 복수의 픽셀 영역들(PX)의 각각은 광전 변환 영역(PD), 및 상기 깊은 소자분리패턴(150)의 측면을 따라 연장되는 도핑 영역(120)을 포함할 수 있다. 상기 도핑 영역(120)은 상기 광전 변환 영역(PD)과 상기 깊은 소자분리패턴(150) 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 도핑 영역(120)은 상기 깊은 소자분리패턴(150)의 바닥면을 따라 연장될 수 있다. 얕은 소자분리패턴(103)이 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a)에 인접하게 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 깊은 소자분리패턴(150)의 바닥면은 상기 얕은 소자분리패턴(103)으로부터 이격될 수 있다.
상기 광전 변환층(10)에 대한 설명을 제외하고, 배선층(20) 및 광 투과층(30)에 대한 설명은 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 이미지 센서와 실질적으로 동일하다.
도 16은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다. 설명의 간소화를 위해, 도 1, 도 2, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 이미지 센서와 차이점을 주로 설명한다.
도 16을 참조하면, 상기 광전 변환층(10)은 복수의 픽셀 영역들(PX)을 포함하는 기판(100), 및 상기 복수의 픽셀 영역들(PX) 사이의 상기 기판(100) 내에 배치되는 깊은 소자분리패턴(150)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 깊은 소자분리패턴(150)은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b)으로부터 상기 기판(100)의 제1 면(100a)을 향하여 연장될 수 있다. 상기 깊은 소자분리패턴(150)의 바닥면은 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a)으로부터 더 높은 레벨에 위치할 수 있다.
상기 복수의 픽셀 영역들(PX)의 각각은 광전 변환 영역(PD), 및 상기 깊은 소자분리패턴(150)의 측면을 따라 연장되는 도핑 영역(120)을 포함할 수 있다. 상기 도핑 영역(120)은 상기 광전 변환 영역(PD)과 상기 깊은 소자분리패턴(150) 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 도핑 영역(120)은 상기 깊은 소자분리패턴(150)의 바닥면을 따라 연장될 수 있다. 얕은 소자분리패턴(103)이 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a)에 인접하게 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 깊은 소자분리패턴(150)의 바닥면은 상기 얕은 소자분리패턴(103)으로부터 이격될 수 있다.
상기 광전 변환층(10)에 대한 설명을 제외하고, 배선층(20) 및 광 투과층(30)에 대한 설명은 도 1, 도 2, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 이미지 센서와 실질적으로 동일하다.
도 17은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이고, 도 18은 도 17의 Ⅱ-Ⅱ’선을 따라 자른 단면도이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 이미지 센서는 픽셀 어레이 영역(AR), 광학 블랙 영역(OB), 및 패드 영역(PR)을 포함하는 기판(100), 상기 기판(100)의 제1 면(100a) 상의 배선층(20), 상기 배선층(20) 상의 베이스 기판(40), 및 상기 기판(100)의 제2 면(100b) 상의 광 투과층(30)을 포함할 수 있다. 상기 배선층(20)은 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a)과 상기 베이스 기판(40) 사이에 배치될 수 있다. 상기 배선층(20)은 상기 기판(100)의 상기 제1 면(100a)에 인접하는 상부 배선층(21), 및 상기 상부 배선층(21)과 상기 베이스 기판(40) 사이의 하부 배선층(23)을 포함할 수 있다. 상기 픽셀 어레이 영역(AR)은 복수의 픽셀 영역들(PX), 및 이들 사이에 배치되는 깊은 소자분리패턴(150)을 포함할 수 있다. 상기 픽셀 어레이 영역은 도 1 내지 도 4, 도 6, 도 16, 및 도 17을 참조하여 설명한 이미지 센서와 실질적으로 동일할 수 있다. 일 예로, 상기 깊은 소자분리패턴(150)은 도 1 내지 도 4, 도 6, 도 16, 및 도 17를 참조하여 설명한, 상기 깊은 소자분리패턴(150)과 실질적으로 동일할 수 있다.
제1 연결 구조체(50), 제1 콘택(81), 및 벌크 컬러 필터(90)가 상기 기판(100)의 상기 광학 블랙 영역(OB) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 연결 구조체(50)는 제1 차광 패턴(51), 제1 분리 패턴(53), 및 제1 캐핑 패턴(55)을 포함할 수 있다. 상기 제1 차광 패턴(51)은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 차광 패턴(51)은 상기 패시베이션막(312)을 덮을 수 있고, 제3 트렌치(TR3) 및 제4 트렌치(TR4)의 각각의 내벽을 컨포멀하게 덮을 수 있다. 상기 제1 차광 패턴(51)은 광전 변환층(10) 및 상기 상부 배선층(21)을 관통할 수 있다. 상기 제1 차광 패턴(51)은 상기 광전 변환층(10)의 상기 깊은 소자분리패턴(150)에 연결될 수 있고, 상기 상부 배선층(21) 및 상기 하부 배선층(23) 내의 배선들에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 연결 구조체(50)는 상기 광전 변환층(10) 및 상기 배선층(20)을 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 제1 차광 패턴(51)은 금속 물질(일 예로, 텅스텐)을 포함할 수 있다. 상기 제1 차광 패턴(51)은 상기 광학 블랙 영역(OB) 내로 입사되는 빛을 차단할 수 있다.
상기 제1 콘택(81)은 상기 제3 트렌치(TR3)의 잔부를 채울 수 있다. 상기 제1 콘택(81)은 금속 물질(일 예로, 알루미늄)을 포함할 수 있다. 상기 제1 콘택(81)은 상기 깊은 소자분리패턴(150)에 연결될 수 있다. 상기 제1 분리 패턴(53)은 상기 제4 트렌치(TR4)의 잔부를 채울 수 있다. 상기 제1 분리 패턴(53)은 상기 광전 변환층(10)을 관통할 수 있고, 상기 배선층(20)의 일부를 관통할 수 있다. 상기 제1 분리 패턴(53)은 절연 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 캐핑 패턴(55)은 상기 제1 분리 패턴(53) 상에 배치될 수 있다.
상기 벌크 컬러 필터(90)가 상기 제1 연결 구조체(50) 및 상기 제1 콘택(81) 상에 배치될 수 있다. 상기 벌크 컬러 필터(90)는 상기 제1 연결 구조체(50) 및 상기 제1 콘택(81)을 덮을 수 있다. 제1 보호막(71)이 상기 벌크 컬러 필터(90) 상에 배치되어 상기 벌크 컬러 필터(90)를 밀봉할 수 있다.
추가적인 광전 변환 영역(PD’) 및 더미 영역(111)이 상기 광학 블랙 영역(OB)의 대응하는 픽셀 영역들(PX) 내에 제공될 수 있다. 상기 추가적인 광전 변환 영역(PD’)은 상기 기판(100)의 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형의 불순물(일 예로, N형 불순물)로 도핑된 영역일 수 있다. 상기 추가적인 광전 변환 영역(PD’)은 상기 픽셀 어레이 영역(AR)의 상기 복수의 픽셀 영역들(PX) 내 광전 변환 영역들(PD)과 유사한 구조를 가질 수 있으나, 상기 광전 변환 영역들(PD)과 같은 동작(즉, 빛을 받아 전기적 신호를 발생시키는 동작)을 수행하지 않을 수 있다. 상기 더미 영역(111)은 불순물로 도핑되지 않을 수 있다.
제2 연결 구조체(60), 제2 콘택(83), 및 제2 보호막(73)이 상기 기판(100)의 상기 패드 영역(PR) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 연결 구조체(60)는 제2 차광 패턴(61), 제2 분리 패턴(63), 및 제2 캐핑 패턴(65)을 포함할 수 있다.
상기 제2 차광 패턴(61)은 상기 기판(100)의 상기 제2 면(100b) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 차광 패턴(61)은 상기 패시베이션막(312)을 덮을 수 있고, 제5 트렌치(TR5) 및 제6 트렌치(TR6)의 각각의 내벽을 컨포멀하게 덮을 수 있다. 상기 제2 차광 패턴(61)은 상기 광전 변환층(10) 및 상기 상부 배선층(21)을 관통할 수 있다. 상기 제2 차광 패턴(61)은 상기 하부 배선층(23) 내의 배선들에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 연결 구조체(60)는 상기 광전 변환층(10) 및 상기 배선층(20)을 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 제2 차광 패턴(61)은 금속 물질(일 예로, 텅스텐)을 포함할 수 있다. 상기 제2 차광 패턴(61)은 상기 패드 영역(PR) 내로 입사되는 빛을 차단할 수 있다.
상기 제2 콘택(83)은 상기 제5 트렌치(TR5)의 잔부를 채울 수 있다. 상기 제2 콘택(83)은 금속 물질(일 예로, 알루미늄)을 포함할 수 있다. 상기 제2 콘택(83)은 이미지 센서와 외부 소자 사이의 전기적 연결 통로 역할을 할 수 있다. 상기 제2 분리 패턴(63)은 상기 제6 트렌치(TR6)의 잔부를 채울 수 있다. 상기 제2 분리 패턴(63)은 상기 광전 변환층(10)을 관통할 수 있고, 상기 배선층(20)의 일부를 관통할 수 있다. 상기 제2 분리 패턴(63)은 절연 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 캐핑 패턴(65)은 상기 제2 분리 패턴(63) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 보호막(73)은 상기 제2 연결 구조체(60)를 덮을 수 있다.
상기 제2 콘택(83)을 통해 인가된 전류는 상기 제2 차광 패턴(61), 상기 배선층(20) 내의 배선들, 및 상기 제1 차광 패턴(51)을 통해 상기 깊은 소자분리패턴(150)으로 흐를 수 있다. 상기 픽셀 어레이 영역(AR)의 상기 복수의 픽셀 영역들(PX) 내 상기 광전 변환 영역들(PD)로부터 발생한 전기적 신호는 상기 배선층(20) 내의 배선들, 상기 제2 차광 패턴(61), 및 상기 제2 콘택(83)을 통해 외부로 전송될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

  1. 복수의 픽셀 영역들을 포함하고, 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 기판;
    상기 기판의 상기 제2 면 상의 반사 방지막;
    상기 반사 방지막 상에 배치되는 패시베이션막;
    상기 패시베이션막 상에 배치되고, 상기 복수의 픽셀 영역들 상에 각각 배치되는 컬러 필터들;
    상기 컬러 필터들 상에 배치되는 마이크로 렌즈들; 및
    상기 마이크로 렌즈들을 서로 이격시키는 갭 영역을 포함하되,
    상기 갭 영역은 상기 컬러 필터들 사이로 연장되어 상기 컬러 필터들을 서로 이격시키고,
    상기 갭 영역은 상기 패시베이션막의 상면의 일부를 노출시키고,
    상기 패시베이션막의 두께는 상기 반사 방지막의 두께보다 더 작은 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 패시베이션막의 두께는 상기 기판의 상면에 평행한 방향을 따라 실질적으로 균일하게 형성되는 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 반사 방지막 사이에 개재되는 절연막을 더 포함하되,
    상기 절연막의 두께는 상기 반사 방지막의 두께보다 더 작은 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 갭 영역은 상기 기판의 상면에 평행한 방향으로의 폭을 가지고,
    상기 갭 영역의 폭은 40 nm 내지 350 nm인 이미지 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 픽셀 영역들 사이에 제공되고, 상기 기판 내에 배치되는 깊은 소자분리패턴을 더 포함하되,
    상기 갭 영역은 상기 깊은 소자분리패턴과 수직적으로 중첩되는 이미지 센서.
  6. 복수의 픽셀 영역들을 포함하는 기판;
    상기 기판 상의 반사 방지막;
    상기 픽셀 영역들 사이에 제공되고, 상기 반사 방지막 상에 배치되는 복수의 그리드 패턴들;
    상기 반사 방지막 상에 배치되고, 상기 그리드 패턴들의 상면 및 측면을 컨포멀하게 덮는 패시베이션막;
    상기 패시베이션막 상에 배치되고, 상기 복수의 픽셀 영역들 상에 각각 배치되는 컬러 필터들;
    상기 컬러 필터들 상에 배치되는 마이크로 렌즈들; 및
    상기 마이크로 렌즈들을 서로 이격시키는 갭 영역을 포함하되,
    상기 갭 영역은 상기 컬러 필터들 사이로 연장되어 상기 컬러 필터들을 서로 이격시키고,
    상기 갭 영역은 상기 패시베이션 막의 상면의 일부를 노출시키고,
    상기 패시베이션막의 최상부면은 상기 컬러 필터들 각각의 최하부면보다 더 높은 레벨에 위치하는 이미지 센서.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 그리드 패턴의 하면은 상기 컬러 필터들의 각각의 하면보다 낮은 레벨에 위치하는 이미지 센서.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 패시베이션막은 상기 컬러 필터의 측벽과 상기 그리드 패턴의 측벽 사이에 개재되고,
    상기 패시베이션막의 두께는 상기 반사 방지막의 두께보다 더 작은 이미지 센서.
  9. 복수의 픽셀 영역들을 포함하고, 서로 대향하는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 기판;
    상기 픽셀 영역들 사이에 제공되고, 상기 기판 내에 배치되는 깊은 소자분리패턴;
    상기 기판의 상기 제1 면 상에 배치되는 트랜지스터;
    상기 기판의 상기 제2 면 상의 반사 방지막;
    상기 반사 방지막 상에 배치되는 패시베이션막;
    상기 패시베이션막 상에 제공되고, 상기 복수의 픽셀 영역들 상에 각각 배치되는 컬러 필터들;
    상기 컬러 필터들 상에 배치되는 마이크로 렌즈들; 및
    상기 마이크로 렌즈들을 서로 이격시키는 갭 영역을 포함하되,
    상기 패시베이션막의 두께는 상기 반사 방지막의 두께보다 더 작고,
    상기 갭 영역은 상기 컬러 필터들 사이로 연장되어 상기 컬러 필터들을 서로 이격시키고,
    상기 갭 영역은 상기 패시베이션 막의 상면의 일부를 노출시키는 이미지 센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 반사 방지막과 상기 패시베이션 막 사이에 개재되는 복수의 그리드 패턴들을 더 포함하되,
    상기 패시베이션막은 상기 그리드 패턴들의 상면 및 측면을 컨포멀하게 덮는 이미지 센서.
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