KR20220114879A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents

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Abstract

본 기술은 동작 신뢰성이 향상된 이미지 센싱 장치를 제공하기 위한 것으로, 본 기술의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 상면 및 하면을 갖는 기판; 상기 기판에 형성된 광전변환소자; 및 상기 광전변환소자의 측면 및 저면을 감싸도록 상기 기판에 형성된 소자분리구조물을 포함할 수 있다. 상기 소자분리구조물은 상기 기판의 상면에 접하여 상기 광전변환소자의 측면을 둘러싸는 제1소자분리영역; 및 상기 기판 내에 형성되어 상기 광전변환소자의 저면을 감싸고, 상기 제1소자분리영역과 전기적으로 연결된 제2소자분리영역을 포함할 수 있다. 또한, 상기 소자분리구조물은 상기 기판에 형성되어 타측 끝단이 상기 기판의 하면에 접하고, 일측 끝단이 상기 제1소자분리영역 및 상기 제2소자분리영역에 접하며, 상기 제1소자분리영역과 중첩되는 제3소자분리영역을 더 포함할 수 있다.

Description

이미지 센싱 장치{IMAGE SENSING DEVICE}
본 기술은 이미지 센싱 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 애벌런치 다이오드(avalanche diode)를 포함하는 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.
최근, 각광받고 있는 TOF(Time of Flight, TOF) 기술은 센서 내에 또는 센서 근처에 배치된 광원에서 펄스(pulse) 형태의 광을 조사한 후 반사된 광을 수광하여 그 사이의 시간을 측정한 후 광속 불변의 법칙에 의거하여 거리를 추출한다. TOF를 정밀하게 측정하기 위해서는 광이 수광 소자에 도달하자마자 반응이 일어나야 하므로 감도가 매우 높은 광전변환소자가 필요하다. 이를 위해, CMOS 공정 기술로 제작 가능한 애벌런치 다이오드에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 기술은 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이미지 센싱 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 기술의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 상면 및 하면을 갖는 기판; 상기 기판에 형성된 광전변환소자; 및 상기 광전변환소자의 측면 및 저면을 감싸도록 상기 기판에 형성된 소자분리구조물을 포함할 수 있다. 상기 소자분리구조물은 상기 기판의 상면에 접하여 상기 광전변환소자의 측면을 둘러싸는 제1소자분리영역; 및 상기 기판 내에 형성되어 상기 광전변환소자의 저면을 감싸고, 상기 제1소자분리영역과 전기적으로 연결된 제2소자분리영역을 포함할 수 있다. 또한, 상기 소자분리구조물은 상기 기판에 형성되어 타측 끝단이 상기 기판의 하면에 접하고, 일측 끝단이 상기 제1소자분리영역 및 상기 제2소자분리영역에 접하며, 상기 제1소자분리영역과 중첩되는 제3소자분리영역을 더 포함할 수 있다.
본 기술의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 상면 및 하면을 갖는 기판; 상기 기판에 형성된 제1도전형을 갖는 제1불순물영역 및 제2도전형을 갖고, 상기 제1불순물영역의 측면 및 저면을 감싸는 제2불순물영역을 포함하는 광전변환소자; 상기 광전변환소자의 측면을 둘러싸고, 일측 끝단이 상기 기판의 상면에 접하는 제1소자분리영역; 상기 기판에 형성되어 타측 끝단이 상기 기판의 하면에 접하고, 일측 끝단이 상기 제1소자분리영역에 접하는 제3소자분리영역; 및 상기 기판내에 형성되어 상기 광전변환소자와 중첩되고, 양측 끝단이 상기 제1소자분리영역 및 상기 제3소자분리영역에 접하는 제2소자분리영역을 포함할 수 있다.
상술한 과제의 해결 수단을 바탕으로 하는 본 기술은 애벌런치 다이오드를 포함하는 광전변환소자들 사이를 완전히 격리시키는 제1소자분리영역 및 제2소자분리영역을 구비함으로써, 전기적 크로스토크 방지함과 동시에 암전류비를 감소시킬 수 있다. 아울러, 제1소자분리영역 및 제2소자분리영역은 소자분리전압을 인가함으로써, 광전변환소자의 동작 특성을 유지하면서 보다 효과적으로 전기적 크로스토크 방지함과 동시에 암전류비를 감소시킬 수 있다.
또한, 제3소자분리영역을 구비함으로써, 인접한 단위픽셀들 사이에서 광학적 크로스토크를 방지할 수 있다. 여기서, 트렌치형 분리막을 포함하는 제3소자분리영역에 기인한 암전류 소스를 제1소자분리영역 및 제2소자분리영역을 통해 포획할 수 있기 때문에 암전류비를 더욱더 감소시킬 수 있다.
결과적으로, 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 제1소자분리영역 내지 제3소자분리영역을 포함하는 소자분리구조물을 구비함으로써, 이미지 센시 장치의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 기술의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 기술의 실시예에 따른 픽셀 어레이 일부를 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 I-I'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 4는 본 기술의 실시예에 따른 단위픽셀을 도시한 단면도로, 전기적 크로스토크 및 암전류를 발생시키는 전하의 거동을 간략히 도시한 도면이다.
본 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 기술은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 기술의 개시가 완전하도록 하며, 본 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 기술은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
후술하는 본 기술의 실시예는 동작 신뢰성이 향상된 이미지 센싱 장치를 제공하기 위한 것이다. 보다 구체적으로, 본 기술의 실시예는 애벌런치 다이오드를 구비하는 이미지 센싱 장치에서 광학적 크로스토크(Optical crosstalk) 및 전기적 크로스토크(Electrical crosstalk)를 방지하여 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이미지 센싱 장치를 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본 기술의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센싱 장치(ISD)는 TOF(time of flight) 방식을 이용하여 피사체(10)와의 거리를 측정할 수 있다. 이를 위해, 이미지 센싱 장치(ISD)는 광원(10), 렌즈 모듈(20), 픽셀 어레이(30) 및 제어회로(40)를 포함할 수 있다.
광원(10)은 피사체(10)에 광을 조사할 수 있다. 광원(10)은 특정 파장 대역의 광(예컨대, 근적외선, 적외선 또는 가시광)을 발광하는 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)나 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED), 근적외선 레이저(Near Infrared Laser, NIR), 포인트 광원, 백색 램프 및 모노크로메이터(monochromator)가 조합된 단색(monochromatic) 조명원 또는 다른 레이저 광원의 조합일 수 있다. 예를 들어, 광원(10)은 800㎚ 내지 1000㎚ 범위의 파장을 갖는 적외선일 수 있다. 참고로, 도 1에서는 설명의 편의를 위해 하나의 광원(10)만을 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 변형예로서, 복수의 광원들이 렌즈 모듈(20)의 주변에 배열될 수도 있다.
렌즈 모듈(20)은 피사체(10)로부터 반사된 광을 수집하여 픽셀 어레이(30)의 단위픽셀들(PX)에 포커싱할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 모듈(20)은 유리 또는 플라스틱 표면의 집중 렌즈 또는 다른 원통형 광학 원소를 포함할 수 있다. 렌즈 모듈(20)은 광축을 중심으로 정렬된 복수의 렌즈들을 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(30)에는 2차원 매트릭스(matrix) 구조로 연속적으로 배열된 복수의 단위픽셀들(PX)이 포함될 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(30)는 복수의 단위픽셀들(RX)이 컬럼방향(column direction 및 로우방향(row direction)으로 배열된 것일 수 있다.
단위픽셀들(PX)은 반도체 기판에 형성될 수 있으며, 각 단위픽셀(PX)은 렌즈 모듈(20)을 통해 입사되는 광을 광의 세기에 대응하는 전기 신호로 변환하여 픽셀 신호를 출력할 수 있다. 이때, 픽셀 신호는 피사체(10)의 색상에 대한 신호가 아닌 피사체(10)와 거리를 나타내는 신호일 수 있다. 각 단위픽셀(PX)은 광전변환소자를 포함할 수 있고, 광전변환소자는 애벌런치 다이오드(avalanche diode)를 포함할 수 있다. 일례로, 광전변환소자는 단일 광자 애벌런치 다이오드(single-photon avalanche diode, SPAD)를 포함할 수 있다.
참고로, 단일 광자 애벌런치 다이오드는 감광성 P-N 접합부를 포함하는 광전변환소자로 사용될 수 있다. 즉, 단일 광자 애벌런치 다이오드는 대상 물체에 의해 반사된 단일 광자를 감지하여 감지된 단일 광자에 대응하는 전류 펄스를 생성할 수 있다. 이때, 전류 펄스는 캐소드-애노드(Cathode-Anode) 간의 전압이 항복전압(Breakdown voltage)보다 높은 역 바이어스 전압이 인가되는 가이거 모드(Geiger mode)에서 입사된 단일 광자에 의해 애벌런치 항복이 트리거되어 일련의 과정을 통해 생성할 수 있다. 여기서, 애벌런치 항복은 단일 광자 애벌런치 다이오드내 공핍영역에서 발생될 수 있다. 구체적으로, 단일 광자 애벌런치 다이오드에 역 바이어스 전압을 인가하여 전계를 증가시키면, 강하게 걸린 전계로 인해 입사된 광자에 기인하여 발생된 전자가 이동하면서 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 생성되는 충돌 이온화(impact ionization)가 발생하게 된다. 이때, 항복전압보다 높은 역 바이어스 전압이 인가되는 가이거 모드에서 동작하는 단일 광자 애벌런치 다이오드에서는 입사광에 의해 생성된 캐리어(예컨대, 전자 또는 정공)와 충돌 이온화 현상으로 생성된 전자와 정공들이 서로 충돌하면서 무수히 많은 캐리어들이 생성될 수 있다. 따라서, 단일 광자 애벌런치 다이오드는 단일 광자가 입사되더라도 단일 광자가 애벌런치 항복을 트리거하며, 이에 따라 측정 가능한 전류 펄스가 생성될 수 있다.
제어 회로(40)는 광원(10)을 제어하여 피사체(10)에 광을 조사하고, 픽셀 어레이(30)의 단위픽셀들(PX)을 구동시켜 피사체(10)로부터 반사된 광에 대응되는 픽셀 신호들을 처리하여 피사체(10)의 표면에 대한 거리를 측정할 수 있다.
이러한 제어 회로(40)는 제어 회로(control circuit, 41), 광원 드라이버(light source driver, 42), 타이밍 컨트롤러(timing controller, 43) 및 리드아웃 회로(readout circuit, 44)를 포함할 수 있다.
제어 회로(41)는 타이밍 컨트롤러(43)로부터 출력된 타이밍 신호에 응답하여 픽셀 어레이(30)의 단위픽셀들(PX)을 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(41)는 복수의 로우 라인들(row lines) 중에서 적어도 하나의 로우 라인을 선택 및 제어할 수 있는 제어 신호를 생성할 수 있다. 이러한 제어 신호는 기판 내 홀 전류(hole current)를 발생시키는 복조 제어 신호, 리셋 트랜지스터를 제어하는 리셋 신호, 검출 노드에 축적된 광전하의 전달을 제어하는 전송 신호, 고조도 조건에서 추가적인 정전 용량을 제공하기 위한 플로팅 디퓨전 신호, 선택 트랜지스터를 제어하는 선택 신호 등을 포함할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(43)는 제어 회로(41), 광원 드라이버(42) 및 리드아웃 회로(44)의 동작을 제어하기 위한 타이밍 신호를 생성할 수 있다.
리드아웃 회로(44)는 타이밍 컨트롤러(43)의 제어에 따라 픽셀 어레이(30)로부터 출력되는 픽셀 신호들을 처리하여 디지털 신호 형태의 픽셀 데이터를 생성할 수 있다. 이를 위해, 리드아웃 회로(44)는 픽셀 어레이(30)로부터 출력된 픽셀 신호들에 대해 상관 이중 샘플링(correlated double sampling)을 수행하기 위한 상관 이중 샘플러(CDS: correlated double sampler)를 포함할 수 있다. 또한, 리드아웃 회로(44)는 상관 이중 샘플러로부터의 출력 신호들을 디지털 신호들로 변환하기 위한 아날로그-디지털 컨버터를 포함할 수 있다. 아울러, 리드아웃 회로(44)는 아날로그-디지털 컨버터로부터 출력되는 픽셀 데이터를 임시 저장하고 타이밍 컨트롤러(43)의 제어에 따라 외부로 출력하기 위한 버퍼 회로를 포함할 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 기술의 실시예에 따른 애벌런치 다이오드를 포함하는 단위픽셀 및 인접한 단위픽셀 사이를 분리하는 소자분리구조물에 대해 상세히 설명하기로 한다.
이하의 설명에서 제1방향(D1), 제2방향(D2) 및 제3방향(D3)은 각각 서로 교차하는 방향을 지칭할 수 있다. 예를 들어, XYZ 좌표계에서 제1방향(D1), 제2방향(D2) 및 제3방향(D3)은 각각 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향일 수 있다.
그리고, 이하의 설명에서 제1도전형 및 제2도전형은 서로 상보적인 도전형을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 제1도전형은 P형일 경우, 제2도전형은 N형일 수 있다. 반대로, 제1도전형이 N형일 경우, 제2도전형이 P형일 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1도전형이 P형이고, 제2도전형인 N형인 경우를 예시하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 기술의 실시예에 따른 픽셀 어레이 일부를 도시한 평면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 I-I'절취선을 따라 도시한 단면도이다. 그리고, 도 4는 본 기술의 실시예에 따른 단위픽셀을 도시한 단면도로, 전기적 크로스토크 및 암전류를 발생시키는 전하의 거동을 간략히 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 픽셀 어레이(30, 도 1 참조)는 2차원 매트릭스 구조로 연속적으로 배열된 복수의 단위픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 단위픽셀들(PX) 각각은 TOF(time of flight) 방식을 이용하여 피사체와의 거리를 측정하기 위한 것일 수 있다.
복수의 단위픽셀들(PX) 각각은 상면(S1) 및 하면(S2)을 갖는 기판(100), 기판(100)의 상면(S1)에 접하도록 기판(100)에 형성된 광전변환소자(110) 및 광전변환소자(110)의 측면 및 저면을 감싸도록 기판(100)에 형성된 소자분리구조물(120)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 벌크 단결정 실리콘 웨이퍼, SOI(silicon on insulator) 웨이퍼, Si-Ge 같은 화합물 반도체 웨이퍼, 실리콘 에피택셜층이 성장된 웨이퍼 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 제1도전형의 불순물 예컨대, P형 불순물이 도핑된 벌크 단결정 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
도면에 도시하지는 않았지만, 기판(100)의 상면(S1) 상에는 광전변환소자(110)를 제어하기 위한 제어회로(40, 도 1 참조)가 형성될 수 있다. 그리고, 기판(100)의 하면(S2)은 광이 입사되는 입사면일 수 있다. 따라서, 기판(100)의 하면(S2) 상에는 마이크로 렌즈(130)가 형성될 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 기판(100)의 하면(S2) 상에 마이크로 렌즈(130)만 형성된 경우를 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 변형예로서, 기판(100)의 하면(S2) 상에는 광학 필터, 그리드패턴, 마이크로 렌즈(130) 등의 다양한 구조물이 형성될 수도 있다.
광전변환소자(110)는 애벌런치 다이오드(avalanche diode)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광전변환소자(110)는 단일 광자 애벌런치 다이오드(single-photon avalanche diode, SPAD)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 광전변환소자(110)는 제1도전형을 갖는 제1불순물영역(112) 및 제2도전형을 갖는 제2불순물영역(114)을 포함할 수 있다. 여기서, 여기서, 제1불순물영역(112) 및 제2불순물영역(114)은 각각 단일 광자 애벌런치 다이오드의 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)로 작용할 수 있다. 제1불순물영역(112)은 기판(100)의 상면(S1)에 접하도록 제2불순물영역(114) 내에 형성될 수 있고, 평판 형상을 가질 수 있다. 제2불순물영역(114)은 일부가 기판(100)의 상면(S1)에 접하도록 기판(100)에 형성될 수 있고, 제1불순물영역(112)의 측면 및 저면을 감싸는 형태를 가질 수 있다. 제2불순물영역(114)은 제1불순물영역(112)의 저면에 접할 수 있고, 실린더 형상을 가질 수 있다. 따라서, 제2불순물영역(114)은 기판(100)의 상면(S1)에서 바라볼 때, 링 타입(Ring type)의 평면형상을 가질 수 있고, 기판(100)의 하면(S2)에서 바라볼 때, 플레이트 타입(Plate type)의 평면형상을 가질 수 있다. 그리고, 제2불순물영역(114)은 'U' 형태의 단면형상을 가질 수 있다.
또한, 광전변환소자(110)는 기판(100)의 상면(S1)에 접하도록 제2불순물영역(114) 내에 형성되어 제1불순물영역(112)의 측면을 둘러싸는 가드링(116)을 더 포함할 수 있다. 가드링(116)은 제1불순물영역(112)의 측면에 접하여 제1불순물영역(112)을 둘러싸는 형상을 가질 수 있다. 기판(100)의 상면(S1)을 기준으로 가드링(116)의 깊이는 제1불순물영역(112)의 깊이보다 더 클 수 있고, 제2불순물영역(114)의 깊이보다는 더 작을 수 있다. 가드링(116)은 제1도전형을 갖는 불순물영역을 포함할 수 있다. 제1도전형을 갖는 불순물영역으로 구성된 가드링(116)의 불순물 도핑농도는 제1불순물영역(112)의 불순물 도핑농도보다 낮을 수 있다. 또한, 가드링(116)은 트렌치형 분리막을 포함할 수 있다. 트렌치형 분리막으로 구성된 가드링(116)은 기판(100)의 상면(S1)에서 형성된 트렌치 및 트렌치를 갭필하는 절연막을 포함할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 제1불순물영역(112) 및 제2불순물영역(114) 각각이 하나의 불순물영역으로 구성된 경우를 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 변형예로서, 제1불순물영역(112)은 제1도전형을 갖고, 제3방향(D3)으로 일면을 접하여 적층된 복수의 불순물영역들로 구성될 수도 있다. 마찬가지로, 제2불순물영역(114)은 제2도전형을 갖고, 제3방향(D3)으로 일면을 접하여 적층된 복수의 불순물영역들로 구성될 수 있다. 여기서, 제1불순물영역(112) 및 제2불순물영역(114) 각각에서 제3방향(D3)으로 적층된 복수의 불순물영역들 각각은 서로 다른 불순물 도핑농도를 가질 수 있고, 기판(100)의 상면(S1)에서 하면(S2)을 바라보는 방향으로 점차 불순물 도핑농도가 감소할 수 있다. 이는, 공핍영역의 확장에 기인한 펀치를 방지하여 항복전압 특성을 향상시키기 위함이다.
복수의 단위픽셀들(PX) 각각을 분리하는 소자분리구조물(120)은 제1소자분리영역(122), 제2소자분리영역(124) 및 제3소자분리영역(126)을 포함할 수 있다. 복수의 단위픽셀들(PX) 각각에서 제1소자분리영역(122)은 광전변환소자(110)의 측면을 감싸는 형상을 가질 수 있고, 제2소자분리영역(124)은 광전변환소자(110)의 저면을 감싸는 형상을 가질 수 있다. 따라서, 광전변환소자(110)는 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)에 의하여 전기적으로 완전히 격리된 형태를 가질 수 있다.
제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)은 인접한 단위픽셀들(PX) 사이의 전기적 크로스토크를 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 특히, 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)은 암전류를 유발하는 전자들을 포획하여 암전류비(Dark Current Rate, DCR)를 감소시키는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해, 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)은 광전변환소자(110)의 제2불순물영역(114)과 동일한 제2도전형을 갖는 불순물영역을 포함할 수 있다. 제1소자분리영역(122)의 불순물 도핑농도는 제2소자분리영역(124)의 불순물 도핑농도보다 더 클 수 있다. 그리고, 제2소자분리영역(124)은 제1소자분리영역(122)과 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)은 전기적 크로스토크를 보다 효과적으로 방지함과 동시에 암전류비를 보다 효과적으로 감소시키기 위해 기판(100)의 상면(S1) 상에 형성되는 제어회로(40, 도 1 참조)로부터 소자분리전압(VISO)을 인가받을 수 있도록 구성될 수 있다. 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)이 제2도전형을 갖는 불순물영역으로 구성되는 경우, 소자분리전압(VISO)은 포지티브 전압(Positive voltage)일 수 있다. 예를 들어, 소자분리전압(VISO)은 접지전압(GND)보다는 크고, 광전변환소자(110)의 항복전압(Breakdown voltage)보다는 작은 크기를 가질 수 있다. 반면, 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)이 제1도전형을 갖는 불순물영역으로 구성되는 경우, 소자분리전압(VISO)은 네거티브 전압(Negative voltage)일 수 있다. 예를 들어, 소자분리전압(VISO)의 절대값은 접지전압(GND)보다는 크고, 광전변환소자(110)의 항복전압(Breakdown voltage)의 절대값보다는 작은 크기를 가질 수 있다.
여기서, 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)에 소자분리전압(VISO)을 인가함으로써, 기판(100)과 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124) 사이에서 애벌런치 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)에 소자분리전압(VISO)을 인가하더라도, 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)에 인접한 광전변환소자(110) 즉, 단일 광자 애벌런치 다이오드의 동작 특성에는 영향을 미치지 않는다.
한편, 본 실시예에서는 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)이 하나의 불순물영역으로 구성된 경우를 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 변형예로서, 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124) 각각은 제2도전형을 갖는 복수의 불순물영역들이 제3방향(D3)으로 일면을 접하여 적층된 구조를 가질 수도 있다.
제1소자분리영역(122)은 일측 끝단이 기판(100)의 상면(S1)에 접하도록 기판(100)에 형성될 수 있다. 제1소자분리영역(122)은 광전변환소자(110)의 측면을 둘러싸고, 제3방향(D3)으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 즉, 제1소자분리영역(122)은 파이프 형상을 가질 수 있다. 따라서, 제1소자분리영역(122)은 기판(100)의 상면(S1) 및 하면(S2)에서 바라볼 때, 링 타입의 평면형상을 가질 수 있고, 바 타입의 단면형상을 가질 수 있다. 제1방향(D1) 및 제2방향(D2)으로 제1소자분리영역(122)의 측면은 마주보는 광전변환소자(110)의 측면으로부터 제1간격(140)만큼 이격될 수 있다. 여기서, 제1간격(140)은 제1소자분리영역(122)과 광전변환소자(110) 사이의 펀치를 방지하기 위한 것으로, 동작간 제1소자분리영역(122)에 기인한 공핍영역과 광전변환소자(110)의 제2불순물영역(114)에 기인한 공핍영역이 서로 접하지 않는 간격으로 설정될 수 있다. 기판(100)의 상면(S1)을 기준으로 제1소자분리영역(122)의 깊이는 광전변환소자(110)의 깊이보다 더 클 수 있다. 다시 말해, 제1소자분리영역(122)의 깊이는 광전변환소자(110)의 제2불순물영역(114) 깊이보다 더 클 수 있다.
제2소자분리영역(124)은 기판(100) 내에 형성되어 양측 끝단이 제1소자분리영역(122) 및 제3소자분리영역(126)에 접할 수 있다. 제2소자분리영역(124)은 제3방향(D3)으로 광전변환소자(110)와 중첩되어 광전변환소자(110)의 저면을 감싸는 형태를 가질 수 있다. 즉, 제2소자분리영역(124)은 평판 형상을 가질 수 있다. 제3방향(D3)으로 제2소자분리영역(124)의 상면은 마주보는 광전변환소자(110)의 저면으로부터 제2간격(150)만큼 이격될 수 있다. 여기서, 제2간격(150)은 제2소자분리영역(124)과 광전변환소자(110) 사이의 펀치를 방지하기 위한 것으로, 동작간 제2소자분리영역(124)에 기인한 공핍영역과 광전변환소자(110)의 제2불순물영역(114)에 기인한 공핍영역이 서로 접하지 않는 간격으로 설정될 수 있다. 제2소자분리영역(124)과 광전변환소자(110) 사이의 펀치를 보다 효과적으로 방지하기 위해 제2간격(150)은 제1간격(140)보다 더 클 수 있다.
제3소자분리영역(126)은 인접한 단위픽셀들(PX) 사이의 광학적 크로스토크를 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해, 제3소자분리영역(126)은 트렌치형 분리막을 포함할 수 있다. 트렌치형 분리막은 기판(100)의 하면(S2)에서 형성된 소자분리 트렌치 및 소자분리 트렌치에 매립된 갭필절연막을 포함할 수 있다. 여기서, 제3소자분리영역(126)에 기인한 암전류 발생을 억제하기 위해 트렌치형 분리막은 소자분리 트렌치와 갭필절연막 사이에 삽입된 고유전막(미도시)을 더 포함할 수 있다. 고유전막은 막내 복수의 다이폴들을 포함할 수 있고, 다이폴에 의해 암전류 소스로 작용하는 전하를 포획할 수 있다.
제3소자분리영역(126)은 제3방향(D3)으로 타측 끝단이 기판(100)의 하면(S2)에 접할 수 있고, 일측 끝단이 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)에 접할 수 있다. 제3방향(D3)으로 제3소자분리영역(126)은 제1소자분리영역(122)과 중첩될 수 있다. 즉, 제3소자분리영역(126)은 파이프 형상을 가질 수 있다. 따라서, 제3소자분리영역(126)은 기판(100)의 상면(S1) 및 하면(S2)에서 바라볼 때, 링 타입의 평면형상을 가질 수 있고, 바 타입의 단면형상을 가질 수 있다. 기판(100)의 하면(S2)을 기준으로 제3소자분리영역(126)의 깊이는 인접한 단위픽셀(PX) 사이의 광학적 크로스토크를 방지할 수 있는 범위내에서 설정될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 제3소자분리영역(126)의 일측 끝단이 제1소자분리영역(122)의 타측 끝단에 접하는 형태를 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 광학적 크로스토크를 보다 효과적으로 방지하기 위한 변형예로서, 제3소자분리영역(126)의 일측 끝단이 제1소자분리영역(122) 내부에 위치하도록 연장된 형태를 가질 수도 있다. 즉, 제3소자분리영역(126)의 타측 끝단부의 측면 및 저면을 제1소자분리영역(122)이 감싸는 형태를 가질 수도 있다.
상술한 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 애벌런치 다이오드를 포함하는 광전변환소자(110)들 사이를 완전히 격리시키는 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)을 구비함으로써, 전기적 크로스토크 방지함과 동시에 암전류비를 감소시킬 수 있다. 아울러, 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)은 소자분리전압(VISO)을 인가함으로써, 광전변환소자(110)의 동작 특성을 유지하면서 보다 효과적으로 전기적 크로스토크 방지함과 동시에 암전류비를 감소시킬 수 있다.
여기서, 도 4의 도면부호 'A' 및 'B'를 참조하면, 광전변환소자(110)에서 제1불순물영역(112)에 기인한 제1공핍영역(112A) 및 제2불순물영역(114)에 기인한 제2공핍영역(114B)에서 입사광에 의해 발생된 전자가 인접한 광전변환소자(110)의 제2불순물영역(114)으로 주입되어 전기적 크로스토크를 발생시킬 수 있다. 또한, 광전변환소자(110)에서 제1불순물영역(112)과 제2불순물영역(114)의 접합 즉, P-N 접합에서 입사광 또는 내부 결함에 의해 발생된 전자가 인접한 광전변환소자(110)의 제2불순물영역(114)으로 주입되어 전기적 크로스토크를 발생시킬 수 있다. 그러나, 본 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 제1공핍영역(112A) 및 제2공핍영역(114B)에서 입사광에 의해 발생된 전자 및 P-N 접합에서 입사광 또는 내부 결함에 의해 발생된 전자를 소자분리전압(VISO)이 인가된 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)을 외부로 용이하게 배출할 수 있기 때문에 전기적 크로스토크를 방지할 수 있다.
또한, 제3소자분리영역(126)을 구비함으로써, 인접한 단위픽셀들(PX) 사이에서 광학적 크로스토크를 방지할 수 있다. 여기서, 트렌치형 분리막을 포함하는 제3소자분리영역(126)에 기인한 암전류 소스를 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)을 통해 포획할 수 있기 때문에 암전류비를 더욱더 감소시킬 수 있다.
여기서, 도 4의 도면부호 'C'를 참조하면, 광학적 크로스토크를 방지하기 위해 트렌치형 분리막으로 구성된 제3소자분리영역(126)의 계면에서 발생한 전자가 광전변환소자(110)로 주입되어 암전류비를 증가시킬 수 있다. 그러나, 본 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 제3소자분리영역(126)을 형성하는 과정에서 발생된 결함에 의하여 발생된 전자를 소자분리전압(VISO)이 인가된 제1소자분리영역(122) 및 제2소자분리영역(124)을 외부로 용이하게 배출할 수 있기 때문에 암전류비를 감소시킬 수 있다.
결과적으로, 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 제1소자분리영역(122) 내지 제3소자분리영역(126)을 포함하는 소자분리구조물(120)을 구비함으로써, 이미지 센시 장치의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상 본 기술을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 기술은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 기술의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
PX : 단위픽셀 100 : 기판
110 : 광전변환소자 112, Anode : 제1불순물영역
112A : 제1공핍영역 114, Cathode : 제2불순물영역
114A : 제2공핍영역 116 : 가드링
120 : 소자분리구조물 122 : 제1소자분리영역
124 : 제2소자분리영역 126 : 제3소자분리영역
130 : 마이크로 렌즈 VISO : 소자분리전압

Claims (20)

  1. 상면 및 하면을 갖는 기판;
    상기 기판에 형성된 광전변환소자; 및
    상기 광전변환소자의 측면 및 저면을 감싸도록 상기 기판에 형성된 소자분리구조물을 포함하고,
    상기 소자분리구조물은,
    상기 기판의 상면에 접하여 상기 광전변환소자의 측면을 둘러싸는 제1소자분리영역; 및
    상기 기판 내에 형성되어 상기 광전변환소자의 저면을 감싸고, 상기 제1소자분리영역과 전기적으로 연결된 제2소자분리영역
    을 포함하는 이미지 센싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소자분리구조물은 상기 기판에 형성되어 타측 끝단이 상기 기판의 하면에 접하고, 일측 끝단이 상기 제1소자분리영역 및 상기 제2소자분리영역에 접하며, 상기 제1소자분리영역과 중첩되는 제3소자분리영역을 더 포함하는 이미지 센싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3소자분리영역은 트렌치형 분리막을 포함하고, 상기 트렌치형 분리막은 상기 기판의 하면에서 형성된 소자분리 트렌치 및 상기 소자분리 트렌치에 매립된 갭필절연막을 포함하는 이미지 센싱 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제3소자분리영역의 일측 끝단은 상기 제1소자분리영역 내부로 연장되어 상기 제3소자분리영역의 일측 끝단부 저면 및 측면을 상기 제1소자분리영역이 감싸는 형태를 갖는 이미지 센싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1소자분리영역 및 상기 제2소자분리영역은 서로 동일한 도전형을 갖는 불순물영역을 포함하는 이미지 센싱 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1소자분리영역 및 상기 제2소자분리영역은 소자분리전압을 인가받도록 구성되고, 상기 소자분리전압의 절대값은 접지전압보다 크고, 상기 광전변환소자의 항복전압 절대값보다는 작은 이미지 센싱 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1소자분리영역의 측면은 마주보는 상기 광전변환소자의 측면으로부터 제1간격만큼 이격되고, 상기 제2소자분리영역의 상면은 마주보는 상기 광전변환소자의 저면으로부터 제2간격만큼 이격된 이미지 센싱 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2간격은 상기 제1간격보다 큰 이미지 센싱 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1소자분리영역은 파이프 형상을 갖고, 상기 제2소자분리영역은 평판 형상을 가지며, 상기 제1소자분리영역 및 상기 제2소자분리영역은 상기 광전변환소자를 완전히 격리시키는 구조를 갖는 이미지 센싱 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 상면을 기준으로 상기 제1소자분리영역의 깊이는 상기 광전변환소자의 깊이보다 더 큰 이미지 센싱 장치.
  11. 상면 및 하면을 갖는 기판;
    상기 기판에 형성된 제1도전형을 갖는 제1불순물영역 및 제2도전형을 갖고, 상기 제1불순물영역의 측면 및 저면을 감싸는 제2불순물영역을 포함하는 광전변환소자;
    상기 광전변환소자의 측면을 둘러싸고, 일측 끝단이 상기 기판의 상면에 접하는 제1소자분리영역;
    상기 기판에 형성되어 타측 끝단이 상기 기판의 하면에 접하고, 일측 끝단이 상기 제1소자분리영역에 접하는 제3소자분리영역; 및
    상기 기판내에 형성되어 상기 광전변환소자와 중첩되고, 양측 끝단이 상기 제1소자분리영역 및 상기 제3소자분리영역에 접하는 제2소자분리영역
    을 포함하는 이미지 센싱 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광전변환소자는 상기 제2불순물영역 내에 형성되고, 상기 제1불순물영역의 측면에 접하여 상기 제1불순물영역을 둘러싸는 가드링을 더 포함하는 이미지 센싱 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1소자분리영역 및 상기 제2소자분리영역 각각은 제2도전형을 갖는 불순물영역을 포함하고, 상기 제1소자분리영역과 상기 제2소자분리영역은 전기적으로 연결된 이미지 센싱 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1소자분리영역은 파이프 형상을 갖고, 상기 제2소자분리영역은 평판 형상을 가지며, 상기 제1소자분리영역 및 상기 제2소자분리영역은 상기 광전변환소자를 완전히 격리시키는 구조를 갖는 이미지 센싱 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1소자분리영역의 측면은 마주보는 상기 광전변환소자의 측면으로부터 제1간격만큼 이격되고, 상기 제2소자분리영역의 상면은 마주보는 상기 광전변환소자의 저면으로부터 제2간격만큼 이격된 이미지 센싱 장치.
  16. 제16항에 있어서,
    상기 제2간격은 상기 제1간격보다 큰 이미지 센싱 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제3소자분리영역은 파이프 형상을 갖는 트렌치형 분리막을 포함하고, 상기 트렌치형 분리막은 상기 기판의 하면에서 형성된 소자분리 트렌치 및 상기 소자분리 트렌치에 매립된 갭필절연막을 포함하는 이미지 센싱 장치.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 제3소자분리영역은 상기 제1소자분리영역과 중첩되고, 상기 제3소자분리영역의 일측 끝단은 상기 제1소자분리영역 내부로 연장되어 상기 제3소자분리영역의 일측 끝단부 저면 및 측면을 상기 제1소자분리영역이 감싸는 형태를 갖는 이미지 센싱 장치.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 제1소자분리영역 및 상기 제2소자분리영역은 소자분리전압을 인가받도록 구성되고, 상기 소자분리전압의 절대값은 접지전압보다 크고, 상기 광전변환소자의 항복전압 절대값보다는 작은 이미지 센싱 장치.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 광전변환소자는 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)를 포함하는 이미지 센싱 장치.
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