KR20220140255A - 이미지 센서 - Google Patents

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KR20220140255A
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photodiode
image sensor
region
transistor
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KR1020210046523A
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박정훈
배형진
신승호
오영선
임무섭
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삼성전자주식회사
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Publication date
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Abstract

이미지 센서가 제공된다. 이 이미지 센서는 광이 입사하는 제1 표면 및 상기 제1 표면과 대향하는 제2 표면을 가지는 기판, 상기 기판 내에 위치하며 상기 제1 표면의 제1 영역에 입사된 광으로부터 광 전하를 생성하도록 구성된 제1 포토 다이오드, 상기 기판 내에 위치하며 상기 제1 표면의 제2 영역에 입사된 광으로부터 광 전하를 생성하도록 구성된 제2 포토 다이오드, 및 상기 제1 포토 다이오드와 상기 제2 포토 다이오드 사이에 연장되는 분리(ioslation) 구조체를 포함하고, 상기 제2 영역의 면적은 상기 제1 영역의 면적보다 작고, 상기 분리 구조체의 일 단(end)은 상기 제2 표면과 공면이고, 상기 분리 구조체는 상기 기판의 상기 제2 표면으로부터 상기 제1 표면을 향해 수직 방향으로 연장될 수 있다.

Description

이미지 센서 {Image Sensor}
본 개시는 이미지 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 이미지 센서에 관한 것이다.
LED 플리커 완화(LED flicker mitigation, LFM) 이미지 센서는 넓은 다이나믹 레인지(wide dynamic range, WDR)를 가질 수 있다. WDR을 달성하기 위해 LFM 이미지 센서는 감도(sensitivity)가 다른 복수의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 포토 다이오드들은 광을 수신하여 광전하들을 생성한다. 높은 조도에서 하나의 포토 다이오드에서 생성된 광전하가 다른 감도를 가지는 이웃한 포토 다이오드 측으로 이동할 수 있다. 감도가 다른 포토 다이오드들 사이의 이러한 블루밍(blooming) 현상으로 인해 이미지가 왜곡될 수 있다.
본 개시가 해결하고자 하는 과제는 블루밍 현상이 완화된 되어 더 넓은 WDR (Wide Dynamic Range) 및 더 높은 SNR(Signal to Noise Ratio)을 가지는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서는 광이 입사하는 제1 표면 및 상기 제1 표면과 대향하는 제2 표면을 가지는 기판, 상기 기판 내에 위치하며 상기 제1 표면의 제1 영역에 입사된 광으로부터 광 전하를 생성하도록 구성된 제1 포토 다이오드, 상기 기판 내에 위치하며 상기 제1 표면의 제2 영역에 입사된 광으로부터 광 전하를 생성하도록 구성된 제2 포토 다이오드, 및 상기 제1 포토 다이오드와 상기 제2 포토 다이오드 사이에 연장되는 분리(ioslation) 구조체를 포함하고, 상기 제2 영역의 면적은 상기 제1 영역의 면적보다 작고, 상기 분리 구조체의 일 단(end)은 상기 제2 표면과 공면이고, 상기 분리 구조체는 상기 기판의 상기 제2 표면으로부터 상기 제1 표면을 향해 수직 방향으로 연장될 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서는 광이 입사하는 제1 표면 및 상기 제1 표면과 대향하는 제2 표면을 가지는 기판, 상기 기판 내에 위치하는 고감도 포토 다이오드, 상기 기판 내에 위치하며 상기 고감도 포토 다이오드의 감도보다 낮은 감도를 가지는 저감도 포토 다이오드, 및 상기 고감도 포토 다이오드 및 상기 저감도 포토 다이오드를 서로로부터 전기적으로 분리시키는 분리 구조체를 포함하고, 상기 분리 구조체는 상기 기판의 상기 제2 표면으로부터 상기 제1 표면까지 수직 방향으로 상기 기판을 완전히 관통할 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서는 서로 대향하는 제1 표면 및 제2 표면을 가지는 기판, 상기 제1 표면의 제1 영역 상의 제1 마이크로 렌즈, 상기 제1 표면의 제2 영역 상의 제2 마이크로 렌즈, 상기 제1 영역 아래 상기 기판 내에 위치하는 제1 포토 다이오드, 상기 제2 영역 아래 상기 기판 내에 위치하는 제2 포토 다이오드, 상기 제2 표면으로부터 상기 제1 표면을 향해 수직 방향으로 연장되며 상기 제1 포토 다이오드와 상기 제2 포토 다이오드를 둘러싸는 분리 구조체, 상기 기판의 상기 제2 면으로부터 상기 기판 내로 연장되며 상기 제1 포토 다이오드에 전기적으로 연결되는 제1 전송 게이트, 및 상기 기판의 상기 제2 면으로부터 상기 기판 내로 연장되며 상기 제2 포토 다이오드에 전기적으로 연결되는 제2 전송 게이트를 포함하고, 상기 제2 영역의 면적은 상기 제1 영역의 면적보다 작을 수 있다.
본 개시에 따른 이미지 센서는 감도가 다른 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드를 포함함으로써 넓은 다이나믹 레인지를 가지며 LED 플리커 완화 기능을 달성할 수 있다. 또한 본 개시에 따른 이미지 센서는 빛이 입사하는 기판의 제1 면과 대향하는 제2 면으로부터 제1 표면을 향해 수직 방향으로 연장되며 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드 사이에 연장되는 분리 구조체를 포함할 수 있다. 이러한 분리 구조체는 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드 사이의 블루밍 현상을 완화시킬 수 있다. 특히, 분리 구조체가 기판의 제1 면으로부터 제2 면까지 수직 방향으로 연장되어 기판을 완전히 관통하는 경우, 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드를 완전히 분리함으로써 블루밍 현상을 방지하여 빛의 세기가 강해지더라도 제2 포토 다이오드의 SNR(Signal to Noise Ratio)을 높일 수 있다.
도 1은 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2는 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀의 회로도이다.
도 3은 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀의 회로도이다.
도 4는 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 5는 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서의 도 4의 A-A' 선을 따른 단면도이다.
도 6은 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서의 도 4의 B-B' 선을 따른 단면도이다.
도 7은 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 8은 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 9는 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서의 도 4의 A-A' 선에 대응하는 단면도이다.
도 10은 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서의 도 4의 B-B' 선에 대응하는 단면도이다.
도 11a 내지 도 11c는 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸 단면도들이다.
도 12a 내지 도 12f는 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸 단면도들이다.
도 1은 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서(100)의 블록도이다.
이미지 센서(100)는 전자 기기에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(100)는 카메라, 스마트폰, 웨어러블 기기, 사물 인터넷(Internet of Things(IoT)) 기기, 가전 기기, 태블릿 PC(Personal Computer), PDA(Personal Digital Assistant), PMP(portable Multimedia Player), 네비게이션(navigation), 드론(drone), 첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Drivers Assistance System; ADAS) 등과 같은 전자 기기에 탑재될 수 있다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(1110), 로우 드라이버(1120), 리드아웃 회로(1130), 램프 신호 생성기(1140), 타이밍 컨트롤러(1150) 및 신호 처리부(1190)를 포함할 수 있고, 리드아웃 회로(1130)는 아날로그-디지털 변환 회로(1131, 이하에서는 ADC 회로라 지칭함) 및 데이터 버스(1132)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(1110)는 행과 열로 배열된 복수의 픽셀(PX)을 포함할 수 있다. 각각의 픽셀(PX)은 빛을 전기적 신호로 변환할 수 있다. 픽셀 어레이(1110)는 복수의 로우 라인(RL) 및 복수의 컬럼 라인(CL)에 연결될 수 있다.
로우 드라이버(1120)는 픽셀 어레이(1110)를 행 단위로 구동한다. 로우 드라이버(1120)는 타이밍 컨트롤러(1150)로부터 수신되는 행 제어 신호(예컨대, 어드레스 신호)를 디코딩하고, 디코딩된 행 제어 신호에 응답하여 복수의 로우 라인(RL) 중에서 적어도 하나를 선택할 수 있다. 예컨대, 로우 드라이버(1120)는 복수의 로우 라인(RL)중 하나를 선택하는 선택 신호를 생성할 수 있다. 픽셀 어레이(1110)는 로우 드라이버(1120)로부터 제공된 선택 신호에 의해 선택되는 픽셀(PX)들의 행으로부터 픽셀 신호, 예컨대 픽셀 전압을 출력한다.
램프 신호 생성기(1140)는 소정의 기울기로 증가 또는 감소하는 램프 신호(RAMP)를 생성할 수 있다. 또한 램프 신호 생성기(1140)는 램프 신호(RAMP)를 리드아웃 회로(1130)의 ADC 회로(1131)에 제공할 수 있다.
리드아웃 회로(1130)는 복수의 픽셀(PX)들 중 로우 드라이버(1120)에 의해 선택된 행의 픽셀(PX)들로부터 픽셀 신호를 리드아웃할 수 있다. 이때, 픽셀 신호는 리셋 신호 또는 이미지 신호(또는 센싱 신호)를 포함할 수 있다. 리드아웃 회로(1130)는 복수의 컬럼 라인(CL)을 통해 픽셀 어레이(1110)로부터 수신되는 리셋 신호들 및 이미지 신호들을 램프 신호 생성기(1140)로부터의 램프 신호(RAMP)를 기초로 디지털 데이터로 변환함으로써, 복수의 픽셀(PX)에 대응하는 픽셀 값들을 행 단위로 생성 및 출력할 수 있다.
ADC 회로(1131)는 픽셀 어레이(1110)로부터 입력되는 픽셀 신호(예컨대 픽셀 전압)를 디지털 신호인 픽셀 값으로 변환할 수 있다. ADC 회로(1131)는 복수의 컬럼 라인(CL)에 각각 대응하는 복수의 ADC를 포함할 수 있으며, 복수의 ADC 각각은 대응하는 컬럼 라인(CL)을 통해 수신되는 리셋 신호 및 이미지 신호를 램프 신호(RAMP)와 각각 비교하고 비교 결과들을 기초로 픽셀 값을 생성할 수 있다. 예컨대 ADC는 이미지 신호에서 리셋 신호를 제거하고, 픽셀(PX)에서 감지된 광 량을 나타내는 픽셀 값을 생성할 수 있다.
ADC 회로(131)는 복수의 CDS 회로(Correlated Double Sampling 회로) 및 복수의 카운터 회로를 포함할 수 있다. CDS 회로는 컬럼 라인(CL)을 통해 수신되는 픽셀 신호를 램프 신호(RAMP)와 비교하고, 비교 결과를 출력할 수 있다. CDS 회로는 CDS 방식에 따라 픽셀(PX)로부터 제공되는 픽셀 신호를 샘플링 및 홀드할 수 있으며, 특정한 노이즈의 레벨(예컨대 리셋 신호)과 이미지 신호에 따른 레벨을 이중으로 샘플링하여, 그 차이에 해당하는 레벨을 기초로 비교 신호를 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, CDS 회로는 하나 이상의 비교기를 포함할 수 있다. 비교기는 예컨대 OTA(Operational Transconductance Amplifier)(또는 차동 증폭기)로 구현될 수 있다. ADC 회로(1131)는 복수의 DRS(Delta Reset Sampling) 회로를 포함할 수 있다. DRS 회로는 DRS 방식에 따라 이미지 신호를 먼저 리드아웃한 다음 리셋 신호를 리드아웃하는 방식으로 픽셀 신호를 샘플링 할 수 있다.
ADC 회로(1131)에서 생성되는 복수의 픽셀 값은 데이터 버스(1132)를 통해 이미지 데이터(IDT)로서 출력될 수 있다. 데이터 버스(1132)는 ADC 회로(1131)로부터 출력된 픽셀 값을 임시 저장한 후 출력할 수 있다. 데이터 버스(1132)는 복수의 컬럼 메모리, 및 컬럼 디코더를 포함할 수 있다. 복수의 컬럼 메모리에 저장된 복수의 픽셀 값은 컬럼 디코더의 제어 하에 이미지 데이터(IDT)로서 출력될 수 있다. 예컨대, 이미지 데이터(IDT)는 이미지 센서(100)의 내부 또는 외부의 신호 처리부(1190)로 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, 이미지 센서(100)는 리드아웃 기간에 픽셀(PX)의 동작 모드가 변경될 때 바이어스 전류를 증가 또는 감소시키기 위한 바이어스 전류 컨트롤러(미도시)를 더 구비할 수 있다. 복수의 바이어스 전류 컨트롤러는 복수의 열 라인(CL) 각각에 연결될 수 있다.
신호 처리부(1190)는 이미지 데이터(IDT)에 대하여 노이즈 저감 처리, 게인 조정, 파형 정형화 처리, 보간 처리, 화이트밸런스 처리, 감마 처리, 에지 강조 처리, 비닝 등을 수행할 수 있다. 일부 실시예에서, 픽셀 어레이(1110)가 한 프레임 기간에 복수의 모드로 동작하고, 신호 처리부(1190)는 데이터 버스(1132)로부터 복수의 모드에 각각 대응하는 복수의 이미지 데이터(IDT)를 수신하고, 복수의 이미지 데이터(IDT)를 병합하여 높은 다이나믹 레인지를 갖는 이미지를 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 신호 처리부(1190)는 이미지 센서(100) 외부의 프로세서에 구비될 수도 있다.
도 2는 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀(PX)의 회로도이다.
픽셀(PX)은 복수의 포토 다이오드들, 예컨대 제1 포토 다이오드(LPD) 및 제2 포토 다이오드(SPD)를 포함할 수 있다. 픽셀(PX)은 제1 전송(transfer) 게이트(LTG), 제2 전송 게이트(STG), 리셋 트랜지스터(RG), 구동 트랜지스터(DX), 선택 트랜지스터(SX), 게인(gain) 제어 트랜지스터(DRG), 및 스위치 트랜지스터(SW)를 더 포함할 수 있다. 픽셀(PX)은 복수의 플로팅 디퓨전 영역, 예컨대 제1 내지 제3 플로팅 디퓨전 영역(FD1, FD2, FD3)을 더 포함할 수 있다. 픽셀(PX)은 캐패시터(C1)를 더 포함할 수 있다.
제1 포토 다이오드(LPD) 및 제2 포토 다이오드(SPD)는 입사되는 광의 세기에 대응하는 양의 광 전하를 생성할 수 있다. 예컨대, 광전하는 전자 및 정공을 포함할 수 있다. 제1 포토 다이오드(LPD)와 제2 포토 다이오드(SPD)는 서로 다른 감도를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 포토 다이오드(LPD)의 감도는 제2 포토 다이오드(SPD)의 감도보다 높을 수 있다. 이와 같이, 하나의 픽셀(PX)에 다른 감도를 가지는 제1 포토 다이오드(LPD) 및 제2 포토 다이오드(SPD)를 포함하는 구조는 스플릿 포토 다이오드(Split photodiode) 구조라 지칭될 수 있다.
제1 전송 게이트(LTG)의 제1 소스/드레인은 제1 포토 다이오드(LPD)에 연결되고 제1 전송 게이트(LTG)의 제2 소스/드레인은 제1 플로팅 디퓨전 영역(FD1)에 연결될 수 있다. 제1 전송 게이트(LTG)는 제1 전송 제어 신호(LTS)에 응답하여 제1 포토 다이오드(LPD)에 의해 생성된 광 전하를 제1 플로팅 디퓨전 영역(FD1)으로 전송할 수 있다.
게인 제어 트랜지스터(DRG)의 제1 소스/드레인은 제1 플로팅 디퓨전 영역(FD1)에 연결될 수 있고, 게인 제어 트랜지스터(DRG)의 제2 소스/드레인은 제2 플로팅 디퓨전 영역(FD2)에 연결될 수 있다. 컨버전 게인 신호(CGS)에 따라 컨버전 게인 트랜지스터(DRG)는 켜지거나 꺼질 수 있다. 컨버전 게인 트랜지스터(DRG)가 켜지면, 제1 플로팅 디퓨전 영역(FD1)과 제2 플로팅 디퓨전 영역(FD2)이 서로 연결된다. 제1 플로팅 디퓨전 영역(FD1)과 제2 플로팅 디퓨전 영역(FD2)이 서로 연결됨에 따라 캐패시턴스가 증가할 수 있다. 캐패시턴스가 증가하면, 컨버전 게인(conversion gain)은 감소할 수 있다. 반대로, 컨버전 게인 트랜지스터(DRG)가 꺼지면, 제1 플로팅 디퓨전 영역(FD1)과 제2 플로팅 디퓨전 영역(FD2)이 서로로부터 분리되고, 캐패시턴스가 감소되어, 컨버전 게인은 증가할 수 있다. 여기서 컨버전 게인은 플로팅 디퓨전 영역에 축적된 전하가 전압으로 변환되는 비율을 의미하며, 캐패시턴스가 증가되면 컨버전 게인은 감소한다.
제2 전송 게이트(STG)의 제1 소스/드레인은 제2 포토 다이오드(SPD)에 연결되고, 제2 전송 게이트(STG)의 제2 소스/드레인은 제3 플로팅 디퓨전 영역(FD3) 에 연결될 수 있다. 제2 전송 게이트(STG)는 제2 전송 제어 신호(STS)에 응답하여 제2 포토 다이오드(SPD)에 의해 생성된 광 전하를 제3 플로팅 디퓨전 영역(FD3)으로 전송할 수 있다.
캐패시터(C1)의 제1 전극은 제3 플로팅 디퓨전 영역(FD3)에 연결되고, 캐패시터(C1)의 제2 전극은 픽셀 전압(VPIX)에 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 캐패시터(C1)의 제2 전극에 픽셀 전압(VPIX)이 아닌 다른 전압이 인가될 수 있다. 제2 포토 다이오드(SPD)에 의해 생성되어 제2 포토 다이오드(SPD)로부터 오버플로우(overflow)된 광 전하가 캐패시터(C1)에 축적될 수 있다.
스위치 트랜지스터(SW)의 제1 소스/드레인은 제2 플로팅 디퓨전 영역(FD2)에 연결될 수 있고, 스위치 트랜지스터(SW)의 제2 소스/드레인은 제3 플로팅 디퓨전 영역(FD3)에 연결될 수 있다. 스위치 트랜지스터(SW)는 스위치 제어 신호(SWS)에 응답하여 제2 플로팅 디퓨전 영역(FD2)과 제3 플로팅 디퓨전 영역(FD3)을 서로 연결할 수 있다.
리셋 트랜지스터(RG)의 제1 소스/드레인에는 리셋 전압(예컨대, 픽셀 전압(VPIX))이 인가될 수 있고, 리셋 트랜지스터(RG)의 제2 소스/드레인은 제2 플로팅 디퓨전 영역(FD2)에 연결될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RG)는 리셋 제어 신호(RS)에 응답하여 제1 내지 제3 플로팅 디퓨전 영역들(FD1, FD2, FD3) 중 적어도 하나 내에 축적된 광전하를 리셋시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 리셋 전압은 픽셀 전압(VPIX)과 동일하지 않을 수 있다.
구동 트랜지스터(DX)의 제1 소스/드레인은 선택 트랜지스터(SX)에 연결될 수 있고, 구동 트랜지스터(DX)의 제2 소스/드레인에는 구동 전압(예컨대, 픽셀 전압(VPIX))이 인가될 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 열 라인(CL)에 연결된 전류 소스(CS)에 의하여 생성되는 바이어스 전류(IL)를 기초로 소스 팔로워로서 동작할 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 제1 내지 제3 플로팅 디퓨전 영역들(FD1, FD2, FD3) 중 적어도 하나에 축적된 전하의 양에 대응하는 전압을 출력할 수 있다.
선택 트랜지스터(SX)의 제1 소스/드레인은 구동 트랜지스터(DX)에 연결될 수 있고 선택 트랜지스터(SX)의 제2 소스/드레인은 열 라인(CL)에 연결될 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 컬럼 라인(CL)으로 리셋 신호 또는 이미지 신호를 포함하는 픽셀 신호를 출력할 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 제1 포토 다이오드(LPD)에 의해 생성된 광 전하는 게인 제어 신호(CGS)에 따라 하이 컨버전 게인(high conversion gain, HCG) 모드 또는 로우 컨버전 게인(Low conversion gain, LCG) 모드로 리드아웃될 수 있다. 예를 들어, HCG 모드에서, 게인 제어 신호(CGS)는 비활성 레벨을 가지고, 게인 제어 트랜지스터(DRG)는 꺼질 수 있다. 따라서 제1 플로팅 디퓨전 영역(FD1)과 제2 플로팅 디퓨전 영역(FD2)은 서로 연결되지 않을 수 있다. 또한, LCG 모드에서, 게인 제어 신호(CGS)는 활성 레벨을 가지고, 게인 제어 트랜지스터(DRG)는 켜질 수 있다. 따라서 제1 플로팅 디퓨전 영역(FD1)과 제2 플로팅 디퓨전 영역(FD2)은 서로 연결되고, 캐패시턴스가 증가하여 컨버전 게인이 감소할 수 있다.
제2 포토 다이오드(SPD)에 의해 생성된 광 전하는 제2 포토 다이오드에 축적된 광 전하를 읽는 제1 모드 또는 제2 포토 다이오드(SPD)로부터 오버플로우되어 캐패시터(C1)에 저장된 광 전하를 읽는 제2 모드로 리드아웃될 수 있다.
제1 포토 다이오드(LPD)는 하이 컨버전 게인(HCG) 모드에서 가장 낮은 제1 조도 구간에 대응하는 제1 픽셀 신호를 생성하고, 로우 컨버전 게인(LCG) 모드에서 상기 제1 조도 구간 보다 높은 제2 조도 구간에 대응하는 제2 픽셀 신호를 생성할 수 있다. 제2 포토 다이오드(SPD)는 제1 모드에서 제2 조도 구간보다 높은 제3 조도 구간에 대응하는 제3 픽셀 신호를 생성하고, 제2 모드에서 가장 높은 제4 조도 구간에 대응하는 제4 픽셀 신호를 생성할 수 있다. 제1 픽셀 신호 내지 제4 픽셀 신호는 하나의 이미지로 합성될 수 있으며, 합성된 이미지는 높은(high) 다이나믹 레인지를 가질 수 있다. 나아가, 제2 포토 다이오드(SPD)의 노출 시간을 증가시키는 경우, LED 플리커 완화(LED flicker mitigation, LFM)가 달성될 수 있다.
도 3은 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀(PXa)의 회로도이다. 이하에서는 도 2에 도시된 픽셀(PX)과 도 3에 도시된 픽셀(PXa) 사이의 차이점이 설명된다.
픽셀(PXa)은 도 3에 도시된 스위치 트랜지스터(SW) 대신 제1 스위치 트랜지스터(SW1) 및 제2 스위치 트랜지스터(SW2)를 포함할 수 있다. 또한, 픽셀(PXa)은 제4 플로팅 디퓨전 영역(FD4)을 더 포함할 수 있다.
제2 전송 게이트(STG)의 제1 소스/드레인은 제2 포토 다이오드(SPD)에 연결될 수 있고, 제2 전송 게이트(STG)의 제2 소스/드레인은 제4 플로팅 디퓨전 영역(FD4)에 연결될 수 있다. 제2 전송 게이트(STG)는 제2 전송 제어 신호(STS)에 응답하여 제2 포토 다이오드(SPD)에 의해 생성된 광 전하를 제4 플로팅 디퓨전 영역(FD4)으로 전송할 수 있다.
제1 스위치 트랜지스터(SW1)의 제1 소스/드레인은 제3 플로팅 디퓨전 영역(FD3)에 연결될 수 있고, 제1 스위치 트랜지스터(SW1)의 제2 소스/드레인은 제4 플로팅 디퓨전 영역(FD4)에 연결될 수 있다. 제1 스위치 트랜지스터(SW1)는 제1 스위치 제어 신호(SWS1)에 응답하여 제3 플로팅 디퓨전 영역(FD3)과 제4 플로팅 디퓨전 영역(FD4)을 서로 연결할 수 있다. 제3 플로팅 디퓨전 영역(FD3)과 제4 플로팅 디퓨전 영역(FD4)이 서로 연결되면, 캐패시턴스는 증가하고 컨버전 게인은 감소할 수 있다.
제2 스위치 트랜지스터(SW2)의 제1 소스/드레인은 제4 플로팅 디퓨전 영역(FD4)에 연결되고, 제2 스위치 트랜지스터(SW2)의 제2 소스/드레인은 제2 플로팅 디퓨전 영역(FD2)에 연결될 수 있다. 제2 스위치 트랜지스터(SW2)는 제2 스위치 제어 신호(SWS2)에 응답하여 제2 플로팅 디퓨전 영역(FD2)과 제4 플로팅 디퓨전 영역(FD4)을 서로 연결할 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 제2 포토 다이오드(SPD)에 의해 생성된 광 전하들이 제1 모드로 읽힐 때, 제1 스위치 제어 신호(SWS1)는 비활성 레벨을 가질 수 있고 제1 스위치 트랜지스터(SW1)는 꺼질 수 있다. 따라서 제3 플로팅 디퓨전 영역(FD3)과 제4 플로팅 디퓨전 영역(FD4)이 서로 연결되지 않고 제1 모드에서 컨버전 게인은 비교적 높을 수 있다. 제2 포토 다이오드(SPD)에 의해 생성된 광 전하들이 제2 모드로 읽힐 때, 제1 스위치 제어 신호(SWS1)는 활성 레벨을 가질 수 있고, 제1 스위치 트랜지스터(SW1)는 켜질 수 있다. 따라서 제3 플로팅 디퓨전 영역(FD3)과 제4 플로팅 디퓨전 영역(FD4)이 서로 연결되어 캐패시턴스가 증가할 수 있고 제2 모드에서 컨버전 게인은 비교적 낮을 수 있다.
제2 모드에서 고용량의 캐패시터(C1)의 사용으로 인해 다이나믹 레인지가 더 넓어질 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서 고용량의 캐패시터(C1)는 컨버전 게인을 감소시켜 신호 노이즈 비 (Signal to Noise Ration, SNR)를 감소시킬 수 있다. 그러나 도 3에 도시된 실시예에서 제1 스위치 트랜지스터(SW1)를 이용하여 제1 모드에서 고용량의 캐패시터(C1)를 제4 플로팅 디퓨전 영역(FD4)로부터 분리시킴으로써 고용량의 캐패시터(C1)로 인한 컨버전 게인 감소를 방지할 수 있다. 따라서 제1 모드에서의 높은 컨버전 게인으로 인해 SNR이 증가될 수 있다.
도 4는 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서(100)의 평면도이다. 도 5는 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서(100)의 도 4의 A-A' 선을 따른 단면도이다. 도 6은 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서(100)의 도 4의 B-B' 선을 따른 단면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 이미지 센서(100)는 제1 표면(F1) 및 제2 표면(F2)을 가지는 기판(110), 기판(110) 내의 제1 포토 다이오드(LPD) 및 제2 포토 다이오드(SPD), 및 제1 포토 다이오드(LPD)와 제2 포토 다이오드(SPD) 사이에 연장되는 분리(isolation) 구조체(150)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이미지 센서(100)는 제1 전송 게이트(LTG) 및 제2 전송 게이트(STG)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이미지 센서(100)는 기판(110)의 제2 표면(F2) 상의 리셋 트랜지스터(RG), 선택 트랜지스터(SX), 구동 트랜지스터(DX), 스위치 트랜지스터(SW), 및 게인 제어 트랜지스터(DRG)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이미지 센서(100)는 기판(110) 내의 제1 내지 제3 플로팅 디퓨전 영역(FD1, FD2, FD3, 도 2 참조)을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이미지 센서(100)는 기판(110)의 제2 표면(F2) 상의 전면 구조체(130)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이미지 센서(100)는 기판(110)의 제1 표면(F1) 상의 반사 방지 층(161), 반사 방지 층(161) 상의 펜스(163) 및 컬러 필터(170), 및 펜스(163) 및 컬러 필터(170) 상의 제1 마이크로 렌즈(180L) 및 제2 마이크로 렌즈(180S)를 더 포함할 수 있다.
기판(110)은 서로 대향하는 제1 표면(F1)과 제2 표면(F2)을 가질 수 있다. 제1 표면(F1)은 제1 마이크로 렌즈(180L) 또는 제2 마이크로 렌즈(180S)를 통과한 빛이 기판(110) 내로 입사하는 면일 수 있다. 상기 기판(110)은 Ⅳ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 Ⅳ족 반도체 물질은 예를 들어 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 또는 실리콘(Si)-게르마늄(Ge)을 포함할 수 있다. 상기 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질은 예를 들어 갈륨비소(GaAs), 인듐인(InP), 갈륨인(GaP), 인듐비소(InAs), 인듐 안티몬(InSb), 또는 인듐갈륨비소(InGaAs)를 포함할 수 있다. 상기 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질은 예를 들어 텔루르화 아연(ZnTe), 또는 황화카드뮴(CdS)을 포함할 수 있다.
제1 포토 다이오드(LPD)는 기판(110) 내에 위치하며 기판(110)의 제1 표면(F1)의 제1 영역(RL)에 입사된 광으로부터 광 전하를 생성하도록 구성될 수 있다. 제1 포토 다이오드(LPD)는 제1 영역(RL) 아래 기판(110) 내에 위치할 수 있다. 제2 포토 다이오드(SPD)는 기판(110) 내에 위치하며 기판(110)의 제1 표면(F1)의 제2 영역(RS)에 입사된 광으로부터 광 전하를 생성하도록 구성될 수 있다. 제2 포토 다이오드(SPD)는 제2 영역(RS) 아래 기판(110) 내에 위치할 수 있다.
제2 영역(RS)의 면적은 제1 영역(RL)의 면적보다 작을 수 있다. 따라서 같은 세기의 빛이 입사할 때 제2 포토 다이오드(SPD)는 제1 포토 다이오드(LPD)보다 적은 광 전하를 생성할 수 있다. 즉, 제2 포토 다이오드(SPD)는 제1 포토 다이오드(LPD)보다 낮은 감도를 가질 수 있다. 따라서 제1 포토 다이오드(LPD)는 비교적 높은 감도를 가지며 비교적 낮은 조도에 대응하는 픽셀 신호를 생성하고, 제2 포토 다이오드(SPD)는 비교적 낮은 감도를 가지며 비교적 높은 조도에 대응하는 픽셀 신호를 생성할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 평면적 관점에서 제1 영역(RL)은 팔각형이고, 제2 영역(RS)은 사각형일 수 있다. 그러나, 제1 영역(RL) 및 제2 영역(RS)의 형상들은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 제1 영역(RL) 및 제2 영역(RS)의 형상들 각각은 원형 또는 사각형일 수 있다.
분리 구조체(150)는 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110)의 제1 표면(F1)까지 수직 방향(Z 방향)으로 연장되어 기판(110)을 완전히 관통하며 제1 포토 다이오드(LPD)와 제2 포토 다이오드(SPD) 사이에 연장될 수 있다. 평면적 관점에서, 픽셀 분리 구조체(150)는 제1 포토 다이오드(LPD)와 제2 포토 다이오드(SPD)를 둘러쌀 수 있다. 따라서 분리 구조체(150)는 제1 포토 다이오드(LPD)와 제2 포토 다이오드(SPD)를 서로로부터 분리할 수 있다. 따라서 제1 포토 다이오드(LPD)와 제2 포토 다이오드(SPD) 중 하나에서 생성된 광 전하가 제1 포토 다이오드(LPD)와 제2 포토 다이오드(SPD) 중 다른 하나로 이동하는 블루밍 현상을 방지할 수 있다.
도 4 및 도 6에 도시된 것처럼, 분리 구조체(150)는 이웃한 두 제1 포토 다이오드(LPD) 사이에 더 연장될 수 있다. 분리 구조체(150)는 이웃한 두 제1 포토 다이오드(LPD)를 둘러쌀 수 있다. 이웃한 두 제1 포토 다이오드(LPD)는 기판(110)의 제1 표면(F1)의 이웃한 두 제1 영역(RL) 아래에 기판(110) 내에 각각 위치할 수 있다. 이웃한 두 제1 포토 다이오드(LPD)는 이웃한 두 제1 영역(RL)에 각각 입사된 광으로부터 광 전하를 각각 생성하도록 각각 구성될 수 있다. 이웃한 두 제1 영역(RL)의 면적은 서로 동일할 수 있다.
이웃한 두 제1 포토 다이오드(LPD) 사이의 분리 구조체(150)의 부분은 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110)의 제1 표면(F1)까지 기판(110)을 수직 방향(Z 방향)으로 완전히 관통할 수 있다. 따라서 분리 구조체(150)는 이웃한 두 제1 포토 다이오드(LPD)를 서로로부터 분리할 수 있다. 따라서 임의의 제1 포토 다이오드(LPD)에서 생성된 광 전하가 이웃한 제1 포토 다이오드(LPD)로 이동하는 블루밍 현상을 방지할 수 있다.
분리 구조체(150)의 일 단(end)은 기판(110)의 제2 표면(F2)과 공면일 수 있고, 분리 구조체(150)의 타 단은 기판(110)의 제1 표면(F1)과 공면일 수 있다. 분리 구조체(150)의 일 단의 제1 수평 방향(X 방향)으로의 폭(W2)은 분리 구조체(150)의 타 단의 제1 수평 방향(X 방향)으로의 폭(W1)보다 클 수 있다. 나아가, 분리 구조체(150)의 제1 수평 방향(X 방향)으로의 폭(W)은 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110)의 제1 표면(F1)을 향해 수직 방향(Z 방향)을 따라 감소할 수 있다.
분리 구조체(150)는 전도성 층(151)과 분리 절연 층(152)을 포함할 수 있다. 전도성 층(151)은 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110)의 제1 표면(F1)까지 수직 방향(Z 방향)으로 연장되어 기판(110)을 완전히 관통할 수 있다. 분리 절연 층(152)은 전도성 층(151)과 기판(110) 사이에 연장되어 전도성 층(151)을 기판(110)으로부터 전기적으로 분리할 수 있다. 전도성 층(151)은 폴리 실리콘 또는 금속과 같은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 분리 절연 층(152)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 금속 산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제1 전송 게이트(LTG)는 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110) 내로 연장되며 제1 포토 다이오드(LPD)에 전기적으로 연결될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 평면적 관점에서, 제1 전송 게이트(LTG)는 기판(110)의 제1 표면(F1)의 제1 영역(RL)의 중심과 중첩될 수 있다.
제2 전송 게이트(STG)는 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110) 내로 연장되며 제2 포토 다이오드(SPD)에 전기적으로 연결될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 평면적 관점에서, 제2 전송 게이트(STG)는 기판(110)의 제1 표면(F1)의 제2 영역(RS)의 중심과 중첩될 수 있다.
기판(110)의 제2 표면(F2) 상에 리셋 트랜지스터(RG), 선택 트랜지스터(SX), 구동 트랜지스터(DX), 스위치 트랜지스터(SW), 및 게인 제어 트랜지스터(DRG)가 배치될 수 있다. 또한, 기판(110) 내에 제1 내지 제3 플로팅 디퓨전 영역(FD1, FD2, FD3, 도 2 참조)이 배치될 수 있다.
전면 구조체(130)는 기판(110)의 제2 표면(F2) 상에 배치될 수 있다. 전면 구조체(130)는 배선(134), 캐패시터(C1), 및 배선(134) 및 캐패시터(C1)를 둘러싸는 절연 층(136)을 포함할 수 있다. 배선(134)은 텅스텐, 알루미늄, 구리, 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 텅스텐 질화물, 티타늄 질화물, 도핑된 폴리실리콘 등을 포함할 수 있다. 캐패시터(C1)는 제2 포토 다이오드(SPD)에 의해 생성되어 오버플로우된 광전하를 저장할 수 있다. 절연 층(136)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 저유전(low-k) 물질 등의 절연 물질을 포함할 수 있다.
상기 저유전 물질은 예를 들어, FOX(Flowable Oxide), TOSZ(Torene SilaZene), USG(Undoped Silica Glass), BSG(Borosilica Glass), PSG(PhosphoSilica Glass), BPSG(BoroPhosphoSilica Glass), PETEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyl Ortho Silicate), FSG(Fluoride Silicate Glass), CDO(Carbon Doped silicon Oxide), Xerogel, Aerogel, Amorphous Fluorinated Carbon, OSG(Organo Silicate Glass), Parylene, BCB(bis-benzocyclobutenes), SiLK, polyimide, porous polymeric material 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
반사 방지 층(161)은 기판(110)의 제1 표면(F1) 상에 배치될 수 있다. 반사 방지 층(161)은 산화하프늄(HfO2), 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(SiN), 산화알루미늄(Al2O3), 산화지르코늄(ZrO2), 산화탄탈(Ta2O5), 산화티탄(TiO2), 산화란탄(La2O3), 산화프라세오디뮴(Pr2O3), 산화세륨(CeO2), 산화네오디뮴(Nd2O3), 산화프로메튬(Pm2O3), 산화사마륨(Sm2O3), 산화유로퓸(Eu2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), 산화테르븀(Tb2O3), 산화디스프로슘(Dy2O3), 산화홀뮴(Ho2O3), 산화툴륨(Tm2O3), 산화이테르븀(Yb2O3), 산화루테튬(Lu2O3), 산화이트륨(Y2O3), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
펜스(163)는 반사 방지 층(161) 상에 배치될 수 있다. 펜스(163)는 평면적 관점에서 분리 구조체(150)와 중첩될 수 있다. 펜스(163)는 금속 또는 저굴절률 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 저굴절률 물질은 PMMA(polymethylmetacrylate), 실리콘 아크릴레이트(silicon acrylate), CAB(cellulose acetatebutyrate), 실리카(silica), FSA(fluoro-silicon acrylate), 또는 실리카 입자들이 분산된 폴리머 물질을 포함할 수 있다. 펜스(163)는 복수의 컬러 필터(170)를 둘러쌀 수 있다.
복수의 컬러 필터(170)는 반사 방지 층(161) 상에 배치될 수 있으며 펜스(163)에 의해 서로로부터 분리될 수 있다. 복수의 컬러 필터(170)는 예를 들어 녹색 필터, 청색 필터, 및 적색 필터를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 복수의 컬러 필터(170)는 예를 들어 시안(cyan) 필터, 마젠타(magenta) 필터, 및 황색(yellow) 필터를 포함할 수 있다.
제1 마이크로 렌즈(180L) 및 제2 마이크로 렌즈(180S)가 복수의 컬러 필터(170) 및 펜스(163) 상에 배치될 수 있다. 도 4에 도시된 것처럼, 평면적 관점에서, 제1 마이크로 렌즈(180L)는 기판(110)의 제1 표면(F1)의 제1 영역(RL)과 중첩될 수 있고, 제2 마이크로 렌즈(180S)는 기판(110)의 제1 표면(F1)의 제2 영역(SL)과 중첩될 수 있다. 제1 마이크로 렌즈(180L)는 입사광을 집광하고, 제1 마이크로 렌즈(180L)에 의해 집광된 광은 컬러 필터(170) 및 제1 영역(RL)을 통해 제1 포토 다이오드(LPD)에 입사할 수 있다. 제2 마이크로 렌즈(180S)는 입사광을 집광하고, 제2 마이크로 렌즈(180S)에 의해 집광된 광은 컬러 필터(170) 및 제2 영역(RS)을 통해 제2 포토 다이오드(SPD)에 입사할 수 있다. 제1 마이크로 렌즈(180L) 및 제2 마이크로 렌즈(180S)는 예를 들어 스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴 공줍합계 수지, 또는 실록산계의 수지와 같은 수지계 재료를 포함할 수 있다.
도 7은 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서(100a)의 평면도이다. 도 8은 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서(100b)의 평면도이다. 이하에서는 도 4에 도시된 이미지 센서(100), 도 7에 도시된 이미지 센서(100a), 및 도 8에 도시된 이미지 센서(100b) 사이의 차이점들이 설명된다.
도 4, 도 7 및 도 8을 참조하면, 평면적 관점에서 리셋 트랜지스터(RG), 선택 트랜지스터(SX), 구동 트랜지스터(DX), 스위치 트랜지스터(SW), 및 게인 제어 트랜지스터(DRG)의 배치는 다양하게 변형될 수 있다. 도 4, 도 7, 및 도 8에 도시된 리셋 트랜지스터(RG), 선택 트랜지스터(SX), 구동 트랜지스터(DX), 스위치 트랜지스터(SW), 및 게인 제어 트랜지스터(DRG)의 배치는 예시적이며 제한적이지 않다.
예를 들어, 도 4에서, 리셋 트랜지스터(RG)는 제1 전송 게이트(LTG)로부터 제3 수평 방향(D1 방향)에 위치할 수 있고, 선택 트랜지스터(SX)는 제1 전송 게이트(LTG)로부터 제4 수평 방향(D2 방향)의 반대 방향에 위치할 수 있고, 구동 트랜지스터(DX)는 제1 전송 게이트(LTG)로부터 제3 수평 방향(D1 방향)의 반대 방향에 위치할 수 있고, 스위치 트랜지스터(SW) 및 게인 제어 트랜지스터(DRG)는 제1 전송 게이트(LTG)로부터 제4 수평 방향(D2 방향)에 위치할 수 있다.
예를 들어, 도 7에서, 리셋 트랜지스터(RG)는 제1 전송 게이트(LTG)로부터 제4 수평 방향(D2 방향)의 반대 방향에 위치할 수 있고, 선택 트랜지스터(SX) 및 구동 트랜지스터(DX)는 제1 전송 게이트(LTG)로부터 제3 수평 방향(D1 방향) 및 제3 수평 방향(D1 방향)의 반대 방향에 위치할 수 있고, 스위치 트랜지스터(SW) 및 게인 제어 트랜지스터(DRG)는 제1 전송 게이트(LTG)로부터 제4 수평 방향(D2 방향)에 위치할 수 있다.
예를 들어, 도 8에서, 리셋 트랜지스터(RG) 및 게인 제어 트랜지스터(DRG)는 제1 전송 트랜지스터(LTG)로부터 제4 수평 방향(D2 방향)에 위치할 수 있고, 스위치 트랜지스터(SW)는 제1 전송 트랜지스터(LTG)로부터 제4 수평 방향(D2 방향)의 반대 방향에 위치할 수 있고, 구동 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)는 제1 전송 게이트(LTG)로부터 제3 수평 방향(D1 방향) 및 제3 수평 방향(D1 방향)의 반대 방향에 위치할 수 있다.
도 9는 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서(100c)의 도 4의 A-A' 선에 대응하는 단면도이다. 도 10은 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서(100c)의 도 4의 B-B' 선에 대응하는 단면도이다. 이하에서는 도 4 내지 도 6에 도시된 이미지 센서(100)와 도 9 및 도 10에 도시된 이미지 센서(100c) 사이의 차이점이 설명된다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 이미지 센서(100c)는 도 4 내지 도 6에 도시된 분리 구조체(150) 대신 분리 구조체(150c)를 포함할 수 있다. 분리 구조체(150c)는 제1 포토 다이오드(LPD)와 제2 포토 다이오드(SPD) 사이에 연장되는 부분과 이웃한 두 제1 포토 다이오드(LPD) 사이에 연장되는 부분을 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 것처럼, 제1 포토 다이오드(LPD)와 제2 포토 다이오드(SPD) 사이에 연장되는 분리 구조체(150c)의 부분은 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110)의 제1 표면(F1)을 향해 수직 방향(Z 방향)으로 연장될 수 있다. 그러나, 제1 포토 다이오드(LPD)와 제2 포토 다이오드(SPD) 사이에 연장되는 분리 구조체(150c)의 부분은 수직 방향(Z 방향)으로 기판(110)을 완전히 관통하지 않고 부분적으로만 관통할 수 있다. 반면, 도 10에 도시된 것처럼, 이웃한 제1 포토 다이오드(LPD) 사이의 분리 구조체(150c)의 부분은 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110)의 제1 표면(F1)까지 상기 기판(110)을 수직 방향(Z 방향)으로 완전히 관통할 수 있다.
도 11a 내지 도 11c는 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸 단면도들이다. 도 11a 내지 도 11c는 도 4의 A-A' 선에 대응하는 단면도들이다.
도 11a를 참조하면, 서로 대향하는 제2 표면(F2) 및 제3 표면(F3)을 가지는 기판(110)이 준비된다. 기판(110)의 제2 표면(F2) 상에 마스크 패턴(미도시)을 형성하고, 마스크 패턴을 식각 마스크로서 사용하여 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110)의 일부를 제거하여 기판(110) 내에 트렌치(150T)가 형성될 수 있다. 이후 마스크 패턴은 제거될 수 있다. 트렌치(150T)를 형성하기 위해 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110)의 일부가 식각되므로, 트렌치(150T)의 하단에서의 폭(W3)은 트렌치(150T)의 상단에서의 폭(W4)보다 작을 수 있다. 트렌치(150T)의 폭(W)은 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110)의 제3 표면(F3)을 향해 감소할 수 있다.
이후, 기판(110)의 제2 표면(F2) 및 트렌치(150T) 상에 분리 절연 층(152)을 형성한다. 트렌치(150T)의 나머지 부분을 채우도록 분리 절연 층(152) 상에 전도성 층(151)이 형성된다. 기판(110)의 제2 표면(F2)이 노출되도록 예를 들어 평탄화 공정을 사용하여 분리 절연 층(152) 및 전도성 층(151)의 부분들을 제거할 수 있다. 이로써 분리 구조체(150)가 형성될 수 있다. 분리 구조체(150)의 상단은 기판(110)의 제2 표면(F2)과 공면일 수 있다. 분리 구조체(150)는 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110)의 제3 표면(F3)을 향해 연장되도록 형성될 수 있다. 그러나 분리 구조체(150)는 제3 표면(F3)까지 도달하지 않을 수 있다. 즉, 분리 구조체(150)는 기판(110)을 완전히 관통하지 않고 부분적으로만 관통할 수 있다.
다음으로, 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터의 이온 주입 공정에 의해 제1 포토 다이오드(LPD) 및 제2 포토 다이오드(SPD)가 형성될 수 있다.
도 11b를 참조하면, 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110) 내부로 연장되어 제1 포토 다이오드(LPD)에 전기적으로 연결되는 제1 전송 게이트(LTG) 및 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110) 내부로 연장되어 제2 포토 다이오드(SPD)에 전기적으로 연결되는 제2 전송 게이트(STG)가 형성될 수 있다.
또한, 기판(110)의 제2 표면(F2) 상에 선택 트랜지스터(SX), 구동 트랜지스터(DX), 리셋 트랜지스터(RG), 스위치 트랜지스터(SW), 및 게인 제어 트랜지스터(DRG)가 형성될 수 있다. 다음으로, 기판(110)의 제2 표면(F2) 상에 전면 구조체(130)가 형성될 수 있다. 즉, 절연 층(136), 배선(134), 및 캐패시터(C1)가 형성될 수 있다.
도 11c를 참조하면, 도 11b의 결과물을 뒤집을 수 있다. 다음으로, 전도성 층(151)이 노출되도록 예를 들어 평탄화 공정을 사용하여 기판(110)의 제3 표면(F3, 도 11b 참조)으로부터 기판(110)의 부분을 제거할 수 있다. 이로써 기판(110)의 제1 표면(F1)이 형성될 수 있다. 분리 구조체(150)는 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 제1 표면(F1)까지 연장되어 기판(110)을 완전히 관통할 수 있다. 분리 구조체(150)의 일 단은 기판(110)의 제2 표면(F2)과 공면이고, 분리 구조체(150)의 타 단은 기판(110)의 제1 표면(F1)과 공면일 수 있다.
도 5를 참조하면, 기판(110)의 제1 표면(F1) 상에 반사 방지 층(161)이 형성될 수 있다. 다음으로, 펜스(163)가 반사 방지 층(161) 상에 형성될 수 있다. 다음으로, 컬러 필터(170)가 반사 방지 층(161) 상에 형성될 수 있다. 다음으로, 평면적 관점에서 제1 마이크로 렌즈(180L)가 제1 포토 다이오드(LPD)와 중첩되도록 제1 마이크로 렌즈(180L)가 컬러 필터(170) 및 펜스(163) 상에 형성될 수 있다. 또한, 평면적 관점에서 제2 마이크로 렌즈(180S)가 제2 포토 다이오드(SPD)와 중첩되도록 제2 마이크로 렌즈(180S)가 컬러 필터(170) 및 펜스(163) 상에 형성될 수 있다. 이로써 이미지 센서(100)가 제조될 수 있다.
도 12a 내지 도 12f는 본 개시의 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸 단면도들이다. 도 12a, 도 12c, 및 도 12e는 도 4의 A-A' 선을 따른 단면도들이고, 도 12b, 도 12d, 및 도 12f는 도 4의 B-B' 선을 따른 단면도들이다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 서로 대향하는 제2 표면(F2) 및 제3 표면(F3)을 가지는 기판(110)이 준비된다. 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110)의 일부를 제거해 제1 트렌치(150T1)가 형성될 수 있다. 또한 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110)의 일부를 제거해 제2 트렌치(150T2)가 형성될 수 있다. 제1 트렌치(150T1)의 깊이(D1)는 제2 트렌치(150T2)의 깊이(D2)보다 작을 수 있다.
이후, 기판(110)의 제2 표면(F2), 제1 트렌치(150T1), 및 제2 트렌치(150T2) 상에 분리 절연 층(152)이 형성된다. 다음으로, 제1 트렌치(150T1) 및 제2 트렌치(150T2)의 나머지 부분을 채우도록 분리 절연 층(152) 상에 전도성 층(151)이 형성된다. 다음으로, 기판(110)의 제2 표면(F2)이 노출되도록 예를 들어 평탄화 공정을 사용하여 분리 절연 층(152) 및 전도성 층(151)의 부분들을 제거할 수 있다. 이로써 분리 구조체(150c)가 형성될 수 있다. 분리 구조체(150c)는 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110)의 제3 표면(F3)을 향해 연장되도록 형성될 수 있다. 그러나 분리 구조체(150c)는 제3 표면(F3)까지 도달하지 않을 수 있다. 즉, 분리 구조체(150c)는 기판(110)을 완전히 관통하지 않고 부분적으로만 관통할 수 있다.
기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터의 이온 주입 공정에 의해 제1 포토 다이오드(LPD) 및 제2 포토 다이오드(SPD)가 형성될 수 있다. 제1 트렌치(150T1)는 제1 포토 다이오드(LPD)와 제2 포토 다이오드(SPD) 사이에 연장될 수 있고, 제2 트렌치(150T2)는 이웃한 두 제1 포토 다이오드(LPD) 사이에 연장될 수 있다.
도 12c 및 도 12d를 참조하면, 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110) 내부로 연장되어 제1 포토 다이오드(LPD)에 전기적으로 연결되는 제1 전송 게이트(LTG) 및 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 기판(110) 내부로 연장되어 제2 포토 다이오드(SPD)에 전기적으로 연결되는 제2 전송 게이트(STG)가 형성될 수 있다.
또한, 기판(110)의 제2 표면(F2) 상에 선택 트랜지스터(SX), 구동 트랜지스터(DX), 리셋 트랜지스터(RG), 스위치 트랜지스터(SW), 및 게인 제어 트랜지스터(DRG)가 형성될 수 있다. 다음으로, 기판(110)의 제2 표면(F2) 상에 전면 구조체(130)가 형성될 수 있다. 즉, 절연 층(136), 배선(134), 및 캐패시터(C1)가 형성될 수 있다.
도 12e 및 도 12f를 참조하면, 도 12c 및 도 12d의 결과물을 뒤집을 수 있다. 다음으로, 제2 트렌치(150T2) 내의 전도성 층(151)의 부분이 노출되도록 예를 들어 평탄화 공정을 사용하여 기판(110)의 제3 표면(F3, 도 12c 및 도 12d 참조)으로부터 기판(110)의 부분을 제거할 수 있다. 이로써 기판(110)의 제1 표면(F1)이 형성될 수 있다. 도 12e에 도시된 것처럼, 제1 트렌치(150T1) 내의 분리 구조체(150c)의 부분은 기판(110)의 제1 표면(F1)까지 도달하지 않을 수 있다. 즉, 제1 트렌치(150T1) 내의 분리 구조체(150c)의 부분은 기판(110)을 완전히 관통하지 않고 부분적으로만 관통할 수 있다. 반면, 제2 트렌치(150T2) 내의 분리 구조체(150c)의 부분은 기판(110)의 제2 표면(F2)으로부터 제1 표면(F1)까지 연장되어 기판(110)을 완전히 관통할 수 있다. 제2 트렌치(150T2) 내의 분리 구조체(150c)의 부분의 일 단은 기판(110)의 제2 표면(F2)과 공면이고, 제2 트렌치(150T2) 내의 분리 구조체(150c)의 부분의 타 단은 기판(110)의 제1 표면(F1)과 공면일 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 기판(110)의 제1 표면(F1) 상에 반사 방지 층(161)이 형성될 수 있다. 다음으로, 펜스(163)가 반사 방지 층(161) 상에 형성될 수 있다. 다음으로, 컬러 필터(170)가 반사 방지 층(161) 상에 형성될 수 있다. 다음으로, 평면적 관점에서 제1 마이크로 렌즈(180L)가 제1 포토 다이오드(LPD)와 중첩되도록 컬러 필터(170) 및 펜스(163) 상에 제1 마이크로 렌즈(180L)가 형성될 수 있다. 또한, 평면적 관점에서 제2 마이크로 렌즈(180S)가 제2 포토 다이오드(SPD)와 중첩되도록 제2 마이크로 렌즈(180S)가 컬러 필터(170) 및 펜스(163) 상에 형성될 수 있다. 이로써 이미지 센서(100c)가 제조될 수 있다.
본 개시에 개시된 실시예들은 본 개시의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 개시의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 개시의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1110: 픽셀 어레이, 1120: 로우 드라이버, 1130: 리드아웃 회로, 1131: 아날로그-디지털 변환 회로, 1132: 데이터 버스, 1140: 램프 신호 생성기, 1150: 타이밍 컨트롤러, 1190: 신호 처리부, 100, 100a, 100b, 100c: 이미지 센서, 110: 기판, 130: 전면 구조체, 134: 배선, 136: 절연 층, 150, 150c: 분리 구조체, 151: 전도성 층, 152: 분리 절연 층, 150T, 150T1, 150T2: 트렌치, 161: 반사 방지 층, 163: 펜스, 170: 컬러 필터, 180L, 180S: 마이크로렌즈, F1, F2. F3: 표면, LPD, SPD: 포토 다이오드, LTG, STG: 전송 게이트, RG: 리셋 트랜지스터, SX: 선택 트랜지스터, DX: 구동 트랜지스터, SW, SW1, SW2: 스위치 트랜지스터, DRG: 게인 제어 트랜지스터, FD1, FD2, FD3, FD4: 플로팅 디퓨전 영역, C1: 캐패시터

Claims (10)

  1. 광이 입사하는 제1 표면 및 상기 제1 표면과 대향하는 제2 표면을 가지는 기판;
    상기 기판 내에 위치하며 상기 제1 표면의 제1 영역에 입사된 광으로부터 광 전하를 생성하도록 구성된 제1 포토 다이오드;
    상기 기판 내에 위치하며 상기 제1 표면의 제2 영역에 입사된 광으로부터 광 전하를 생성하도록 구성된 제2 포토 다이오드; 및
    상기 제1 포토 다이오드와 상기 제2 포토 다이오드 사이에 연장되는 분리(ioslation) 구조체;를 포함하고,
    상기 제2 영역의 면적은 상기 제1 영역의 면적보다 작고,
    상기 분리 구조체의 일 단(end)은 상기 제2 표면과 공면이고,
    상기 분리 구조체는 상기 기판의 상기 제2 표면으로부터 상기 제1 표면을 향해 수직 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 분리 구조체의 적어도 일부는 상기 기판의 상기 제2 표면으로부터 상기 제1 표면까지 상기 기판을 상기 수직 방향으로 완전히 관통하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    평면적 관점에서, 상기 제1 영역은 팔각형이고, 상기 제2 영역은 사각형인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 기판의 상기 제2 표면으로부터 상기 기판 내로 연장되며 상기 제1 포토 다이오드에 전기적으로 연결되는 제1 전송 게이트; 및
    상기 기판의 상기 제2 표면으로부터 상기 기판 내로 연장되며 상기 제2 포토 다이오드에 전기적으로 연결되는 제2 전송 게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    평면적 관점에서, 상기 제1 전송 게이트는 상기 제1 영역의 중심과 중첨되고, 상기 제2 전송 게이트는 상기 제2 영역의 중심과 중첩되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 광이 입사하는 제1 표면 및 상기 제1 표면과 대향하는 제2 표면을 가지는 기판;
    상기 기판 내에 위치하는 고감도 포토 다이오드;
    상기 기판 내에 위치하며 상기 고감도 포토 다이오드의 감도보다 낮은 감도를 가지는 저감도 포토 다이오드; 및
    상기 고감도 포토 다이오드 및 상기 저감도 포토 다이오드를 서로로부터 전기적으로 분리시키는 분리 구조체를 포함하고,
    상기 분리 구조체는 상기 기판의 상기 제2 표면으로부터 상기 제1 표면까지 수직 방향으로 상기 기판을 완전히 관통하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 저감도 포토 다이오드에 의해 생성된 광전하를 전압으로 변환하기 위한 컨버전 게인을 높은 컨버전 게인과 낮은 컨버전 게인 사이에서 스위칭하기 위한 스위치 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 분리 구조체의 일 단은 상기 제2 표면과 공면인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 분리 구조체의 타 단은 상기 제1 표면과 공면인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 일 단의 상기 수직 방향에 수직한 수평 방향으로의 폭은 상기 타 단의 상기 수평 방향으로의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지 센서.

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