KR20230053478A - 이미지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는, 기판의 상면에 평행한 방향을 따라 배열되는 복수의 포토 다이오드들, 상기 기판의 상면에 수직하는 방향으로 상기 기판의 상면으로부터 하면까지 연장되어 상기 복수의 포토 다이오드들 사이에 배치되는 픽셀 분리막, 및 상기 복수의 포토 다이오드들 각각의 아래에 배치되는 픽셀 회로들을 포함하는 픽셀 어레이; 및 상기 픽셀 회로들로부터 픽셀 신호를 획득하는 로직 회로를 포함하며, 상기 픽셀 어레이는 상기 복수의 포토 다이오드들 중 N×N(N은 2 이상의 자연수) 매트릭스 구조로 배치되는 둘 이상의 포토 다이오드들, 상기 기판 위에 배치되는 적어도 하나의 컬러 필터, 및 적어도 하나의 마이크로 렌즈를 각각 포함하는 픽셀 그룹들을 포함하고, 픽셀 그룹들 각각에 포함된 상기 적어도 하나의 컬러 필터는 한 가지 색상을 가지며, 상기 픽셀 분리막은 상기 픽셀 그룹들 사이에 배치되고 실리콘 산화물 및 폴리실리콘을 포함하는 제1 픽셀 분리막; 및 상기 픽셀 그룹들 각각에서 상기 둘 이상의 포토 다이오드들 사이에서 상기 기판의 상면에 평행하며 서로 교차하는 제1 방향 및 제2 방향으로 연장되고 실리콘 산화물을 포함하는 제2 픽셀 분리막을 포함한다.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}

본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다.

이미지 센서는 빛을 받아들여 전기 신호를 생성하는 반도체 기반의 센서로서, 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이와, 픽셀 어레이를 구동하고 이미지를 생성하기 위한 로직 회로 등을 포함할 수 있다. 이미지 센서를 구성하는 픽셀 어레이는 각 픽셀마다 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 광전 변환 소자가 입사되는 빛의 양에 따라 가변하는 전기 신호를 생성하면, 로직 회로는 상기 전기 신호를 처리하여 이미지를 생성해낼 수 있다.

픽셀들의 사이에는 픽셀들을 분리하기 위한 소자 분리막(DTI: Deep Trench Isolation)이 형성될 수 있다. 이미지 센서의 소형화 요구에 따라 픽셀들의 크기가 줄어드는 추세이며, 픽셀의 크기가 감소함에 따라 소자 분리막이 차지하는 면적이 커지게 되었으며, 소자 분리막에서 흡수되는 빛이 이미지 센서의 성능에 미치는 영향이 커지게 되었다.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 감도가 향상된 이미지 센서를 제공하고자 하는 데에 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는, 기판의 상면에 평행한 방향을 따라 배열되는 복수의 포토 다이오드들, 상기 기판의 상면에 수직하는 방향으로 상기 기판의 상면으로부터 하면까지 연장되어 상기 복수의 포토 다이오드들 사이에 배치되는 픽셀 분리막, 및 상기 복수의 포토 다이오드들 각각의 아래에 배치되는 픽셀 회로들을 포함하는 픽셀 어레이; 및 상기 픽셀 회로들로부터 픽셀 신호를 획득하는 로직 회로를 포함하며, 상기 픽셀 어레이는 상기 복수의 포토 다이오드들 중 N×N(N은 2 이상의 자연수) 매트릭스 구조로 배치되는 둘 이상의 포토 다이오드들, 상기 기판 위에 배치되는 적어도 하나의 컬러 필터, 및 적어도 하나의 마이크로 렌즈를 각각 포함하는 픽셀 그룹들을 포함하고, 픽셀 그룹들 각각에 포함된 상기 적어도 하나의 컬러 필터는 한 가지 색상을 가지며, 상기 픽셀 분리막은 상기 픽셀 그룹들 사이에 배치되고 실리콘 산화물 및 폴리실리콘을 포함하는 제1 픽셀 분리막; 및 상기 픽셀 그룹들 각각에서 상기 둘 이상의 포토 다이오드들 사이에서 상기 기판의 상면에 평행하며 서로 교차하는 제1 방향 및 제2 방향으로 연장되고 실리콘 산화물을 포함하는 제2 픽셀 분리막을 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는, 기판의 상면에 평행한 방향을 따라 배열되는 복수의 픽셀들, 및 상기 복수의 픽셀들 사이에서 상기 기판의 상면으로부터 하면까지 연장되는 픽셀 분리막을 포함하며, 상기 복수의 픽셀들 각각은 적어도 하나의 포토 다이오드, 및 상기 적어도 하나의 포토 다이오드 아래의 픽셀 회로를 포함하는 픽셀 어레이; 및 상기 복수의 픽셀들로부터 픽셀 신호를 획득하는 로직 회로를 포함하며, 상기 픽셀 분리막은 상기 복수의 픽셀들 중 서로 인접하고 서로 다른 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들 사이에 배치되고 제1 투과율을 갖는 폴리실리콘을 포함하는 제1 픽셀 분리막; 및 상기 복수의 픽셀들 중 서로 인접하고 같은 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들 사이에 배치되고 상기 제1 투과율보다 높은 제2 투과율을 가지며, 상기 기판의 상면에 평행하며 서로 교차하는 제1 방향 및 제2 방향으로 연장되는 제2 픽셀 분리막을 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 기판의 상면에 평행한 방향을 따라 배열되는 복수의 픽셀들, 및 상기 복수의 픽셀들 사이에서 기판을 관통하도록 배치되는 픽셀 분리막을 포함하며, 상기 복수의 픽셀들 각각은 적어도 하나의 포토 다이오드, 및 상기 적어도 하나의 포토 다이오드 아래의 픽셀 회로를 포함하는 픽셀 어레이; 및 상기 복수의 픽셀들로부터 픽셀 신호를 획득하는 로직 회로를 포함하며, 상기 픽셀 분리막은 상기 기판의 상면에 평행하며 서로 교차하는 제1 방향 및 제2 방향을 따라 연장되고, 폴리실리콘을 포함하는 제1 픽셀 분리막; 및 상기 제1 픽셀 분리막이 형성하는 영역 내부에서 상기 제1 방향 및 제2 방향으로 교차하고 절연 물질을 포함하는 제2 픽셀 분리막을 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 동일 색상의 컬러 필터를 갖는 픽셀들 중 적어도 일부가 서로 인접하는 구조의 이미지 센서에서, 동일 색상의 컬러 필터를 갖는 픽셀들 사이의 픽셀 분리막이 폴리실리콘을 포함하지 않도록 함으로써 이미지 센서의 감도를 개선할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 서로 다른 색상의 컬러 필터를 갖는 픽셀들 사이의 픽셀 분리막은 폴리실리콘을 포함할 수 있으며, 상기 픽셀 분리막은 BCA(Backside Contact)에 연결되어 네거티브 바이어스 전압을 입력받을 수 있으므로, 이미지 센서의 다크 레벨 특성 저하를 방지할 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 간단하게 도시한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7 내지 도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 18 내지 도 23은 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 설명하기 위한 도면들이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 이미지 센서(1)는 픽셀 어레이(10)와 로직 회로(20) 등을 포함할 수 있다.

픽셀 어레이(10)는 복수의 행들과 복수의 열들을 따라서 어레이 형태로 배치되는 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(PX) 각각은 빛에 응답하여 전하를 생성하는 적어도 하나의 광전 변환 소자, 및 광전 변환 소자가 생성한 전하에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 픽셀 회로 등을 포함할 수 있다. 광전 변환 소자는 반도체 물질로 형성되는 포토 다이오드, 및/또는 유기 물질로 형성되는 유기 포토 다이오드 등을 포함할 수 있다.

일례로 픽셀 회로는 플로팅 디퓨전, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 및 선택 트랜지스터 등을 포함할 수 있다. 실시예들에 따라 픽셀들(PX)의 구성은 달라질 수 있다. 일례로, 픽셀들(PX) 각각은 유기 물질을 포함하는 유기 포토 다이오드를 포함하거나, 또는 디지털 픽셀로 구현될 수도 있다. 픽셀들(PX)이 디지털 픽셀로 구현되는 경우, 픽셀들(PX) 각각은 디지털 픽셀 신호를 출력하기 위한 아날로그-디지털 컨버터를 포함할 수 있다.

로직 회로(20)는 픽셀 어레이(10)를 제어하기 위한 회로들을 포함할 수 있다. 일례로, 로직 회로(20)는 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22), 칼럼 드라이버(23), 컨트롤 로직(24) 등을 포함할 수 있다. 로우 드라이버(21)는 픽셀 어레이(10)를 로우(ROW) 라인들 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(21)는 픽셀 회로의 전송 트랜지스터를 제어하는 전송 제어 신호, 리셋 트랜지스터를 제어하는 리셋 제어 신호, 선택 트랜지스터를 제어하는 선택 제어 신호 등을 생성하여 픽셀 어레이(10)에 로우 라인 단위로 입력할 수 있다.

리드아웃 회로(22)는 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-to-Digital Converter, ADC) 등을 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러들은, 픽셀들(PX)과 칼럼 라인들을 통해 연결될 수 있다. 상관 이중 샘플러들은 로우 드라이버(21)의 로우 라인 선택 신호에 의해 선택되는 로우 라인에 연결되는 픽셀들(PX)로부터, 칼럼 라인들을 통해 픽셀 신호를 읽어올 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터는 상관 이중 샘플러가 검출한 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하여 칼럼 드라이버(23)에 전달할 수 있다.

칼럼 드라이버(23)는 디지털 픽셀 신호를 임시로 저장할 수 있는 래치 또는 버퍼 회로와 증폭 회로 등을 포함할 수 있으며, 리드아웃 회로(22)로부터 수신한 디지털 픽셀 신호를 처리할 수 있다. 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22) 및 칼럼 드라이버(23)는 컨트롤 로직(24)에 의해 제어될 수 있다. 컨트롤 로직(24)은 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22) 및 칼럼 드라이버(23)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 컨트롤러 등을 포함할 수 있다.

픽셀들(PX) 중에서 가로 방향으로 같은 위치에 배치되는 픽셀들(PX)은 동일한 칼럼 라인을 공유할 수 있다. 일례로, 세로 방향으로 같은 위치에 배치되는 픽셀들(PX)은 로우 드라이버(21)에 의해 동시에 선택되며 칼럼 라인들을 통해 픽셀 신호를 출력할 수 있다. 일 실시예에서 리드아웃 회로(22)는 칼럼 라인들을 통해 로우 드라이버(21)가 선택한 픽셀들(PX)로부터 픽셀 신호를 동시에 획득할 수 있다. 픽셀 신호는 리셋 전압과 픽셀 전압을 포함할 수 있으며, 픽셀 전압은 픽셀들(PX) 각각에서 빛에 반응하여 생성된 전하가 리셋 전압에 반영된 전압일 수 있다.

픽셀들(PX) 각각은 소정의 색상을 갖는 컬러 필터를 포함할 수 있으며, 컬러 필터의 색상에 따라 적색 빛을 감지하도록 구성되는 적색 픽셀, 녹색 빛을 감지하도록 구성되는 녹색 픽셀, 청색 빛을 감지하도록 구성되는 청색 픽셀 등으로 구분될 수 있다. 컬러 필터의 색상은 반드시 적색, 녹색, 청색으로 한정되지 않으며, 실시예들에 따라 노란색, 백색 등의 색상을 컬러 필터가 가질 수도 있다.

픽셀 어레이(10)에서 동일한 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들 중 적어도 일부가 서로 인접할 수 있다. 서로 인접하고 동일 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들은 마이크로 렌즈들을 공유하여 이미지의 자동 초점 기능(AF: Auto Focusing)을 제공하거나, 마이크로 렌즈들을 개별적으로 포함하여 높은 감도 및 높은 SNR(signal to noise ratio)을 갖는 이미지를 제공할 수 있다.

외부에서 유입되는 빛은 컬러 필터를 통과하여 픽셀들(PX) 각각의 포토 다이오드로 입사할 수 있다. 픽셀들(PX) 각각으로 유입되는 빛의 진행 방향에 따라, 컬러 필터를 통과한 빛이 해당 픽셀이 아닌, 인접한 다른 픽셀로 유입될 수도 있다. 예를 들어, 녹색 픽셀의 녹색 컬러 필터를 통과한 빛이, 인접한 청색 픽셀의 포토 다이오드로 유입되거나, 또는 인접한 적색 픽셀의 포토 다이오드로 유입될 수 있다. 이러한 광학적 크로스토크가 발생하는 경우, 이미지의 품질이 저하될 수 있다.

광학적 크로스토크의 영향을 줄이기 위해, 이미지 센서(1)의 픽셀 어레이에 배치되는 픽셀들(PX) 사이에 픽셀 분리막, 예를 들어 DTI(Deep Trench Isolation)가 배치될 수 있다. 픽셀 분리막을 형성하기 위해, 반도체 기판에 형성된 트렌치의 측면에 빛 반사 특성이 우수한 제1 물질을 얇은 두께로 증착하고, 제1 물질이 증착된 후 남은 공간을 제2 물질로 채울 수 있다. 제1 물질로는 실리콘 산화물이 이용될 수 있다.

제2 물질로 폴리실리콘을 이용하는 경우, 폴리실리콘은 인접한 픽셀 간 크로스토크를 효과적으로 방지할 수 있으며, 네거티브 바이어스 전압에 연결되어 픽셀 분리막 주변에 홀(hole)을 누적시킬 수 있으므로 이미지 센서(1)의 다크 레벨 특성을 개선할 수 있다. 다만, 빛을 흡수하는 폴리실리콘의 특성으로 인해, 픽셀 분리막에서 흡수하는 빛의 양이 증가할 수 있으며, 이미지 센서의 감도가 저하될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 픽셀 분리막은 픽셀들(PX) 중 서로 인접하고 서로 다른 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들 사이에 배치되는 제1 픽셀 분리막, 및 서로 인접하고 같은 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들 사이에 배치되는 제2 픽셀 분리막을 포함할 수 있으며, 제1 픽셀 분리막과 제2 픽셀 분리막은 서로 다른 물질로 구성될 수 있다.

예를 들어, 제1 픽셀 분리막은 폴리실리콘을 포함함으로써 서로 다른 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들 간 크로스토크를 방지하고, 이미지 센서(1)의 다크 레벨 특성 저하를 최소화할 수 있다. 반면에, 제2 픽셀 분리막은 폴리실리콘을 포함하지 않고, 실리콘 산화물만을 포함할 수 있다. 제2 픽셀 분리막은 폴리실리콘을 포함하지 않기 때문에 제1 픽셀 분리막에 비해 빛을 적게 흡수할 수 있으므로, 이미지 센서의 감도가 개선될 수 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 간단하게 도시한 도면들이다.

먼저 도 2를 참조하면, 복수의 픽셀들(PX) 각각은 포토 다이오드(PD)와 픽셀 회로를 포함하며, 픽셀 회로는 전송 트랜지스터(TX)와 리셋 트랜지스터(RX), 선택 트랜지스터(SX), 및 구동 트랜지스터(DX) 등을 포함할 수 있다. 또한 픽셀 회로는, 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하가 축적되는 플로팅 디퓨전 영역(FD)을 포함할 수 있다.

포토 다이오드(PD)는 외부에서 입사된 빛에 반응하여 전하를 생성 및 축적할 수 있다. 포토 다이오드(PD)는 실시예들에 따라 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀드 포토 다이오드 등으로 대체될 수도 있다. 전송 트랜지스터(TX)는 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하를 플로팅 디퓨전 영역(FD)으로 이동시킬 수 있다. 플로팅 디퓨전 영역(FD)은 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하를 저장할 수 있다. 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 축적된 전하의 양에 따라 구동 트랜지스터(DX)가 출력하는 전압이 달라질 수 있다.

리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 축적된 전하를 제거하여 플로팅 디퓨전 영역(FD)의 전압을 리셋시킬 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 전극은 플로팅 디퓨전 영역(FD)과 연결되며 소스 전극은 전원 전압(VDD)에 연결될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온되면, 리셋 트랜지스터(RX)의 소스 전극과 연결된 전원 전압(VDD)이 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 인가되며, 리셋 트랜지스터(RX)가 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 축적된 전하가 제거될 수 있다.

구동 트랜지스터(DX)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier)로 동작할 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 플로팅 디퓨전 영역(FD)의 전압 변화를 증폭하고, 이를 칼럼 라인들(COL1, COL2) 중 하나로 출력할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 읽어낼 픽셀들(PX)을 선택할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)가 턴 온될 때, 구동 트랜지스터(DX)의 전압이 칼럼 라인들(COL1, COL2) 중 하나로 출력될 수 있다. 일례로, 선택 트랜지스터(SX)가 턴 온될 때, 칼럼 라인들(COL1, COL2)을 통해 리셋 전압 또는 픽셀 전압이 출력될 수 있다.

도 2에 도시한 일 실시예에서는, 복수의 픽셀들(PX) 각각이 포토 다이오드(PD)와 전송 트랜지스터(TX)는 물론, 리셋 트랜지스터(RX), 선택 트랜지스터(SX), 및 구동 트랜지스터(DX)를 모두 포함할 수 있다. 다만, 하나의 이미지 센서에 포함되는 픽셀들(PX)의 개수가 점점 증가하고, 이미지 센서가 탑재되는 디바이스의 폼팩터 제한 등으로 인해 픽셀들(PX) 각각의 면적은 감소하는 추세에서, 픽셀들(PX) 각각이 픽셀 회로의 소자들을 모두 포함하기 어려울 수 있다. 이 경우, 이미지 센서의 픽셀 어레이에서 서로 인접한 둘 이상의 픽셀들(PX)이, 픽셀 회로에 포함되는 소자들 중 적어도 일부를 공유할 수 있다. 이하, 도 4를 참조하여 더욱 상세히 설명하도록 한다.

도 3을 참조하면, 서로 인접한 둘 이상의 픽셀들이, 픽셀 회로에 포함되는 트랜지스터들 중 적어도 일부를 공유할 수 있다. 도 4에 도시한 일 실시예에서는, 서로 인접한 네 개의 픽셀들이 하나의 플로팅 디퓨전 영역(FD)과 리셋 트랜지스터(RX), 구동 트랜지스터들(DX1, DX2) 및 선택 트랜지스터(SX)를 공유할 수 있다.

일례로, 첫 번째 픽셀의 제1 포토 다이오드(PD1)와 제1 전송 트랜지스터(TX1)가 플로팅 디퓨전 영역(FD) 연결될 수 있다. 마찬가지로, 두 번째 내지 네 번째 픽셀들(PX2-PX4)의 제2 내지 제4 포토 다이오드들(PD2-PD4)은, 제2 내지 제4 전송 트랜지스터들(TX2-TX4)을 통해, 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 연결될 수 있다. 일례로, 픽셀들 각각에 포함되는 플로팅 디퓨전 영역(FD)을 배선 패턴 등으로 서로 연결하여, 하나의 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 제1 내지 제4 전송 트랜지스터들(TX1-TX4)을 공통으로 연결할 수 있다.

한편, 픽셀 회로는 리셋 트랜지스터(RX), 제1 및 제2 구동 트랜지스터들(DX1, DX2), 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 제어 신호(RG)에 의해 제어되며, 선택 트랜지스터(SX)는 선택 제어 신호(SEL)에 의해 제어될 수 있다. 일례로, 네 개의 픽셀들 각각은 전송 트랜지스터(TX)외에 하나의 트랜지스터를 더 포함할 수 있다. 네 개의 픽셀들에 포함되는 네 개의 트랜지스터들 중에서 두 개는 서로 병렬로 연결되어 제1 및 제2 구동 트랜지스터들(DX1, DX2)을 제공하고, 남은 두 개의 트랜지스터들 중 하나는 선택 트랜지스터(SX)로 제공되며, 나머지 하나는 리셋 트랜지스터(RX)를 제공하도록 구성될 수 있다.

다만, 도 3을 참조하여 설명한 픽셀 회로는 하나의 실시 예일 뿐이며, 반드시 이와 같은 형태로 한정되는 것은 아니다. 일례로, 네 개의 트랜지스터들 중 하나를 구동 트랜지스터로 할당하고, 하나를 선택 트랜지스터로 할당할 수 있다. 또한, 나머지 두 개를 서로 직렬로 연결하여 제1 및 제2 리셋 트랜지스터들로 할당함으로써, 픽셀의 변환 이득을 조절할 수 있는 이미지 센서를 구현할 수 있다. 또는, 픽셀들 각각에 포함되는 트랜지스터의 개수에 따라 픽셀 회로가 달라질 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(50)는 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)을 따라 배열되는 복수의 픽셀들(51-53)을 포함할 수 있다. 일례로 픽셀 어레이(50)는, 적색 픽셀들(51), 녹색 픽셀들(52), 및 청색 픽셀들(53)을 포함할 수 있다. 적색 픽셀들(51) 각각은 적색 컬러 필터를 포함하고, 녹색 픽셀들(52) 각각은 녹색 컬러 필터를 포함하며, 및 청색 픽셀들(53) 각각은 청색 컬러 필터를 포함할 수 있다. 다만, 실시 예들에 따라, 픽셀 어레이(50)는 적어도 하나의 노란색 픽셀, 적어도 하나의 백색 픽셀 등을 더 포함할 수도 있다.

도 4에 도시한 일 실시 예에서, 같은 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들이 픽셀 그룹을 이룰 수 있다. 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들 간에는 마이크로 렌즈를 공유할 수 있다. 도 4는 예로서, 녹색 픽셀들을 포함하는 하나의 픽셀 그룹이 위치하는 A영역을 도시한다.

서로 다른 색상을 감지하도록 구성된 픽셀 그룹들이 서로 인접할 수 있다. 예를 들어, 녹색 픽셀 그룹은 제1 방향(X)에서 청색 픽셀 그룹과 인접할 수 있으며, 제2 방향(Y)에서 적색 픽셀 그룹과 인접할 수 있다.

일례로, 픽셀 어레이(50)는 포토 다이오드 어레이와 컬러 필터 어레이, 및 마이크로 렌즈 어레이 등을 포함할 수 있다. 포토 다이오드 어레이는 제1 방향과 제2 방향을 따라 반도체 기판에 형성되는 복수의 포토 다이오드들을 포함하며, 복수의 포토 다이오드들은 픽셀 분리막에 의해 제1 방향 및 제2 방향에서 서로 분리될 수 있다.

한편, 컬러 필터 어레이는 제1 방향과 제2 방향을 따라 반도체 기판의 일면 위에 배치되는 복수의 컬러 필터들을 포함하며, 복수의 컬러 필터들은 필터 분리막에 의해 제1 방향 및 제2 방향에서 서로 분리될 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이는 컬러 필터 어레이 위에 배치되며, 따라서 제3 방향에서 마이크로 렌즈 어레이와 포토 다이오드 어레이 사이에 컬러 필터 어레이가 배치될 수 있다.

일 실시예에서 복수의 픽셀들(51-53)은 각각이 하나의 픽셀에 대응하는 포토 다이오드들을 포함할 수 있으며, 하나 이상의 픽셀에 의해 공유되는 컬러 필터들과 마이크로 렌즈들을 포함할 수 있다. 도 2의 예에서, 2×2의 매트릭스 구조로 배치된 픽셀들이 하나의 컬러 필터와 하나의 마이크로 렌즈를 공유할 수 있다. 하나의 마이크로 렌즈로부터 들어온 빛을 여러 개의 포토 다이오드들이 처리하는 경우, 자동 초점 기능(AF: Auto Focusing)을 구현할 수 있다.

한편, 복수의 픽셀들(51-53) 각각에 입사하는 빛의 진행 방향이, 제3 방향(Z)과 소정의 각도를 형성하는 경우, 광학적 크로스토크가 발생할 수 있다. 예를 들어, 빛의 진행 방향이 제3 방향(Z)과 평행하지 않고 제1 방향(X)으로 기울어지는 경우, 적색 컬러 필터를 통과한 빛의 적어도 일부가 제1 방향(X)에서 적색 픽셀들(51)과 인접한 녹색 픽셀들(52)로 유입될 수 있다. 또는, 녹색 컬러 필터를 통과한 빛의 적어도 일부가 제1 방향(X)에서 녹색 픽셀들(52)과 인접한 적색 픽셀들(51)로 유입될 수 있다. 녹색 픽셀들(52)과 청색 픽셀들(53) 사이에서도 유사한 원리에 따라 광학적 크로스토크가 발생할 수 있다. 또한, 인접한 적색 픽셀들(51) 간에도, 녹색 픽셀들(52) 간에도, 청색 픽셀들(53) 간에도 광학적 크로스토크가 발생할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 서로 다른 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들 사이에 배치되는 제1 픽셀 분리막은 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 빛을 흡수하는 폴리실리콘의 특성으로 인해, 서로 다른 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들 간에 발생할 수 있는 광학적 크로스토크가 방지될 수 있다.

반면에, 서로 같은 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들 사이에 배치되는 제2 픽셀 분리막은 실리콘 산화물만을 포함할 수 있다. 폴리실리콘을 포함하지 않는 제2 픽셀 분리막은 제1 픽셀 분리막에 비해 빛을 적게 흡수할 수 있으므로, 이미지 센서의 전체적인 감도가 개선될 수 있다.

한편, 제2 픽셀 분리막이 폴리실리콘을 포함하지 않는 경우 제2 픽셀 분리막의 양측에 배치된 픽셀들 간에 광학적 크로스토크가 발생할 수 있으나, 제2 픽셀 분리막의 양측에 배치된 픽셀들은 서로 같은 색상의 빛을 감지하도록 구성되므로 광학적 크로스토크로 인한 이미지 품질 저하는 최소화될 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 설명하기 위한 도면들이다.

일례로, 도 5는 도 2를 참조하여 설명된 픽셀 어레이(50)의 A영역을 확대 도시한 도면일 수 있으며, 도 6은 도 5의 I-I` 방향의 단면을 나타낸 단면도일 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 복수의 픽셀들(PX)은 기판(101)의 상면에 평행한 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)을 따라 배열되는 복수의 픽셀 영역들에 배치될 수 있다. 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 서로 인접하고 같은 색상의 빛을 감지하기 위한 픽셀들은 픽셀 그룹을 구성할 수 있다. 도 5는 같은 색상의 빛을 감지하기 위한 픽셀들(PX)이 2×2의 매트릭스 구조로 배치된 픽셀 그룹(PG)을 예시한다.

복수의 픽셀 그룹들은 제1 픽셀 분리막(107)에 의해 정의될 수 있다. 즉, 픽셀 그룹들 사이에 제1 픽셀 분리막(107)이 배치될 수 있다. 인접한 픽셀 그룹들은 서로 다른 색상을 감지하기 위한 픽셀들을 포함할 수 있으며, 제1 픽셀 분리막(107)의 양측에는 서로 다른 색상을 감지하기 위한 픽셀들이 인접할 수 있다.

제1 픽셀 분리막(107)의 내측에는 복수의 픽셀들(PX)이 배치될 수 있다. 픽셀 그룹(PG)에 포함된 픽셀들(PX)은 제2 픽셀 분리막(108)에 의해 정의될 수 있다. 픽셀 그룹(PG)은 서로 같은 색상의 빛을 감지하기 위한 픽셀들을 포함할 수 있으며, 제2 픽셀 분리막(108)의 양측에는 서로 같은 색상의 빛을 감지하기 위한 픽셀들이 인접할 수 있다. 제2 픽셀 분리막(108)은 제1 픽셀 분리막(107)이 형성하는 영역 내에서 픽셀들의 사이에서 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)으로 교차하여 연장될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 및 제2 픽셀 분리막(107, 108)은 서로 다른 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 픽셀 분리막(107)은 폴리실리콘을 포함할 수 있으며, 제2 픽셀 분리막(108)은 폴리실리콘을 포함하지 않고, 실리콘 산화물로 구성될 수 있다.

도 5를 참조하면, 복수의 픽셀들(PX) 각각은 픽셀 분리막들(107, 108) 내측에 배치되는 픽셀 회로 영역을 포함할 수 있다. 일례로 픽셀 회로 영역은, 적어도 하나의 트랜지스터(110), 전송 게이트 구조체(120), 플로팅 디퓨전 영역(130), 및 불순물 영역(140) 등을 포함할 수 있다.

플로팅 디퓨전 영역(130)은 제1 도전형 불순물로 도핑되는 영역으로, 포토 다이오드에서 생성되는 전하가 누적되는 영역일 수 있다. 플로팅 디퓨전 영역(130)은 전송 게이트 구조체(120)와 인접할 수 있다. 전송 게이트 구조체(120)는, 픽셀 분리막(105)의 내측에 형성되는 포토 다이오드와, 제3 방향(Z축 방향)에서 인접할 수 있다. 일례로, 제1 도전형 불순물은 N형 불순물일 수 있다. 플로팅 디퓨전 영역(110)의 형상은 도 5에 도시한 바와 같이 한정되지 않으며, 실시예들에 따라 다양하게 변형될 수 있다.

전송 게이트 구조체(120)에 제1 바이어스 전압이 입력되면 포토 다이오드에서 생성되는 전하가 플로팅 디퓨전 영역(110)으로 이동하지 못할 수 있다. 전송 게이트 구조체(120)의 전압이 제1 바이어스 전압보다 높은 제2 바이어스 전압으로 증가하면, 포토 다이오드에서 생성된 전하가 플로팅 디퓨전 영역(110)으로 이동할 수 있다. 일례로, 제1 바이어스 전압은 음의 전압일 수 있으며, 제2 바이어스 전압은 양의 전압일 수 있다. 제1 바이어스 전압의 절대값은, 제2 바이어스 전압의 절대값보다 작을 수 있다.

트랜지스터(110)는 픽셀 회로에 포함되는 리셋 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 구동 트랜지스터 중 적어도 하나를 제공할 수 있다. 앞서 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 서로 인접한 둘 이상의 픽셀들(PX)이 트랜지스터(110)를 공유함으로써 픽셀 회로가 구현될 수 있다. 도 5를 참조하면, 트랜지스터(110)는 게이트 구조체(112) 및 게이트 구조체(112) 양측의 소스/드레인 영역(111)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 소스/드레인 영역(111) 각각의 면적은 플로팅 디퓨전 영역(130)의 면적보다 작을 수 있다. 이는, 포토 다이오드에서 생성되는 전하가 누적되는 플로팅 디퓨전 영역(130)의 면적을 상대적으로 더 크게 확보해야 하기 때문일 수 있다.

복수의 픽셀들(PX) 각각은, 플로팅 디퓨전 영역(130) 및 트랜지스터(110)와 분리되는 적어도 하나의 불순물 영역(140)을 포함할 수 있다. 일례로, 도 5에 도시한 바와 같이, 전송 게이트 구조체(120)의 일측에는 플로팅 디퓨전 영역(110)이 배치되고, 전송 게이트 구조체(120)의 다른 일측에는 불순물 영역(140)이 배치될 수 있다. 다만, 불순물 영역(140)은 전송 게이트 구조체(120)와 직접 접촉하지 않으며, 소자 분리막에 의해 전송 게이트 구조체(120)와 분리될 수 있다. 일 실시예에서 불순물 영역(140)은, 플로팅 디퓨전 영역(130) 및 트랜지스터(110)의 소스/드레인 영역(111)과 다른 제2 도전형의 불순물로 도핑될 수 있다. 불순물 영역(140)에는 접지 전압이 입력될 수 있다.

도 6을 함께 참조하면, 이미지 센서(100)의 기판(101)은 제3 방향(Z)에서 서로 마주하는 제1면과 제2면을 포함할 수 있다. 일례로, 제1면 상에는 광학부가 배치될 수 있으며, 제2면 상에는 배선 패턴들(150)과 층간 절연층(160)이 배치될 수 있다. 배선 패턴들(150)은 트랜지스터(110), 전송 게이트 구조체(120), 플로팅 디퓨전 영역(130), 및 불순물 영역(140)을 서로 연결하여 픽셀 회로를 제공할 수 있다. 층간 절연층(160)은 복수의 층간 절연층들(161-163)을 포함할 수 있으며, 트랜지스터(110), 전송 게이트 구조체(120), 플로팅 디퓨전 영역(130), 불순물 영역(140), 및 배선 패턴들(150)을 커버할 수 있다. 일례로, 층간 절연층(160)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등으로 형성될 수 있다.

기판(101)의 제1면 상에 배치되는 광학부는 수평 절연층(170), 필터 분리막(180), 컬러 필터들(181), 평탄화층(183), 및 마이크로 렌즈들(184)을 포함할 수 있다.

실시 예에 따라, 하나의 픽셀 그룹(PG)에 포함된 픽셀들(PX) 간에는 하나의 마이크로 렌즈(184) 및 하나의 컬러 필터(182)를 공유할 수 있다. 필터 분리막(180)은 픽셀 분리막(107)과 유사하게 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)으로 연장되는 바둑판 형상을 가질 수 있으며, 필터 분리막에 의해 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)으로 인접한 컬러 필터들(182)이 서로 분리될 수 있다. 필터 분리막(180)과 컬러 필터들(182)은 컬러 필터 어레이를 제공하며, 마이크로 렌즈들(184)은 마이크로 렌즈 어레이를 제공할 수 있다. 한편, 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)으로 연장되는 제2 픽셀 분리막(108)은 마이크로 렌즈(184)의 중심부에서 교차할 수 있다.

광학부를 통과한 빛은 복수의 픽셀들(PX) 각각에 포함되는 포토 다이오드(PD)로 입사할 수 있다. 도 5 및 도 6에 도시한 실시 예에서는 복수의 픽셀들(PX) 각각이 하나의 포토 다이오드(PD)를 포함하는 것으로 도시하였으나, 실시예들에 따라 복수의 픽셀들(PX) 중 적어도 하나에 포토 다이오드(PD)가 둘 이상 포함될 수도 있다.

이미지 센서(100)로 유입되는 빛은, 우선 마이크로 렌즈들(184)에 의해 굴절되고 평탄화층(183)을 통과하여 컬러 필터들(181)로 유입될 수 있다. 컬러 필터들(181)에 의해 소정 파장 대역의 빛이 필터링되며, 수평 절연층(170)을 통과하여 복수의 픽셀들(PX) 각각의 포토 다이오드(PD)로 필터링된 빛이 유입될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 픽셀 분리막(107)과 제2 픽셀 분리막(108)은 서로 다른 물질로 구현될 수 있다. 구체적으로, 제1 픽셀 분리막(107)의 표면에는 빛 반사 특성이 우수한 실리콘 산화물이 증착될 수 있으며, 실리콘 산화물이 증착된 후 남은 공간에 폴리실리콘이 채워질 수 있다. 즉, 제1 픽셀 분리막(107)에서 실리콘 산화물은 기판(101)에 접촉할 수 있으며, 실리콘 산화물의 내측에 폴리실리콘이 배치될 수 있다. 따라서, 도 6에 도시한 바와 같이, 컬러 필터를 통과한 빛이 서로 다른 색상의 빛을 감지하도록 구성되는 픽셀로 유입되는 문제가 방지될 수 있다.

제2 픽셀 분리막(108)은 실리콘 산화물로만 형성될 수 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, 컬러 필터를 통과하여 제2 픽셀 분리막(108)에 도달한 빛의 일부는 제2 픽셀 분리막(108)에서 반사될 수 있으나, 다른 일부는 제2 픽셀 분리막(108)을 통과하여 인접한 픽셀로 유입될 수 있다. 즉, 같은 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들 간에는 크로스토크가 발생할 수 있다. 그러나, 같은 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들 간의 크로스토크는 이미지의 품질에 큰 악영향을 주지는 않을 수 있으며, 오히려 픽셀 분리막에 의해 흡수되는 빛의 양이 감소하기 때문에 이미지 센서의 감도가 개선될 수 있다.

도 7 내지 도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

먼저 도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 반도체 물질을 포함하는 기판(101)에 픽셀 분리막들(107, 108)을 형성하여 복수의 픽셀들이 형성될 복수의 픽셀 영역들(PA)을 정의하는 것으로 시작될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 픽셀 분리막들(107, 108)은 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)으로 연장될 수 있다. 픽셀 분리막들(107, 108)에 의해 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)을 따라 배열되는 복수의 픽셀 영역들(PA)이 정의될 수 있다.

구체적으로, 도 7을 참조하면, 기판(101)의 일면에 수직하는 제3 방향(Z)으로 연장되는 트렌치들이 형성될 수 있으며, 트렌치들의 측면에 얇은 두께, 예를 들어 200

이하의 두께로 실리콘 산화물(105)을 증착할 수 있다. 실리콘 산화물(105)이 증착된 트렌치들에는 틈(gap)이 남아있을 수 있다.

도 8을 참조하면, 실리콘 산화물(105)이 증착된 트렌치들의 일부에 폴리실리콘(106)을 채워넣음으로써 제1 픽셀 분리막(107)을 형성할 수 있다. 제1 픽셀 분리막(107)에 의해, 픽셀 그룹이 정의될 수 있다.

도 9를 참조하면, 실리콘 산화물(105)이 증착된 트렌치들 중 폴리실리콘(106)이 채워지지 않은 나머지 트렌치들에 실리콘 산화물을 채워넣음으로써 제2 픽셀 분리막(108)을 형성할 수 있다. 픽셀 분리막들(107, 108)에 의해 픽셀 영역들(PA)이 정의될 수 있다.

한편, 도 9의 예에서 제1 픽셀 분리막(107)의 두께(W1)과 제2 픽셀 분리막(108)의 두께(W2)가 동일하게 형성될 수 있다. 픽셀 분리막들(107, 108)의 두께를 동일하게 형성하기 위해, 제2 픽셀 분리막(108)을 형성할 때 도 7 및 도 9에서 설명된 것과 같이 두 번에 걸쳐서 실리콘 산화물을 형성할 수 있다. 그러나, 본 발명에서 픽셀 분리막들(107, 108)을 형성하는 공정이나 픽셀 분리막들(107, 108)의 두께는 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명되는 것으로 제한되지는 않는다.

복수의 픽셀 영역들(PA) 각각에는, 도 10에 도시한 바와 같이 포토 다이오드(PD)가 형성될 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 포토 다이오드(PD)는 다른 광전 변환 소자로 대체될 수도 있다. 포토 다이오드(PD)는 기판(101)에 소정의 불순물을 도핑하는 공정에 의해 형성될 수 있다. 일례로, 포토 다이오드(PD)는 기판(301)의 상면으로부터 소정의 깊이에 형성될 수 있다.

다음으로 도 11을 참조하면, 픽셀 회로 영역이 형성될 수 있다. 픽셀 회로 영역은 기판(101)에 형성되는 전송 게이트 구조체(120), 플로팅 디퓨전 영역(130) 및 불순물 영역(140)과, 기판(101) 위에 형성되는 배선 패턴들(150) 및 층간 절연층(160) 등을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 픽셀 회로 영역은 전송 게이트 구조체(120), 플로팅 디퓨전 영역(130) 및 불순물 영역(140) 외에 적어도 하나의 트랜지스터를 더 포함할 수 있다. 층간 절연층(160)은 복수의 층간 절연층들(161-163)을 포함할 수 있다. 배선 패턴들(150)에 의해 픽셀 회로 영역에 포함되는 소자들이 서로 연결되어 픽셀 회로를 제공할 수 있다.

다음으로 도 11 내지 도 13을 참조하면, 픽셀 회로 영역까지 형성된 기판(101)을 뒤집은 후, 기판(101)의 일부 영역을 제거하는 CMP(Chemical-Mechanical Polishing) 공정이 진행될 수 있다. CMP 공정에 의해 도 11 내지 도 13에 도시한 바와 같이 기판(101)의 두께가 감소할 수 있으며, 포토 다이오드(PD)와 기판(101)의 일면 사이의 거리가 감소할 수 있다.실시 예에 따라, 픽셀 분리막들(107, 108)은 FDTI(Front Deep Trench Isolation)로서, 기판(101)을 완전히 관통하는 형태로 형성될 수 있다. 다시 말해, 도 13에 도시한 일 실시예에서는, CMP 공정에 의해 기판(101)의 일부 영역이 제거됨으로써, 기판(101)의 제1면이 픽셀 분리막들(107, 108)의 일면과 공면을 형성할 수 있다. 따라서, 제3 방향(Z)에서 기판(101)의 두께와 픽셀 분리막들(107, 108)의 두께가 서로 같을 수 있다.

도 14를 참조하면, 기판(101)의 제1면에 수평 절연층(170)이 형성될 수 있다. 수평 절연층(170)은 실리콘 산화물보다 높은 유전율을 갖는 고유전율 물질, 예를 들어 알루미늄 산화물 등으로 형성될 수 있다. 수평 절연층(170)은 복수의 층들을 포함할 수 있고, 수평 절연층(170)이 복수의 층들을 포함하는 경우 그 중 적어도 일부가 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 층들 중에서 기판(101)과 직접 접촉하는 층이 고유전율 물질로 형성될 수 있다. 이러한 수평 절연층(170)을 형성함으로써, CMP 공정 등에 의해 기판(101)에서 발생하는 결함을 큐어링할 수 있다.

일례로, CMP 공정 등에 의해 기판(101)에서 댕글링 본드가 발생하고 그로 인해 잉여 전하가 생성될 수 있다. 댕글링 본드 등에 의해 생성되는 잉여 전하는, 포토 다이오드(PD)가 빛에 반응하여 생성하는 광 전하와 구분되지 않으며, 따라서 이미지 센서의 다크 레벨 특성을 저하시키고, 이미지에서 나타나는 화이트 스팟의 원인이 될 수 있다. 수평 절연층(170)은 상기와 같은 결함을 큐어링하여 잉여 전하를 제거함으로써, 이미지 센서의 다크 레벨 특성을 개선하고 화이트 스팟 발생을 최소화할 수 있다.

도 15를 참조하면, 수평 절연층(170) 상에 희생층(115)이 형성되고, 희생층(115) 위에 마스크층(116)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 마스크층(116)은 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)에서 제1 픽셀 분리막(107)에 대응하는 위치에 형성될 수 있으며, 마스크층(116)에 의해 복수의 픽셀 영역들(PA) 각각에서 희생층(115)이 노출될 수 있다.

마스크층(116)이 형성되면, 도 16에 도시된 바와 같이 마스크층(116)에 의해 노출된 영역에서 희생층(115)을 제거하는 식각 공정을 진행함으로써 필터 분리막(180)을 형성할 수 있다. 필터 분리막(180)은 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)으로 연장되며 제1 픽셀 분리막(107)과 대응하는 위치에 형성될 수 있다. 도 16의 예에서는 필터 분리막(180)이 제1 픽셀 분리막(107)보다 작은 폭을 갖는 것으로 도시되었으나, 반드시 이와 같은 형태로 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 도 17을 참조하면, 필터 분리막(180) 사이에 컬러 필터들(181)이 형성되고, 컬러 필터들(181) 위에 평탄화층(183) 및 마이크로 렌즈들(184)이 형성될 수 있다. 도 17을 참조하면, 하나의 컬러 필터(181) 및 하나의 마이크로 렌즈(184)가 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들에서 공유될 수 있다.

앞서 설명된 바와 같이, 이미지 센서(100)의 동작에서, 컬러 필터들(381) 중 하나를 통과한 빛이 복수의 픽셀 영역들(PA) 각각에 배치되는 포토 다이오드(PD)로 입사할 수 있다. 이미지 센서(100)가 생성하는 이미지의 감도를 향상시키기 위해서는, 컬러 필터(381)를 통과한 빛이 포토 다이오드(PD)로 되도록이면 많이 유입되는 것이 바람직하다. 즉, 컬러 필터(181)를 통과한 빛이 픽셀 분리막(107, 108)으로 흡수되는 것을 최소화할 수 있어야 한다.본 발명의 실시 예에 따르면, 하나의 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들 사이의 제2 픽셀 분리막(108)은 폴리실리콘을 포함하지 않고, 실리콘 산화물로만 구성될 수 있다. 픽셀 분리막(108)은 폴리실리콘을 포함하는 픽셀 분리막(107)에 비해 빛을 적게 흡수할 수 있으므로, 이미지의 감도가 개선될 수 있다.

특히, 도 17에 도시된 것과 같이 하나의 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들이 2×2의 매트릭스 구조를 갖고 하나의 마이크로 렌즈를 공유하는 경우, 마이크로 렌즈로부터의 빛이 제2 픽셀 분리막(108)이 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)으로 교차되는 지점에 가장 집중될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 픽셀 분리막(108)은 픽셀 분리막(107)에 비해 빛을 적게 흡수할 수 있으므로, 포토 다이오드(PD)는 빛이 가장 집중되는 지점으로부터 반사되는 빛을 효과적으로 받아들일 수 있다. 따라서, 이미지의 감도가 더욱 효과적으로 개선될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 픽셀 분리막(107)은 여전히 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 실시 예에 따라, 제1 픽셀 분리막(107)에 네거티브 바이어스 전압을 인가함으로써 이미지 센서의 암전류(dark current) 발생을 완화하고, 이미지 센서의 다크 특성을 개선할 수 있다. 다크 특성이 개선될 수 있는 이미지 센서의 예가 도 18 내지 도 19를 참조하여 설명된다.

도 18 및 도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 설명하기 위한 도면들이다.

도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다. 도 18을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(60)는 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)을 따라 배열되는 복수의 픽셀들(61-64)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(60)는 중심부에 적색 픽셀들(61), 녹색 픽셀들(62) 및 청색 픽셀들(63)을 포함할 수 있다. 적색 픽셀들(61), 녹색 픽셀들(62) 및 청색 픽셀들(63)은 컬러 픽셀들(61-63)로 지칭될 수 있다. 픽셀 어레이(60)는, 컬러 픽셀들(61-63)의 주변부에 더미 픽셀들(64)을 더 포함할 수 있다.

컬러 픽셀들(61-63)은 도 2를 참조하여 설명된 픽셀들(51-53)에 대응할 수 있다. 더미 픽셀들(64)은 컬러 픽셀들(61-63)과 유사하게, 픽셀 분리막에 의해 정의될 수 있다. 그러나, 더미 픽셀들(64)은 마이크로 렌즈 및 컬러 필터는 포함하지 않을 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 더미 픽셀들 사이에 배치되는 제3 픽셀 분리막은 제1 픽셀 분리막과 마찬가지로, 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 제3 픽셀 분리막은 제1 픽셀 분리막과 전기적으로 연결될 수 있으며, 도전 콘택을 통해 외부로부터 네거티브 바이어스 전압을 인가받을 수 있다.

도 19는 도 18의 Ⅱ-Ⅱ`방향 및 Ⅲ-Ⅲ`방향 단면을 나타낸 단면도이다.

Ⅱ-Ⅱ`방향 단면은 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들의 단면을 나타내고, Ⅲ-Ⅲ`방향 단면은 더미 픽셀의 단면을 나타낸다. Ⅱ-Ⅱ`방향 단면은 도 17에 도시된 것과 유사할 수 있다.

도 19를 참조하면, 더미 픽셀 영역으로도 기판(201), 층간 절연층(260) 및 수평 절연층(270)이 연장될 수 있다. 더미 픽셀 영역의 기판(201)에도 제1 픽셀 분리막(207)을 형성하는 것과 같은 방법으로 제3 픽셀 분리막(217)이 형성될 수 있다. 즉, 제3 픽셀 분리막(217)은 기판(201)의 트렌치에 실리콘 산화물(216)을 증착하고, 남는 공간을 폴리실리콘(216)으로 채움으로써 형성될 수 있다.

더미 픽셀 영역은 도전 콘택(290)을 더 포함할 수 있다. 도전 콘택(290)은 외부의 배선층(미도시)과 전기적으로 연결되어, 제3 픽셀 분리막으로 네거티브 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 도 18에 도시된 바와 같이, 픽셀 분리막들은 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)으로 형성되어 격자 무늬를 형성할 수 있다. 따라서, 제1 픽셀 분리막(207)과 제3 픽셀 분리막(217)은 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 제2 픽셀 분리막(208)은 폴리실리콘의 비저항보다 낮은 비저항을 갖는 절연 물질만을 포함할 수 있으며, 제2 픽셀 분리막(208)으로는 네거티브 바이어스 전압이 인가되지 않을 수 있다.

도전 콘택(290)을 통해 네거티브 바이어스 전압이 인가되면, 기판(101) 내의 홀들이 제1 픽셀 분리막(107)의 계면을 향해 이동하여 축적될 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 암전류 발생이 감소될 수 있으며, 이미지 센서에 의해 생성된 이미지의 다크 특성이 개선될 수 있다.

한편, 도 19의 예에서 도전 콘택(290)이 기판의 수평 절연층(270) 상에 제공되는 것을 예로 들고 있으나, 이와 달리 도전 콘택은 층간 절연층(260) 상에 제공될 수도 있다.

도 2 내지 도 19를 참조하여 설명된 바에 따르면, 본 발명은 하나의 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들이 매트릭스 구조를 갖고 하나의 마이크로 렌즈를 공유하는 경우에 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 구체적으로, 본 발명은 같은 색상의 빛을 감지하기 위한 인접한 픽셀들이 픽셀 그룹을 이루는 구조에서, 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들이 각각 마이크로 렌즈를 포함하는 경우에도 적용될 수 있다. 이하에서, 도 20 내지 도 23을 참조하여 본 발명의 실시 예들이 자세히 설명된다.

도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.

도 20을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(70)는 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)을 따라 배열되는 복수의 픽셀들(71-73)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(70)에 배치된 픽셀들(71-73)은 도 2를 참조하여 설명된 픽셀들(51-53)과 유사하게 배치될 수 있다. 즉, 같은 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들이 2×2 매트릭스 구조로 배치되어 픽셀 그룹을 이룰 수 있다.

다만, 도 20을 참조하면, 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들은 각각 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다. 각각의 픽셀이 마이크로 렌즈를 갖는 이미지 센서에서 얻어지는 이미지는 SNR(signal-to-noise ratio) 및 감도가 우수할 수 있다. 한편, 서로 다른 픽셀 그룹에 포함된 인접한 픽셀들 중 일부는 서로 마이크로 렌즈(75)를 공유할 수도 있으며, 이러한 픽셀들은 자동 초점 기능(AF)을 제공할 수도 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들이 각각 마이크로 렌즈를 포함하는 경우에도, 픽셀 그룹 사이에 배치되는 제1 픽셀 분리막은 폴리실리콘을 포함하고, 픽셀 그룹 내부에서 서로 인접한 픽셀들 간의 제2 픽셀 분리막은 폴리실리콘을 포함하지 않고 실리콘 산화물로만 구성될 수 있다. 제2 픽셀 분리막은 제1 픽셀 분리막에 비해 빛을 적게 흡수할 수 있으므로, 이미지 센서의 감도가 개선될 수 있다.

도 21은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 설명하기 윙한 도면이다. 구체적으로, 도 21은 도 20의 Ⅳ-Ⅳ` 방향의 단면을 나타낸 단면도일 수 있다.

도 21에 도시된 이미지 센서(300)는 도 6을 참조하여 설명된 이미지 센서(100)와 유사한 구조를 가질 수 있다. 다만, 이미지 센서(300)에 포함된 픽셀들은 각각 하나의 마이크로 렌즈(384) 및 컬러 필터(382)를 가질 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 서로 다른 색상의 컬러 필터를 갖는 픽셀들 사이에 배치된 제1 픽셀 분리막(307)의 표면에는 실리콘 산화물(305)이 증착될 수 있으며, 실리콘 산화물이 증착된 후 남은 공간에 폴리실리콘(306)이 채워질 수 있다. 따라서, 서로 다른 색상의 빛을 감지하기 위한 픽셀들 간 크로스토크의 발생이 방지될 수 있다.

실시 예에 따라, 이미지 센서(300)는 더미 픽셀들 및 더미 픽셀들 사이에 배치된 제3 픽셀 분리막을 더 포함할 수 있으며, 제1 픽셀 분리막(307)은 도 19를 참조하여 설명된 것과 유사하게 제3 픽셀 분리막에 연결되어 네거티브 바이어스 전압을 인가받을 수 있다. 따라서 이미지 센서(300)를 통해 얻어지는 이미지의 다크 특성이 개선될 수 있다.

그리고, 같은 색상의 컬러 필터를 갖는 픽셀들 사이에 배치된 제2 픽셀 분리막(308)은 폴리실리콘을 포함하지 않고, 실리콘 산화물로 채워질 수 있다. 제2 픽셀 분리막(308)은 제1 픽셀 분리막(307)에 비해 적은 양의 빛을 흡수할 수 있으므로, 이미지 센서의 감도가 개선될 수 있다.

도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.

도 22를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀 어레이(80)는 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)을 따라 배열되는 복수의 픽셀들(81-83)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(80)에 배치된 픽셀들 중, 같은 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들은 3×3 매트릭스 구조로 배치되어 픽셀 그룹을 이룰 수 있다.

도 22를 참조하면, 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들은 각각 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다. 한편, 서로 다른 픽셀 그룹에 포함된 인접한 픽셀들 중 일부는 서로 마이크로 렌즈를 공유할 수도 있으며, 이러한 픽셀들은 자동 초점 기능(AF)을 제공할 수 있다.

도 23은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 23은 도 22의 Ⅴ-Ⅴ`방향의 단면을 나타낸 단면도이다.

도 23에 도시된 이미지 센서(400)는 같은 색상의 빛을 감지하기 위한 3개의 픽셀이 제1 방향(X)으로 인접한 형태를 나타낸다. 도 22 및 도 23을 참조하면, 같은 색상의 빛을 감지하기 위한 9개의 픽셀들이 픽셀 그룹을 이루며, 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)으로 인접할 수 있다. 픽셀 그룹에 포함된 픽셀들은 각각 마이크로 렌즈(484) 및 컬러 필터(482)를 가질 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 서로 다른 색상의 컬러 필터를 갖는 픽셀들 사이에 배치된 제1 픽셀 분리막(407)의 표면에는 실리콘 산화물(405)이 증착될 수 있으며, 실리콘 산화물이 증착된 후 남은 공간에 폴리실리콘(406)이 채워질 수 있다. 그리고, 서로 같은 색상의 컬러 필터를 갖는 픽셀들 사이에 배치된 제2 픽셀 분리막(408)은 폴리실리콘을 포함하지 않고, 실리콘 산화물로 채워질 수 있다. 따라서, 인접한 픽셀들 간 크로스토크로 인한 이미지 품질의 열화를 최소화하면서 이미지의 감도를 개선할 수 있다.

도 1 내지 도 23을 참조하여 설명된 본 발명의 실시 예에 따르면, 서로 다른 색상을 감지하도록 구성된 픽셀들 사이에 배치되는 제1 픽셀 분리막과 서로 같은 색상을 감지하도록 구성된 픽셀들 사이에 배치되는 제2 픽셀 분리막은 서로 다른 물질로 구성될 수 있다. 구체적으로, 제1 픽셀 분리막은 폴리실리콘을 포함할 수 있으며, 제2 픽셀 분리막은 폴리실리콘을 포함하지 않고 실리콘 산화물로 구성될 수 있다.

제1 픽셀 분리막은 제2 픽셀 분리막에 비해 낮은 투과율을 가질 수 있으므로 인접한 픽셀들 간 광학적 크로스토크의 발생을 방지할 수 있다. 그리고, 제1 픽셀 분리막은 도전성을 가지므로, 외부 네거티브 바이어스 전압을 인가받으면 주변에 홀이 누적되어 다크 특성이 개선될 수 있다.

제2 픽셀 분리막은 제1 픽셀 분리막에 비해 높은 투과율을 가질 수 있으므로 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 제2 픽셀 분리막에서 흡수되지 않고 포토 다이오드에 효과적으로 입사할 수 있다. 제2 픽셀 분리막의 양측에 인접한 픽셀들 간 광학적 크로스토크가 발생할 수 있으나, 색상을 같은 색상의 빛을 감지하기 위한 픽셀들 간 크로스토크는 이미지의 품질에 큰 악영향을 미치지 않을 수 있다. 따라서, 이미지의 품질의 열화를 최소화하면서 이미지의 감도를 효과적으로 개선할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

100, 200, 300, 400: 이미지 센서
PX: 픽셀
PD: 포토 다이오드
101, 201, 301, 401: 기판
107, 207, 307, 407: 제1 픽셀 분리막
108, 208, 308, 408: 제2 픽셀 분리막
120, 220, 320, 420: 전송 게이트 구조체
130, 230, 330, 430: 플로팅 디퓨전 영역
140, 240, 340, 440: 불순물 영역
170, 270, 370, 470: 수평 절연층
180, 280, 380, 480: 필터 분리막
182, 282, 382, 482: 컬러 필터들
183, 283, 383, 483: 평탄화층
184, 284, 384, 484: 마이크로 렌즈

Claims (10)

1. 기판의 상면에 평행한 방향을 따라 배열되는 복수의 포토 다이오드들, 상기 기판의 상면에 수직하는 방향으로 상기 기판의 상면으로부터 하면까지 연장되어 상기 복수의 포토 다이오드들 사이에 배치되는 픽셀 분리막, 및 상기 복수의 포토 다이오드들 각각의 아래에 배치되는 픽셀 회로들을 포함하는 픽셀 어레이; 및
   상기 픽셀 회로들로부터 픽셀 신호를 획득하는 로직 회로를 포함하며,
   상기 픽셀 어레이는
   상기 복수의 포토 다이오드들 중 N×N(N은 2 이상의 자연수) 매트릭스 구조로 배치되는 둘 이상의 포토 다이오드들, 상기 기판 위에 배치되는 적어도 하나의 컬러 필터, 및 적어도 하나의 마이크로 렌즈를 각각 포함하는 픽셀 그룹들을 포함하고, 픽셀 그룹들 각각에 포함된 상기 적어도 하나의 컬러 필터는 한 가지 색상을 가지며,
   상기 픽셀 분리막은
   상기 픽셀 그룹들 사이에 배치되고 실리콘 산화물 및 폴리실리콘을 포함하는 제1 픽셀 분리막; 및
   상기 픽셀 그룹들 각각에서 상기 둘 이상의 포토 다이오드들 사이에서 상기 기판의 상면에 평행하며 서로 교차하는 제1 방향 및 제2 방향으로 연장되고 실리콘 산화물을 포함하는 제2 픽셀 분리막을 포함하는
   이미지 센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 픽셀 분리막은 도전성 물질을 포함하지 않는
   이미지 센서.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제2 픽셀 분리막에 포함되는 물질의 비저항은 폴리실리콘의 비저항보다 높은
   이미지 센서.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 픽셀 그룹들 각각은 복수의 픽셀들을 포함하며, 상기 복수의 픽셀들은 하나의 상기 컬러 필터 및 하나의 상기 마이크로 렌즈를 공유하는
   이미지 센서.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 픽셀 그룹들 각각은 복수의 픽셀들, 복수의 컬러 필터들, 및 복수의 마이크로 렌즈들을 포함하는
   이미지 센서.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 픽셀 어레이는
   상기 픽셀 그룹들 주변에 배열되는 더미 픽셀들; 및
   상기 더미 픽셀들 사이에 배치되고 폴리실리콘을 포함하는 제3 픽셀 분리막을 더 포함하며,
   상기 제1 픽셀 분리막 및 제3 픽셀 분리막은 전기적으로 연결되는
   이미지 센서.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 기판의 상면 또는 하면에 배치되어 상기 제3 픽셀 분리막과 전기적으로 연결되고, 외부의 네거티브 바이어스 전압에 연결되는 도전 콘택을 더 포함하는
   이미지 센서.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1 픽셀 분리막에서, 상기 실리콘 산화물은 상기 폴리실리콘의 외측에 배치되는
   이미지 센서.
   
9. 기판의 상면에 평행한 방향을 따라 배열되는 복수의 픽셀들, 및 상기 복수의 픽셀들 사이에서 상기 기판의 상면으로부터 하면까지 연장되는 픽셀 분리막을 포함하며, 상기 복수의 픽셀들 각각은 적어도 하나의 포토 다이오드, 및 상기 적어도 하나의 포토 다이오드 아래의 픽셀 회로를 포함하는 픽셀 어레이; 및
   상기 복수의 픽셀들로부터 픽셀 신호를 획득하는 로직 회로를 포함하며,
   상기 픽셀 분리막은
   상기 복수의 픽셀들 중 서로 인접하고 서로 다른 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들 사이에 배치되고 제1 투과율을 갖는 폴리실리콘을 포함하는 제1 픽셀 분리막; 및
   상기 복수의 픽셀들 중 서로 인접하고 같은 색상의 빛을 감지하도록 구성된 픽셀들 사이에 배치되고 상기 제1 투과율보다 높은 제2 투과율을 가지며, 상기 기판의 상면에 평행하며 서로 교차하는 제1 방향 및 제2 방향으로 연장되는 제2 픽셀 분리막을 포함하는
   이미지 센서.
   
10. 기판의 상면에 평행한 방향을 따라 배열되는 복수의 픽셀들, 및 상기 복수의 픽셀들 사이에서 기판을 관통하도록 배치되는 픽셀 분리막을 포함하며, 상기 복수의 픽셀들 각각은 적어도 하나의 포토 다이오드, 및 상기 적어도 하나의 포토 다이오드 아래의 픽셀 회로를 포함하는 픽셀 어레이; 및
    상기 복수의 픽셀들로부터 픽셀 신호를 획득하는 로직 회로를 포함하며,
    상기 픽셀 분리막은
    상기 기판의 상면에 평행하며 서로 교차하는 제1 방향 및 제2 방향을 따라 연장되고, 폴리실리콘을 포함하는 제1 픽셀 분리막; 및
    상기 제1 픽셀 분리막이 형성하는 영역 내부에서 상기 제1 방향 및 제2 방향으로 교차하고 절연 물질을 포함하는 제2 픽셀 분리막을 포함하는
    이미지 센서.
    
    

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