KR20230079871A - 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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김찬형
공길우
양지희
이강준
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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 기판 내에 배치되는 광전 변환 소자 영역들; 및 상기 기판의 제1 면으로부터 상기 제1 면과 대향하는 제2 면 방향으로 형성되고, 평면도 상에서 상기 광전 변환 소자 영역들을 둘러싸고, 상기 광전 변환 소자 영역들의 측면들과 인접하는 제1 영역들 및 상기 광전 변환 소자 영역들의 각 코너와 인접하는 제2 영역들을 갖는 분리 구조물을 포함하고, 상기 분리 구조물은, 평면도 상에서, 상기 광전 변환 소자 영역들을 각각 둘러싸는 제1 분리 층들, 상기 제1 분리 층들을 둘러싸는 제2 분리 층들, 상기 제1 영역들에서 상기 제2 분리 층들 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 제1 갭필 패턴들, 및 상기 제2 영역들에서 상기 제2 분리 층들 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 제2 갭필 패턴들을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.

Description

이미지 센서 및 그 제조 방법{IMAGE SENSOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
화상을 촬영하여 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대 전화용 카메라 및 휴대용 캠코더 등과 같은 일반 소비자용 전자기기뿐만 아니라, 자동차, 보안장치 및 로봇 등에 장착되는 카메라에도 사용되고 있다. 이러한 이미지 센서는 소형화 및 높은 해상도가 요구되고 있기 때문에, 이를 충족시키기 위한 다양한 연구들이 수행되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제 중 하나는, 암 전류 특성이 개선되고, 광특성 효율 및 감도가 향상된 이미지 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 제1 기판 및 상기 제1 기판 상의 제1 회로 소자들을 포함하는 제1 칩 구조물; 및 상기 제1 칩 구조물 상의 제2 칩 구조물을 포함하고, 상기 제2 칩 구조물은, 상기 제1 칩 구조물과 마주보는 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하는 제2 면을 갖는 제2 기판; 상기 제2 기판의 상기 제1 면에 배치되는 제2 회로 소자들; 상기 제2 기판의 상기 제2 면 상의 반사 방지 층들; 상기 반사 방지 층들 상의 컬러 필터들; 상기 컬러 필터들 상의 마이크로 렌즈들; 상기 제2 기판 내의 분리 구조물; 및 상기 제2 기판 내에서, 상기 분리 구조물에 의해 서로 이격되는 광전 변환 소자 영역들을 포함하고, 상기 분리 구조물은, 상기 광전 변환 소자 영역들의 측면들과 인접하는 제1 영역들 및 상기 광전 변환 소자 영역들의 각 코너와 인접하는 제2 영역들을 갖고, 상기 분리 구조물은, 평면도 상에서, 광전 변환 소자 영역들을 각각 둘러싸는 제1 분리 층들, 상기 제1 분리 층들을 둘러싸는 제2 분리 층들, 상기 제1 영역들에서 상기 제2 분리 층들 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 제1 갭필 패턴들, 및 상기 제2 영역들에서 상기 제2 분리 층들 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 제2 갭필 패턴들을 포함하고, 평면도 상에서, 상기 제2 갭필 패턴들은 상기 제1 갭필 패턴들과 접촉하는 이미지 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 기판 내에 배치되는 광전 변환 소자 영역들; 및 상기 기판의 제1 면으로부터 상기 제1 면과 대향하는 제2 면 방향으로 형성되고, 평면도 상에서 상기 광전 변환 소자 영역들을 둘러싸고, 상기 광전 변환 소자 영역들의 측면들과 인접하는 제1 영역들 및 상기 광전 변환 소자 영역들의 각 코너와 인접하는 제2 영역들을 갖는 분리 구조물을 포함하고, 상기 분리 구조물은, 평면도 상에서, 상기 광전 변환 소자 영역들을 각각 둘러싸는 제1 분리 층들, 상기 제1 분리 층들을 둘러싸는 제2 분리 층들, 상기 제1 영역들에서 상기 제2 분리 층들 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 제1 갭필 패턴들, 및 상기 제2 영역들에서 상기 제2 분리 층들 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 제2 갭필 패턴들을 포함하는 이미지 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 기판 내에 배치되는 광전 변환 소자 영역; 및 상기 기판의 제1 면으로부터 상기 제1 면과 대향하는 제2 면 방향으로 형성되고, 상기 광전 변환 소자 영역을 둘러싸는 분리 구조물을 포함하고, 상기 분리 구조물은, 평면도 상에서 상기 광전 변환 소자 영역을 둘러싸는 제1 분리 층, 상기 제1 분리 층을 둘러싸는 제2 분리 층, 상기 제2 분리 층과 접촉하는 제1 갭필 패턴들, 및 상기 광전 변환 소자 영역의 각 코너와 인접한 영역에서 상기 제2 분리 층과 접촉하는 제2 갭필 패턴들을 포함하고, 상기 제2 갭필 패턴들은 상기 제1 갭필 패턴들에 의해 서로 이격되어 배치되는 이미지 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 기판을 식각하여 라인 영역들 및 크로스 영역들을 갖는 분리 트렌치를 형성하는 단계; 상기 분리 트렌치 내에 제1 분리 층을 형성하는 단계; 상기 분리 트렌치 내에서 상기 제1 분리 층 상에 제2 분리 층을 형성하는 단계; 상기 제2 분리 층 상에 제1 갭필 물질 층을 형성하는 단계, 상기 제1 갭필 물질 층은 상기 라인 영역들에서 상기 분리 트렌치를 채우고, 상기 제1 갭필 물질 층은 상기 크로스 영역들에서 상기 분리 트렌치를 부분적으로 채움; 상기 제1 갭필 물질 층을 식각하여, 상기 라인 영역들에 제1 갭필 패턴들을 형성하고, 상기 크로스 영역들에서 상기 제2 분리 층을 노출시키는 단계; 상기 크로스 영역들에서 상기 분리 트렌치를 채우며, 상기 제2 분리 층과 접촉하는 제2 갭필 물질 층을 형성하는 단계; 상기 제2 갭필 물질 층을 식각하여, 상기 크로스 영역들에 제2 갭필 패턴들을 형성하는 단계; 및 상기 제1 갭필 패턴들 및 상기 제2 갭필 패턴들 상에 캡핑 층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 제1 기판, 상기 제1 기판 상의 제1 회로 소자, 상기 제1 회로 소자 상의 제1 배선 구조물, 상기 제1 배선 구조물을 덮는 제1 절연 층을 포함하는 제1 구조물을 형성하는 단계; 제2 기판, 상기 제2 기판 내의 광전 변환 소자 영역들, 상기 제2 기판의 제1 면으로부터 상기 제1 면과 대향하는 제2 면 방향으로 형성되는 분리 구조물, 상기 제2 기판의 제1 면 상의 제2 회로 소자, 제2 배선 구조물, 및 상기 제2 배선 구조물을 덮는 제2 절연 층을 포함하는 제2 구조물을 형성하는 단계; 및 상기 제1 절연 층과 상기 제2 절연 층이 서로 직접 접촉하도록 상기 제1 구조물과 상기 제2 구조물을 서로 접합하는 단계를 포함하고, 상기 분리 구조물을 형성하는 단계는, 상기 제2 기판을 식각하여, 라인 영역들 및 크로스 영역들을 갖는 분리 트렌치 및 상기 분리 트렌치에 의해 이격되는 반도체 패턴들을 형성하는 단계; 상기 분리 트렌치 내에 복수의 층들을 형성하는 단계; 상기 라인 영역들에서 상기 분리 트렌치를 채우는 제1 갭필 패턴들을 형성하는 단계; 및 상기 크로스 영역들에서 상기 분리 트렌치를 채우며 상기 제1 갭필 패턴들과 접촉하는 제2 갭필 패턴들을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법을 제공할 수 있다.
분리 트렌치의 라인 영역들에 제1 갭필 패턴들을 배치하고, 분리 트렌치의 크로스 영역들에 제2 갭필 패턴들을 배치함으로써, 암전류 특성이 개선되고, 광특성 효율 및 감도가 향상된 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 개략적인 도면이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 분리 구조물을 포함하는 영역을 확대하여 도시하는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 도시하는 단면도들이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 분리 구조물을 포함하는 영역을 확대하여 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 도시하는 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 분리 구조물을 포함하는 영역을 확대하여 도시하는 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 공정 순서에 따라 나타낸 흐름도이다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위하여 분리 트렌치를 형성한 기판을 도시하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9g는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 도면들이다.
도 10a 내지 도 11b는 본 발명의 일 실시예 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 도면들이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 공정 순서에 따라 나타낸 흐름도이다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 개략적인 도면이다. 도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 일부를 확대한 평면 모양을 나타낼 수 있다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 분리 구조물을 포함하는 영역을 확대하여 도시하는 도면이다. 도 1b는 도 1a의 이미지 센서의 'A' 영역을 확대하여 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 도시하는 단면도들이다. 도 2a는 도 1a의 이미지 센서를 절단선 Ⅰ-Ⅰ'를 따라 절단한 단면을 도시하고, 도 2b는 도 1a의 이미지 센서를 절단선 Ⅱ-Ⅱ'를 따라 절단한 단면을 도시한다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 분리 구조물을 포함하는 영역을 확대하여 도시하는 도면이다. 도 2c는 도 2a의 'B1' 영역과 도 2b의 'B2' 영역을 각각 확대하여 도시한다.
도 1a 내지 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1000)는 제1 칩 구조물(100) 및 제2 칩 구조물(200)을 포함할 수 있다. 제2 칩 구조물(200)은 제1 칩 구조물(100) 상에 배치될 수 있다. 제1 칩 구조물(100)은 로직 칩일 수 있고, 제2 칩 구조물(200)은 복수의 픽셀 영역들(PX)을 포함하는 이미지 센서 칩일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제1 칩 구조물(100)은 로직 칩 및 메모리 칩을 포함하는 적층 칩 구조물일 수도 있다.
제1 칩 구조물(100)은 제1 기판(101), 제1 기판(101) 상에서 활성 영역을 한정하는 제1 소자 분리 층(110), 제1 기판(101) 상의 제1 회로 소자(120), 및 제1 회로 소자(120) 상의 제1 배선 구조물(130)과 제1 절연 층(140)을 포함할 수 있다.
제1 기판(101)은 반도체 물질, 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 제1 회로 소자(120)는 게이트(122) 및 소스/드레인(124)을 포함하는 트랜지스터 등과 같은 소자를 포함할 수 있다. 제1 절연 층(140)은 제1 기판(101) 상에서 제1 회로 소자(120)와 제1 배선 구조물(130)을 덮을 수 있으며, 복수의 절연 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 절연 층(140)은 실리콘 산화물 층, 저유전체 층, 및 실리콘 질화물 층 중 적어도 두 종류 이상을 포함하는 다층으로 형성될 수 있다.
제2 칩 구조물(200)은 서로 대향하는 제1 면(201S1) 및 제2 면(201S2)을 갖는 제2 기판(201), 제2 기판(201)의 제1 면(201S1)에 배치되어 활성 영역을 한정하는 제2 소자 분리 층(210), 제2 기판(201)의 제1 면(201S1)과 제1 칩 구조물(100) 사이에 배치되는 제2 회로 소자(220), 제2 배선 구조물(230), 및 제2 절연 층(240), 제2 기판(201) 내의 광전 변환 소자 영역들(PD), 제2 기판(201)을 관통하며 광전 변환 소자 영역들(PD)을 둘러싸는 분리 구조물(IS), 제2 기판(201)의 제2 면(201S2) 상에 배치되는 절연 구조물(270), 절연 구조물(270) 상의 컬러 필터들(280), 및 컬러 필터들(280) 상의 마이크로 렌즈들(290)을 포함할 수 있다.
제2 기판(201)은 반도체 물질, 예컨대 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 기판(201)은 단결정 실리콘 기판일 수 있다.
제2 소자 분리 층(210)은 예를 들어, 쉘로우 트렌치 소자 분리(shallow trench isolation, STI) 공정에 의하여 형성될 수 있다. 제2 소자 분리 층(210)은 제2 기판(201)의 제1 면(201S1)으로부터 제2 기판(201) 내로 일부 연장될 수 있다. 제2 소자 분리 층(210)은 절연 물질, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 그들의 조합으로 형성될 수 있다.
제2 회로 소자(220)는 트랜스퍼 게이트(TG) 및 부유 확산 영역(FD) 및 회로 트랜지스터들(221)을 포함할 수 있다. 회로 트랜지스터(221)는 게이트(222) 및 소스/드레인(224)을 포함할 수 있다. 트랜스퍼 게이트(TG)는 인접한 광전 변환 소자 영역(PD)에서 인접한 부유 확산 영역(FD)으로 전하를 전송할 수 있다. 회로 트랜지스터(221)는 소스 팔로워 트랜지스터, 리셋 트랜지스터 및 선택 트랜지스터 중 적어도 하나일 수 있다. 트랜스퍼 게이트(TG)는 제2 기판(201)의 제1 면(201S1)으로부터 제2 기판(201) 내부려 연장되는 부분을 포함하는 수직 트랜스퍼 게이트일 수 있다.
제2 배선 구조물(230)은 서로 다른 높이 레벨에 위치하는 다층의 배선들 및 상기 다층의 배선들을 전기적으로 연결하고 상기 다층의 배선들을 제2 회로 소자(220)와 전기적으로 연결하는 비아들을 포함할 수 있다.
제2 절연 층(240)은 제2 기판(201)의 제1 면(201S1) 아래에서 제2 회로 소자(220) 및 제2 배선 구조물(230)을 덮을 수 있으며, 복수의 절연 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 절연 층(240)은 실리콘 산화물 층, 저유전체 층, 및 실리콘 질화물 층 중 적어도 두 종류 이상을 포함하는 다층으로 형성될 수 있다. 제2 절연 층(240)은 제1 절연 층(140)과 접촉하여 본딩될 수 있다.
광전 변환 소자 영역들(PD)은 제2 기판(201) 내부에 형성될 수 있으며, 분리 구조물(IS)에 의해 서로 이격될 수 있다. 픽셀 영역들(PX)은 광전 변환 소자 영역들(PD)을 포함하는 영역들로 정의될 수 있다. 예를 들어, 각각의 픽셀 영역들(PX)은 하나의 광전 변환 소자 영역(PD)을 포함할 수 있다. 광전 변환 소자 영역(PD)은 입사광에 대응하는 전하를 생성 및 축적할 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 소자 영역(PD)은 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode; PPD) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
분리 구조물(IS)은 각각의 광전 변환 소자 영역들(PD)을 포함하는 픽셀 영역들(PX)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 분리 구조물(IS)은 제2 기판(201)을 관통하는 분리 트렌치(DT) 내에 배치될 수 있다. 분리 구조물(IS)은 제2 기판(201)의 제1 면(201S1)으로부터 제1 면(201S1)과 대향하는 제2 면(201S2) 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 분리 구조물(IS)의 적어도 일부는 제2 기판(201)을 관통할 수 있다. 다른 예에서, 분리 구조물(IS)은 제2 기판(201)을 완전히 관통하지 않고, 부분적으로 관통하도록 배치될 수도 있다. 분리 구조물(IS)은 제2 소자 분리 층(210)의 일부와 연결될 수 있다. 예를 들어, 분리 구조물(IS)은 제2 소자 분리 층(210)을 관통할 수 있다.
분리 구조물(IS)은 도 1a 및 도 1b에 도시된 것과 같이, 광전 변환 소자 영역들(PD)의 측면들(S)과 인접하는 제1 영역들(LR) 및 광전 변환 소자 영역들(PD)의 각 코너(C)와 인접하는 제2 영역들(CR)을 가질 수 있다. 제2 영역들(CR)은 평면도 상에서 분리 구조물(IS)의 격자 패턴의 교차되는 영역들일 수 있으며, 예를 들어, X 방향으로 연장되는 패턴들과 Y 방향으로 연장되는 패턴들이 교차하는 영역들을 포함할 수 있다.
분리 구조물(IS)은 평면도 상에서, 각각의 광전 변환 소자 영역(PD)을 둘러싸는 제1 분리 층들(251) 및 제2 분리 층들(252)을 포함할 수 있다. 제1 분리 층들(251)은 광전 변환 소자 영역들(PD)을 각각 둘러쌀 수 있고, 제2 분리 층들(252)은 제1 분리 층들(251)을 각각 둘러쌀 수 있다. 제1 분리 층들(251) 및 제2 분리 층들(252)은 제1 영역들(LR)에서 제2 영역들(CR)로 연장될 수 있으며, 제2 영역들(CR)에서 광전 변환 소자 영역(PD)의 각 코너를 둘러싸도록 라운드된 부분을 포함할 수 있다.
분리 구조물(IS)은 제1 영역들(LR)에서 제2 분리 층들(252) 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 제1 갭필 패턴들(261) 및 제2 영역들(CR)에서 제1 분리 층들(252) 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 제2 갭필 패턴들(262)을 더 포함할 수 있다. 제2 갭필 패턴들(262)은 제1 갭필 패턴들(261)과 서로 접촉할 수 있다. 제2 갭필 패턴들(262)은 복수의 광전 변환 소자 영역(PD)의 각 코너마다 인접하게 배치되며, 제1 갭필 패턴들(261)에 의해 서로 이격되어 배치될 수 있다. 제1 갭필 패턴들(261)은, 평면도 상에서 제1 방향(X 방향 또는 Y 방향)에서 인접하는 광전 변환 소자 영역들(PD) 사이에 배치될 수 있고, 제2 갭필 패턴들(262)은, 평면도 상에서 상기 제1 방향과 비스듬하고 제2 기판(201)의 제2 면(201S2)에 평행한 제2 방향(W1 방향 또는 W2 방향)에서 서로 인접하는 광전 변환 소자 영역들(PD) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 방향(X 방향 또는 Y 방향)에서, 제1 갭필 패턴들(261)은 제1 최소 폭(W1)을 갖고, 상기 제2 방향(W1 방향 또는 W2 방향에서 제2 갭필 패턴들(262)은 제2 최소 폭(W2)을 갖고, 제1 최소 폭(W1)은 제2 최소 폭(W2)보다 작을 수 있다. 일 예로, 제2 최소 폭(W2)은 제1 최소 폭(W1)의 약 1.3 배 내지 약 4 배 또는 약 1.8 배 내지 약 2.2 배 일 수 있다. 제1 갭필 패턴(261)은 제1 최소 폭(W1)을 갖는 제1 부분과, 제1 최소 폭(W1)보다 큰 폭(W1e)을 갖는 제2 부분을 포함할 수 있고, 제2 갭필 패턴(262)은 제2 최소 폭(W2)을 갖는 제1 부분과, 제2 최소 폭(W2)보다 큰 폭(W2e)을 갖는 제2 부분을 포함할 수 있다.
제2 갭필 패턴들(262)은 평면도 상에서 십자(cross) 형상을 가질 수 있다. 제1 갭필 패턴들(261)과 접촉하는 제2 갭필 패턴들(262)의 측면들은 제1 갭필 패턴들(261)을 향해 볼록한 곡면일 수 있다. 제2 갭필 패턴들(262)은 평면도 상에서 광전 변환 소자 영역(PD)의 각 코너(C)의 일부와 마주보는 오목한 영역(CS)을 포함할 수 있다. 오목한 영역(CS)은 제2 분리 층(252)과 접촉할 수 있다.
분리 구조물(IS)은 제1 분리 층들(251)과 제2 분리 층들(252) 사이에 배치되는 라이너 층들(253) 및 제1 분리 층들(251) 사이에서 제1 갭필 패턴들(261) 및 제2 갭필 패턴들(262)을 덮는 캡핑 층(268)을 더 포함할 수 있다. 라이너 층들(253)은 평면도 상에서 제1 분리 층들(251)을 각각 둘러쌀 수 있다. 라이너 층들(253)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 제1 분리 층들(251)은 제2 분리 층들(252) 및 라이너 층들(253) 보다 제2 기판(201)의 제1 면(201S1)을 향해 더 길게 연장될 수 있으며, 캡핑 층(268)과 접촉할 수 있다. 캡핑 층(268)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
일 예로, 제2 갭필 패턴들(262)은 제1 갭필 패턴들(261)과 다른 물질을 포함할 수 있고, 제2 분리 층들(252)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 분리 층들(251)은 제2 분리 층들(252)과 다른 물질을 포함할 수 있다. 라이너 층들(253)은 제1 분리 층들(251) 및 제2 분리 층들(252)과 다른 물질을 포함할 수 있다. 제1 분리 층(251)은 절연 물질, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 제2 분리 층(252)은 반도체 물질, 예를 들어, n형 또는 p형 불순물로 도핑된 폴리 실리콘 또는 언도프트(undoped) 폴리 실리콘을 포함할 수 있다. 제1 갭필 패턴(261)은 절연 물질, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 제2 갭필 패턴(262)은 반도체 물질, 예를 들어, n형 또는 p형 불순물로 도핑된 폴리 실리콘 또는 언도프트(undoped) 폴리 실리콘을 포함할 수 있다. n형 불순물는, 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 및 안티몬(Sb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, p형 불순물 원소는, 붕소(B), 인듐(In), 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이와 달리, 분리 구조물(IS)을 이루는 제1 및 제2 분리 층들(251, 252) 및 제1 및 제2 갭필 패턴들(261, 262)은 각각 도전 물질, 예를 들어, 티타늄질화물(TiN), 탄탈늄질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 및 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
제1 분리 층(251), 제2 분리 층(252), 라이너 층(253), 제1 갭필 패턴(261), 및 제2 갭필 패턴(262) 각각은, 이미지 센서(1000)의 분리 구조물(IS)의 구조를 명확히 보여주기 위해, 도면에서 과장되어 도시되었으며, 실제 제품의 각 구성요소들은 도시된 것보다 상대적으로 얇은 두께를 가질 수 있다. 한편, 제2 분리 층(252)은 제1 분리 층(251)보다 두꺼운 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않고, 분리 구조물(IS)을 이루는 각 구성요소들의 두께들은 서로 동일할 수도 있고 서로 다를 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 갭필 패턴(262)으로 음의 전압이 인가될 수 있다. 제2 갭필 패턴(262)을 통해 음의 전압이 제2 갭필 패턴(262)과 접촉하는 제2 분리 층(252)에 인가될 수 있다. 광전 변환 소자 영역(PD)에서 생성된 양전하가 광전 변환 소자 영역(PD)을 둘러싸는 제2 분리 층(252)을 통해 제거될 수 있다. 결과적으로, 이미지 센서의 암전류 특성이 개선될 수 있다.
한편, 제2 갭필 패턴(262)이 예를 들어, 폴리 실리콘 층을 포함하고, 상기 폴리 실리콘 층이 제2 분리 층들(252) 사이에서 분리 트렌치(DT) 내측 공간 전체를 갭필하는 물질 층으로 이용되는 경우, 입사된 빛의 일부가 광전 변환 소자 영역(PD)이 아닌 상기 폴리 실리콘 층에 흡수되어 광특성 효율이 저하될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 영역들(LR)에서 갭필 물질 층으로 제1 갭필 패턴(261)을 형성하고, 제2 영역들(CR)에서 갭필 물질 층으로 제2 갭필 패턴(262)을 형성할 수 있다. 제2 갭필 패턴(262)은 광전 변환 소자 영역(PD)의 코너에 인접하여 국부적으로 배치시킴으로써, 입사된 빛의 일부가 상기 폴리 실리콘 층에 흡수되는 것을 최소화할 수 있다.
즉, 제2 영역(CR)에서 제2 갭필 패턴(262)은 제2 분리 층(252)과 접촉하고 있으므로, 제2 분리 층(252)으로 음의 전압이 인가될 수 있는 전기적 연결 통로는 제공하여 이미지 센서의 암전류 특성은 개선하면서 동시에, 제2 영역(CR)에 제2 갭필 패턴(262)을 국부적으로 또는 단속적으로 배치시킴으로써, 이미지 센서의 광특성 효율 및 감도를 향상시킬 수 있다.
절연 구조물(270)은 제2 기판(201)과 분리 구조물(IS)을 덮을 수 있다. 절연 구조물(270)은 굴절률을 조절하여 입사된 빛이 높은 투과율로 광전 변환 소자 영역들(PD)로 진행할 수 있도록 하는 반사 방지층을 포함할 수 있다. 절연 구조물(270)은 차례로 적층된 복수의 절연 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연 구조물(270)은 차례로 적층된 제1 층(271), 제2 층(272), 제3 층(273), 및 제4 층(274)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 층들(271, 272, 273, 274)은 알루미늄 산화물, 하프늄 산화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 산화물, 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
컬러 필터들(280)은 특정 파장의 빛을 통과시키어 광전 변환 소자 영역들(PD)에 도달하게 할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터들(280)은 수지에 금속 또는 금속 산화물을 포함하는 안료(pigment)를 혼합한 물질로 형성될 수 있다. 컬러 필터들(280)은 녹색 필터, 적색 필터 및 청색 필터를 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 컬러 필터들(280)은 생략될 수도 있으며, 이미지 센서(1000)는 컬러 필터들(280)과 함께 또는 컬러 필터들(280)을 대체하여 유기 광전 변환막을 포함할 수도 있다.
마이크로 렌즈들(290)은 각각의 광전 변환 소자 영역들(PD)과 수직 방향(Z)으로 중첩할 수 있다. 마이크로 렌즈들(290)은 입사되는 빛을 집광시키기 위해 제2 기판(201)으로부터 멀어지는 방향으로 볼록할 수 있다. 마이크로 렌즈들(290)은 입사되는 빛을 광전 변환 소자 영역들(PD) 내로 집광시킬 수 있다. 마이크로 렌즈들(290)은 투명한 포토레지스트 물질 또는 투명한 열경화성 수지 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 마이크로 렌즈들(290)은 TMR 계열의 수직(Tokyo Ohka Kogo, Co. 제품) 또는 MFR 계열의 수지(Japan Synthetic Rubber Corporation 제품)로 형성될 수 있지만, 이들 물질에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 도시하는 단면도들이다. 도 4a는 도 3의 이미지 센서를 절단선 Ⅲ-Ⅲ'를 따른 단면을 도시하고, 도 4b는 도 3의 이미지 센서를 절단선 Ⅳ-Ⅳ'를 따른 단면을 도시한다.
도 3 내지 도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1000A)의 제2 칩 구조물(200)에서, 분리 구조물(IS)이 라이너 층들(253)을 포함하지 않을 수 있다. 제2 분리 층(252)은 제1 분리 층(251)을 둘러싸며, 제1 분리 층(251)과 직접 접촉할 수 있다. 제1 갭필 패턴들(261)과 제2 갭필 패턴들(262) 각각은 제1 분리 층(251)과 접촉하는 부분을 포함할 수 있다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 분리 구조물을 포함하는 영역을 확대하여 도시하는 도면들이다. 도 5a 내지 도 5f는 도 2c의 'B1' 영역 및 'B2' 영역에 대응하는 영역을 각각 확대하여 도시한다.
도 5a를 참조하면, 이미지 센서(1000B)에서, 제2 기판(201)의 제1 면(201S1)을 기준으로 보았을 때, 제1 갭필 패턴(261)의 하면과 제2 갭필 패턴(262)의 하면은 앞선 실시예보다 더 낮게 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 갭필 패턴(261)의 하면과 제2 갭필 패턴(262)의 하면은 제2 소자 분리 층(210)의 제2 기판(201) 내의 상면과 실질적으로 동일한 레벨에 배치될 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않고, 제1 갭필 패턴(261)의 하면과 제2 갭필 패턴(262)의 하면은 제2 소자 분리 층(210)의 제2 기판(201) 내의 상면보다 높은 레벨에 배치될 수도 있고, 제1 갭필 패턴(261)의 하면은 제2 갭필 패턴(262)의 하면과 서로 다른 레벨에 배치될 수도 있다.
도 5b를 참조하면, 이미지 센서(1000C)에서, 제2 기판(201)의 제1 면(201S1)을 기준으로 보았을 때, 제1 갭필 패턴(261)의 하면과 제2 갭필 패턴(262)의 하면은 각각 오목한 하면을 가질 수 있다. 제1 갭필 패턴(261)의 하면의 형상은, 제1 갭필 패턴(261)을 식각하는 단계에서 형성되고, 제2 갭필 패턴(262)의 하면의 형상은 제2 갭필 패턴(262)을 식각하는 단계에서 형성될 수 있으며, 각각의 형상들은 실시예들에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 이미지 센서(1000D)에서, 제1 갭필 패턴(261)의 하면과 제2 갭필 패턴(262)의 하면은 각각 오목한 하면을 가질 수 있으며, 도 5b의 경우보다 제2 갭필 패턴(262)의 하면은 제2 기판(201)의 제1 면(201S1)을 기준으로 보다 깊은 리세스를 제공할 수 있다. 상기 리세스는 서로 마주보는 제2 분리 층들(252)의 내측면들 사이로 연장될 수 있으며, 그 상단은 제2 갭필 패턴(262)의 상면보다 낮거나 또는 동일한 레벨에 배치될 수도 있다.
도 5d를 참조하면, 이미지 센서(1000E)는, 분리 구조물(IS)이 관통하는 제2 소자 분리 층(210)을 포함하지 않을 수 있다. 분리 구조물(IS)이 제2 회로 소자(220) 사이에서 활성 영역을 한정하는 소자 분리 층으로 역할할 수 있다.
도 5e를 참조하면, 이미지 센서(1000F)에서, 분리 구조물(IS)의 제2 갭필 패턴(262)의 일부(262a)가 제1 영역들(LR)에서 제1 갭필 패턴(261) 내부에서 캡핑 층(268)으로부터 제1 갭필 패턴(261)의 상단을 향하는 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다. 제1 영역들(LR)에서, 제1 갭필 물질 층(도 9b의 261' 참고)이 분리 트렌치(DT) 내부를 완전히 채우지 못하여 내부에 심(seam)이 형성된 경우, 제1 갭필 물질 층(261')을 식각하는 과정(도 9c)에서, 제1 갭필 패턴(261)에 소정 깊이의 리세스부가 형성될 수 있다. 제2 갭필 패턴(262)의 일부(262a)는 제2 갭필 물질 층(도 9d의 262')을 형성할 때, 상기 리세스부가 제2 갭필 물질 층(262')에 의해 채워짐으로써 형성될 수 있다. 제1 영역들(LR)에서 제2 갭필 패턴(262)의 일부(262a)는 제2 분리 층(252)과 접촉하지 않을 수 있으며, 제2 기판(201)의 제2 면(201S2)을 향하여 폭이 감소하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 갭필 패턴(262)의 일부(262a)는 제2 기판(201)의 제2 면(201S2)을 향해 뾰족한 형상을 가질 수 있다.
도 5f를 참조하면, 이미지 센서(1000G)에서, 도 5e의 이미지 센서와 유사하게, 분리 구조물(IS)의 제2 갭필 패턴(262)의 일부(262a')가 제1 영역들(LR)에서 제1 갭필 패턴(261) 내부에서 캡핑 층(268)으로부터 제1 갭필 패턴(261)의 상단을 향하는 방향으로 연장되도록 배치될 수 있으며, 제2 갭필 패턴(262)의 일부(262a')는 제2 분리 층(252)과 접촉할 수 있다. 도 5f의 실시예는, 예를 들어, 도 5e의 실시예보다, 제1 영역들(LR)에서 제1 갭필 물질 층(261')의 식각이 더 과도하게 수행된 경우에 해당할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 6을 참조하면, 이미지 센서(1000H)는 Q-cell 패턴으로 구성된 픽셀 영역들(PX)을 포함하는 제2 칩 구조물(200)을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 서로 인접하는 네 개의 광전 변환 소자 영역들(PD)이 하나의 마이크로 렌즈(290)를 공유할 수 있으며, 서로 인접하는 네 개의 광전 변환 소자 영역들(PD)을 서로 연결하는 연결 영역(PD_C)이 네 개의 광전 변환 소자 영역들(PD)의 가운데 배치될 수 있다. 이에 의해, 이미지 센서(1000F)의 다이나믹 레인지(dynaminc range)를 최적화할 수 있다. 한편, 네 개의 광전 변환 소자 영역들(PD)의 각 코너와 인접한 영역들에 제2 갭필 패턴(262)을 단속적으로 배치함으로써, 이미지 센서의 광특성 효율 및 감도를 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 공정 순서에 따라 나타낸 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위하여 분리 트렌치를 형성한 기판을 도시하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9g는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 도면들이다. 도 9a 내지 도 9g는 도 8의 기판의 절단선 Ⅴ-Ⅴ' 및 Ⅵ-Ⅵ'를 따라서 절단한 단면들에 대응하는 영역을 도시한다.
도 10a 내지 도 11b는 본 발명의 일 실시예 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 도면들이다.
도 7, 도 8, 및 도 9a를 참조하면, 기판(201)을 식각하여 라인 영역들(LR) 및 크로스 영역들(CR)을 갖는 분리 트렌치(DT)를 형성하고(S10), 분리 트렌치(DT) 내에 제1 분리 층(251), 라이너 층(253), 및 제2 분리 층(252)을 형성할 수 있다(S20).
먼저, 기판(201)을 준비하고, 기판(201)의 제1 면(201S1) 상에 마스크 패턴(MK)을 형성하고, 마스크 패턴(MK)을 이용하여 기판(201)에 식각 공정을 수행하여 얕은 분리 트렌치(ST)를 형성하고, 얕은 분리 트렌치(ST)에 소자 분리막(210')을 형성할 수 있다. 소자 분리막(210')은 얕은 분리 트렌치(ST)를 완전히 채울 수 있고, 마스크 패턴(MK)을 덮을 수 있다. 소자 분리막(210')의 상면은 기판(201)의 제1 면(201S1)보다 높은 레벨로 형성될 수 있다.
다음으로, 소자 분리막(220') 상에 마스크(미도시)를 형성하고, 소자 분리막(220') 및 기판(201)을 이방성 식각하여 분리 트렌치(DT)를 형성할 수 있다. 분리 트렌치(DT)는 도 9에 도시된 것과 같이, 격자 패턴의 형태로 형성되며, 일 예로, 분리 트렌치(DT)는 X 방향으로 연장되는 제1 라인 패턴들 및 Y 방향으로 연장되는 제2 라인 패턴들을 포함할 수 있다. 분리 트렌치(DT)는 평면도 상에서 라인 모양을 갖는 라인 영역들(LR) 및 상기 제1 및 제2 라인 패턴들이 교차하는 영역을 포함하는 크로스 영역들(CR)을 포함할 수 있다. 분리 트렌치(DT)에 의해, 도 8에 도시된 것과 같이, 기판(201)에 X 방향 및 Y 방향에서 매트릭스 형태로 배열되고 분리 트렌치(DT)에 의해 이격되는 반도체 패턴들(201P)이 형성될 수 있다. 라인 영역들(LR)에서 반도체 패턴들(201P)의 측면들(S) 사이의 제1 거리(d1)는, 크로스 영역들(CR)에서 반도체 패턴들(201P)의 모서리들(C) 사이의 제2 거리(d2)보다 작을 수 있다.
다음으로, 분리 트렌치(DT) 내에 분리 트렌치(DT)의 내측면 및 바닥면을 컨포멀하게 덮는 제1 분리 층(251)을 형성하고, 분리 트렌치(DT) 내에서 제1 분리 층(251) 상에 라이너 층(253)을 형성하고, 분리 트렌치(DT) 내에서 라이너 층(253) 상에 제2 분리 층(252)을 형성할 수 있다. 실시예에 따라, 라이너 층(253)을 형성하는 것은 생략될 수 있으며, 이 경우, 제2 분리 층(252)은 제1 분리 층(251) 상에 형성될 수 있다. 제2 분리 층(252)은 분리 트렌치(DT) 상에 형성되었다가 식각 공정에 의해 얕은 분리 트렌치(ST)의 하면보다 낮은 레벨로 리세스될 수 있다. 제2 분리 층(252)의 상부 측면은 분리 트렌치(DT)의 내벽을 향하여 기울어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 7 및 도 9b를 참조하면, 라인 영역들(LR)에서 분리 트렌치(DT)를 채우고, 크로스 영역들(CR)에서 분리 트렌치(DT)를 부분적으로 채우는 제1 갭필 물질 층(261')을 형성할 수 있다(S30).
제1 갭필 물질 층(261')은 라인 영역들(LR)에서 분리 트렌치(DT)를 완전히 채우며 분리 트렌치(DT) 상으로 연장되도록 형성될 수 있다. 라인 영역들(LR)보다 크로스 영역들(CR)에서 반도체 패턴들(210P) 사이 공간이 더 넓기 때문에, 제1 갭필 물질 층(261')은 크로스 영역들(CR)에서 분리 트렌치(DT)를 부분적으로 채울 수 있다. 예를 들어, 제1 갭필 물질 층(261')은 크로스 영역들(CR)에서 분리 트렌치(DT)를 완전히 갭필하지 못할 수 있다. 제1 갭필 물질 층(261')은 크로스 영역들(CR)에서 제2 분리 층(252)과 라이너 층(253)을 컨포멀하게 덮도록 형성될 수 있다.
도 7 및 도 9c를 참조하면, 제1 갭필 물질 층(261')을 식각하여, 라인 영역들(LR)에 제1 갭필 패턴들(261)을 형성하고, 크로스 영역들(CR)에서 제2 분리 층(252)을 노출시킬 수 있다(S40).
제1 갭필 물질 층(261')은 라인 영역들(LR)에서 상부로부터 일부 제거되어 그 상단이 기판(201)의 제1 면(201S1)보다 낮은 레벨, 예를 들어, 얕은 분리 트렌치(ST)의 하단보다 낮은 레벨에 형성될 수 있다. 제1 갭필 물질 층(261')은 식각되어 라인 영역들(LR)에서 제1 갭필 패턴들(261)로 형성될 수 있다. 크로스 영역들(CR)에서 제2 분리 층(252)을 덮는 제1 갭필 물질 층(261')의 일부를 제거하여 제2 분리 층(252)을 노출시킬 수 있다.
도 7 및 도 9d를 참조하면, 크로스 영역들(CR)에서 분리 트렌치(DT)를 채우는 제2 갭필 물질 층(262')을 형성할 수 있다(S50).
제2 갭필 물질 층(262')은 크로스 영역들(CR)에서 제2 분리 층(252)과 접촉하며, 분리 트렌치(DT)를 적어도 일부 채우도록 형성될 수 있다. 제2 갭필 물질 층(262')은 기판(201)의 제1 면(201S1) 상에 증착되며, 라인 영역들(LR)에서 제1 갭필 패턴(261)을 일부 덮을 수 있다.
도 7 및 도 9e를 참조하면, 제2 갭필 물질 층(262')을 식각하여, 크로스 영역들(CR)에 제2 갭필 패턴들(262)을 형성할 수 있다(S60).
제2 갭필 물질 층(262')은 크로스 영역들(CR)에서 상부로부터 일부 제거되어 그 상단이 기판(201)의 제1 면(201S1)보다 낮은 레벨, 예를 들어, 얕은 분리 트렌치(ST)의 하단보다 낮은 레벨에 형성될 수 있다. 제2 갭필 물질 층(262')은 식각되어 크로스 영역들(CR)에서 제2 갭필 패턴들(262)로 형성될 수 있다. 제2 갭필 패턴들(262)은 라인 영역들(LR)에 배치되는 제1 갭필 패턴들(261)에 의해 서로 이격되며 크로스 영역들(CR)에만 국부적으로 배치될 수 있다. 제2 갭필 패턴들(262)의 상단은 얕은 분리 트렌치(ST)의 하단과 실질적으로 동일한 레벨로 형성될 수도 있다. 제2 갭필 패턴들(262)이 형서되면서, 라인 영역들(LR)에서 제1 갭필 패턴(261)의 일부를 덮는 제2 갭필 물질 층(262')의 일부도 제거될 수 있다.
도 7 및 도 9f를 참조하면, 라이너 층(253)을 일부 제거할 수 있다(S70).
제1 갭필 패턴들(261) 및 제2 갭필 패턴들(262) 상으로 노출되는 라이너 층(253)을 제1 갭필 패턴들(261) 및 제2 갭필 패턴들(262)에 대하여 선택적으로 제거할 수 있다. 라이너 층(253)을 제거함으로써, 기판(201) 상의 제1 분리 층(251)이 노출될 수 있다. S20 단계에서, 라이너 층(253)을 형성하지 않은 경우, 본 단계는 생략될 수 있다.
도 7 및 도 9g를 참조하면, 제1 갭필 패턴들(261) 및 제2 갭필 패턴들(262) 상에 캡핑 층(268)을 형성할 수 있다(S80).
제1 갭필 패턴들(261) 및 제2 갭필 패턴들(262)을 덮는 캡핑 층(268)을 형성할 수 있다. 캡핑 층(268)은 분리 트렌치(DT)의 상부 영역을 채울 수 있다. 캡핑 층(268)은 기판(201) 상에 절연 막을 증착한 후, 평탄화 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 상기 평탄화 공정의 수행시, 기판(201)의 제1 면(201S1) 상의 소자 분리 막(210')의 일부가 제거되어 얕은 분리 트렌치(ST)를 채우는 소자 분리 층(210)이 형성될 수 있다. 일 예에서, 마스크 패턴(MK)은 평탄화 공정 수행 이후 에 제거될 수 있으며, 이로써, 기판(201)의 제1 면(201S)의 손상이 방지될 수 있다.
다음으로, 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 반도체 패턴들(201P) 내에 불순물을 도핑하여, 광전 변환 소자 영역들(PD)을 형성하고, 기판(201)의 제1 면(201S)에 트랜스퍼 게이트(TG), 부유 확산 영역(FD) 및 회로 트랜지스터들(221)을 포함하는 제2 회로 소자(220), 제2 배선 구조물(230), 및 제2 절연 층(240)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 제2 회로 소자(220)를 형성하는 것은, 소자 분리 층(210)에 의해 한정되는 활성 영역 상에 트랜스퍼 게이트(TG) 및 게이트(222)를 형성하는 것, 상기 활성 영역에 불순물을 도핑하여 부유 확산 영역(FD) 및 소스/드레인(224)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 기판(201)의 제1 면(201S1) 상에 제1 절연 층(240)을 이루는 복수의 층들과, 제1 절연 층(240) 내에 제2 배선 구조물(230)을 형성할 수 있다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 제1 기판(101), 제1 소자 분리 층(110), 제1 회로 소자(120), 제1 배선 구조물(130), 및 제1 절연 층(140)을 포함하는 제1 칩 구조물(100)을 준비하고, 도 10a 및 도 10b의 기판 구조물을 상하로 뒤집어 이를 제1 칩 구조물(100)과 본딩 시킬 수 있다. 제1 절연 층(140)과 제2 절연 층(240)이 서로 직접 접촉하여 본딩될 수 있다.
기판(201)의 일부를 제거하여 기판(201)의 수직 두께를 감소시킬 수 있다. 기판(201)은 제1 면(201S1)의 반대측인 제2 면(201S2')으로부터 그라인딩(grinding) 또는 연마(polishing)하는 것 및 이방성 및 등방성 식각하는 것을 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1 분리 층(251), 제2 분리 층(252), 라이너 층(253), 제1 갭필 패턴(261), 및 제2 갭필 패턴(262)이 각각 일부 제거되어 표면들이 노출될 수 있다. 이로써, 기판(201)을 관통하는 분리 구조물(IS)이 형성될 수 있다.
다시 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 기판(201)의 제2 면(201S2) 상에 절연 구조물(270), 컬러 필터들(280), 및 마이크로 렌즈들(290)을 형성하여, 제2 칩 구조물(200)을 완성할 수 있다. 이로써, 제1 칩 구조물(100) 및 제1 칩 구조물(100) 상의 제2 칩 구조물(200)을 포함하는 이미지 센서(1000)를 제조할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법의 일부를 공정 순서에 따라 나타낸 흐름도이다. 도 12은 크로스 영역들(CR)에서 제2 분리 층(252)을 노출시키기 위해, 제1 갭필 물질 층(261')을 식각하는 방법의 다른 예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 도면들이다. 도 13a 내지 도 13c는 도 8의 기판의 절단선 Ⅴ-Ⅴ' 및 Ⅵ-Ⅵ'를 따라서 절단한 단면들에 대응하는 영역을 도시한다.
도 12 내지 도 13c를 참조하면, 크로스 영역들(CR)에서 제2 분리 층(252)을 노출시키는 것(S40)은, 라인 영역들(LR)에서 제1 갭필 물질 층(261')을 덮고, 크로스 영역들(CR)에서 제1 갭필 물질 층(261')을 노출시키는 포토 레지스트 패턴(PR)을 형성하는 것(S41), 포토 레지스트 패턴(PR)을 식각 마스크로 하여 크로스 영역들(CR)에서 제1 갭필 물질 층(261')을 식각하는 것(S42)과, 포토 레지스트 패턴(PR)을 제거하는 것(S43)을 포함할 수 있다.
먼저, 도 13a를 참조하면, 제1 갭필 물질 층(261') 상에 포토 레지스트를 형성하고, 포토 리소그래피 공정을 수행하여 크로스 영역들(CR)에서 제1 갭필 물질 층(261')을 노출시키도록 상기 포토 레지스트를 오픈하여 포토 레지스트 패턴(PR)을 형성할 수 있다.
다음으로, 도 13b를 참조하면, 식각 공정을 수행하여 포토 레지스트 패턴(PR)의 오픈된 영역을 통해, 크로스 영역들(CR)에서 제1 갭필 물질 층(261')을 제거할 수 있다. 제1 갭필 물질 층(261')은 크로스 영역들(CR)에서 분리 트렌치(DT) 내에 잔존하지 않을 수 있다. 이로써, 제2 분리 층(252)이 노출될 수 있다.
다음으로, 도 13c를 참조하면, 스트립 공정 및 에싱 공정을 수행하여 포토 레지스트 패턴(PR)을 제거할 수 있다. 이미지 센서를 제조하는 이외의 다른 공정 단계들은, 도 7 내지 도 11b를 참조하여 설명한 공정 단계들과 동일할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예 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: 제1 칩 구조물 101: 제1 기판
110: 제1 소자 분리 층 120: 제1 회로 소자
130: 제1 배선 구조물 140: 제1 절연 층
200: 제2 칩 구조물 201: 제2 기판
210: 제2 소자 분리 층 220: 제2 회로 소자
230: 제2 배선 구조물 240: 제2 절연 층
251, 252: 분리 층 261, 262: 갭필 패턴
268: 캡핑 층 270: 절연 구조물
280: 컬러 필터 290: 마이크로 렌즈

Claims (20)

  1. 제1 기판 및 상기 제1 기판 상의 제1 회로 소자들을 포함하는 제1 칩 구조물; 및
    상기 제1 칩 구조물 상의 제2 칩 구조물을 포함하고,
    상기 제2 칩 구조물은,
    상기 제1 칩 구조물과 마주보는 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하는 제2 면을 갖는 제2 기판;
    상기 제2 기판의 상기 제1 면에 배치되는 제2 회로 소자들;
    상기 제2 기판의 상기 제2 면 상의 반사 방지 층들;
    상기 반사 방지 층들 상의 컬러 필터들;
    상기 컬러 필터들 상의 마이크로 렌즈들;
    상기 제2 기판 내의 분리 구조물; 및
    상기 제2 기판 내에서, 상기 분리 구조물에 의해 서로 이격되는 광전 변환 소자 영역들을 포함하고,
    상기 분리 구조물은, 상기 광전 변환 소자 영역들의 측면들과 인접하는 제1 영역들 및 상기 광전 변환 소자 영역들의 각 코너와 인접하는 제2 영역들을 갖고,
    상기 분리 구조물은, 평면도 상에서, 광전 변환 소자 영역들을 각각 둘러싸는 제1 분리 층들, 상기 제1 분리 층들을 둘러싸는 제2 분리 층들, 상기 제1 영역들에서 상기 제2 분리 층들 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 제1 갭필 패턴들, 및 상기 제2 영역들에서 상기 제2 분리 층들 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 제2 갭필 패턴들을 포함하고,
    평면도 상에서, 상기 제2 갭필 패턴들은 상기 제1 갭필 패턴들과 접촉하는 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 갭필 패턴들은 상기 광전 변환 소자 영역들의 각 코너의 일부와 마주보는 오목한 영역을 포함하고,
    상기 제2 갭필 패턴들의 상기 오목한 영역은, 상기 제2 분리 층들과 접촉하는 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 갭필 패턴들은 평면에서 서로 이격되어 배치되는 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 갭필 패턴들 각각의 단부는 상기 광전 변환 소자 영역들의 측면들 사이로 연장되고,
    상기 제2 갭필 패턴들 각각의 단부면은, 상기 제1 갭필 패턴들을 향해 볼록한 곡면인 이미지 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 분리 구조물은, 상기 제1 분리 층과 상기 제2 분리 층 사이에 배치되는 라이너 층을 더 포함하는 이미지 센서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 분리 구조물은, 상기 제1 분리 층의 내측면과 접촉하고 상기 제1 갭필 패턴들 및 상기 제2 갭필 패턴들을 덮는 캡핑 층을 더 포함하는 이미지 센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 기판의 상기 제1 면에서 활성 영역을 정의하는 소자 분리 층을 더 포함하고,
    상기 분리 구조물은 상기 소자 분리 층을 관통하는 이미지 센서.
  8. 기판 내에 배치되는 광전 변환 소자 영역들; 및
    상기 기판의 제1 면으로부터 상기 제1 면과 대향하는 제2 면 방향으로 형성되고, 평면도 상에서 상기 광전 변환 소자 영역들을 둘러싸고, 상기 광전 변환 소자 영역들의 측면들과 인접하는 제1 영역들 및 상기 광전 변환 소자 영역들의 각 코너와 인접하는 제2 영역들을 갖는 분리 구조물을 포함하고,
    상기 분리 구조물은, 평면도 상에서, 상기 광전 변환 소자 영역들을 각각 둘러싸는 제1 분리 층들, 상기 제1 분리 층들을 둘러싸는 제2 분리 층들, 상기 제1 영역들에서 상기 제2 분리 층들 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 제1 갭필 패턴들, 및 상기 제2 영역들에서 상기 제2 분리 층들 사이 공간의 적어도 일부를 채우는 제2 갭필 패턴들을 포함하는 이미지 센서.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 갭필 패턴들은, 평면도 상에서 상기 광전 변환 소자 영역들 중 제1 방향에서 서로 인접하는 광전 변환 소자 영역들 사이에 배치되고,
    상기 제2 갭필 패턴들은, 평면도 상에서 상기 광전 변환 소자 영역들 중 상기 제1 방향과 비스듬한 제2 방향에서 서로 인접하는 광전 변환 소자 영역들 사이에 배치되는 이미지 센서.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 갭필 패턴들은 상기 제1 갭필 패턴들과 서로 접촉하는 이미지 센서.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 갭필 패턴들은 상기 광전 변환 소자 영역들의 각 코너마다 인접하게 배치되며, 상기 제1 갭필 패턴들에 의해 서로 이격되는 이미지 센서.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 분리 구조물은 평면도 상에서 격자 패턴을 이루고,
    상기 제2 영역들은 상기 격자 패턴의 교차되는 영역들인 이미지 센서.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 갭필 패턴들은 평면도 상에서 십자(cross) 형상을 갖는 이미지 센서.
  14. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 갭필 패턴들과 접촉하는 상기 제2 갭필 패턴들의 측면들은 상기 제1 갭필 패턴들을 향해 볼록한 곡면인 이미지 센서.
  15. 제8 항에 있어서,
    상기 분리 구조물은, 상기 제1 분리 층들과 상기 제2 분리 층들 사이에 배치되는 라이너 층들을 더 포함하고,
    상기 라이너 층들은, 상기 제1 분리 층들 및 상기 제2 분리 층들과 다른 물질을 포함하는 이미지 센서.
  16. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 갭필 패턴들은 상기 제1 갭필 패턴들과 다른 물질을 포함하는 이미지 센서.
  17. 기판 내에 배치되는 광전 변환 소자 영역; 및
    상기 기판의 제1 면으로부터 상기 제1 면과 대향하는 제2 면 방향으로 형성되고, 상기 광전 변환 소자 영역을 둘러싸는 분리 구조물을 포함하고,
    상기 분리 구조물은, 평면도 상에서 상기 광전 변환 소자 영역을 둘러싸는 제1 분리 층, 상기 제1 분리 층을 둘러싸는 제2 분리 층, 상기 제2 분리 층과 접촉하는 제1 갭필 패턴들, 및 상기 광전 변환 소자 영역의 각 코너와 인접한 영역에서 상기 제2 분리 층과 접촉하는 제2 갭필 패턴들을 포함하고,
    상기 제2 갭필 패턴들은 상기 제1 갭필 패턴들에 의해 서로 이격되어 배치되는 이미지 센서.
  18. 제17 항에 있어서,
    성가 재1 갭필 패턴들은 상기 제2 갭필 패턴들 사이에 배치되는 이미지 센서.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 광전 변환 소자 영역의 측면과 수직한 제1 방향에서, 상기 제1 갭필 패턴들은 제1 최소 폭을 갖고,
    상기 제1 방향과 비스듬하고 상기 기판의 상면에 평행한 제2 방향에서, 상기 제2 갭필 패턴들은 제2 최소 폭을 갖고,
    상기 제1 최소 폭은 상기 제2 최소 폭보다 작은 이미지 센서.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 제2 최소 폭은 상기 제1 최소 폭의 1.3 배 내지 4 배인 이미지 센서.
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