KR102642977B1 - 이미지 센싱 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 기술의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 소자분리막에 의해 정의된 활성영역을 포함하는 반도체 기판, 상기 활성영역에 형성된 제 1 불순물 영역과 제 2 불순물 영역, 하부면이 상기 제 1 불순물 영역과 직접 연결되며, 입사된 광을 전기적 신호로 변환시켜 광전하를 발생시키고 발생된 광전하를 상기 제 1 불순물 영역으로 전달하는 광전변환 영역, 전송신호에 응답하여 상기 제 1 불순물 영역에 저장된 광전하를 상기 제 2 불순물 영역으로 전송시키는 스위칭 소자, 및 상기 광전변환 영역을 소자분리시키며, 상기 광전하를 리드아웃하기 위한 도전라인들이 형성된 절연막을 포함할 수 있다.

Description

이미지 센싱 장치 및 그 제조 방법{IMAGE SENSING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광특성 및 크로스토크(cross talk) 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센싱 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센싱 장치는 광학적 이미지를 전기 신호들로 변환하는 반도체 장치이다. 이미지 센싱 장치는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서와 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서로 분류될 수 있다.
CMOS 이미지 센서의 성능이 향상되면서, CMOS 이미지 센서는 스마트폰(smart phone) 또는 디지털 카메라(digital camera) 이외의 다양한 가전 제품들에서도 널리 사용되고 있다. CMOS 이미지 센서는 외부로부터 입사되는 입사광으로부터 전하들을 생성하는 광전 변환 소자와, 생성된 전하들에 상응하는 전기 신호들을 처리하는 처리 회로를 포함한다.
최근 CMOS 이미지 센서의 해상도가 높아짐에 따라, 칩 사이즈(Chip Size)의 증가 없이 픽셀(Pixel)들의 수를 증가시키기 위해 픽셀 사이즈가 점점 작아지고 있다. 따라서, 픽셀들 사이에서의 간섭 현상, 예컨대 크로스토크(cross talk)가 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예는 광특성 및 크로스토크(cross talk) 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센싱 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 소자분리막에 의해 정의된 활성영역을 포함하는 반도체 기판; 상기 활성영역에 형성된 제 1 불순물 영역과 제 2 불순물 영역; 하부면이 상기 제 1 불순물 영역과 직접 연결되며, 입사된 광을 전기적 신호로 변환시켜 광전하를 발생시키고 발생된 광전하를 상기 제 1 불순물 영역으로 전달하는 광전변환 영역; 전송신호에 응답하여 상기 제 1 불순물 영역에 저장된 광전하를 상기 제 2 불순물 영역으로 전송시키는 스위칭 소자; 및 상기 광전변환 영역을 소자분리시키며, 상기 광전하를 리드아웃하기 위한 도전라인들이 형성된 절연막을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치 제조 방법은 제 1 기판에 제 1 불순물 영역, 제 2 불순물 영역 및 상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 2 불순물 영역을 연결하는 스위칭 소자를 형성하는 단계; 상기 제 1 기판의 상부에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막을 식각하여 상기 제 1 불순물 영역을 노출시키는 트렌치를 형성하는 단계; 제 2 기판의 제 1 면을 식각하여 볼록하게 돌출된 형태의 광전변환 영역을 형성하는 단계; 상기 광전변환 영역이 상기 트렌치에 삽입되도록 상기 제 2 기판을 상기 제 1 기판에 본딩시켜 상기 광전변환 영역을 상기 제 1 불순물 영역에 접합시키는 단계; 및 상기 제 2 기판에서 상기 제 1 면과 대향되는 제 2 면을 식각하여 상기 광전변환 영역을 소자분리시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예는 이미지 센싱 장치의 광특성 및 크로스토크(cross talk) 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치의 구조를 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이(100)에서 X-X'의 단면 구조를 예시적으로 보여주는 도면.
도 3 내지 도 9는 도 2의 이미지 센싱 장치를 형성하는 과정들을 예시적으로 보여주는 도면들.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치의 구조를 보여주는 도면.
도 11 내지 도 13은 도 10의 이미지 센싱 장치를 형성하는 과정들을 예시적으로 보여주는 도면들.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치는 픽셀 어레이(pixel array, 100), 상관 이중 샘플러(correlated double sampler, CDS, 200), 아날로그-디지털 컨버터(analog digital converter, ADC, 300), 버퍼(Buffer, 400), 로우 드라이버(row driver, 500), 타이밍 제너레이터(timing generator, 600), 제어 레지스터(control register, 700) 및 램프 신호 제너레이터(ramp signal generator, 800)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(100)는 매트릭스 구조로 배열된 복수의 단위픽셀(PX)들을 포함할 수 있다. 복수의 단위픽셀(PX)들은 각각 광학적 이미지 정보를 전기적 이미지 신호로 변환하여 컬럼 라인들(column lines)을 통하여 상관 이중 샘플러(200)로 출력할 수 있다. 복수의 단위픽셀(PX)들은 로우 라인들(row lines) 중 하나 및 컬럼 라인들(column lines) 중 하나와 각각 연결될 수 있다.
상관 이중 샘플러(200)는 픽셀 어레이(100)의 픽셀(PX)들로부터 수신된 전기적 이미지 신호를 유지(hold) 및 샘플링할 수 있다. 예를 들어, 상관 이중 샘플러(200)는 타이밍 제너레이터(600)로부터 제공된 클럭 신호에 따라 기준 전압 레벨과 수신된 전기적 이미지 신호의 전압 레벨을 샘플링하여 그 차이에 해당하는 아날로그적 신호를 아날로그-디지털 컨버터(300)로 전송할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(300)는 램프 신호 제너레이터(800)로부터 출력된 램프 신호와 상관 이중 샘플러(200)로부터 출력되는 샘플링 신호를 서로 비교하여 비교 신호를 출력할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(300)는 타이밍 제너레이터(600)로부터 제공되는 클럭 신호에 따라 비교 신호의 레벨 전이(transition) 시간을 카운트하고, 카운트 값을 버퍼(400)로 출력할 수 있다.
버퍼(400)는 아날로그-디지털 컨버터(300)로부터 출력된 복수의 디지털 신호 각각을 저장한 후 이들 각각을 감지 증폭하여 출력할 수 있다. 따라서, 버퍼(400)는 메모리(미도시)와 감지증폭기(미도시)를 포함할 수 있다. 메모리는 카운트 값을 저장하기 위한 것이며, 카운트 값은 복수의 단위픽셀(PX)들로부터 출력된 신호에 연관된 카운트 값을 의미한다. 감지증폭기는 메모리로부터 출력되는 각각의 카운트 값을 감지하여 증폭할 수 있다.
로우 드라이버(500)는 타이밍 제너레이터(600)의 신호에 따라 픽셀 어레이(100)를 로우라인(row line) 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(500)는 복수의 로우라인(row line)들 중에서 어느 하나의 로우라인(row line)을 선택할 수 있는 선택 신호를 생성할 수 있다. 이러한 선택 신호는 후술되는 스위칭 정션의 온/오프 동작을 제어하기 위한 제어신호를 포함할 수 있다.
타이밍 제너레이터(600)는 로우 드라이버(500), 상관 이중 샘플링(200), 아날로그-디지털 컨버터(300) 및 램프 신호 제너레이터(800)의 동작을 제어하기 위한 타이밍 신호를 생성할 수 있다.
제어 레지스터(700)는 램프 신호 제너레이터(800), 타이밍 제너레이터(600) 및 버퍼(400)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호들을 생성할 수 있다.
램프 신호 제너레이터(800)는 타이밍 제너레이터(600)의 컨트롤에 따라 버퍼(400)로부터 출력되는 이미지 신호를 제어하기 위한 램프 신호를 생성할 수 있다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이(100)에서 X-X'의 단면 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2을 참조하면, 픽셀 어레이(100)는 하부기판 영역(110), 상부기판 영역(120: 120a, 120b, 120c), 소자분리 및 배선 영역(130) 및 광투과 영역(140)을 포함할 수 있다.
하부기판 영역(110)은 상부기판 영역(120)과 본딩되어 상부기판 영역(120)에서 광전 변환된 광전하를 전송받고, 광전하에 대응되는 신호를 리드아웃할 수 있다. 이러한 하부기판 영역(110)은 기판(111), 활성영역(112), 소자분리영역(113), 접합영역(114), 플로팅디퓨젼(FD: Floating Defusion) 영역(116) 및 리드아웃 회로(118)를 포함할 수 있다.
기판(111)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 반도체 기판은 단결정 상태(Single crystal state)일 수 있으며, 실리콘 함유 물질을 포함할 수 있다. 즉, 기판(111)은 단결정의 실리콘 함유 물질을 포함할 수 있다. 그리고, 기판(111)은 씨닝공정(thinning process)을 통해 박막화된 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(111)은 씨닝공정을 통해 박막화된 벌크 실리콘 기판일 수 있다. 기판(111)은 P형 불순물을 포함할 수 있다.
활성영역(112)은 기판(111)에서 소자분리영역(113)에 의해 정의되는 영역으로, 각 단위 픽셀(PX)의 접합영역(114), 플로팅디퓨젼 영역(116) 및 리드아웃 회로(118)가 형성된다. 활성영역(112)은 P형 불순물(P-)을 포함할 수 있다.
활성영역(112)을 정의하는 소자분리영역(113)은 산화막, 질화막 등의 절연막을 포함할 수 있다. 소자분리영역(113)은 STI(Swallow Trench Isolation) 구조를 포함할 수 있다.
접합영역(114)은 상부기판 영역(200)의 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)과 본딩되며, 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)에서 변환된 광전하(photo charge)를 제공받아 임시 저장한다. 접합영역(114)은 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)의 전도층(124a, 124b, 124c)과 동일한 특성의 불순물을 포함할 수 있다. 예컨대, 접합영역(114)은 고농도의 N형 불순물(N+)을 포함할 수 있다.
플로팅디퓨젼 영역(116)은 리드아웃 회로(118)에 의해 불순물 주입영역(114)로부터 전송되어 온 광전하를 임시 저장한다. 플로팅디퓨젼 영역(116)은 N형 불순물 영역을 포함할 수 있다.
리드아웃 회로(118)는 각 단위 픽셀(PX)에서 접합영역(114)에 저장된 광전하를 플로팅디퓨젼 영역(116)으로 전송하고, 광전하를 리드아웃하여 광전하에 대응되는 신호를 컬럼 라인에 출력한다. 이러한 리드아웃 회로(118)는 로우 드라이버(500)로부터의 전송신호에 따라 접합영역(114)에 저장된 광전하를 플로팅디퓨젼 영역(116)으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 포함할 수 있다.
도 2에서는, 설명의 편의를 위해, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)만이 도시되어 있으나, 리드아웃 회로(118)는 플로팅디퓨전 영역(116)에 저장된 전하를 주기적으로 리셋(reset)시키는 리셋 트랜지스터(Rx, reset transistor), 플로팅디퓨젼 영역(116)에 충전된 전하에 따른 신호를 버퍼링(buffering)함으로써 소스 팔로워 트랜지스터(Source Follower transister)로서 동작하는 드라이브 트랜지스터(Dx, drive transistor), 및 각 단위 픽셀(PX)의 신호(픽셀값)를 컬럼 라인에 전달하는 셀렉트 트랜지스터(Sx, select transistor)를 더 포함할 수 있다. 리드아웃 회로(118)는 기판(111) 상부에서 광전변환 영역(120a, 120b, 120c)들 사이의 영역에 형성될 수 있으며, 콘택을 통해 소자분리 및 배선 영역(130)의 도전라인들(134)과 연결될 수 있다.
특히 본 실시예에서의 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 하부기판 영역(110)에 형성된 접합영역(114)과 플로팅디퓨젼 영역(116)을 연결한다. 예컨대, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 로우 드라이버(500)로부터의 전송신호에 따라 접합영역(114)에 저장된 광전하를 플로팅디퓨젼 영역(116)으로 전송할 수 있다.
상부기판 영역(120)은 각 단위 픽셀에 대응되는 복수의 광전변환 영역(120a, 120b, 120c)들을 포함할 수 있다. 광전변환 영역(120a, 120b, 120c)들은 광투과 영역(140)을 통해 입사된 광을 전기적 신호로 변환하여 광전하를 발생시키고, 발생된 광전하를 하부기판 영역(110)의 접합영역(114)으로 전달한다. 예컨대, 광전변환 영역(120a, 120b, 120c)들은 기판(111)과 수직한 방향으로 연장되며 하부면이 하부기판 영역(110)의 접합영역(114)과 직접 연결됨으로써, 광전변환 영역(120a, 120b, 120c)들에서 발생된 광전하들은 하부기판 영역(110)의 접합영역(114)으로 전달될 수 있다.
각 광전변환 영역(120a, 120b, 120c)은 광전 변환층(122a, 122b, 122c) 및 전도층(124a, 124b, 124c)이 적층된 구조를 포함할 수 있으며, 소자분리 및 배선영역(130)의 절연막(132)에 매립될 수 있다. 예컨대, 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)은 그 하부의 전도층(124a, 124b, 124c)이 접합영역(114)과 직접 연결되도록 절연막(132) 내에 매립될 수 있다.
광전 변환층(122a, 122b, 122c)은 저농도의 N형 불순물(N-)을 포함할 수 있으며, 광투과 영역(140)을 통해 입사된 광을 전기적 신호로 변환하여 광전하를 발생시킨다. 전도층(124a, 124b, 124c)은 고농도의 N형 불순물(N+)을 포함할 수 있으며, 광전 변환층(122a, 122b, 122c)에서 발생된 광전하를 하부기판 영역(110)의 접합영역(114)으로 전송한다.
특히, 본 실시예에서 각 광전변환 영역(120a, 120b, 120c)은 하부의 모서리 영역이 둥글게 형성된다. 이처럼, 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)의 하부를 둥글게 형성함으로써 인접한 광전변환 영역들의 모서리 영역 간에 발생할 수 있는 크로스토크(Cross-Talk) 열화를 역제할 수 있으며, 모서리 부분에서 발생될 수 있는 포텐션 집중에 의한 전계(Electric Field) 증가로 인해 발생될 수 있는 다크 디펙트(Dark Defect)를 개선할 수 있다. 또한, 광전변환 영역의 수직방향 길이가 길게 형성되는 경우, 접합영역(114)까지의 전자의 이동거리가 길어져 전자의 이동 능력이 저하될 수 있다. 이때, 본 실시예에서와 같이 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)의 하부 모서리 부분을 둥글게 형성함으로써 이미지 지연(lag) 특성을 개선할 수 있다.
소자분리 및 배선 영역(130)은 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c) 사이에 캡필되도록 하부기판 영역(110)의 상부에 위치하며, 절연막(132) 및 절연막(132) 내부에 형성된 도전라인들(134)을 포함할 수 있다. 즉, 절연막(132)은 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c) 사이를 소자분리 시키기 위한 소자분리막으로서의 역할을 수행하면서 동시에 도전라인들(134) 사이를 절연시키기 위한 층간 절연막으로서의 역할을 수행할 수 있다.
특히 본 실시예에서의 절연막(132)은 포러스(porous)한 성질이 있어 유동성이 있는 절연물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 절연막(132)은 기공성 저유전율 절연막(porous low-k dielectric film), 실리콘 글래스(Silicon Glass), 포토 레지스트 물질, 유기물질을 포함할 수 있다. 즉, 하부기판 영역(110)에 상부기판 영역(120)을 본딩시켰을 때, 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c) 사이에 절연막(132)이 잘 캡필되도록 하면서, 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)이 들뜨지 않고 접합영역(114)에 잘 본딩되도록 하기 위해, 절연막(132)은 포러스(porous)한 성질이 있는 유동성 절연물질로 형성될 수 있다. 절연막(132)은 복수의 층간 절연막들이 적층된 구조로 형성될 수 있다.
도전라인들(134)은 리드아웃 회로(118)의 동작을 제어하기 위한 신호들을 전송하는 메탈 라인들 및 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)에서 발생된 광전하를 리드아웃하기 위한 메탈 라인들을 포함할 수 있다. 도전라인들(134)은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 도전라인들(134)은 콘택을 통해 리드아웃 회로(118)와 연결될 수 있다. 도전라인들(134)은 광전변환 영역(120a, 120b, 120c)들 사이에 형성될 수 있다.
광투과 영역(140)은 외부의 광을 투과시켜 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)에 입사되도록 할 수 있다. 광투과 영역(140)은 반사방지막(142), 컬러 필터들(144), 그리드 구조물(146) 및 마이크로 렌즈들(148)을 포함할 수 있다.
반사방지막(142)은 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c) 및 절연막(132)의 상부에 형성될 수 있다. 반사방지막(142)은 컬러 필터(146) 및 그리드 구조물(144)이 형성될 영역을 평탄화시키며, 컬러 필터들(146)을 통해 입사된 광이 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c) 쪽으로 통과되도록 할 수 있다.
컬러 필터들(144)은 마이크로 렌즈들(148)을 통해 입사되는 가시광을 필터링하여 적색광, 녹색광, 청색광을 선택적으로 투과시키는 적색 컬러 필터(R)들, 녹색 컬러 필터(G)들 및 청색 컬러 필터(B)들을 포함할 수 있다. 컬러 필터들(146)은 베이어(Bayer) 패턴 형태로 배열될 수 있다.
그리드 구조물(146)은 컬러 필터들(144) 사이에 위치하며, 컬러 필터들(144) 사이의 크로스토크를 방지한다.
마이크로 렌즈들(148)은 외부로부터 입사되는 광을 집광하여 컬러 필터들(144)로 전달한다.
도 3 내지 도 9는 도 2의 이미지 센싱 장치를 형성하는 과정들을 예시적으로 보여주는 도면들이다.
먼저 도 3을 참조하면, 하부 기판(111)에 각 단위 픽셀(PX)이 형성될 활성영역(112)을 정의하는 소자분리영역(113)이 형성된다. 이때, 기판(111)은 P형 불순물(P-)을 포함할 수 있다.
이어서, 활성영역(112)의 일부 영역에 N형 불순물이 주입되어 접합영역(114)과 플로팅디퓨젼 영역(116)이 형성된다. 접합영역(114)은 후속의 본딩 공정에 의해 상부 기판의 광전변환 영역과 직접 연결되는 영역으로, 광전변환 영역에서 변환된 광전하를 전달받아 임시 저장하는 영역이다. 이때, 접합영역(114)은 고농도의 N형 불순물(N+)을 포함할 수 있다.
활성영역(112) 상부에는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx, transfer transistor)를 포함한 리드아웃 회로(118)가 형성된다. 도 3에서는, 설명의 편의를 위해 트랜스터 트랜지스터(Tx)만이 도시되었으나, 리드아웃 회로(118)는 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
다만, 본 실시예에서의 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 접합영역(114)과 플로팅디퓨전 영역(116)을 소스/드레인 영역으로 한다. 즉, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 로우 드라이버(500)로부터의 전송신호에 따라 접합영역(114)에 저장된 광전하를 플로팅디퓨젼 영역(116)으로 전송할 수 있다.
다음에 도 4를 참조하면, 접합영역(114), 플로팅디퓨젼 영역(116) 및 리드아웃 회로(118)를 포함하는 하부기판 영역 (110) 상부에 도전라인들(134)을 포함하는 절연막(132)이 형성된다.
이때, 절연막(132)은 포러스(porous)한 성질이 있어 유동성이 있는 절연물을 포함할 수 있다. 예컨대, 절연막(132)은 기공성 저유전율 절연막(porous low-k dielectric film), 실리콘 글래스(Silicon Glass), 포토 레지스트 물질, 유기물질을 포함할 수 있다. 절연막(132)은 복수의 층간 절연막들이 적층된 구조로 형성될 수 있다.
도전라인들(134)은 리드아웃 회로(118)의 동작을 제어하기 위한 신호들을 전송하는 메탈 라인들 및 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)에서 발생된 전기적 신호를 전송하기 위한 메탈 라인들을 포함할 수 있다. 도전라인들(134)은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 도전라인들(134)은 콘택을 통해 리드아웃 회로(118)와 연결될 수 있다.
이러한 도전라인들(134)은 후속 공정에서 본딩될 광전변환 영역들 사이의 영역에 형성된다. 즉, 도전라인들(134)은 광전변환 영역들과 수직방향으로 중첩되지 않는 영역에 형성된다.
다음에 도 5를 참조하면, 절연막(132)에서 광전변환 영역이 본딩될 영역을 식각하여 트렌치(136)를 형성한다.
예컨대, 절연막(132) 상부에 광전변환 영역을 정의하는 마스크 패턴을 형성한 후 그 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 절연막(132)을 식각하여 트렌치(136)를 형성한다. 이때, 트렌치(136)는 접합영역(114)이 노출되도록 형성된다.
다음에 도 6을 참조하면, 상부 기판(121)에 저농도의 N형 불순물(N-) 영역과 고농도의 N형 불순물(N+) 영역이 적층된 불순물 구조를 형성한 후 이를 식각하여 각 단위 픽셀(PX)에 대응되는 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)을 형성한다. 예컨대, 제 1 면{고농도의 N형 불순물(N+) 영역이 형성된 면} 쪽에서 저농도의 N형 불순물(N+) 영역이 형성된 방향으로 상부 기판(121)을 식각하여 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)이 기판(121)으로부터 볼록하게 돌출된 형태가 되도록 한다. 상부 기판(121)은 결정형 반도체층(crystalline semiconductor layer)을 포함할 수 있다.
각 광전변환 영역(120a, 120b, 120c)은 광전 변환층(122a, 122b, 122c) 및 전도층(124a, 124b, 124c)을 포함할 수 있다. 광전 변환층(122a, 122b, 122c)은 저농도의 N형 불순물(N-)을 포함할 수 있으며, 전도층(124a, 124b, 124c)은 고농도의 N형 불순물(N+)을 포함할 수 있다.
이때, 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)은 상부의 모서리 영역이 둥글게 형성된다. 예컨대, 불순물이 주입된 상부 기판(121)에 열처리 공정을 수행하여 둥근 형태의 도핑 프로파일(doping profile)이 형성되도록 한 후, 그러한 도핑 프로파일의 농도차를 이용한 습식 식각(wet etch)을 수행함으로써 모서리 부분이 둥근 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)을 형성할 수 있다.
다음에 도 7을 참조하면, 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)이 형성된 상부 기판(121)을 뒤집은 후, 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)과 트렌치(136)의 위치가 대응되도록 하부 기판(111)과 상부 기판(121)을 정렬시킨다.
이어서, 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)이 트렌치(136)에 삽입되도록 상부 기판(121)을 하부 기판(111)에 본딩(bonding)시켜 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)의 전도층(124a, 124b, 124c)이 접합영역(114)과 직접 연결되도록 접합시킨다.
픽셀의 사이즈가 점차 작아지는 상황에서, 픽셀의 캐패시턴스를 확보하기 위해서는 광전변환 소자의 길이를 길게 형성해야한다. 그런데, 종래와 같이, 기판을 식각하여 트렌치를 형성한 후 그 트렌치에 절연물을 갭필하는 방법으로 소자분리막(DTI: Deep Trench Isolation)을 형성하는 경우, 갭필이 제대로 이루어지지 않아 이미지 센싱 장치의 다크(dark) 특성 및 크로스토크(cross talk) 특성의 열화가 발생될 가능성이 매우 높다.
따라서, 본 실시예에서는 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)만을 별도로 형성한 후 유동성이 있는 절연막(132)에 형성된 트렌치(136)에 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)을 끼워 맞추는 방법으로 본딩시킴으로써, 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)의 길이를 길게 형성하더라도 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c) 사이에 절연물(132)이 제대로 캡필될 수 있도록 해준다.
즉, 본 실시예에서는 층간 절연막(132)이 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)의 소자분리용으로도 이용된다.
다음에 도 8을 참조하면, 절연막(132)이 노출될 때까지 상부 기판(121)의 후면이 식각되어 평탄화됨으로써 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c)이 소자분리된다.
다음에 도 9를 참조하면, 광전변환 영역들(120a, 120b, 120c) 및 절연막(132) 상부에 반사방지막(142)이 형성된다.
이어서, 반사방지막(142) 상부에 그리드 구조물(144) 및 컬러 필터들(146)이 형성된 후 컬러 필터들(146)의 상부에 마이크로 렌즈들(148)이 형성된다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치(100')의 구조를 보여주는 도면이다.
도 10을 참조하면, 이미지 센싱 장치(100')는, 도 2의 이미지 센싱 장치(100)와 비교하여, 광전변환 영역(120a', 120b', 120c')이 광전변환 영역(120a, 120b, 120c) 보다 길게 형성될 수 있다. 예컨대, 광전변환 영역(120a', 120b', 120c')은 광전 변환층(122a', 122b', 122c')의 상부 영역이 절연막(132)의 상부면 보다 높게 위로 돌출되게 형성될 수 있다.
이러한 광전변환 영역(120a', 120b', 120c')은 도 2의 광전변환 영역(120a, 120b, 120c) 보다 더 큰 캐패시턴스(LWC: Linear Well Capacitance)를 가질 수 있다.
이때, 반사방지막(142')은 광전 변환층(122a', 122b', 122c')의 돌출된 영역을 덮도록 광전변환 영역(120a', 120b', 120c') 및 절연막(132) 상부에 형성된다.
이러한 구조는, 상술한 도 8의 공정에서, 상부 기판(121)의 후면을 전체적으로 평탄하게 식각하지 않고, 광전변환 영역을 정의하는 마스크 패턴을 이용하여 상부 기판(121)에서 절연막(132)과 중첩되는 영역만을 선택적으로 식각함으로써 형성될 수 있다.
도 11 내지 도 13은 도 10의 이미지 센싱 장치(100')를 형성하는 과정들을 예시적으로 보여주는 도면들이다.
먼저 상술한 도 3 내지 도 7과 같은 공정들을 통해 상부 기판(121)을 하부 기판(111)에 압착하여 본딩(bonding)시킨다.
다음에 도 11을 참조하면, 상부 기판(121)의 후면에 광전변환 영역을 정의하는 마스크 패턴(150)을 형성한다.
이러한 마스크 패턴(150)은 포토레지스트 패턴을 포함할 수 있다.
다음에 도 12를 참조하면, 마스크 패턴(150)을 식각 마스크로 하여 절연막(132)이 노출될 때까지 상부 기판(121)을 선택적으로 식각한 후 마스크 패턴(150)을 제거한다.
다음에 도 13을 참조하면, 광전변환 영역(120a', 120b', 120c') 및 절연막(132) 상부에 반사방지막(142')이 형성된다.
이어서, 반사방지막(142') 상부에 그리드 구조물(144) 및 컬러 필터들(146)이 형성된 후 컬러 필터들(146)의 상부에 마이크로 렌즈들(148)이 형성된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 픽셀 어레이
110: 하부기판 영역
120: 상부기판 영역
130: 소자분리 및 배선 영역
140: 광투과 영역
200: 상관 이중 샘플러
300: 아날로그-디지털 컨버터
400: 버퍼
500: 로우 드라이버
600: 타이밍 제너레이터
700: 제어 레지스터
800: 램프 신호 제너레이터

Claims (17)

  1. 소자분리막에 의해 정의된 활성영역을 포함하는 반도체 기판;
    상기 활성영역에 형성된 제 1 불순물 영역과 제 2 불순물 영역;
    하부면이 상기 제 1 불순물 영역의 상부면과 직접 본딩되며, 입사된 광을 전기적 신호로 변환시켜 광전하를 발생시키고 발생된 광전하를 상기 제 1 불순물 영역으로 전달하는 광전변환 영역;
    전송신호에 응답하여 상기 제 1 불순물 영역에 저장된 광전하를 상기 제 2 불순물 영역으로 전송시키는 스위칭 소자; 및
    상기 광전변환 영역을 소자분리시키며, 상기 광전하를 리드아웃하기 위한 도전라인들이 형성된 절연막을 포함하며,
    상기 광전변환 영역은
    상기 제 1 불순물 영역에 본딩되며, 상기 제 1 불순물 영역과 동일한 타입의 불순물들이 제 1 농도로 주입된 제 1 영역; 및
    상기 제 1 영역과 접하게 상기 제 1 영역 위에 위치하며, 상기 제 1 영역과 동일한 타입의 불순물들이 상기 제 1 농도보다 낮은 제 2 농도로 주입된 제 2 영역을 포함하는 이미지 센싱 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광전변환 영역 및 상기 절연막 상부에 위치하며, 외부에서 입사되는 광을 상기 광전변환 영역으로 투과시키는 광투과 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 광전변환 영역은
    상기 하부면에 인접한 모서리 부분이 둥글게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 영역은 저농도의 N형 불순물(N-)을 포함하며,
    상기 제 1 영역은 고농도의 N형 불순물(N+)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 불순물 영역은
    상기 제 1 영역과 동일한 농도의 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 절연막은
    포러스(porous)한 유동성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 광전변환 영역은
    상부 영역이 상기 절연막의 상부면 보다 높게 돌출되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  10. 제 1 기판에 제 1 불순물 영역, 제 2 불순물 영역 및 상기 제 1 불순물 영역과 상기 제 2 불순물 영역을 연결하는 스위칭 소자를 형성하는 단계;
    상기 제 1 기판의 상부에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막을 식각하여 상기 제 1 불순물 영역을 노출시키는 트렌치를 형성하는 단계;
    제 2 기판의 제 1 면을 식각하여 볼록하게 돌출된 형태의 광전변환 영역을 형성하는 단계;
    상기 광전변환 영역이 상기 트렌치에 삽입되도록 상기 제 2 기판을 상기 제 1 기판에 본딩시켜 상기 광전변환 영역을 상기 제 1 불순물 영역에 접합시키는 단계; 및
    상기 제 2 기판에서 상기 제 1 면과 대향되는 제 2 면을 식각하여 상기 광전변환 영역을 소자분리시키는 단계를 포함하는 이미지 센싱 장치 제조 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 절연막을 형성하는 단계는
    상기 절연막 내에 상기 스위칭 소자와 연결되는 도전라인들을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치 제조 방법.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 절연막을 형성하는 단계는
    상기 제 1 기판의 상부에 포러스(porous)한 유동성 절연물질을 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치 제조 방법.
  13. 청구항 10에 있어서, 상기 광전변환 영역을 형성하는 단계는
    상기 제 2 기판에 저농도의 N형 불순물(N-) 영역과 고농도의 N형 불순물(N+) 영역이 적층된 불순물 구조를 형성하는 단계; 및
    상기 고농도의 N형 불순물 영역이 형성된 쪽에서 상기 저농도의 N형 불순물 영역이 형성된 방향으로 상기 제 2 기판을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 광전변환 영역을 형성하는 단계는
    돌출된 상기 광전변환 영역의 모서리 부분이 둥근 형태가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치 제조 방법.
  15. 청구항 10에 있어서, 상기 광전변환 영역을 소자분리시키는 단계는
    상기 절연막이 노출될 때까지 상기 제 2 면을 평탄하게 식각하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치 제조 방법.
  16. 청구항 10에 있어서, 상기 광전변환 영역을 소자분리시키는 단계는
    상기 제 2 면 상부에 상기 광전변환 영역을 정의하는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 상기 절연막이 노출될 때까지 상기 제 2 기판을 식각하여 상기 광전변환 영역의 상부 영역이 상기 절연막 위로 돌출되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치 제조 방법.
  17. 청구항 10에 있어서,
    상기 광전변환 영역 상부에 반사방지막을 형성하는 단계;
    상기 반사방지막 상부에 컬러 필터를 형성하는 단계; 및
    상기 컬러 필터 상부에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치 제조 방법.
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