KR20180077393A - 광센서 - Google Patents
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Abstract
마이크로 렌즈와 광전변환부 사이에 개재되는 광 스플리터를 포함하는 광센서를 개시한다. 이 광 스플리터는 빛이 집중되는 지점에 위치하여 빛을 산란시켜 다중 반사를 야기하고, 광 경로를 길게 하여 광센서에서 빛의 양자 효율을 증대시킨다.
Description
본 발명은 광센서에 관한 것이다.
적외선은 그 파장이 가시광선보다 길며, 그 파장이 약 0.75㎛에서 1000㎛까지의 영역의 전자기파 (electromagnetic wave)를 말한다. 이를 다시 통상 근적외선(0.75-1.5㎛), 중적외선(1.5-5.6㎛), 원적외선 (5.6-1000㎛)의 3가지 영역으로 나눈다. 이미지 센서에서는 주로 근적외선을 감지하나, 가시광선보다 파장이 길어 이미지 센서의 광전변환부에서 양자효율(Quantum efficiency)이 매우 낮다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 양자효율을 높일 수 있는 광 센서를 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 광센서는, 복수의 단위 화소 영역들을 포함하는 제 1 기판; 상기 제 1 기판 내에 배치되며 각 단위 화소 영역들을 분리하는 깊은 소자분리부; 상기 단위 화소 영역들의 각각에서 상기 제 1 기판 내에 형성된 광전변환부; 상기 제 1 기판 상에 배치되는 마이크로 렌즈; 및 상기 각 단위 화소 영역에서 상기 마이크로 렌즈와 상기 광전변환부 사이에 배치되는 광 스플리터(spliter)를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 광센서에서는 빛이 집중되는 지점에 광 스플리터가 배치되어 입사되는 빛을 산란시켜 다중 반사를 야기하고, 광 경로를 길게 할 수 있다. 이로써 양자효율을 증대시킬 수 있다. 이로써 적외선과 같이 감도가 떨어지는 빛의 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 영상 처리 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 3은 도 2의 광센서 내에서 빛의 경로를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 평면도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따라 광 스플리터의 평면 형태를 나타내는 평면도들이다.
도 10 내지 도 15는 도 2의 단면을 가지는 광센서를 제조하는 과정을 나타내는 공정 단면도들이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 18은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 21 및 도 22는 도 20의 광센서를 제조하는 과정을 나타내는 공정 단면도들이다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 25는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 26은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 27은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 28은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 29는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 30은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 31은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 32는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 33은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 34는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 단면도이다.
도 35와 도 36은 본 발명의 실시예들에 따른 회로도들이다.
도 37은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 3은 도 2의 광센서 내에서 빛의 경로를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 평면도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따라 광 스플리터의 평면 형태를 나타내는 평면도들이다.
도 10 내지 도 15는 도 2의 단면을 가지는 광센서를 제조하는 과정을 나타내는 공정 단면도들이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 18은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 21 및 도 22는 도 20의 광센서를 제조하는 과정을 나타내는 공정 단면도들이다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 25는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 26은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 27은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 28은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 29는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 30은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 31은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 32는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 33은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 34는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 단면도이다.
도 35와 도 36은 본 발명의 실시예들에 따른 회로도들이다.
도 37은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 블록도이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 실시예들을 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 영상 처리 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 영상 처리 장치(1000)는 피사체(object)로부터 발생된 빛을 통과시키는 렌즈(1001), 빛을 감지하는 광센서(1003), 상기 광센서(1003)로부터 발생된 이미지 데이터를 표시하는 표시부(1005)를 포함한다. 가시광선을 배제하고 적외선만을 감지하는 전용 센서를 구성하는 경우에는, 상기 렌즈(1001)의 표면이나 상기 렌즈(1001)와 상기 광센서(1003) 사이에는 적외선 필터가 존재하여 상기 피사체(object)로부터 발생된 빛 중에 적외선만을 통과시킬 수 있다. 이 경우에는 상기 광센서(1003)에는 적외선만이 입사될 수 있다. 상기 광센서(1003)는 빛을 감지하여 발생된 전기적 신호를 저장하고 처리하는 회로 파트를 포함할 수 있다. 또는 상기 회로 파트는 별도의 장치로서 상기 광센서(1003)과 상기 표시부(1005) 사이에 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 2를 참조하면, 광센서(100)에서는 단위 화소 영역들(UP)을 포함하는 기판(1)이 제공된다. 상기 기판(1)은 실리콘 단결정 기판이거나 SOI(Silicon on insulator) 기판 또는 실리콘 에피택시얼층일 수 있다. 상기 기판(1)은 서로 대향되는 제 1 면(1a)과 제 2 면(1b)을 포함한다. 상기 제 2 면(1b)을 통해 빛이 입사될 수 있다. 상기 제 1 면(1a)에 회로들이 배치될 수 있다. 상기 제 1 면(1a)에는 얕은 소자분리막(STI)이 배치되어 활성 영역을 정의한다. 또는 상기 얕은 소자분리막 대신 불순물이 도핑된 소자분리 영역이 배치될 수도 있다. 상기 단위 화소 영역들(UP)은 깊은 소자분리부(DTI)에 의해 서로 분리될 수 있다. 상기 깊은 소자분리부(DTI)는 상기 반도체 기판(1)을 관통할 수 있다. 상기 깊은 소자분리부(DTI)는 평면적으로 그물망 형태로 형성될 수 있다. 즉, 상기 깊은 소자분리부(DTI)는 각각의 단위 화소 영역(UP)을 감싸는 구조를 가질 수 있다. 본 예에 따른 이미지 센서는 단위 화소 영역들(UP)을 서로 분리시키는 상기 깊은 소자분리부(DTI)를 포함하여, 이웃하는 단위 화소 영역들 간의 크로스 토크(Cross-talk)를 방지할 수 있다. 상기 깊은 소자분리부(DTI)는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 같은 절연물질을 포함할 수 있다. 또한 상기 깊은 소자분리부(DTI) 내부에 폴리실리콘 패턴을 포함할 수 있다. 상기 폴리실리콘 패턴에 전압을 인가하여, 암전류의 발생 및 화이트 스팟(white spot)을 감소시킬 수 있다.
상기 기판(1) 내에는 제 1 불순물 주입 영역(8)과 제 2 불순물 주입 영역(4)이 배치될 수 있다. 상기 제 1 불순물 주입 영역(8)과 상기 제 2 불순물 주입 영역(4)에는 서로 다른 도전형의 불순물이 도핑될 수 있다. 예를 들면 상기 제 1 불순물 주입 영역(8)에는 P형의 불순물이 도핑될 수 있다. 상기 제 2 불순물 주입 영역(4)에는 N형의 불순물이 도핑될 수 있다. 상기 제 1 불순물 주입 영역(8)과 상기 제 2 불순물 주입 영역(4)은 광전변환부(일 예로, 포토다이오드)를 구성할 수 있다.
상기 제 1 면(1a)에서 트랜스퍼 게이트(TG), 부유 확산 영역(FD) 및 접지 영역(12)이 배치될 수 있다. 상기 트랜스퍼 게이트(TG)는 상기 기판(1) 내로 일부 연장된 부분을 포함하는 수직형 게이트 형태를 가질 수 있다. 이와는 달리, 상기 트랜스퍼 게이트(TG)는 상기 기판(1)의 상기 제 1 면(1a) 상에만 배치되는 플랫형(flat-type) 게이트의 형태를 가질 수도 있다. 상기 트랜스퍼 게이트(TG)와 상기 기판(1) 사이에는 게이트 절연막(10)이 개재된다. 상기 부유 확산 영역(FD)은 제 2 불순물 주입 영역(4)과 동일한 도전형의 불순물로 도핑될 수 있다. 예를 들면 상기 부유 확산 영역(FD)은 N형의 불순물로 도핑될 수 있다. 상기 접지 영역(12)은 상기 제 1 불순물 주입 영역(8)과 동일한 도전형의 불순물로 도핑될 수 있으며 도핑 농도가 상기 제 1 불순물 주입 영역(8) 보다 높을 수 있다.
상기 트랜스퍼 게이트(TG)에 전압이 인가되면 상기 트랜스퍼 게이트(TG)를 포함하는 트랜지스터가 턴온(turn on)되어 상기 제 1 및 제 2 불순물 주입 영역들(8, 4)에서 생성된 전하들을 상기 부유 확산 영역(FD)로 전송한다. 상기 부유 확산 영역(FD)에 축적된 전하들은 다른 트랜지스터들(소스 팔로워 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 및 선택 트랜지스터등)이나 배선들에 의해 상기 단위 화소 영역(UP)의 외부로 전송될 수 있다. 상기 제 1 면(1a) 상에는 다층의 층간절연막(20)과 배선들(22)이 배치될 수 있다. 상기 층간절연막(20)은 패시베이션막(28)으로 덮인다. 상기 층간절연막(20) 내에는 반사부(25)가 배치될 수 있다. 상기 반사부(25)는 평면적으로 각각의 상기 단위 화소 영역(UP)의 상당 부분을 차지하는 평판 형태를 가질 수 있다. 상기 반사부(25)는 상기 배선들(22)의 일부로 형성되거나 또는 별도의 금속막으로 형성될 수 있다.
상기 제 2 면(1b)에 인접한 상기 기판(1)에는 일부 영역이 함몰된 리세스된 영역(32)가 형성된다. 상기 리세스된 영역(32)의 측면과 상기 제 2 면(1b)은 둔각을 이룰 수 있다. 상기 리세스된 영역(32)의 입구는 상기 리세스된 영역(32)의 바닥면보다 넓을 수 있다. 상기 제 2 면(1b) 상에는 고정전하막(40)이 배치된다. 상기 고정전하막(40)은 상기 반도체 기판(1)과 접하며 상기 리세스된 영역(32) 내부도 콘포말하게 덮는다. 상기 고정 전하막(40)은 화학양론비 보다 부족한 양의 산소 또는 불소를 포함하는 금속산화막 또는 금속 불화막으로 이루어질 수 있다. 이로써 상기 고정 전하막(40)은 음의 고정전하를 가질 수 있다. 상기 고정 전하막(40)은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 이트륨(Y) 및 란타노이드를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 산화물(metal oxide) 또는 금속 불화물(metal fluoride)로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 고정 전하막(40)은 하프늄 산화막 또는 알루미늄 불화막일 수 있다. 상기 고정전하막(40)에 의하여 상기 제 2 면(1b) 주변에 정공의 축적(hole accumulation)이 발생할 수 있다. 이로써 암전류의 발생 및 화이트 스팟(white spot)을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
상기 고정전하막(40)으로 콘포말하게 덮인 상기 리세스된 영역(32) 안에는 광 스플리터(35)가 배치되어 상기 고정전하막(40)과 접한다. 바람직하게는 상기 광 스플리터(35)는 상기 기판(1)과 굴절률이 다른 물질로 형성될 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 광 스플리터(35)는 상기 기판(1)을 구성하는 실리콘 보다 굴절률이 작은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면 상기 광 스플리터(35)는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘산화질화막 및 금속산화막 중 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다. 상기 광 스플리터(35)의 상부면은 상기 고정전하막(40)의 상부면과 공면을 이룰 수 있다. 상기 리세스된 영역(32)의 측벽은 상기 깊은 소자분리부(DTI)과 이격될 수 있다.
상기 고정 전하막(40)과 상기 광스플리터(35)는 반사방지막(42)으로 덮일 수 있다. 상기 반사방지막(42)은 예를 들면 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 반사방지막(42) 상에는 평탄화층(44)이 배치될 수 있다. 상기 평탄화층(44)은 실리콘 산화막이나 안료가 첨가되지 않은 포토레지스트막으로 형성될 수 있다. 상기 평탄화층(44) 상에는 각각의 단위 화소 영역(UP)에 대응되도록 마이크로렌즈(46)가 배치될 수 있다.
만약 상기 광센서(100)가 적외선을 감지하는 것을 목적으로 하여 도 1에서 렌즈(1001)와 광센서(1003) 사이에 적외선 필터가 존재하는 경우, 특정 색의 가시광선을 걸러주는 컬러필터를 필요로 하지 않으며, 상기 광센서(100)에는 적외선만이 입사될 수 있다. 이때에는 상기 평탄화층(44)에 안료가 포함되지 않고 또한 컬러 필터가 배치되지 않을 수 있다. 만약 상기 평탄화층(44)에 컬러필터가 배치될지라도 적외선은 상기 컬러필터를 모두 통과할 수 있다.
도 3은 도 2의 광센서 내에서 빛의 경로를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 상기 마이크로 렌즈(46)를 통해 빛(L)이 입사된다. 상기 마이크로 렌즈(46)의 표면이 볼록하기 때문에 상기 빛(L)은 한 곳으로 모이게 된다. 상기 빛(L)이 모이는 지점에 상기 광 스플리터(35)가 배치된다. 빛(L) 중에서 특히 적외선이나 붉은색 빛은 파장이 길어 상기 기판(1)내에서 흡수율이 낮아 빛이 전하로 변하는 분율인 양자효율(Quantum efficiency)이 매우 낮다. 그러나 본 실시예들에 따른 광센서(100)는 상기 광 스플리터(35)를 포함함으로써 상기 빛(L)이 상기 광 스플리터(35)와 상기 기판(1)이 접하는 면에서 복수의 경로로 분리뒤 쪼개지면서 산란하게 된다. 이로써 다중 반사가 유도되어 광 경로가 길어지게 된다. 이로써 상기 광센서(100)를 이용하는 경우, 특히 적외선이나 붉은색 빛의 흡수율이 증가되고 양자 효율을 높일 수 있다.
상기 반사부(25)는 상기 층간절연막(20) 내로 입사되는 빛(L)을 상기 기판(1) 내부로 반사시켜 상기 빛(L)의 흡수율을 높일 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도들이다. 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 평면도이다.
도 4a를 참조하면, 상기 광 스플리터(35)의 위치는 변동될 수 있다. 즉, 상기 광센서(100)의 중심(CT)에서는 빛이 상기 광센서(100) 상면에 대해 수직하게 입사되기에, 마이크로 렌즈(46)를 통과한 빛은 단위 화소 영역(UP)의 중심 부분에 모이게 된다. 이로써 상기 광 스플리터(35)는 도 3에서처럼 상기 단위 화소 영역(UP)의 중심에 배치될 수 있다. 그러나 상기 광센서(100)의 가장자리(ED)에서는 빛이 경사지게(낮은 각도로) 입사되기에 마이크로 렌즈(46)를 통과한 빛은 도 4a에서처럼 단위 화소 영역(UP)의 가장자리 부분에 모이게 된다. 이로써 상기 광 스플리터(35)는 상기 깊은 소자분리부(DTI)에 인접하도록 배치될 수 있다. 또는 도 4b를 참조하여, 상기 광 스플리터(35)의 위치는 중심에 고정되나, 상기 마이크로 렌즈(46)로부터 입사된 빛들이 상기 광 스플리터(35)에 집중되도록, 상기 마이크로 렌즈(46)의 위치를 옆으로 이동시킬 수도 있다. 즉, 도 5와 같이 상기 광 스플리터(35)는 각 단위 화소 영역의 위치에서 마이크로 렌즈(46)를 통과한 빛이 집중되는 지점에 배치되게 된다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따라 광 스플리터의 평면 형태를 나타내는 평면도들이다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 상기 광 스플리터(35)는 다양한 평면 형태를 가질 수 있다. 즉 상기 광 스플리터(35)는 도 6처럼 정사각형 형태를 갖거나 도 7처럼 십자가 형태를 가질 수 있다. 또는 상기 광 스플리터(35)는 도 8처럼 마름모 형태를 가지거나 도 9처럼 원형의 평면 형태를 가질 수 있다. 상기 광 스플리터(35)의 평면 형태는 이에 한정되지 않고 다양할 수 있다.
다음은 도 2의 광센서를 제조하는 방법을 설명하기로 한다.
도 10 내지 도 15는 도 2의 단면을 가지는 광센서를 제조하는 과정을 나타내는 공정 단면도들이다.
도 10을 참조하면, 서로 대향되는 제 1 면(1a)과 제 2 면(1b)을 가지는 기판(1)에 깊은 소자분리부(DTI)을 형성하며 단위 화소 영역들(UP)을 분리한다. 이때 상기 깊은 소자분리부(DTI)의 하부면은 상기 제 2 면(1b)와 이격될 수 있다. 상기 깊은 소자분리부(DTI)은 상기 기판(1)을 식각하여 깊은 트렌치(3)를 형성하고 이를 절연물질로 채운 후 평탄화 공정을 진행함으로써 형성될 수 있다. 상기 깊은 소자분리부(DTI)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화 질화막 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 상기 깊은 소자분리부(DTI)은 평면도상 그물망 형태로 형성될 수 있다.
계속해서, 이온주입 공정들을 진행하여 상기 깊은 소자분리부(DTI)에 의해 분리된 각 단위 화소 영역들(UP)의 기판(1) 내에 제 1 불순물 주입 영역(8)과 제 2 불순물 주입 영역(4)을 형성한다. 상기 기판(1)의 상기 제 1 면(1a)에 인접한 곳에 얕은 소자분리막(STI)을 형성하여 활성 영역들을 정의한다. 상기 얕은 소자분리막(STI)은 상기 깊은 소자분리부(DTI) 주변의 상기 기판(1)의 일부를 제거하여 얕은 트렌치를 형성하고 이를 매립 절연막으로 채워 형성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 얕은 소자분리막(STI)에 의해 노출된 상기 기판(1)의 일부분을 식각하여 리세스된 영역을 형성하고 열산화 공정 또는 증착 공정을 진행하여 상기 리세스된 영역의 내벽과 상기 기판(1)의 표면을 콘포말하게 덮는 게이트 절연막(10)을 형성한다. 도전막을 적층하여 상기 리세스된 영역을 채우고 패터닝하여 트랜스퍼 게이트 전극(TG)을 형성한다. 도시하지는 않았지만, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG)을 형성할 때 다른 기능의 게이트 전극들도 형성될 수 있다. 이온 주입 공정들을 진행하여 부유 확산 영역(FD)과 접지 영역(12) 등을 형성한다. 상기 제 1 면(1a) 상에 다층의 배선들(22)과 콘택 플러그들, 반사부(25) 및 이들을 덮는 층간절연막들(20)을 형성한다. 그리고 상기 층간절연막(20) 상에 패시베이션막(28)을 형성한다. 상기 패시베이션막(28)은 실리콘 질화막이나 폴리이미드로 형성될 수 있다.
도 12를 참조하면, 상기 제 2 면(1b)이 위로 가도록 상기 기판(1)을 뒤집는다. 그리고 상기 제 2 면(1b)에 대하여 백그라인딩 공정을 진행하여 상기 제 2 면(1b)에 인접한 상기 기판(1)의 일부를 제거하고 상기 깊은 소자분리부(DTI)을 노출시킨다.
도 13을 참조하면, 상기 제 2 면(1b) 상에 마스크 패턴(30)을 형성한다. 상기 마스크 패턴(30)은 예를 들면 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 마스크 패턴(30)을 식각 마스크로 이용하여 상기 제 2 면(1b)의 일부분을 식각하여 리세스된 영역(32)을 형성한다.
도 14를 참조하면, 상기 마스크 패턴(30)을 제거하여 상기 제 2 면(1b)을 노출시킨다. 상기 제 2 면(1b) 상에 고정전하막(40)을 콘포말하게 형성하여 상기 리세스된 영역(32)의 측면과 바닥을 덮는다. 상기 고정전하막(40) 상에 저굴절률막(34)을 적층하여 상기 리세스된 영역(32)을 채운다. 상기 저굴절률막(34)은 실리콘보다 작은 굴절률을 가지는 물질로 예를 들면, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 및 금속 산화막 중 선택되는 적어도 하나로 형성될 수 있다.
도 15를 참조하면, 상기 저굴절률막(34)에 대해 평탄화 식각 공정을 진행하여 상기 고정전하막(40) 상의 상기 저굴절률막(34)을 제거하여 상기 고정전하막(40)을 노출시키고 상기 리세스된 영역(32) 안에 광 스플리터(35)를 형성한다.
다시 도 2를 참조하여, 상기 제 2 면(1b)의 전면 상에 반사방지막(42) 및 평탄화층(44)을 차례로 형성한다. 상기 평탄화층(44) 상에 마이크로 렌즈(46)를 형성한다.
본 예에서, 깊은 소자분리부(DTI)이 먼저 형성되었으나 공정 순서는 바뀔 수 있다. 즉, 제 1 면(1a)에 먼저 얕은 소자분리막(STI)을 형성하고 트랜지스터들과 배선들을 형성하고 제 2 면(1b)에 대하여 백그라인딩 공정을 진행한 후에, 상기 제 2 면(1b)으로부터 기판(1)의 일부를 식각하여 깊은 트렌치(3)를 형성하고 이를 절연막으로 채워 상기 깊은 소자분리부(DTI)을 형성할 수도 있다. 이때 상기 깊은 트렌치(3)를 절연막을 채우기 전에 상기 제 2 면(1b)에 리세스된 영역(32)을 형성하고 고정전하막(40)을 콘포말하게 형성할 수 있다. 이때에는 상기 고정전하막(40)이 상기 리세스된 영역(32)의 측벽과 바닥 뿐만 아니라 상기 깊은 트렌치(3)의 측벽과 바닥도 콘포말하게 덮도록 형성될 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 16을 참조하면, 광센서(101)는 광 스플리터(36)를 포함한다. 상기 광 스플리터(36)는 제 2 면(1b)으로부터 돌출된 기판(1)의 일부분일 수 있다. 상기 광 스플리터(36)의 하부는 상부보다 넓을 수 있다. 상기 광 스플리터(36)의 측면은 경사진다. 상기 깊은 소자분리부(DTI)상기 제 2 면(1b)은 상기 깊은 소자분리부(DTI)의 상부면 보다 낮을 수 있으며, 상기 깊은 소자분리부(DTI)의 측벽이 노출될 수 있다. 고정전하막(40)은 상기 깊은 소자분리부(DTI)의 상부면과 측벽의 일부와 상기 제 2 면(1b) 및 상기 광 스플리터(36)의 측벽과 상부면을 콘포말하게 덮을 수 있다. 상기 고정전하막(40)과 반사방지막(42) 사이에는 굴절률 차이부(37)가 개재된다. 바람직하게는 상기 굴절률 차이부(37)는 상기 기판(1)의 굴절률과 차이가 나는 물질로 형성될 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 굴절률 차이부(37)는 실리콘 보다 작은 굴절률을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 상기 굴절률 차이부(37)는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘산화질화막 및 금속 산화막 중 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다. 그 외의 구성은 도 1을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 광센서(101)에서도 마이크로 렌즈(46)를 통해 입사된 빛은 상기 광 스플리터(36)의 측면에서 산란하여 다중 반사가 일어나 광 경로가 길어져 광흡수율을 증가시킬 수 있다.
도 16의 광센서(101)는 도 2의 광센서(100)의 제조 방법과 유사할 수 있다. 도 13에서 마스크 패턴(30)의 형태가 달라질 수 있다. 즉, 도 13의 상기 마스크 패턴(30)이 도 16의 광 스플리터(36)가 형성될 위치를 덮되 나머지 영역을 덮도록 형성되고 이를 식각 마스크로 이용하여 기판(1)을 식각하여 상기 기판(1)의 일부가 돌출된 상기 광 스플리터(36)를 형성하고 깊은 소자분리부(DTI)의 일부를 노출시킨다. 그리고 상기 고정 전하막(40)을 콘포말하게 덮는다. 그리고 저굴절률막을 형성하여 상기 광 스플리터(36)와 상기 깊은 소자분리부(DTI) 사이를 채운 후에 평탄화 식각 공정을 진행한다. 그 외의 제조 과정은 도 10 내지 도 15를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 17을 참조하면, 본 광센서(102)에서는 깊은 소자분리부(DTI)가 제 2 면(1b)으로부터 제 1 면(1a)쪽으로 일부 연장되나 상기 제 1 면(1a)에 닿지 않는다. 도 17에서 고정전하막(40)은 상기 깊은 소자분리부(DTI)의 상부면을 덮도록 형성된다. 도시하지는 않았지만, 이때 상기 깊은 소자분리부(DTI) 내부에 폴리실리콘 패턴이 배치될 수 있으며 여기에 전압이 인가될 수 있다. 또는, 상기 고정전하막(40)은 깊은 트렌치(3)의 내벽으로도 연장될 수 있다. 그 외의 구성은 도 16을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
상기 광센서(102)를 제조하는 과정은 도 2의 광센서(100)의 제조 방법과 유사할 수 있다. 단지 깊은 소자분리부(DTI)를, 제 2 면(1b)에 대해 백 그라인딩 공정을 진행한 후에, 형성한다. 이때 깊은 트렌치(3)를 상기 제 2 면(1b)으로부터 제 1 면(1a) 쪽으로 형성하되, 상기 제 1 면(1a)과 이격되도록 형성한다. 그 외의 제조 과정은 도 10 내지 도 15를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 18을 참조하면, 본 광센서(103)에서는 깊은 소자분리부(DTI)가 깊은 트렌치(3)의 내벽을 따라 콘포말하게 형성되는 절연부(5)와 상기 절연부(5)와 접하며 상기 깊은 트렌치(3)를 채우는 금속부(7)를 포함한다. 상기 금속부(7)는 상기 깊은 소자분리부(DTI) 측면으로 입사되는 빛을 상기 기판(1) 내부로 반사시켜 빛의 흡수율을 증가시킬 수 있다. 또한 상기 금속부(7)에 전압이 인가되어 암전류나 화이트 스팟을 감소시킬 수 있다. 그 외의 구성은 도 1을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 상기 광센서(103)의 제조 방법에서는, 도 10의 단계에서 깊은 트렌치(3)를 형성한 후, 절연막을 콘포말하게 형성하고 금속막을 형성하여 상기 깊은 트렌치(3)를 채운다. 그리고 평탄화 식각 공정을 진행하여 상기 깊은 소자분리부(DTI)를 구성하는 상기 절연부(5)와 상기 금속부(7)를 형성할 수 있다. 그 외의 제조 공정은 도 10 내지 도 15를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 19를 참조하면, 본 광센서(104)서는 깊은 소자분리부(DTI)가 제 1 면(1a)으로부터 제 2 면(1b) 쪽으로 일부 연장되는 제 1 절연부(6), 상기 제 2 면(1b)로부터 상기 제 1 면(1a) 쪽으로 일부 연장되는 제 2 절연부(5) 및 상기 제 2 절연부(5) 내에 배치되는 금속부(7)를 포함할 수 있다. 그 외의 구성은 도 18을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 상기 광센서(104)의 제조 방법에서는, 기판(1)을 제 1 면(1a)으로부터 제 2 면(1b) 쪽으로 일부 식각하여 깊은 트렌치(3)를 형성하고 절연막으로 채워 상기 제 1 절연부(6)를 형성한다. 그리고 제 2 면(1b)에 대한 백그라인딩 공정을 진행한 후에 상기 기판(1)을 상기 제 2 면(1b)으로부터 상기 제 1 면(1a) 쪽으로 깊은 트렌치(3)를 형성하고 절연막과 금속막을 차례로 적층하고 평탄화 식각하여 제 2 절연부(5)와 금속부(7)를 형성한다. 그 외의 제조 공정은 도 10 내지 도 15를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 20을 참조하면, 본 광센서(105)에서는 광 스플리터(50)가 반사방지막(42) 상에 배치되어 평탄화층(44)과 접한다. 상기 광 스플리터(50)는 바람직하게는 상기 기판(1)과 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 형성된다. 보다 바람직하게는 상기 광 스플리터(50)는 실리콘보다 높은 굴절률을 포함하는 물질로 형성된다. 상기 광 스플리터(50)는 실리콘산화막 보다 높은 유전율을 가지는 금속산화막으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 광 스플리터(50)는 티타늄산화막, 하프늄 산화막, 란탄 산화막, 지르코늄 산화막, 알루미늄 산화막 중 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈(46)를 통해 입사된 빛은 상기 평탄화층(44)과 상기 광 스플리터(50)의 경계면에서 산란하게 된다. 이로써 적외선이나 붉은색의 빛과 같이 파장이 긴 빛들의 흡수율을 높일 수 있다. 그 외의 구성은 도 2를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 21 및 도 22는 도 20의 광센서를 제조하는 과정을 나타내는 공정 단면도들이다.
도 21을 참조하면, 도 12의 상태에서 기판(1)의 제 2 면(1b) 상에 고정 전하막(40)과 반사방지막(42)을 차례로 형성한다. 상기 반사방지막(42) 상에 고굴절률막(49)을 형성한다. 상기 고굴절률막(49)은 실리콘 보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 예를 들면, 티타늄산화막, 하프늄 산화막, 란탄 산화막, 지르코늄 산화막, 알루미늄 산화막 중 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다. 상기 고굴절률막(49) 상에 마스크 패턴(51)을 형성한다. 상기 마스크 패턴(51)은 예를 들면 실리콘질화막으로 형성될 수 있다.
도 22를 참조하면, 상기 마스크 패턴(51)을 식각 마스크로 이용하여 상기 고굴절률막(49)을 패터닝하여 광 스플리터(50)를 형성하고 상기 반사방지막(42)의 표면을 노출시킨다.
후속으로 도 20을 참조하여, 상기 마스크 패턴(51)을 제거하고 상기 반사방지막(42) 상에 평탄화층(44)과 마이크로 렌즈(46)를 형성한다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 23을 참조하면, 본 광센서(106)에서는 광 스플리터(45)가 제 2 면(1b)쪽으로 돌출된 평탄화층(44)의 일부일 수 있다. 상기 평탄화층(44)의 하부면과 반사방지막(42) 사이에는 굴절률 차이부(53)가 배치된다. 상기 굴절률 차이부(53)에는 리세스된 영역(52)이 형성되고 상기 광 스플리터(45)는 상기 리세스된 영역(52) 안에 배치된다. 상기 굴절률 차이부(53)는 기판(1)과 서로 다른 굴절률을 가지는 물질로 형성된다. 보다 바람직하게는 상기 굴절률 차이부(53)는 실리콘보다 높은 굴절률을 포함하는 물질로 형성된다. 상기 굴절률 차이부(53)는 실리콘산화막 보다 높은 유전율을 가지는 금속산화막으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 굴절률 차이부(53)는 티타늄산화막, 하프늄 산화막, 란탄 산화막, 지르코늄 산화막, 알루미늄 산화막 중 선택되는 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다. 그 외의 구성은 도 20을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
상기 광센서(106)는 도 20의 광센서(105)의 제조 방법과 유사할 수 있다. 도 21에서 마스크 패턴(51)의 형태가 달라질 수 있다. 즉, 상기 마스크 패턴(51)은 도 13의 마스크 패턴(32)의 형태와 유사할 수 있다. 즉, 도 21의 마스크 패턴(51)은 도 23의 광 스플리터(45)가 형성될 부분을 노출시키되 다른 부분을 덮도록 형성된다. 그리고 고굴절률막(49)을 패터닝하여 리세스된 영역(52)을 포함하는 상기 굴절률 차이부(53)을 형성한다. 상기 굴절률 차이부(53) 상에 평탄화층(44)을 형성하여 상기 리세스된 영역(52)을 채워 상기 광 스플리터(45)를 형성한다. 그 외의 제조 방법은 도 21 및 도 22를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 24는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 24를 참조하면, 본 광센서(107)는 반사방지막(42) 아래에 제 1 광 스플리터(35)가 배치되고 상기 반사방지막(42) 상에 제 2 광 스플리터(50)가 배치된다. 상기 제 1 광 스플리터(35)는 도 2의 광 스플리터(35)에 대응될 수 있다. 상기 제 2 광 스플리터(50)는 도 20의 광 스플리터(50)에 대응될 수 있다. 상기 제 1 광 스플리터(35)는 실리콘 보다 낮은 굴절률을 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 상기 제 2 광 스플리터(50)는 실리콘보다 높은 굴절률을 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 또는 상기 제 1 및 제 2 광 스플리터들(35, 50)은 동일한 물질로 형성될 수도 있다. 상기 제 1 광 스플리터(35)와 상기 제 2 광 스플리터(50)는 서로 수직적으로 중첩될 수 있다. 그 외의 구성은 도 2와 도 20을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 상기 제 1 광 스플리터(35)는 도 13 내지 도 15를 참조하여 설명한 바와 동일하게 형성될 수 있다. 상기 제 2 광 스플리터(50)는 도 21 및 도 22를 참조하여 설명한 바와 동일하게 형성될 수 있다.
도 25는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 25를 참조하면, 본 광센서(108)에서는 기판(1)의 내부에 제 2 면(1b)에 가까운 곳에 제 3 불순물 주입 영역(60)이 배치된다. 상기 제 3 불순물 주입 영역(60)에는 예를 들면 게르마늄(Ge)이 도핑될 수 있다. 상기 제 3 불순물 주입 영역(60)에 게르마늄이 도핑되면, 게르마늄의 에너지 밴드 갭이 실리콘의 에너지 밴드갭 보다 작기 때문에, 적은 양의 빛이 입사될 지라도, 광전변환 효율이 증가될 수 있다. 또는 상기 제 3 불순물 주입 영역(60)에는 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 같은 칼코겐(Chalcogen) 원소(16족 원소)이거나 납(Pd), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 니켈(Ni) 같은 금속 원소가 도핑될 수 있다. 이로써 실리콘 에너지 밴드갭 안에 디펙 레벨(Defect level)이 형성되어, 광전변환 효율이 증가될 수 있다. 상기 광센서(108)를 제조하는 방법에서는, 도 12의 단계에서 이온주입 공정을 진행하여 상기 제 3 불순물 주입 영역(60)을 형성한다. 그 외의 제조 공정은 도 20 내지 도 22를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 26은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 26을 참조하면, 본 광센서(109)에서는 기판(1)의 내부에 깊은 소자분리부(60)에 인접한 곳에 상기 깊은 소자분리부(60)의 측벽을 따라 제 3 불순물 주입 영역(60)이 배치된다. 그 외의 구성은 도 26을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 상기 광센서(109)를 제조하는 방법에서는, 도 10의 단계에서 기판(1)을 식각하여 깊은 트렌치(3)를 형성한 후에, 경사 이온주입 공정을 진행하여 상기 제 3 불순물 주입 영역(60)을 형성한다. 그 외의 제조 공정은 도 20 내지 도 22를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 27은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 27을 참조하면, 본 광센서(110)에서는 제 3 불순물 주입 영역(60)이 기판(1) 내에서 제 2 면(1b)에 인접한 곳에 그리고 깊은 소자분리부(DTI)의 측벽을 따라 형성된다. 상기 제 3 불순물 주입 영역(60)은 깊은 트렌치(3)를 형성한 후 경사 이온주입 공정을 진행하고, 상기 제 2 면(1b)에 대해 백그라인딩 공정을 진행한 후 이온주입 공정을 진행하여 형성될 수 있다. 그 외의 구성 및 제조 방법은 도 26과 도 27을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 28은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 28을 참조하면, 본 광센서(111)에서는 반사 방지막(42) 상에 차광 패턴(65)이 배치된다. 상기 차광 패턴(65)은 예를 들면 텅스텐 같은 금속으로 형성될 수 있으며 그리드(grid) 형태를 가질 수 있다. 상기 차광 패턴(65)으로 인해 이웃 단위 화소 영역들(UP) 간의 크로스 토크를 방지할 수 있다. 그 외의 구성은 도 20을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 29는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 29를 참조하면, 본 광센서(112)에서는 차광 패턴(65)이 반사 방지막(42) 상에서부터 반사방지막(42) 및 고정 전하막(40)을 관통하여 깊은 소자분리부(DTI) 내부로 연장된다. 그 외의 구성은 도 28를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 30은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 30을 참조하면, 본 광센서(113)에서는 기판(1)의 제 2 면(1b)에 인접한 곳에 비정질부(70)가 배치될 수 있다. 상기 비정질부(70)는 상기 기판(1)의 제 2 면(1b) 상에 배치되는 비정질막일 수 있다. 또는 상기 비정질부(70)는 상기 기판(1)의 일부분을 비정질화 함으로써 형성될 수 있다. 상기 비정질부(70)에 의해 실리콘 기판의 에너지 밴드갭이 작아진다. 이로써 광전 변환율이 증가될 수 있다. 상기 비정질막은 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition)나 ICP CVD (Inductively Coupled Plasma chemical vapor deposition)방법을 이용하여 증착될 수 있다. 상기 기판(1)의 일부분을 비정질화하는 것은, 상기 기판(1)의 일부에 레이저 등을 조사하여 상기 기판(1)의 실리콘 단결정을 불안정하게 만들고, 후속으로 수소를 공급하여 어닐링 공정을 진행함으로써 달성될 수 있다. 그 외의 구성 및 제조 방법은 도 20 내지 도 22를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 31은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 31을 참조하면, 본 광센서(114)에서는 비정질부(70)가 상기 기판(1) 내에서 깊은 소자분리부(DTI)에 인접하도록 배치될 수 있다. 상기 비정질부(70)는 깊은 트렌치(3)를 형성한 후에 상기 깊은 트렌치(3) 내부의 상기 기판(1)의 일부분을 비정질화하거나 비정질막을 증착함으로써 형성될 수 있다. 그 외의 구성 및 제조 방법은 도 30을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 32는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 32를 참조하면, 본 광센서(115)에서는 비정질부(70)가 깊은 소자분리부(DTI)의 측벽을 따라 배치되는 제 1 비정질부(71)와 기판(1)의 제 2 면(1b)에 인접한 곳에 배치되는 제 2 비정질부(72)를 포함할 수 있다. 그 외의 구성 및 제조 방법은 도 30 및 도 31을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 33은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 부분 단면도이다.
도 33을 참조하면, 본 광센서(116)에서는 제 1 단위 화소 영역(UP1)과 제 2 단위 화소 영역(UP2)을 포함한다. 상기 제 1 단위 화소 영역(UP1)에서 반사 방지막(42) 상에 제 1 필터(71)가 배치된다. 상기 제 2 단위 화소 영역(UP2)에서 상기 반사 방지막(42) 상에 제 2 필터(73)가 배치된다. 상기 제 1 필터(71)와 상기 제 2 필터(73) 상에는 평탄화층(44)이 배치될 수 있다. 일 예에 있어서, 상기 제 1 필터(71)와 상기 제 2 필터(73)은 모두 컬러필터 일 수 있다. 예를 들면 상기 제 1 필터(71)는 안료가 첨가되지 않은 화이트 필터일 수 있다. 상기 제 2 필터(73)은 붉은색, 청색 및 녹색과 같은 색의 안료가 첨가된 컬러필터 일 수 있다.
일 예에 있어서 도 1의 영상 처리 장치(1000)에서 렌즈(1001)와 광센서(1003) 사이에 적외선 필터가 존재하는 경우 마이크로 렌즈(46)을 통해 적외선만이 입사될 수 있다. 상기 적외선은 상기 제 1 및 제 2 필터들(71, 73)을 모두 통과할 수 있다.
또는 다른 예에 있어서, 도 1의 영상 처리 장치(1000)에서 렌즈(1001)와 광센서(1003) 사이에 적외선 필터가 존재하지 않을 수 있다. 이 경우 가시광선도 마이크로 렌즈(46)를 통해 입사될 수 있다. 이 경우 상기 제 1 필터(71)는 적외선 필터일 수 있고 상기 제 2 필터(73)는 안료가 첨가된 컬러필터일 수 있다. 상기 제 1 단위 화소 영역(UP1)에서는 상기 제 1 필터(71)에 의해 적외선만이 기판(1) 내부로 입사될 수 있다. 상기 제 2 단위 화소 영역(UP2)에서는 상기 제 2 필터(73)에 의해 특정 파장을 가지는 가시광선만이 기판(1) 내부로 입사될 수 있다. 상기 제 2 단위 화소 영역(UP2)도 광 스플리터(50)에 의해 가시 광선의 흡수율을 증대시킬 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 광센서의 부분 단면도들에 대해 살펴보았다. 위에 개시된 다양한 구조들 및 제조 방법들은 서로 조합될 수 있다.
도 34는 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 단면도이다. 도 35와 도 36은 본 발명의 실시예들에 따른 회로도들이다.
도 34 및 도 35를 참조하면, 본 광센서(200)는 서로 전기적으로 연결된 화소 기판(210)과 메모리 기판(220)을 포함할 수 있다. 상기 화소 기판(210)은 상기 메모리 기판(220)에 연결 수단(230)을 통해 연결될 수 있다. 상기 연결 수단(230)은 예를 들면 솔더 범프일 수 있고, 상기 화소 기판(210)은 상기 메모리 기판(220)에 플립 칩 본딩 방식으로 연결될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 상기 화소 기판(210)은 상기 메모리 기판(220)에 와이어로 전기적으로 연결될 수도 있다. 또한 상기 화소 기판(210)과 상기 메모리 기판(220)을 전기적으로 연결하기 위하여 관통비아를 이용할 수도 있다. 또는 구리 배선 접합 (Cu-Cu bonding)을 이용한 하이브리드 접합 (hybrid bonding) 기술로 연결할 수도 있다. 상기 화소 기판(210)은 도 1 내지 도 33을 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 상기 화소 기판(210)은 복수개의 단위 화소 영역들(UP)을 포함한다. 상기 메모리 기판(220)은 상기 단위 화소 영역들(UP)과 전기적으로 연결되는 단위 메모리 영역들(MR)을 포함한다. 각각의 상기 단위 메모리 영역들(240)은 커패시터(CAP)를 포함할 수 있다.
상기 단위 화소 영역(UP)과 상기 단위 메모리 영역(MR)의 회로 동작을 도 35를 참조하여 설명하기로 한다.
도 35를 참조하면, 상기 단위 화소 영역들(UP)의 각각은 트랜스퍼 트랜지스터(TG), 화소 소오스 팔로워(Pixel source follower) 트랜지스터(SFp) 및 화소 리셋 트랜지스터(RGp)를 포함한다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TG)의 일측은 포토 다이오드(PD)에 연결된다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TG)의 다른 측은 부유 확산 영역(FD)에 연결된다. 상기 단위 메모리 영역들(MR)의 각각은 샘플링 트랜지스터(SM), 메모리 리셋 트랜지스터(RGm), 커패시터(CAP), 메모리 소오스 팔로워 트랜지스터(SFm) 및 메모리 선택 트랜지스터(SELm)을 포함한다.
마이크로 렌즈(46)를 통해 빛이 단위 화소 영역들(UP)의 포토 다이오드(PD)로 입사되면 흡수된 빛의 에너지에 비례하여 전자-전공쌍(Electron Hole Pair:EHP)들이 생성된다. 트랜스퍼 트랜지스터(TG)를 턴온하여, 상기 포토 다이오드(PD)로부터 발생된 전하들을 부유 확산 영역(FD)으로 옮긴다. 이로써 화소 소오스 팔로워 트랜지스터(SFp)가 턴온되고 상기 전하들은 솔더 범프(230)를 통해 단위 메모리 영역(MR)으로 전송된다. 상기 단위 화소 영역(UP)에서 생성된 전하를 저장하고 싶으면 샘플링 트랜지스터(SM)를 턴온한다. 이로써 상기 전하들은 커패시터(CAP)에 저장될 수 있다. 상기 커패시터(CAP)에 저장된 전하들을 센싱하고자 할 때 메모리 선택 트랜지스터(SELm)를 턴온한다. 도 35에서는 하나의 단위 화소 영역(UP)이 하나의 단위 메모리 영역(MR)에 전기적으로 연결된 것을 도시한다.
도 36은 두개의 단위 화소 영역들(UP1, UP2)이 하나의 연결 수단(230)에 의해 두개의 단위 메모리 영역들(MR1, MR2)에 전기적으로 연결된 것을 도시한다. 상기 하나의 연결 수단(230)에는 1~64개의 단위 화소 영역들(UP1, UP2)이 연결될 수 있다. 이러한 구조는 상기 연결 수단(230)들의 간격을 늘려서 미세한 단위 화소 영역들을 연결하기 위한 공정 부담을 줄이는 효과가 있다. 각각의 단위 화소 영역들(UP1, UP2)은 화소 선택 트랜지스터(SELp)을 더 포함할 수 있다. 전하를 저장하고자 하는 단위 화소 영역(UP1, UP2)의 상기 화소 선택 트랜지스터(SELp)를 선택적으로 턴온하고, 상기 단위 메모리 영역들(MR1, MR2) 중 하나의 샘플링 트랜지스터(SM)를 턴온하여 전하를 저장한다.
이와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 광센서(200)는 메모리 기판(220)을 포함한다. 이로써 상기 광센서(200)은 글로벌 셔터 모드(global shutter mode)로 동작될 수 있다. 또는 상기 광센서(200)는 광역 역광 보정(Wide Dynamic Range, WDR) 모드로 동작될 수 있다. 상기 광센서(200)는 글로벌 셔터 모드나 광역 역광 보정 모드를 위한 별도의 회로를 더 포함할 수 있다.
도 37은 본 발명의 실시예들에 따른 광센서의 블록도이다.
도 37을 참조하면, 본 광센서(300)는 도 34의 화소 기판(210)에 대응될 수 있는 센싱부(310), 도 34의 메모리 기판(220)에 대응될 수 있는 메모리부(320) 및 상기 메모리부(320)에 저장된 이미지 데이터를 처리하기 위한 데이터 처리부(330)를 포함할 수 있다.
글로벌 셔터 모드에서, 상기 광센서(300)의 센싱부(310)의 모든 단위 화소 영역들(UP)에서 생성된 전기적 신호들(데이터)을 동시에 상기 메모리부(320)에 저장한다. 그리고 상기 데이터 처리부(330)는 상기 메모리부(320)에 저장된 데이터를 열(row) 별로 순차적으로 읽는다. 이로써 글로벌 셔터 모드를 구현할 수 있다.
광역 역광 보정 모드에서, 상기 센싱부(310)는 제 1 시간 동안 빛을 받아 전하들을 생성하고 이를 상기 메모리부(320)에 저장한다. 그리고 다시 상기 센싱부(310)는 제 2 시간 동안 빛을 받아 전하들을 생성하고 이를 상기 메모리부(320)에 저장한다. 상기 제 1 시간은 상기 제 2 시간보다 길 수 있다. 상기 데이터 처리부는(330)는 상기 제 1 시간 동안 생성된 데이터와 상기 제 2 시간 동안 생성된 데이터 간의 상관 관계를 판단하고 합성한다. 이로써, 고화질의 이미지 데이터를 출력할 수 있다.
1: 기판, 1a: 제 1 면, 1b: 제 2 면
3: 깊은 트렌치
4, 8, 60: 불순물 주입 영역
5, 6: 절연막
7: 금속부
10: 게이트 절연막
12: 접지 영역
20: 층간절연막
22: 배선들
25: 반사부
28: 패시베이션막
30, 51: 마스크 패턴
32, 52: 리세스된 영역
35, 36, 45, 50: 광 스플리터
37, 53: 굴절률 차이부
40: 고정전하막
42: 반사방지막
44: 평탄화층
46: 마이크로 렌즈
49: 고굴절률막
65: 차광 패턴
70: 비정질부
71, 73: 필터
100~117, 200, 300, 1003: 광센서
210: 화소 기판
220: 메모리 기판
230: 연결 수단
310: 센싱부
320: 메모리부
330: 데이터 처리부
1000: 영상 처리 장치
1001: 렌즈
1005: 표시부
DTI: 깊은 소자분리부
MR: 단위 메모리 영역
STI: 얕은 소자분리막
UP: 단위 화소 영역
3: 깊은 트렌치
4, 8, 60: 불순물 주입 영역
5, 6: 절연막
7: 금속부
10: 게이트 절연막
12: 접지 영역
20: 층간절연막
22: 배선들
25: 반사부
28: 패시베이션막
30, 51: 마스크 패턴
32, 52: 리세스된 영역
35, 36, 45, 50: 광 스플리터
37, 53: 굴절률 차이부
40: 고정전하막
42: 반사방지막
44: 평탄화층
46: 마이크로 렌즈
49: 고굴절률막
65: 차광 패턴
70: 비정질부
71, 73: 필터
100~117, 200, 300, 1003: 광센서
210: 화소 기판
220: 메모리 기판
230: 연결 수단
310: 센싱부
320: 메모리부
330: 데이터 처리부
1000: 영상 처리 장치
1001: 렌즈
1005: 표시부
DTI: 깊은 소자분리부
MR: 단위 메모리 영역
STI: 얕은 소자분리막
UP: 단위 화소 영역
Claims (20)
- 복수의 단위 화소 영역들을 포함하는 제 1 기판;
상기 제 1 기판 내에 배치되며 각 단위 화소 영역들을 분리하는 깊은 소자분리부;
상기 단위 화소 영역들의 각각에서 상기 제 1 기판 내에 형성된 광전변환부;
상기 제 1 기판 상에 배치되는 마이크로 렌즈; 및
상기 각 단위 화소 영역에서 상기 마이크로 렌즈와 상기 광전변환부 사이에 배치되는 광 스플리터(spliter)를 포함하는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 스플리터는 상기 마이크로 렌즈로부터 빛이 집중되는 부분에 배치되는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 스플리터는 상기 제 1 기판과 서로 다른 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 스플리터는 상기 제 1 기판 내부에 배치되며, 상기 광 스플리터의 측벽은 경사진 광센서. - 제 4 항에 있어서,
상기 광 스플리터는 실리콘 보다 낮은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 스플리터는 상기 제 1 기판의 표면으로부터 돌출된 상기 제 1 기판의 일부분이며,
상기 광 스플리터의 측면과 상기 깊은 소자분리부 사이에 개재되는 굴절률 차이부를 더 포함하는 광센서. - 제 6 항에 있어서,
상기 굴절률 차이부는 실리콘 보다 낮은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 기판과 상기 마이크로 렌즈 사이에 배치되는 반사방지막; 및
상기 반사방지막과 상기 마이크로 렌즈 사이에 배치되는 평탄화층을 더 포함하되,
상기 광 스플리터는 상기 반사방지막과 상기 평탄화층 사이에 개재되는 광센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 광 스플리터는 실리콘 보다 높은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 광센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 광 스플리터는 상기 제 1 기판 쪽으로 돌출된 상기 평탄화층의 일부분이며,
상기 광 스플리터의 측면과 접하며 상기 평탄화층과 상기 반사방지막 사이에 개재된 굴절률 차이부를 더 포함하는 광센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 굴절률 차이부는 실리콘 보다 높은 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 스플리터에 인접한 상기 제 1 기판의 일부분과 상기 깊은 소자분리부의 측벽에 인접한 상기 제 1 기판의 일부분 중 적어도 한 곳에 배치되는 불순물 주입 영역을 더 포함하는 광센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 불순물 주입 영역에는 게르마늄(Ge), 황(S), 셀레늄(Ce), 텔루륨(Te), 납(Pb), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 니켈(Ni) 중 선택되는 적어도 하나의 불순물이 도핑되는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 스플리터에 인접한 상기 제 1 기판의 일부분과 상기 깊은 소자분리부의 측벽에 인접한 상기 제 1 기판의 일부분 중 적어도 한 곳에 배치되는 비정질 영역을 더 포함하는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 스플리터에 인접한 상기 제 1 기판의 표면과 상기 깊은 소자분리부의 측벽 중 적어도 한 곳과 접하는 비정질층을 더 포함하는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 깊은 소자분리부 내에 배치되는 금속막을 더 포함하는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 기판에 전기적으로 연결되며 각각의 상기 단위 화소 영역들에서 생성된 데이터를 저장하는 단위 메모리 영역들을 포함하는 제 2 기판을 더 포함하는 광센서. - 제 17 항에 있어서,
상기 각각의 단위 메모리 영역은 커패시터를 포함하는 광센서. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판을 연결하는 연결 수단들을 더 포함하며,
각각의 연결 수단은 1 내지 64개의 단위 화소 영역들과 전기적으로 연결되는 광센서. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 2 기판은 상기 단위 메모리 영역들을 포함하는 메모리부와, 상기 메모리부에 저장된 전기적 신호를 처리하는 데이터 처리부를 더 포함하되,
상기 메모리부는 상기 모든 단위 화소 영역들의 데이터를 동시에 저장하고,
상기 데이터 처리부는 상기 메모리부에 저장된 데이터를 순차적으로 읽는 광센서.
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