JP-2026077604-A - イメージセンサ

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Abstract

【課題】性能が向上したイメージセンサを提供する。【解決手段】本発明によるイメージセンサは、第１領域及び第１領域の周囲の第２領域を含み、互いに対向する第１面及び第２面を含む基板と、基板内の光電変換層を含む複数の単位ピクセル領域と、第１領域において、基板の第１面上に配列されるグリッドパターンと、第１領域において、基板の第１面上に、グリッドパターンの間に配置される第１金属層と、第２領域において、基板の第１面上に、グリッドパターンと離隔して配置される金属構造体と、グリッドパターンと第１金属層上に配置されるカラーフィルタと、を有する。【選択図】図５

Inventors

郭知鉉
金振泳
金ハヌル
李昌圭

Assignees

三星電子株式会社

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20251021
Priority Date: 20241025

Claims (20)

第１領域及び前記第１領域の周囲の第２領域を含み、互いに対向する第１面及び第２面を含む基板と、前記基板内の光電変換層を含む複数の単位ピクセル領域と、前記第１領域において、前記基板の第１面上に配列されるグリッドパターンと、前記第１領域において、前記基板の第１面上に、前記グリッドパターンの間に配置される第１金属層と、前記第２領域において、前記基板の第１面上に、前記グリッドパターンと離隔して配置される金属構造体と、前記グリッドパターンと前記第１金属層上に配置されるカラーフィルタと、を有することを特徴とするイメージセンサ。
前記第１金属層の上面は、前記カラーフィルタと接触し、前記グリッドパターンと非接触であることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
前記基板の第１面上に、表面絶縁膜をさらに有し、前記金属構造体は、前記表面絶縁膜上のバリア層と、前記バリア層上の第２金属層と、前記バリア層と前記第２金属層を囲む第３金属層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
前記第２領域において、前記グリッドパターンと離隔され、前記金属構造体上に配置される誘電体物質層をさらに有し、前記誘電体物質層は、前記グリッドパターンと同一の物質を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
前記グリッドパターンは、前記基板の第１面上に離隔して配置される第１グリッドパターン及び第２グリッドパターンを含み、前記第１金属層の一端部は、前記第１グリッドパターンと接触し、前記第１金属層の他端部は、前記第２グリッドパターンと離隔して配置されることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
前記第１金属層の一端部は、前記第１及び第２グリッドパターンの少なくとも一方の内部に入り込んでいないことを特徴とする請求項５に記載のイメージセンサ。
前記第１金属層の一端部は、前記第１グリッドパターンの下面の幅より小さい第１長さだけ前記第１グリッドパターンの内部に入り込んでいることを特徴とする請求項５に記載のイメージセンサ。
前記第１金属層の一端部は、前記第１グリッドパターンの下面の幅に相当する第２長さだけ前記第１グリッドパターンの内部に入り込んでいることを特徴とする請求項５に記載のイメージセンサ。
前記グリッドパターンと前記基板の第１面との間に、金属膜をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
前記グリッドパターンの少なくとも一つは、内部にエアギャップを含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
前記エアギャップの最大幅は、前記エアギャップの下部幅より大きく、グリッドパターンのいずれかの上面の幅より小さいことを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサ。
前記複数の単位ピクセル領域のそれぞれは、一つの光電変換層を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
前記複数の単位ピクセル領域のそれぞれは、複数の光電変換層を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
受光領域及び遮光領域を含み、互いに交差する第１及び第２方向に延長される基板と、前記第１及び第２方向に配列される光電変換層を含む複数の単位ピクセル領域と、前記受光領域において、前記複数の単位ピクセル領域の内の前記第１方向に互いに隣接する一部の単位ピクセル領域上に延長される第１金属パターンと、前記受光領域において、前記第１金属パターンの上面を露出させるグリッドパターンと、を有することを特徴とするイメージセンサ。
前記光電変換層の間に、前記基板内に延長される分離パターンをさらに有し、平面視において、前記第１金属パターンは、前記第１方向に、前記分離パターン上にさらに延長されることを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサ。
前記複数の単位ピクセル領域は、前記第１方向に互いに隣接する第１単位ピクセル領域及び第２単位ピクセル領域と、前記第１及び第２単位ピクセル領域のそれぞれと前記第２方向に離隔され、前記第１方向に互いに隣接する第３単位ピクセル領域及び第４単位ピクセル領域を含み、前記第１金属パターンは、前記第１及び第２単位ピクセル領域上に延長され、前記第３及び第４単位ピクセル領域上に延長されないことを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサ。
前記遮光領域において、前記グリッドパターンと離隔して配置される第２金属パターンと、前記第２金属パターンの側壁上の誘電体物質層と、をさらに有することを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサ。
前記第２金属パターンは、バリア層と、前記バリア層上の第２金属層と、前記バリア層と前記第２金属層を囲む第３金属層と、を含み、前記バリア層及び前記第３金属層のそれぞれは、Ｔｉ及びＴｉＮの少なくとも一つを含み、前記誘電体物質層は、前記グリッドパターンと同一の物質を含むことを特徴とする請求項１７に記載のイメージセンサ。
前記複数の単位ピクセル領域は、同一のカラーフィルタ上に配置され、前記複数の単位ピクセル領域は、前記第２方向に互いに隣接し、第１マイクロレンズを共有する第１単位ピクセル領域及び第２単位ピクセル領域と、前記第２方向に互いに隣接し、第２マイクロレンズを共有する第３単位ピクセル領域及び第４単位ピクセル領域と、を含むことを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサ。
第１領域及び前記第１領域の周囲の第２領域を含み、互いに対向する第１面及び第２面を含む基板と、前記基板内の光電変換層を含む複数の単位ピクセル領域と、前記基板の第１面上に配置される表面絶縁膜と、前記第１領域において、前記表面絶縁膜上に、互いに離隔して配置される第１グリッドパターン及び第２グリッドパターンを含むグリッドパターンと、前記第１領域において、前記表面絶縁膜上に、前記第１グリッドパターンと第２グリッドパターンとの間に配置される第１金属層と、前記第２領域において、前記表面絶縁膜上に、前記第１及び第２グリッドパターンのそれぞれと離隔して配置される金属構造体と、前記第２領域において、前記金属構造体上に配置される誘電体物質層と、前記グリッドパターンと前記第１金属層上に配置されるカラーフィルタと、を有し、前記第１領域において、前記第１金属層の一端部は、前記第１グリッドパターンと接触し、前記第１金属層の他端部は、前記第２グリッドパターンと離隔されることを特徴とするイメージセンサ。

Description

本発明は、イメージセンサに関し、特に、性能が向上したイメージセンサに関する。イメージセンサ（ｉｍａｇｅｓｅｎｓｏｒ）は、光学情報を電気信号に変換させる半導体素子の一つである。このようなイメージセンサには、電荷結合型（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）イメージセンサとＣＭＯＳ型（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌ－ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサが含まれる。イメージセンサは、パッケージ（ｐａｃｋａｇｅ）形態で構成される。この場合、パッケージは、イメージセンサを保護するとともに、イメージセンサの受光面（ｐｈｏｔｏｒｅｃｅｉｖｉｎｇｓｕｒｆａｃｅ）又はセンシング領域（ｓｅｎｓｉｎｇａｒｅａ）に光が入射することができる構造で構成される。そして、イメージセンサは、性能の向上が日々の課題となっている。本発明の実施形態によるイメージセンサの概略構成を示すブロック図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの単位ピクセルを説明するための例示的な回路図である。本発明の実施形態によるイメージセンサを説明するための例示的なレイアウト図である。図３の受光領域の一部を示すレイアウト図である。図４のＡ－Ａ線に沿って切断した断面図及び図３の遮光領域を説明するための断面図である。図５のＲ１領域を説明するための多様な拡大図である。図５のＲ１領域を説明するための多様な拡大図である。図５のＲ１領域を説明するための多様な拡大図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの概略構成を示す断面図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの概略構成を示す断面図である。図１０のＲ２領域を説明するための拡大図である。本発明の実施形態によるイメージセンサを説明するためのレイアウト図である。本発明の実施形態によるイメージセンサを説明するためのレイアウト図である。図１３のＢ－Ｂ線に沿って切断した断面図である。本発明の実施形態によるイメージセンサを説明するためのレイアウト図である。本発明の実施形態によるイメージセンサを説明するためのレイアウト図である。本発明の実施形態によるイメージセンサを説明するためのレイアウト図である。本発明の実施形態によるイメージセンサを説明するためのレイアウト図である。本発明の実施形態によるイメージセンサを説明するためのレイアウト図である。本発明の実施形態によるイメージセンサを説明するためのレイアウト図である。本発明の実施形態によるイメージセンサを説明するためのレイアウト図である。本発明の実施形態によるイメージセンサを説明するためのレイアウト図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの概念的なレイアウトを示す斜視図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの概念的なレイアウトを示す斜視図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの製造方法を説明するための中間段階断面図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの製造方法を説明するための中間段階断面図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの製造方法を説明するための中間段階断面図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの製造方法を説明するための中間段階断面図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの製造方法を説明するための中間段階断面図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの製造方法を説明するための中間段階断面図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの製造方法を説明するための中間段階断面図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの製造方法を説明するための中間段階断面図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの製造方法を説明するための中間段階断面図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの製造方法を説明するための中間段階断面図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの製造方法を説明するための中間段階断面図である。本発明の実施形態によるイメージセンサの製造方法を説明するための中間段階断面図である。次に、本発明に係るイメージセンサを実施するための形態の具体例を図面を参照しながら説明する。以下では、図１～図２４を参照して、本発明の実施形態によるイメージセンサについて説明する。図１は、本発明の実施形態によるイメージセンサの概略構成を示すブロック図である。図１を参照すると、本発明の実施形態によるイメージセンサは、アクティブピクセルセンサアレイ（ａｃｔｉｖｅｐｉｘｅｌｓｅｎｓｏｒａｒｒａｙ：ＡＰＳ）１０、行デコーダ（ＲｏｗＤｅｃｏｄｅｒ）２０、行ドライバ（ＲｏｗＤｒｉｖｅｒ）３０、列デコーダ（ＣｏｌｕｍｎＤｅｃｏｄｅｒ）４０、タイミング発生器（ＴｉｍｉｎｇＧｅｎｅｒａｔｏｒ）５０、相関二重サンプラ（ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｄｏｕｂｌｅｓａｍｐｌｅｒ：ＣＤＳ）６０、アナログデジタルコンバータ（ａｎａｌｏｇｔｏｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＡＤＳ）７０、及び入出力バッファ（Ｉ／ＯＢｕｆｆｅｒ）８０を含む。アクティブピクセルセンサアレイ１０は、２次元的に配列された複数の単位ピクセルを含み、光信号を電気的信号に変換する。アクティブピクセルセンサアレイ１０は、行ドライバ３０からピクセル選択信号、リセット信号、及び電荷転送信号のような複数の駆動信号によって駆動される。また、アクティブピクセルセンサアレイ１０により変換された電気的信号は、相関二重サンプラ６０に供給される。行ドライバ３０は、行デコーダ２０でデコードされた結果に基づいて、複数の単位ピクセルを駆動するための多数の駆動信号をアクティブピクセルセンサアレイ１０に供給する。単位ピクセルがマトリクス（ｍａｔｒｉｘ）状に配列された場合、各行ごとに駆動信号が供給される。タイミング発生器５０は、行デコーダ２０及び列デコーダ４０にタイミング（ｔｉｍｉｎｇ）信号及び制御信号を供給する。相関二重サンプラ（ＣＤＳ）６０は、アクティブピクセルセンサアレイ１０で生成された電気的信号を受信してホールド（ｈｏｌｄ）及びサンプリング（ｓａｍｐｌｉｎｇ）する。相関二重サンプラ６０は、特定のノイズレベル（ｎｏｉｓｅｌｅｖｅｌ）と電気的信号による信号レベルを二重にサンプリングし、ノイズレベルと信号レベルの差に相当する差レベルを出力する。アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）７０は、相関二重サンプラ６０で出力された差レベルに相当するアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。入出力バッファ８０は、デジタル信号をラッチ（ｌａｔｃｈ）し、ラッチされた信号は、列デコーダ４０でのデコード結果に基づいて、順次、映像信号処理部（図示せず）にデジタル信号を出力する。図２は、本発明の実施形態によるイメージセンサの単位ピクセルを説明するための例示的な回路図である。図２を参照すると、本発明の実施形態によるイメージセンサは、複数の単位ピクセルＰＸを含む。複数の単位ピクセルＰＸは、２次元的に（例えば、行列形状に）配列される。それぞれの単位ピクセルＰＸは、光電変換層ＰＤ、転送トランジスタＴＸ、浮遊拡散領域（ＦｌｏａｔｉｎｇＤｉｆｆｕｓｉｏｎｒｅｇｉｏｎ：ＦＤ）、リセットトランジスタＲＸ、駆動トランジスタＤＸ、及び選択トランジスタＳＸを含む。光電変換層ＰＤは、外部から入射される光の量に比例して電荷を生成する。光電変換層ＰＤは、生成され蓄積された電荷を浮遊拡散領域ＦＤに転送する転送トランジスタＴＸとカップリングされる。浮遊拡散領域ＦＤは、電荷を電圧に転換する領域であり、寄生キャパシタンスを有しているため、電荷が累積して蓄積される。転送トランジスタＴＸの一端は、光電変換層ＰＤと接続され、転送トランジスタＴＸの他端は、浮遊拡散領域ＦＤと接続される。転送トランジスタＴＸは、所定のバイアス（例えば、転送信号ＴＳ）により駆動されるトランジスタとして形成される。すなわち、転送トランジスタＴＸは、光電変換素子ＰＤから生成された電荷を転送信号ＴＳに応じて浮遊拡散領域ＦＤに転送する。駆動トランジスタＤＸは、ソースフォロワバッファアンプ（ｓｏｕｒｃｅｆｏｌｌｏｗｅｒｂｕｆｆｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ）として提供される。駆動トランジスタＤＸは、光電変換層ＰＤから電荷の伝達を受けた浮遊拡散領域ＦＤの電気的ポテンシャルの変化を増幅し、これを出力ラインＶＯＵＴに出力する。駆動トランジスタＤＸがターンオン（ｔｕｒｎ－ｏｎ）されると、駆動トランジスタＤＸのドレインに供給されるピクセル電源電圧ＶＰＸが選択トランジスタＳＸのドレイン領域に伝達される。選択トランジスタＳＸは、行単位で読み出す単位ピクセルＰＸを選択する。選択トランジスタＳＸは、所定のバイアス（例えば、行選択信号ＳＳ）を印加する選択ラインによって駆動されるトランジスタで構成される。リセットトランジスタＲＸは、浮遊拡散領域ＦＤを周期的にリセットする。リセットトランジスタＲＸは、所定のバイアス（例えば、リセット信号ＲＳ）を印加するリセットラインによって駆動されるトランジスタで構成される。リセット信号ＲＳによりリセットトランジスタＲＸがターンオンされると、リセットトランジスタＲＸのドレインに供給される所定の電気的ポテンシャル、例えば、ピクセル電源電圧ＶＰＸが浮遊拡散領域ＦＤに伝達され、浮遊拡散領域ＦＤがリセットされる。図３は、本発明の実施形態によるイメージセンサを説明するための例示的なレイアウト図である。図３を参照すると、本発明の実施形態によるイメージセンサは、センサアレイ領域ＳＡＲ、接続領域ＣＲ、及びパッド領域ＰＲを含む。センサアレイ領域ＳＡＲは、図１のアクティブピクセルセンサアレイ１０に対応する領域を含む。例えば、センサアレイ領域ＳＡＲ内には２次元的に（例えば、行列状に）配列される複数の単位ピクセルが形成される。センサアレイ領域ＳＡＲは、受光領域ＡＰＳ及び遮光領域ＯＢを含む。受光領域ＡＰＳには、光の供給を受けてアクティブ（ａｃｔｉｖｅ）信号を生成するアクティブピクセルが配列される。遮光領域ＯＢには、光が遮断され、オプティカルブラック（ｏｐｔｉｃａｌｂｌａｃｋ）信号を生成するオプティカルブラックピクセルが配列される。遮光領域ＯＢは、例えば、受光領域ＡＰＳの周辺に沿って形成されるが、これは例示にすぎない。一実施形態で、遮光領域ＯＢに隣接する受光領域ＡＰＳにダミーピクセル（図示せず）が形成されてもよい。接続領域ＣＲは、センサアレイ領域ＳＡＲの周辺に形成される。接続領域ＣＲは、センサアレイ領域ＳＡＲの一側に形成されるが、これは例示にすぎない。接続領域ＣＲには配線が形成され、センサアレイ領域ＳＡＲの電気的信号を送受信するように構成される。パッド領域ＰＲは、センサアレイ領域ＳＡＲの周辺に形成される。パッド領域ＰＲは、本発明の実施形態によるイメージセンサの縁に隣接して形成されるが、これは例示にすぎない。パッド領域ＰＲは、外部装置などと接続され、一実施形態によるイメージセンサと外部装置の間の電気的信号を送受信するように構成される。図３において、接続領域ＣＲは、センサアレイ領域ＳＡＲとパッド領域ＰＲの間に介在するものとして示しているが、これは例示に過ぎない。センサアレイ領域ＳＡＲ、接続領域ＣＲ、及びパッド領域ＰＲの配置は、必要に応じて多様であり得るのは言うまでもない。図４は、図３の受光領域の一部を示すレイアウト図であり、図５は、図４のＡ－Ａ線に沿って切断した断面図及び図３の遮光領域を説明するための断面図であり、図６～図８は、図５のＲ１領域を説明するため