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KR-20260060593-A - IMAGE SENSOR AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME

KR20260060593AKR 20260060593 AKR20260060593 AKR 20260060593AKR-20260060593-A

Abstract

성능이 향상된 이미지 센서 및 그 제조 방법이 제공된다. 이미지 센서는, 제1　영역 및 제1 영역 주변의 제2　영역을 포함하고,　서로 반대되는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 기판, 기판 내의 광전 변환층들을 포함하는 복수의 단위 픽셀 영역들,　제1　영역에서, 기판의 제1 면 상에 배열되는 그리드 패턴들,　제1 영역에서, 기판의 제1 면 상에, 그리드 패턴들 사이에 배치되는 제1 금속층, 제2 영역에서, 기판의 제1 면 상에, 그리드 패턴들과 이격 배치되는 금속 구조체, 및 그리드 패턴들과 제1 금속층 상에 배치되는 컬러 필터를 포함한다.

Inventors

  • 곽지현
  • 김진영
  • 김하늘
  • 이창규

Assignees

  • 삼성전자주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (20)

  1. 제1 영역 및 상기 제1 영역 주변의 제2 영역을 포함하고, 서로 반대되는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 기판; 상기 기판 내의 광전 변환층들을 포함하는 복수의 단위 픽셀 영역들; 상기 제1 영역에서, 상기 기판의 제1 면 상에 배열되는 그리드 패턴들; 상기 제1 영역에서, 상기 기판의 제1 면 상에, 상기 그리드 패턴들 사이에 배치되는 제1 금속층; 상기 제2 영역에서, 상기 기판의 제1 면 상에, 상기 그리드 패턴들과 이격 배치되는 금속 구조체; 및 상기 그리드 패턴들과 상기 제1 금속층 상에 배치되는 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1 금속층의 상면은, 상기 컬러 필터와 접촉하되 상기 그리드 패턴들과 비접촉하는 이미지 센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 기판의 제1 면 상에, 표면 절연막을 더 포함하고, 상기 금속 구조체는, 상기 표면 절연막 상의 배리어층, 상기 배리어층 상의 제2 금속층 및 상기 배리어층과 상기 제2 금속층을 둘러싸는 제3 금속층을 포함하는 이미지 센서.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제2 영역에서, 상기 그리드 패턴들과 이격되고 상기 금속 구조체 상에 배치되는 유전체 물질층을 더 포함하고, 상기 유전체 물질층은 상기 그리드 패턴들과 동일한 물질을 포함하는 이미지 센서.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 그리드 패턴들은 상기 기판의 제1 면 상에 이격 배치된 제1 및 제2 그리드 패턴을 포함하고, 상기 제1 금속층의 일 단부는 상기 제1 그리드 패턴과 접촉하고, 상기 제1 금속층의 타 단부는 상기 제2 그리드 패턴과 이격 배치되는 이미지 센서.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제1 금속층의 일 단부는 상기 제1 및 제2 그리드 패턴 중 적어도 하나의 내부로 만입되지 않는 이미지 센서.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 제1 금속층의 일 단부는 상기 제1 그리드 패턴의 하면의 폭보다 작은 제1 길이만큼 상기 제1 그리드 패턴의 내부로 만입되는 이미지 센서.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 제1 금속층의 일 단부는 상기 제1 그리드 패턴의 하면의 폭에 해당하는 제2 길이만큼 상기 제1 그리드 패턴의 내부로 만입되는 이미지 센서.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 그리드 패턴들과 상기 기판의 제1 면 사이에, 금속막을 더 포함하는 이미지 센서.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 그리드 패턴들 중 적어도 하나는 내부에 에어 갭을 포함하는 이미지 센서.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 에어 갭의 최대 폭은, 상기 에어 갭의 하부 폭보다 크고 그리드 패턴들 중 어느 하나의 상면의 폭보다 작은 이미지 센서.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 단위 픽셀 영역들 각각은 하나의 광전 변환층을 포함하는 이미지 센서.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 단위 픽셀 영역들 각각은 복수 개의 광전 변환층들을 포함하는 이미지 센서.
  14. 수광 영역 및 차광 영역을 포함하고, 서로 교차하는 제1 및 제2 방향으로 연장되는 기판; 상기 제1 및 제2 방향으로 배열되는 광전 변환층들을 포함하는 복수의 단위 픽셀 영역들; 상기 수광 영역에서, 상기 복수의 단위 픽셀 영역들 중 상기 제1 방향으로 서로 인접한 일부 단위 픽셀 영역들 상에 연장되는 제1 금속 패턴; 및 상기 수광 영역에서, 상기 제1 금속 패턴의 상면을 노출시키는 그리드 패턴들을 포함하는 이미지 센서.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 광전 변환층들 사이에, 상기 기판 내로 연장되는 분리 패턴을 더 포함하고, 평면적 관점에서, 상기 제1 금속 패턴은 상기 제1 방향으로 상기 분리 패턴 상에 더 연장되는 이미지 센서.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 복수의 단위 픽셀 영역은, 상기 제1 방향으로 서로 인접한 제1 및 제2 단위 픽셀 영역과, 상기 제1 및 제2 단위 픽셀 영역 각각과 상기 제2 방향으로 이격되고 상기 제1 방향으로 서로 인접한 제3 및 제4 단위 픽셀 영역을 포함하고, 상기 제1 금속 패턴은, 상기 제1 및 제2 단위 픽셀 영역 상에 연장되되 상기 제3 및 제4 단위 픽셀 영역 상에 연장되지 않는 이미지 센서.
  17. 제 14항에 있어서, 상기 차광 영역에서, 상기 그리드 패턴들과 이격 배치되는 제2 금속 패턴; 및 상기 제2 금속 패턴의 측벽 상의 유전체 물질층을 더 포함하는 이미지 센서.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 제2 금속 패턴은, 배리어층, 상기 배리어층 상의 제2 금속층 및 상기 배리어층과 상기 제2 금속층을 둘러싸는 제3 금속층을 포함하고, 상기 배리어층 및 상기 제3 금속층 각각은 Ti 및 TiN 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 유전체 물질층은 상기 그리드 패턴들과 동일한 물질을 포함하는 이미지 센서.
  19. 제 14항에 있어서, 상기 복수의 단위 픽셀 영역들은 동일한 컬러 필터 상에 배치되고, 상기 복수의 단위 픽셀 영역들은, 상기 제2 방향으로 서로 인접하고 제1 마이크로 렌즈를 공유하는 제1 및 제2 단위 픽셀 영역과, 상기 제2 방향으로 서로 인접하고 제2 마이크로 렌즈를 공유하는 제3 및 제4 단위 픽셀 영역을 포함하는 이미지 센서.
  20. 제1 영역 및 상기 제1 영역 주변의 제2 영역을 포함하고, 서로 반대되는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 기판; 상기 기판 내의 광전 변환층들을 포함하는 복수의 단위 픽셀 영역들; 상기 기판의 제1 면 상에 배치되는 표면 절연막; 상기 제1 영역에서, 상기 표면 절연막 상에, 서로 이격 배치되는 제1 및 제2 그리드 패턴을 포함하는 그리드 패턴들; 상기 제1 영역에서, 상기 표면 절연막 상에, 상기 제1 및 제2 그리드 패턴 사이에 배치되는 제1 금속층; 상기 제2 영역에서, 상기 표면 절연막 상에, 상기 제1 및 제2 그리드 패턴 각각과 이격 배치되는 금속 구조체; 상기 제2 영역에서, 상기 금속 구조체 상에 배치되는 유전체 물질층; 및 상기 그리드 패턴들과 상기 제1 금속층 상에 배치되는 컬러 필터를 포함하되, 상기 제1 영역에서, 상기 제1 금속층의 일 단부는 상기 제1 그리드 패턴과 접촉하고, 상기 제1 금속층의 타 단부는 상기 제2 그리드 패턴과 이격되는 이미지 센서.

Description

이미지 센서 및 그 제조 방법{IMAGE SENSOR AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME} 본 발명은 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이미지 센서(image sensor)는 광학 정보를 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자 중 하나이다. 이러한 이미지 센서는 전하 결합형(CCD; Charge Coupled Device) 이미지 센서와 씨모스형(CMOS; Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 이미지 센서를 포함할 수 있다. 이미지 센서는 패키지(package) 형태로 구성될 수 있는데, 이 때 패키지는 이미지 센서를 보호하는 동시에, 이미지 센서의 수광면(photo receiving surface) 또는 센싱 영역(sensing area)에 광이 입사될 수 있는 구조로 구성될 수 있다. 도 1은 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 예시적인 블록도이다. 도 2는 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 설명하기 위한 예시적인 회로도이다. 도 3은 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 예시적인 레이아웃도이다. 도 4는 도 3의 수광 영역의 일부를 도시하는 레이아웃도이다. 도 5는 도 4의 A-A를 따라서 절단한 단면도 및 도 3의 차광 영역을 설명하기 위한 단면도이다. 도 6 내지 도 8은 도 5의 R1 영역을 설명하기 위한 다양한 확대도들이다. 도 9 및 도 10은 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도들이다. 도 11은 도 10의 R2 영역을 설명하기 위한 확대도이다. 도 12는 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 레이아웃도이다. 도 13은 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 레이아웃도이다. 도 14는 도 13의 B-B를 따라서 절단한 단면도이다. 도 15 내지 도 22는 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 레이아웃도들이다. 도 23 및 도 24는 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서의 개념적인 레이아웃을 도시한 도면들이다. 도 25 내지 도 29는 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 중간 단계 도면들이다. 도 30 내지 도 33은 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 중간 단계 도면들이다. 도 34 내지 도 36은 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 중간 단계 도면들이다. 이하에서, 도 1 내지 도 24를 참조하여, 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서를 설명한다. 도 1은 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 예시적인 블록도이다. 도 1을 참조하면, 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서는 액티브 픽셀 센서 어레이(10; APS, active pixel sensor array), 행 디코더(20; Row Decoder), 행 드라이버(30; Row Driver), 열 디코더(40; Column Cecoder), 타이밍 발생기(50; Timing Generator), 상관 이중 샘플러(60; CDS, correlated double sampler), 아날로그 디지털 컨버터(70; ADS, analog to digital converter) 및 입출력 버퍼(80; I/O Buffer)를 포함한다. 액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 2차원적으로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 행 드라이버(30)로부터 픽셀 선택 신호, 리셋 신호 및 전하 전송 신호와 같은 복수의 구동 신호들에 의해 구동될 수 있다. 또한, 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에 의해 변환된 전기적 신호는 상관 이중 샘플러(60)에 제공될 수 있다. 행 드라이버(30)는 행 디코더(20)에서 디코딩된 결과에 따라 복수의 단위 픽셀들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호들을 액티브 픽셀 센서 어레이(10)로 제공할 수 있다. 단위 픽셀들이 행렬(matrix) 형태로 배열된 경우에는 각 행별로 구동 신호들이 제공될 수 있다. 타이밍 발생기(50)는 행 디코더(20) 및 열 디코더(40)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공할 수 있다. 상관 이중 샘플러(CDS; 60)는 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에서 생성된 전기적 신호를 수신하여 유지(hold) 및 샘플링(sampling)할 수 있다. 상관 이중 샘플러(60)는 특정한 잡음 레벨(noise level)과 전기적 신호에 의한 신호 레벨을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력할 수 있다. 아날로그 디지털 컨버터(ADC; 70)는 상관 이중 샘플러(60)에서 출력된 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 입출력 버퍼(80)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 열 디코더(40)에서의 디코딩 결과에 따라 순차적으로 영상 신호 처리부(미도시)로 디지털 신호를 출력할 수 있다. 도 2는 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 설명하기 위한 예시적인 회로도이다. 도 2를 참조하면, 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위 픽셀(PX)들을 포함한다. 복수의 단위 픽셀(PX)들은 2차원적으로(예컨대, 행렬 형태로) 배열될 수 있다. 각각의 단위 픽셀(PX)들은 광전 변환층(PD), 전송 트랜지스터(TX), 부유 확산 영역(FD; Floating Diffusion region), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다. 광전 변환층(PD)은 외부로부터 입사되는 광의 양에 비례하여 전하를 생성할 수 있다. 광전 변환층(PD)은 생성되어 축적된 전하를 부유 확산 영역(FD)으로 전송하는 전송 트랜지스터(TX)와 커플링될 수 있다. 부유 확산 영역(FD)은 전하를 전압으로 전환하는 영역으로, 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에 전하가 누적적으로 저장될 수 있다. 전송 트랜지스터(TX)의 일단은 광전 변환층(PD)과 연결되고, 전송 트랜지스터(TX)의 타단은 부유 확산 영역(FD)과 연결될 수 있다. 전송 트랜지스터(TX)는 소정의 바이어스(예컨대, 전송 신호(TS))에 의해 구동되는 트랜지스터로 형성될 수 있다. 즉, 전송 트랜지스터(TX)는 광전 변환 소자(PD)로부터 생성된 전하를 전송 신호(TS)에 따라 부유 확산 영역(FD)으로 전송할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(DX)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier)로 제공될 수 있다. 드라이브 트랜지스터(DX)는 광전 변환층(PD)으로부터 전하를 전달받은 부유 확산 영역(FD)의 전기적 포텐셜의 변화를 증폭하고 이를 출력 라인(VOUT)으로 출력할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(DX)가 턴온(turn-on)되면, 드라이브 트랜지스터(DX)의 드레인에 제공되는 픽셀 전원 전압(VPX)이 선택 트랜지스터(SX)의 드레인 영역으로 전달될 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 읽어낼 단위 픽셀(PX)을 선택할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)는 소정의 바이어스(예컨대, 행 선택 신호(SS))를 인가하는 선택 라인에 의해 구동되는 트랜지스터로 이루어질 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)는 부유 확산 영역(FD)을 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)는 소정의 바이어스(예컨대, 리셋 신호(RS))를 인가하는 리셋 라인에 의해 구동되는 트랜지스터로 이루어질 수 있다. 리셋 신호(RS)에 의해 리셋 트랜지스터(RX)가 턴온되면, 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인에 제공되는 소정의 전기적 포텐셜, 예컨대 픽셀 전원 전압(VPX)이 부유 확산 영역(FD)으로 전달되어 부유 확산 영역(FD)이 리셋될 수 있다. 도 3은 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 예시적인 레이아웃도이다. 도 3을 참조하면, 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서는 센서 어레이 영역(SAR), 연결 영역(CR) 및 패드 영역(PR)을 포함할 수 있다. 센서 어레이 영역(SAR)은 도 1의 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에 대응되는 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 어레이 영역(SAR) 내에는 2차원적으로(예를 들어, 행렬 형태로) 배열되는 복수의 단위 픽셀들이 형성될 수 있다. 센서 어레이 영역(SAR)은 수광 영역(APS) 및 차광 영역(OB)을 포함할 수 있다. 수광 영역(APS)에는 광을 제공받아 액티브(active) 신호를 생성하는 액티브 픽셀들이 배열될 수 있다. 차광 영역(OB)에는 광이 차단되어 옵티컬 블랙(optical black) 신호를 생성하는 옵티컬 블랙 픽셀들이 배열될 수 있다. 차광 영역(OB)은 예를 들어, 수광 영역(APS)의 주변을 따라 형성될 수 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐이다. 몇몇 실시예에서, 차광 영역(OB)에 인접하는 수광 영역(APS)에 더미 픽셀들(미도시)이 형성될 수도 있다. 연결 영역(CR)은 센서 어레이 영역(SAR)의 주변에 형성될 수 있다. 연결 영역(CR)은 센서 어레이 영역(SAR)의 일측에 형성될 수 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐이다. 연결 영역(CR)에는 배선들이 형성되어, 센서 어레이 영역(SAR)의 전기적 신호를 송수신하도록 구성될 수 있다. 패드 영역(PR)은 센서 어레이 영역(SAR)의 주변에 형성될 수 있다. 패드 영역(PR)은 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서의 가장자리에 인접하여 형성될 수 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐이다. 패드 영역(PR)은 외부 장치 등과 접속되어, 몇몇 실시예에 따른 이미지 센서와 외부 장치 간의 전기적 신호를 송수신하도록 구성될 수 있다. 도 3에서, 연결 영역(CR)은 센서 어레이 영역(SAR)과 패드 영역(PR) 사이에 개재되는 것으로 도시되었으나, 예시적인 것일 뿐이다. 센서 어레이 영역(SAR), 연결 영역(CR) 및 패드 영역(PR)의 배치는 필요에 따라 다양할 수 있음은 물론이다. 도 4는 도 3의 수광 영역의 일부를 도시하는 레이아웃도이다. 도 5는 도 4의 A-A를 따라서 절단한 단면도 및 도 3의 차광 영역을 설명하기 위한 단면도이다. 도 6 내지 도 8은 도 5의 R1 영역을 설명하기 위한 다양한 확대도들