JP2010147474A - イメージセンサ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 長波長光の感度およびクロストークを改善したイメージセンサ素子を提供する。
【解決手段】 イメージセンサ素子１１は、内部に光検出領域１１０を含む基板２０と、前記基板２０の第１表面ＦＳ側において前記光検出領域１１０の上方に形成された反射構造１００５と、前記反射構造１００５に隣接して前記基板２０の第１表面ＦＳ側に形成されて、前記反射構造１００５より低い反射率を有する内部配線構造１００１と、前記第１表面ＦＳの反対側の第２表面ＢＳ側に設けられたマイクロレンズ１８０およびカラーフィルタとを含み、前記反射構造１００５は、前記光検出領域１１０を通過した入射光の一部を反射して、前記光検出領域１１０に戻す。
【選択図】図９
【解決手段】 イメージセンサ素子１１は、内部に光検出領域１１０を含む基板２０と、前記基板２０の第１表面ＦＳ側において前記光検出領域１１０の上方に形成された反射構造１００５と、前記反射構造１００５に隣接して前記基板２０の第１表面ＦＳ側に形成されて、前記反射構造１００５より低い反射率を有する内部配線構造１００１と、前記第１表面ＦＳの反対側の第２表面ＢＳ側に設けられたマイクロレンズ１８０およびカラーフィルタとを含み、前記反射構造１００５は、前記光検出領域１１０を通過した入射光の一部を反射して、前記光検出領域１１０に戻す。
【選択図】図９
Description
本発明は、集積回路素子に関するものであり、より具体的にはイメージセンサに関するものである。
ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＭＯＳ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ、以下「ＣＩＳ」という）を用いて光学イメージ信号（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ｓｉｇｎａｌ）を電気信号に転換することができる。ＣＩＳは、電荷結合素子（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ、以下「ＣＣＤ」という）イメージセンサと比較して、さらに低い駆動電圧と少ない電力消費を提供することができる。ＣＩＳは、さらに高い集積度を可能にすることができ、これによって多様な分野で広く使用され得る。
ＣＩＳは基板内に形成されたフォトダイオードを含み得る。フォトダイオードは、入射光によって電子を蓄積することができる。また、ＣＩＳは基板上で内部に金属内部配線パターンを有する中間層を含むとともに、前記中間層上にマイクロレンズおよびカラーフィルタを含み得る。光は、基板の「前面（ｆｒｏｎｔ ｓｉｄｅ）」上のマイクロレンズおよび／またはカラーフィルタに入射され、中間層を通じてフォトダイオードに伝達され得る。このようなイメージセンサを「前面照射（ｆｒｏｎｔ−ｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ）」センサと称する。金属内部配線パターンは、フォトダイオード上の光入射に基づいて得られた電気信号を出力するように構成される。しかし、入射光は、金属内部配線パターンによる反射および／または中間層によって吸収され得る。そして、このような金属内部配線パターンによる光の反射や中間層による光の吸収は、ＣＩＳの検出感度（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）に否定的な影響を与え得る。特に、入射光が中間層によって吸収されるとき、ＣＩＳの光検出感度および／または量子効率が減少し得る。また、光が金属内部配線パターンによって反射するとき、反射された光を隣接するフォトダイオードが受光してしまい、これによってクロストークの問題を引き起こし得る。
したがって、このような全面照射センサの問題点を考慮して、イメージセンサは、マイクロレンズおよび／またはカラーフィルタを基板の下面（ｂｏｔｔｏｍ）、すなわち「背面（ｂａｃｋ ｓｉｄｅ）」上に提供し、入射光が基板の背面に入射されるようにするものへと発展している。このようなイメージセンサを「背面照射（ｂａｃｋｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ）」センサ（ＢＩＳ）と称する。背面照射ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、内部にフォトダイオードを含む基板と、内部に金属内部配線パターンを含む中間層とは支持ウェハに接合されるか、または接着されてもよい。また、フォトダイオードを含む基板は、中間層から見て、支持ウェハが設けられる面の反対の側に配置され得る。全体構造を上下逆になるように回転させるとともに（あるいは「覆して（ｆｌｉｐｐｅｄ）」）、フォトダイオードを含む基板を薄膜化することもできる。これによって、カラーフィルタおよびマイクロレンズは、支持ウェハの反対側の基板下面、すなわち背面上に提供されることができ、フォトダイオードがカラーフィルタおよびマイクロレンズに隣接することができる。しかし、光子束（ｐｈｏｔｏｎ ｆｌｕｘ）は、入射光の波長とフォトダイオードの深さの双方に依存するため、相対的に長波長を有する光は相対的に浅い深さを有するフォトダイオードを貫通して通過してしまう場合がある。例えば、約５μｍ以下の深さを有するフォトダイオードの場合、さらに長波長の光によって提供される電子は前記フォトダイオードのポテンシャル井戸（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｗｅｌｌ）内に蓄積されないこともある。結果的にＣＩＳの量子効率が劣化し得る。
本発明が解決しようとする課題は、長波長光の感度およびクロストークが改善されたイメージセンサ素子を提供するものである。
本発明の課題は、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は、次の記載から当業者に明確に理解できる。
前記課題を解決するための本発明の一実施形態によるイメージセンサ素子は、内部に光検出領域を含む基板と、前記光検出領域の上部の前記基板の第１表面上の反射構造と、前記反射構造に隣接して、前記基板の第１表面上に形成され、前記反射構造より低い反射率を有する内部配線構造と、前記第１表面の反対側の第２表面上のマイクロレンズおよびカラーフィルタとを含み、前記反射構造は、前記光検出領域を通過した入射光の一部を反射して前記光検出領域に戻すものである。
その他実施形態の具体的な内容は詳細な説明および図に含まれている。
前述したように本発明によるイメージセンサ素子によれば、長波長光の感度およびクロストークが改善される。
本発明の利点、特徴、およびそれらを達成する方法は、添付される図面と共に詳細に後述される実施形態を参照すると明確になる。しかし、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現されることが可能である。本実施形態は、単に本発明の開示が完全になるように、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に対して発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範疇によってのみ定義される。図面において層および領域のサイズおよび相対的なサイズは説明の明瞭性のために誇張されたものであり得る。
要素（ｅｌｅｍｅｎｔｓ）または層が、異なる要素または層の「上」にあるという表現は、他の要素あるいは層上に直接的に存在する場合のみならず、中間に他の層または他の要素を介在する場合をすべて含む。「および／または」という表現は、言及された事項の各々および一つ以上のすべての組合せを含む。
空間的に相対的な用語である「上」および「下」、「上方」および「下方」、「上部」および「下部」などの用語は、図面に示されているように、一つの素子または構成要素と異なる素子または構成要素との相関関係を容易に記述するために使用される場合がある。したがって、これらの空間的に相対的な用語は、図面に示されている方向のみならず、使用時または動作時における素子の互いに異なる方向を含む用語として理解されなければならない。明細書全体において、同一の参照符号は同一の構成要素を指す。
本明細書で記述する実施形態は、本発明の理想的な実施形態の概略的な断面図を参照して説明する。したがって、製造技術または許容誤差などによって、例示図の形態は変形されてもよい。したがって、本発明の実施形態は、図示された特定形態に制限されるものではなく、製造工程によって生成される形態の変化も含むものである。また、図面に例示された領域は概略的な属性を有し、図面に例示された領域の形態は素子の領域の特定形態を例示するためのものであり、発明の範疇を制限するためのものではない。
以下、第１表面と、第１表面の反対側の第２表面とを有する基板内に、フォトダイオードのような光検出素子を含むイメージセンサ素子に対する図面を参照して本発明の実施形態について説明する。反射構造（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ）は、光検出素子上の第１表面上に提供される。反射構造は導電層を含み得る。内部配線構造は、反射構造に隣接して第１表面上に提供される。内部配線構造は、導電層の反射率を減少させる接着層だけではなく、反射構造と同一の導電層の一部を含み得る。また、カラーフィルタおよび／またはマイクロレンズは基板の第２表面上に提供される。さらに、本発明のいくつかの実施形態はこのようなイメージセンサの製造方法、このようなイメージセンサを含む素子、およびこのような素子の製造方法を含む。 図１〜図９は、本発明のいくつかの実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ素子および製造方法を説明するための断面図である。図１を参照すると、第２基板２０が第１基板１０上に形成される。第１基板および第２基板１０，２０は、シリコン（Ｓｉ）、歪シリコン（ストレインドシリコン）、シリコン合金（（例えば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、および／またはシリコンゲルマニウムカーバイド（ＳｉＧｅＣ））、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ゲルマニウム合金、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＩ−Ｖ族半導体、有機プラスチック基板、および／またはこれらの組合せのうち少なくとも一つを含み得る。いくつかの実施形態において、第１基板１０および／または第２基板２０は、ｐ型および／またはｎ型シリコンであり得る。第２基板２０は第１基板１０上に成長したエピタキシャル層（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌａｙｅｒ）であり得る。
図１を参照すると、光検出領域１１０は第２基板２０内に形成される。光検出領域１１０は入射光を集光して、入射光の強度に対応する電荷を生成および／または蓄積する。例えば、光検出領域１１０は、ダイオード、フォトトランジスタ、フォトゲート、ＰＩＮフォトダイオード、および／またはこれらの組合せであり得る。光検出領域１１０の深さまたは厚さは入射光の波長に基づいて選択され得る。例えば、光検出領域１１０は相対的に長波長を有する入射光に対してさらに大きい深さで形成され得る。一つ以上のゲート構造１２０が、第１基板１０が配置される面の反対側の第２基板２０の表面上に提供され、以下ではこれをイメージセンサ素子の前面（ＦＳ）と定義する。ゲート構造１２０は、電荷伝送ゲート、リセットゲート、ドライブゲート、および／またはこれらの組合せを含み得る。ゲート構造１２０は、光検出領域１１０に整列しないように形成され、光検出領域１１０から横側に（面内方向に沿って）オフセットして形成される。これによって、平面図上でゲート構造１２０は隣接する複数の光検出領域１１０の間に提供される。層間絶縁層１３０は第２基板２０およびゲート１２０上に形成される。層間絶縁層１３０は化学気相蒸着（ＣＶＤ）および／または熱酸化方法を利用して形成することができる。第１接着層１１１０ａは層間絶縁層１３０の表面上に形成される。第１接着層１１１０ａはチタニウム（Ｔｉ）、チタニウム窒化膜（ＴｉＮ）、および／またはこれらの組合せであり得る。図３を参照しつつ後述する後続工程において、第１接着層１１１０ａを使って層間絶縁層１３０に第１伝導層１１２０ａを付着させることができる。また、第１接着層１１１０ａは第１伝導層１１２０ａから層間絶縁層１３０への電子移動を防止することができる。
図２を参照すると、第１フォトレジストパターン１０１０は、第１接着層１１１０ａ上に形成され、第１フォトレジストパターン１０１０をマスクとして用いて第１接着層１１１０ａをパターニングすることによって、第１接着層パターン１１１０が定義される。特に、第１フォトレジストパターン１０１０をマスクとして使用し、光検出領域１１０の上方または真上の第１接着層１１１０ａの一部を除去して層間絶縁層１３０の一部を露出させる。
図３に示すように、第１フォトレジストパターン１０１０を除去した後、第１導電層１１２０ａを第１接着層パターン１１１０および層間絶縁層１３０上に形成する。第１導電層１１２０ａは、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、および／または他の導電性物質であり得る。より具体的なことは後述するが、接着層パターン１１１０は、その上に形成された第１導電層１１２０ａの一部分の反射率を減少させる。次いで、第１キャッピング層１１３０ａは第１導電層１１２０ａ上に形成される。第１キャッピング層１１３０ａは、チタニウム（Ｔｉ）、チタニウム窒化膜（ＴｉＮ）、および／またはそれらの組合せを含み得る。キャッピング層１１３０ａは導電層１１２０ａに対する保護層の役割をすることができる。 図４を参照すると、第１キャッピング層１１３０ａ、第１導電層１１２０ａおよび第１接着層パターン１１１０は、エッチングマスクを用いてパターニングされて、第１内部配線構造としてのパターン１００１と、第１反射構造としてのパターン１００５が定義される。第１内部配線構造１００１は、第１接着層パターン１１１０、第１導電層パターン１１２０、および第１キャッピング層パターン１１３０を含む。第１反射構造１００５は、第１反射パターン１１２０ｒおよび第１キャッピング層パターン１１３０を含む。第１反射パターン１１２０ｒは単一ダマシンまたはデュアルダマシン方法で形成され得る。第１内部配線構造１００１は一つ以上のゲート１２０と電気的に接続され得る。第１反射構造１００５はゲート１２０と電気的に接続されてもよく、電気的に接続されなくともよい。
図４を参照すると、第１内部配線構造１００１および第１反射構造１００５は、層間絶縁層１３０の表面上に互いに隣接して提供され、第１反射構造１００５は、第２基板２０内の光検出領域１１０に整列されてその上部に提供される。ゲート構造１２０は層間絶縁層１３０内において光検出領域１１０の真上の領域から横側（基板の面内方向）にオフセットされ、光検出領域１１０と第１反射構造１００５との間の光の経路を遮断しない。第１反射構造１００５の反射層パターン１１２０ｒは、光検出領域１１０を貫通した入射光の一部を光検出領域１１０へ反射させて、入射光の一部を光検出領域１１０に戻す。しかし、第１内部配線構造１００１は、第１接着層パターン１１１０の存在によって第１反射構造１００５より低い反射率を有する。特に、第１接着層パターン１１１０は内部配線構造１００１の反射率を第１反射構造１００５の第１反射層パターン１１２０ｒの反射率より低くする。第１反射層パターン１１２０ｒは第１内部配線構造１００１の第１接着層パターン１１１０の厚さと第１導電層パターン１１２０の厚さとを合算した厚さと同一の厚さを有する。
図５に示すように、第２内部配線構造１００２および第３内部配線構造１００３は金属間誘電層１４０内に形成される。特に、第２内部配線構造１００２は、第２接着層パターン１２１０、第２導電層パターン１２２０、および第２キャッピングパターン１２３０を含む。同様に、第３内部配線構造１００３は、第３接着層パターン１３１０、第３導電層パターン１３２０、および第３キャッピングパターン１３３０を含む。
第２内部配線構造１００２および／または第３内部配線構造１００３は、第１内部配線構造１００１で前述したものと類似の物質の使用および／または方式で層間絶縁層１３０上に順次に形成され得る。したがって、第２内部配線構造１００２および／または第３内部配線構造１００３を形成するために使用される製造工程は詳細に説明しない。
図６に示すように、支持基板３０を、ゲート構造１２０および内部配線構造が形成されたイメージセンサ素子の前面（ＦＳ）上の金属間誘電層１４０に付着させる。特に、接合層１５０ａを金属間誘電層１４０の表面上に形成して、接合層１５０ｂを支持基板３０の表面上に形成する。接合層１５０ａ、１５０ｂを使用して支持基板３０を金属間誘電層１４０の表面に付着する。いくつかの他の実施形態において、支持基板３０はプラズマ処理を利用して金属間誘電層１４０の表面に付着することもできる。したがって、このような実施形態においては、接合層１５０ａ、１５０ｂは省略することができる。
図７を参照すると、第１基板１０、第２基板２０、および支持基板３０を含む全体構造を覆して、第２基板２０の背面（ＢＳ）上に提供された第１基板１０が前記構造の上部に提供されるようにする。図８に示すように、第１基板１０は部分的にまたは全体的に除去される。例えば、第１基板１０はエッチング工程、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）工程、および／または後面グラインディング（ＢＧＲ）工程を利用して除去され得る。さらに、第２基板２０の一部を所定の厚さで除去してクロストーク不良を防止してもよい。
図９を参照すると、第２基板２０において内部配線構造１００１が形成されている側の面である上面（ＦＳ）と反対側の第２基板２０の背面（ＢＳ）表面上に、反射防止膜１６２および下部平坦化層１６４を順に形成する。反射防止膜１６２はシリコン酸化膜（二酸化ケイ素：ＳｉＯ２）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）、および／またはその組合せで形成され得る。下部平坦化層１６４はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）で形成され得る。図９に示すように、カラーフィルタ１７０、上部平坦化層１７５、マイクロ−レンズ１８０、および保護層１９０を下部平坦化層１６４上に順に形成して、背面照射センサ（ＢＩＳ）素子１１を完成させる。上部平坦化層１７５はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）で形成され得る。マイクロレンズ１８０は、有機物質（フォトレジスト層など）または無機物質であり得る。保護層１９０は無機物質、例えばシリコン酸化物（二酸化ケイ素：ＳｉＯ２）（例えば、低温酸化膜（ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｘｉｄｅ （ＬＴＯ））、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、二酸化ハフニウム（ＨＦＯ２）、および／またはこれらの組合せであり得る。
図９の背面照射センサ１１において、入射光は、マイクロレンズ１８０およびカラーフィルタ１７０を通過して光検出領域１１０に入射される。特に、マイクロレンズ１８０は入射光が光検出領域１１０へ向かうようにする。しかし、光検出領域１１０の相対的に浅い深さのゆえ、相対的に長波長の光（例えば、約５００ナノメートル（ｎｍ）より長波長を有する光）は、光検出領域１１０を貫通して、下部の第１反射層パターン１１２０ｒを含む反射構造１００５に到達する。したがって、本発明のいくつかの実施形態においては、光検出領域１１０を貫通する光を下部の第１反射層パターン１１２０ｒにより反射させて光検出領域１１０に送り返すことによって、光の外部への流れ（ｏｕｔｆｌｏｗ）または流出を減少させる。しかし、内部配線構造１００１は、接着層パターン１１１０が、導電層パターン１１２０による反射率（反射の度合い）を減少させる。これによって、光検出領域１１０を貫通して通過する光を内部配線構造１００１が反射する度合いは、検出領域１１０を貫通して通過する光を反射構造１００５が反射する度合いに比べて相対的に小さくする。
図１０は、図９の反射層パターン１１２０ｒを説明するための平面図である。図１０に示すように、反射層パターン１１２０ｒはパターニングされて光検出領域１１０の形態と実質的に類似の形態を提供する。反射層パターン１１２０ｒは、基板面に垂直な方向から見た平面図において光検出領域１１０に整列され、光検出領域１１０を貫通する入射光の一部が反射層パターン１１２０ｒ上に入射される。いくつかの実施形態において、反射層パターン１１２０ｒは、光検出領域１１０の下部の層間絶縁層１３０上でライン形状で延長されることができる。ゲート構造１２０は、伝送ゲート（ＴＧ）および／またはリセットゲート（ＲＧ）を含むことができる。これら伝送ゲートおよびリセットゲートを図１０に示す。
図１１は、本発明のいくつかの実施形態による入射光のいくつかの波長について、フォトダイオードの深さと光子束の程度との関係を示すグラフである。本発明のいくつかの実施形態による背面照射センサ（ＢＩＳ）で、フォトダイオードの深さは、第２基板２０内のイオン注入不純物によって相対的に浅く（例えば、約５マイクロメートル（μｍ）以下に）形成される。図１１に示すように、約５００ｎｍより小さい相対的に短波長を有する光（図１１でＧ、Ｆ、Ｅで表示）では、約５μｍの深さ以後からは相当な量の光の流出（すなわち、光子束）を提供しない。したがって、約５００ｎｍより短波長を有する光について、光の流出は、本発明の実施形態による深さを有するフォトダイオードにそれほど影響を及ぼさないこともある。反対に、約５００ｎｍより大きい相対的に長波長を有する光（図１１のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄで表示）は、フォトダイオードの約５μｍ以上の深さで相当量の光子束（光子の流れ）を提供する。そのような観点から、約５００ｎｍより長波長を有する光についての光の流出はフォトダイオードの深さまたは他の光検出領域の深さに基づいて影響を与え得る。しかし、前述した反射および内部配線構造１００５，１００１は、このような光検出領域を貫通した光の量の多くをフォトダイオードに戻るようにし、これによって相対的に浅いフォトダイオードの深さにもかかわらず、約５００ｎｍより長波長を有する光についての光の光検出領域外部へ流出が減少する。
図１２は、前述した内部配線構造１００１および反射構造１００５に対する入射光の反射比率を示すグラフである。図１２に示すように、反射層パターン１１２０ｒとして約２０００Åまたは約２５００Åの厚さを有するアルミニウム（Ａｌ）を含む反射構造１００５に対して、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍまでの間の波長を有する入射光の反射比率は約９０％である。これに対して、約１００Åの厚さを有するチタニウム（Ｔｉ）の接着層パターン１１１０、約２０００Åの厚さを有するアルミニウム（Ａｌ）の導電層パターン１１２０、および約６５０Åの厚さを有するＴｉＮのキャッピング層パターン１１３０を含む内部配線構造１００１に対して、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長を有する入射光の反射比率は約５０％〜約６５％であり、このような違いは、接着層パターン１１１０による光吸収に起因する。
図１３〜図１８は、本発明の他の実施形態によるイメージセンサ素子を形成する中間工程段階を説明するための断面図である。図１３を参照すると、図４に示すように、層間絶縁層１３０上に第１内部配線構造１００１および第１反射構造１００５を形成した後に、第１金属間誘電層１４０ａを第１内部配線構造１００１および第１反射構造１００５上に形成する。次に、第２接着層１２１１ａを第１金属間誘電層１４０ａ上に形成する。第２接着層１２１１ａは、チタニウム（Ｔｉ）、チタニウム窒化膜（ＴｉＮ）、および／またはその組合せで形成することができる。
図１４を参照に示されるように、第２フォトレジストパターン１０２０を第２接着層１２１１ａ上に形成し、第２フォトレジストパターン１０２０をマスクとして用いて第２接着層１２１１ａをエッチングして第２接着層パターン１２１１を定義する。第２接着層パターン１２１１は、反射構造１００５と当該反射構造１００５に隣接する内部配線構造１００１との間の領域（Ｓ１）の上部または真上の金属間誘電層１４０ａの一部を露出する。このように、いくつかの実施形態において、第２接着層パターン１２１１は、内部配線構造１００１および／または反射構造１００５の一つ以上に整列させることができる。
図１５に示すように、第２フォトレジストパターン１０２０を除去し、第２導電層１２２１ａおよび第２キャッピング層１２３１ａを第２接着層パターン１２１１および第１金属間誘電層１４０ａ上に順に形成する。いくつかの実施形態において、第２導電層１２２１ａは第１導電層１１２０ａと同一の物質で形成することができる。また、いくつかの実施形態において、第２キャッピング層１２３１ａは第１キャッピング層１１３０ａと同一の物質で形成することができる。
図１６を参照すると、第２キャッピング層１２３１ａ、第２導電層１２２１ａ、および第２接着層パターン１２１１を同一のエッチングマスクを利用してパターニングし、第２内部配線構造１２０１および第２反射構造１２０５を定義する。第２内部配線構造１２０１は、第２接着層パターン１２１１、第２導電層パターン１２２１、および第２キャッピング層パターン１２３１を含む。第２反射構造１２０５は、第２反射層パターン１２２１ｒおよび第２キャッピング層パターン１２３１を含む。第２反射層パターン１２２１ｒを第１反射構造１００５と当該第１反射構造１００５に隣接する第１内部配線構造１００１との間の領域（Ｓ１）の真上に形成する。また、第２反射構造１２０５と当該第２反射構造１２０５と隣接する第２内部配線構造との間の領域（Ｓ２）は、下部の第１反射構造１００５上に整列させる。このように、第２反射構造１２０５は、光検出領域１１０の少なくとも一部の上方に（または図１７のように、全体構造を覆すときには、光検出領域１１０の少なくとも一部の下方に）形成しつつ、第１反射構造１００５から横側（面内方向）にオフセットする。第２反射構造１２０５は、下部の第１反射構造１００５の反対側上に形成して、平面図上で第１反射構造１００５を越えて延長された光検出領域１１０の一部に整列させる。したがって、第２反射構造１２０５は、光検出領域１１０を貫通しながら、第１反射構造１００５によって光検出領域１１０に反射されない入射光の一部を反射する。第２内部配線構造１２０１は、第１内部配線構造１００１の上方に形成され、金属間誘電層１４０ａ上において、第２反射構造１２０５の間に形成し得る。図１６に示すように、第２内部配線構造１２０１は第１内部配線構造１００１より狭い幅で形成することができる。
図１７を参照すると、第２金属間誘電層１４０ｂを第２内部配線構造１２０１および第２反射構造１２０５上に形成する。次いで、第３内部配線構造１３０１を第２金属間誘電層１４０ｂ上に形成する。第３内部配線構造は、第３接着層パターン１３１０、第３導電層パターン１３２０、および第３キャッピング層パターン１３３０を含む。したがって、第３内部配線構造１３０１は、第１内部配線構造１００１および／または第２内部配線構造１２０１と類似の構造を有することができ、第１内部配線構造１００１および／または第２内部配線構造１２０１の場合と類似の工程過程により形成することができる。したがって、第３内部配線構造１３０１の製造について詳しい説明は省略する。互いに隣接する第３内部配線構造１３０同士の間の領域（Ｓ３）は、その下部の第２反射構造１２０５上に位置するように整列することができる。また、第３金属間誘電層１４０ｃが第３内部配線構造１３０１上に形成される。
図１８を参照すると、図６〜図８で前述したのと類似の方式で、支持基板３０を第３金属間誘電層１４０ｃの表面に接合し、全体構造を上下が逆になるように覆し、第１基板１０を一部または全体的に除去する。また、いくつかの実施形態においては、第２基板２０の厚さを減少させることができる。同様に、反射防止膜１６２、下部平坦化層１６４、カラーフィルタ１７０、上部平坦化層１７５、マイクロレンズ１８０、および保護層１９０を、図９で前述したのと類似の方式で、第２基板２０の背面上に順に形成して本発明のいくつかの実施形態による背面照射イメージセンサ素子１２を完成する。
図１９〜図２５は、本発明のさらに他の実施形態によるイメージセンサ素子を形成する中間工程段階を説明するための断面図である。図１９を参照すると、層間絶縁層１３２を内部に光検出領域１１０を含む第２基板２０の前面（ＦＳ）上に形成する。層間絶縁層１３２をパターニングして光検出領域１１０に整列するように凸部パターン１３２ａを形成する。しかし、いくつかの他の実施形態においては、凸部パターン１３２ａの代わりに、凹部パターン（図示せず）を層間絶縁層１３２に形成することができる。図２０に示すように、第１接着層１１１２ａは、複数の凸部パターン１３２ａおよびこれら複数の凸部パターンの間の層間絶縁層１３２の扁平な部分上に、一様に（これら凸部パターンおよび扁平な部分の形状に沿うように）形成する。接着層１１１２ａは、チタニウム（Ｔｉ）、チタニウム窒化膜（ＴｉＮ）、および／またはその組合せであってもよく、前述した接着層１１１０ａと類似するものであってもよい。
図２１を参照すると、フォトレジストパターン１０３０を第１接着層１１１２ａ上に形成し、第１接着層１１１２ａが、フォトレジストパターン１０３０をマスクとしてエッチングされ、複数の凸部パターン１３２ａの間の層間絶縁層１３２の扁平な部分上に第１接着層パターン１１１２を定義する。図２２に示すように、フォトレジストパターン１０３０を除去した後、第１導電層１１２２ａおよび第１キャッピング層１１３２ａを第１接着層パターン１１１２およびこれらの間に露出された層間絶縁層１３２の凸部パターン１３２ａ上に順次に形成する。この時、図２２に示されるように、第１導電層１１２２ａの表面は平坦化されてもよい。平坦化には、エッチング工程、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）工程、および／またはグラインディング工程などを適宜に使用することができる。
図２３を参照すると、第１キャッピング層１１３２ａ、第１導電層１１２２ａ、および第１接着層パターン１１１２を同一のエッチングマスクを利用して順次にパターニングし、層間絶縁層１３２の表面上に互いに隣接した第１内部配線構造２００１と第１反射構造２００５とを定義する。第１内部配線構造２００１は、第１接着層パターン１１１２、第１導電層パターン１１２２、および第１キャッピング層パターン１１３２を含む。第１反射構造２００５は第１反射層パターン１１２２ｒおよび第１キャッピング層パターン１１３２を含む。第１反射構造２００５は、層間絶縁層１３２の凸部分上に形成する。このように、第１反射層パターン１１２２ｒは、第２基板２０内の光検出領域１１０と対向して整列された凹表面を有する。しかし、層間絶縁層１３２が凹パターン（図示せず）を含むように形成される実施形態では、前述した製造方法に従い形成する場合には、第１反射層パターン１１２２ｒは、光検出領域１１０と対向して整列された凸表面を有することになると理解される。この結果、イメージセンサ素子において、基板２０の面に垂直な方向に沿って切断した断面が凹状である凹部、または当該断面が凸状である凸部を有する反射層パターン１１２２ｒを有することになる。
図２４に示すように、第２内部配線構造１００２および第３内部配線構造１００３を金属間誘電層１４０内に形成する。特に、第２内部配線構造１００２は、第２接着層パターン１２１０、第２導電層パターン１２２０、および第２キャッピングパターン１２３０を含む。同様に、第３内部配線構造１００３は、第３接着層パターン１３１０、第３導電層パターン１３２０、および第３キャッピングパターン１３３０を含む。第２内部配線構造１００２および／または第３内部配線構造１００３は、層間絶縁層１３２上に形成することができ、これらは、図５で前述したのと類似の方式で形成してもよく、類似の物質を使って形成してもよい。したがって第２内部配線構造１００２および／または第３内部配線構造１００３を形成するために使用される製造工程に対する詳細な説明は省略する。
また、いくつかの実施形態において、図２６に示すように、第２反射構造１２０５（第２反射パターン１２２１ｒおよび第２キャッピング層パターン１２３１を含む）は、第１反射構造２００５と当該第１反射構造２００５と隣接する第１内部配線構造２００１との間の領域（Ｓ１）の上方に形成され得る。これに伴い互いに隣接する複数の第２反射構造１２０５の間の領域（Ｓ２）は、下部の第１反射構造２００５に整列され得る。これに伴い、第２反射構造１２０５は、第１反射構造２００５から横側（基板面の水平方向）にオフセットされて、図１６で説明したのと類似して、第１反射構造２００５によって反射されない入射光の一部を反射させる。
図２５を参照すると、図６〜図８で前述したのと類似の方式で、支持基板３０を金属間誘電層１４０の表面上に接合し、全体構造を覆して、第１基板１０を部分的または全体的に除去する。同様に、反射防止膜１６２、下部平坦化層１６４、カラーフィルタ１７０、上部平坦化層１７５、マイクロレンズ１８０、および保護層１９０を、図９で前述したのと類似の方式で、第２基板２０の背面上に順に形成し、本発明のいくつかの実施形態による背面照射イメージセンサ素子１３を完成する。
図２７および図２８は、前述した反射構造１００５および内部配線構造１００１の追加的方法を示す。図２７を参照すると、図１の接着層１１１０ａを形成する前に、リセス１３１を内部のゲート構造１２０上の層間絶縁層１３０内に形成する。特に、リセス１３１はゲート構造１２０に整列させる。接着層１１１０ａをリセス１３１の下部表面および側壁だけでなくリセス１３１の間の層間絶縁層１３０の表面の上に沿って一様に（これらリセス１３１およびリセス１３１間の層間絶縁層１３の形状に沿うように）形成する。リセス１３１の外側の接着層１１１０ａの一部を除去し、層間絶縁層１３０の表面を露出させ、これによって、リセス１３１内に残存する接着層１１１０ａの一部は、リセス１３１の下部表面および側壁上に接着層パターン１１１０’を定義する。例えば、接着層１１１０ａを、ＣＭＰ工程を利用して層間絶縁層１３０の表面から除去することができる。反射構造１００５および内部配線構造１００１’は、図３および図４で説明したのと類似の方式で導電層１１２０ａおよびキャッピング層１１３０ａをパターニングして形成することによって提供される。しかし、層間絶縁層１３０内のリセス１３１のために、内部配線構造１００１’（接着層パターン１１１０’を含む）は、リセス１３１の下部表面および側壁に沿ってリセス１３１内に延長される。リセス１３１の側壁上の接着層パターン１１１０’の一部は検出領域１１０に向かって入射光の一部を反射する。特に、図２７に示すように、光検出領域１１０を貫通して反射構造１００５によって反射した光の斜め成分（ｏｂｌｉｑｕｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）は、内部配線構造１００１’および反射構造１００５の反射率の差異によって、点線１０２４で示すように、リセス１３１の側壁上の接着層パターン１１１０’の一部によって反射されて光検出領域１１０に再び向かうことができる。
図２８は、追加リセス１３２を光検出領域１１０に整列するように層間絶縁層１３０内に形成した実施形態を図示する。例えば、図２７に示すように、層間絶縁層内にリセスを形成して、リセス１３１内に接着層パターン１１１０’を形成した後に、層間絶縁層１３０を選択的にマスクしてエッチングすることによって、層間絶縁層１３０内に追加リセス１３２を形成することができる。追加リセス１３２は、光検出領域１１０に整列させる。したがって、追加リセス１３２は、光検出領域１１０の真上に形成されることに対し、リセス１３１はゲート構造１２０の真上に形成される。接着層パターン１１１０’は、リセス１３１内に形成されるが、追加リセス１３２内に形成されない。反射構造１００５’および内部配線構造１００１’は、図３および図４で上述したのと類似の方式で導電層１１２０ａおよびキャッピング層１１３０ａを形成してパターニングすることによって提供される。しかし、層間絶縁層１３０内のリセス１３１のために内部配線構造１００１’は、リセス１３１の下部表面および側壁に沿ってリセス１３１内に延長される。同様に、層間絶縁層１３０内のリセス１３２のために、反射構造１００５’は、リセス１３２内に延長され、これによって、図９の実施形態と比較し、反射構造１００５’と光検出領域１１０との間の距離を減少させることができる。
図２９は、本発明のいくつかの実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ素子を含む電気的システム２００を示すブロックダイアグラムである。図２９を参照すると、システム２００はセンサアレイ２１０、タイミング生成部２２０、行デコーダ（ｒｏｗ ｄｅｃｏｄｅｒ）２３０、行ドライバ（ｒｏｗ ｄｒｉｖｅｒ）２４０、相関二重サンプラ（ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｓａｍｐｌｅｒ：ＣＤＳ）２５０、アナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）２６０、ラッチ２７０、および列デコーダ（ｃｏｌｕｍｎ ｄｅｃｏｄｅｒ）２８０を含む。センサアレイ２１０は、図１〜図２８で前述したイメージセンサ素子を少なくとも一つ含み、行ドライバ２４０からの駆動信号に応答して出力信号を提供する。特に、センサアレイ２１０は、光学イメージを電子出力信号に転換する２次元に整列された複数の単位ピクセルを含む。センサアレイ２１０は、行ドライバ２４０から駆動信号（行選択信号、リセット信号、および／または電荷伝送信号など）を受信し、電気的出力信号をＣＤＳ２５０に提供する。タイミング生成部２２０は、タイミングおよび制御信号を行デコーダ２３０および列デコーダ２８０に提供する。行ドライバ２４０は、行デコーダ２３０によって提供された出力によってセンサアレイ２１０の単位ピクセルを駆動させるための駆動信号を生成する。ＣＤＳ２５０は、センサアレイ２１０から受信された電気的出力信号をホールドしてサンプリングする。ＡＤＣ２６０は、ＣＤＳ２５０からのアナログ信号をデジタル信号に転換する。ラッチ２７０は、デジタル信号をラッチし、ラッチされた信号を列デコーダ２８０によって提供された出力に対応してイメージ信号処理素子（図示せず）に出力する。システム２００に示される複数のブロックは、一つのチップまたは複数のチップによって提供され得る。また、このようなチップはパッケージングされた形態で提供され得る。
図３０は、本発明のいくつかの実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ素子を含むコンピュータ装置３００を示す。図３０を参照すると、コンピュータ装置３００は、マイクロプロセッサなど中央情報処理装置（ＣＰＵ）３２０、入出力（Ｉ／Ｏ）素子３３０、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などのメモリ素子３４０、イメージセンサ３１０、およびバス３０５を含む。バス３０５は、ＣＰＵ３２０、Ｉ／Ｏ素子３３０、メモリ素子３４０、およびイメージセンサ３１０が通信可能なように接続されている。コンピュータ装置３００は、バス３０５を通じてＣＰＵ３２０と通信可能な一つ以上のポート３６０をさらに含む。ポート３６０はビデオカード、サウンドカード、メモリカード、ＵＳＢ素子、および／またはまた他の外部装置と通信可能であってもよい。イメージセンサ３１０は、前述したように少なくとも一つのイメージセンサ素子を含む。いくつかの実施形態において、イメージセンサ３１０はＣＰＵ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロプロセッサ、および／またはメモリ素子と共に集積される。
図３１は、本発明のいくつかの実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ素子を含むカメラ装置４００を示す。図３１を参照すると、カメラ装置４００はハウジング４２０内部のＣＭＯＳイメージ素子（ＣＩＳ）パッケージ４１０を含む。ＣＩＳパッケージ４１０は基板４１１上のイメージセンサチップ４１３を含む。図３１では、イメージセンサチップ４１３はボンディングワイヤー４３１により基板と連結される。ハウジング４２０も基板４１１に接着されて基板４１１およびイメージセンサチップ４１３を保護する。ハウジング４２０は、入射光を受ける円筒状のアパーチャ４２１、保護カバー４２２、（紫外線光の吸収および／または反射防止することができる）フィルタ４２３、および入射光をイメージセンサチップ４１３に案内する少なくとも一つのレンズ４２４を含む。イメージセンサチップ４１３は、図１〜図２８を参照して前述したイメージセンサ素子を少なくとも一つ含む。
図３２は、本発明の他の実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ素子を含むカメラ装置５００を示す。図３２を参照すると、カメラ装置５００は、印刷回路基板（ＰＣＢ）５６０と、基板５６０上のイメージセンサチップ５７０とを含むイメージセンサパッケージ５０１を有する。イメージセンサチップ５７０は、これを貫通して延長されてイメージセンサチップ５７０と基板５６０とを電気的に接続する導電性ビア構造（貫通ビア電極とも称する）５７２を含む。カメラ装置５００は、レンズコンポーネント５２６およびその上の第１レンズ５２０、レンズコンポーネント５２７、第２レンズ５４０、透過基板５１０，５３０，５５０、支持部５０５，５２５、および入射光を集光するアパーチャ５４５をさらに含む。レンズ５２０，５４０は入射光をイメージセンサチップ５７０に案内する。いくつかの実施形態において、一つ以上の基板５１０，５３０，５５０はガラス基板であり得る。
図３３は、本発明のいくつかの実施形態によるイメージセンサ素子４５２を含む、携帯電話のような移動端末機４５０を示す。イメージセンサ素子４５２は移動端末機４５０のカメラ装置内に含まれ得る。
前述したように、本発明の実施形態はフォトダイオードのような光検出素子に整列し、その上に配置された反射構造を含むイメージセンサ素子を提供する。反射構造は、光検出領域を通過した入射光を反射して光検出領域に向かって戻す。内部配線構造は反射構造に隣接して提供される。内部配線構造は電気的信号を案内し、反射構造と比較して内部配線構造の反射率を低くする接着パターンを含む。本発明の実施形態は、特に約５００ｎｍより長波長を有する光について、このような接着パターンがない素子と比較して、光の流出を低減させる。
以上添付された図面を参照して本発明の実施形態について説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更しない範囲で他の具体的な形態で実施され得ることを理解することができる。したがって、上記実施形態は、すべての面で例示的なものであり、限定的でないものと理解しなければならない。
１０ 第１基板、
２０ 第２基板、
３０ 支持基板、
１１０ 光検出領域、
１２０ ゲート構造、
１３０ 層間絶縁層、
１４０ 金属間誘電層、
１５０ａ、１５０ｂ 接合層、
１６２ 反射防止膜、
１６４ 下部平坦化層、
１７０ カラーフィルタ、
１７５ 上部平坦化層、
１８０ マイクロレンズ、
１９０ 保護層、
１００１ 内部配線構造、
１００５ 反射構造、
１０１０ フォトレジストパターン、
１１１０ 接着層パターン、
１１２０ 導電層パターン、
１１２０ｒ 反射層パターン、
１１３０ キャッピング層パターン。
２０ 第２基板、
３０ 支持基板、
１１０ 光検出領域、
１２０ ゲート構造、
１３０ 層間絶縁層、
１４０ 金属間誘電層、
１５０ａ、１５０ｂ 接合層、
１６２ 反射防止膜、
１６４ 下部平坦化層、
１７０ カラーフィルタ、
１７５ 上部平坦化層、
１８０ マイクロレンズ、
１９０ 保護層、
１００１ 内部配線構造、
１００５ 反射構造、
１０１０ フォトレジストパターン、
１１１０ 接着層パターン、
１１２０ 導電層パターン、
１１２０ｒ 反射層パターン、
１１３０ キャッピング層パターン。
Claims (10)
- 内部に光検出領域を含む基板と、
前記基板の第１表面側において前記光検出領域の上方に形成された反射構造と、
前記反射構造に隣接して前記基板の第１表面側に形成されて、前記反射構造より低い反射率を有する内部配線構造と、
前記第１表面の反対側の第２表面側に設けられたマイクロレンズおよびカラーフィルタと、を含み、
前記反射構造は、前記光検出領域を通過した入射光の一部を反射して前記光検出領域に戻す、イメージセンサ素子。 - 前記反射構造は導電層を含み、
前記内部配線構造は、前記導電層、および前記導電層と前記基板との間の接着層を含み、
前記接着層は、前記内部配線構造の反射率を前記反射構造の反射率と比較して減少させる請求項１に記載のイメージセンサ素子。 - 前記反射構造は、前記基板の面に垂直な方向からみて前記光検出領域に整列され、前記光検出領域を通過した前記入射光の一部は前記反射構造上に入射する請求項２に記載のイメージセンサ素子。
- 前記反射構造は、前記基板の面に垂直な方向に沿って切断した断面が凹状である凹部、または当該断面が凸状である凸部を有する請求項３に記載のイメージセンサ素子。
- 前記反射構造は、第１反射構造を含み、
前記イメージセンサ素子は、さらに
前記第１反射構造を覆う第１層間絶縁層と、
前記光検出領域の上方で前記第１層間絶縁層上に形成され、前記第１反射構造から面内方向にオフセットされた第２反射構造と、を含み、
前記第２反射構造は、前記光検出領域を貫通し、前記第１反射構造によって反射されない前記入射光の一部を反射して前記光検出領域に戻す、請求項３に記載のイメージセンサ素子。 - 前記基板の第１表面側において、前記反射構造および前記光検出領域の間に積層された層間絶縁層を有し、
前記層間絶縁層は、前記内部配線構造と電気的に接続された内部のゲート構造を含み、
前記少なくとも一つのゲート構造は、前記光検出領域を貫通した前記入射光の一部が前記反射構造に行く経路を遮断しないように配置されている、請求項３に記載のイメージセンサ素子。 - 前記反射構造に隣接して前記層間絶縁層内に形成され、内部の少なくとも一つのゲート構造に整列されたリセスをさらに含み、
前記接着層を含む前記内部配線構造は、前記リセスの内部に延長されている、請求項６に記載のイメージセンサ素子。 - 前記接着層の一部は、前記リセスの側壁上に延長され、前記入射光の一部を反射して前記光検出領域に戻す、請求項７に記載のイメージセンサ素子。
- 前記内部配線構造に隣接して前記層間絶縁層内に形成され、前記基板内の前記光検出領域に整列された第２リセスをさらに含み、
前記反射構造は、前記第２リセス内に延長されている、請求項７に記載のイメージセンサ素子。 - 前記導電層はアルミニウムを含み、
前記接着層は、チタニウム、チタニウム窒化膜、またはチタニウムとチタニウム窒化膜の組み合わせを含む請求項２に記載のイメージセンサ素子。
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