JP2015156512A - 応力耐性が改善された裏面照射型イメージセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】裏面照射型イメージセンサ、及びその製造方法を提供する。【解決手段】イメージセンサデバイスは、表面及びこの表面と対向する裏面を有する基板、この基板に配置され、裏面を通過して基板に入射する放射波を検出するように動作可能である放射線検出領域、基板の表面の上に配置された相互接続構造、基板の裏面の上に配置された材料層であって、この材料層は、基板に引張応力を与え、約０から約０.２の範囲にある吸収係数値を有し、且つ約１.４から約２.５の範囲にある屈折率値を有すること、及び材料層の少なくとも一部の上に配置された放射線遮蔽デバイスを含む。【選択図】図６
Description
半導体イメージセンサは、光などの放射線を感知（sense）するために用いられている。相補型金属酸化膜半導体（CMOS）イメージセンサ（CIS）及び電荷結合素子（charge-coupled device; CCD）センサは、例えばデジタルスチルカメラまたは携帯電話カメラのアプリケーションのような種々のアプリケーションに広く用いられている。これらのデバイスは、基板に向けて投射された放射線を吸収し、感知された放射線を電気信号に変換することができるフォトダイオード及びトランジスタを含む基板の画素アレイを用いる。
裏面照射型（BSI）イメージセンサデバイスは、イメージセンサデバイスの一種である。これらのBSIイメージセンサデバイスは、その裏面から投射された光を検出するように動作可能である。BSIイメージセンサデバイスは、光感知画素が形成されている比較的薄いシリコン基板（例えば、数ミクロンの厚さ）を有する。シリコン基板の薄い性質は、種々のバックエンドプロセスと異なるパターン設計によって生じる可能性がある応力変化に、画素がより影響されやすくなる。シリコン基板上の応力は、漏れ電流を増やす可能性があり、応力変化は、漏れ電流の計算をより難しくする可能性がある。
よって、現存するBSIイメージセンサデバイスが一般に意図される目的には十分であっても、それらが全ての面において十分満足のいくものではない。
裏面照射型イメージセンサ、及びその製造方法を提供する。
本発明の１つの態様によれば、イメージセンサデバイスは、表面及びこの表面と対向する裏面を有する基板、この基板に配置され、裏面を通過して基板に入射する放射波を検出するように動作可能である放射線検出領域、基板の表面の上に配置された相互接続構造、基板の裏面の上に配置された材料層であって、この材料層は、基板に引張応力を与え、約０から約０.２の範囲にある吸収係数値を有し、且つ約１.４から約２.５の範囲にある屈折率値を有すること、及び材料層の少なくとも一部の上に配置された放射線遮蔽デバイスを含むものである。
また、もう１つの態様によれば、イメージセンサデバイスは、表面及び第１面と対向する裏面を有し、画素領域及び周辺領域を有する基板、基板の画素領域に配置される複数の放射線検出領域であって、それぞれが裏面を通過して放射線検出領域に向けて投射される放射線を感知するように動作可能である複数の放射線検出領域、周辺領域に配置される参照画素、基板の表面に結合され、複数の相互接続層を含む相互接続構造、基板の裏面の上に形成される薄膜であって、この薄膜は、約０から約０.２の範囲にある吸収係数値を有し、約１.４から約２.５の範囲にある屈折率値を有し、且つ基板に引張応力を与えること、及び薄膜上に配置され、参照画素と位置合わせされる放射線遮蔽デバイスを含むものである。
さらにまた、もう１つの態様によれば、イメージセンサデバイスの製造方法は、放射線検出デバイスをデバイス基板に形成するステップであって、デバイス基板は、表面及びこの表面と対向する裏面を有し、且つ放射線検出デバイスは、裏面を通過してデバイス基板に入射する放射波を検出するように動作可能であるステップ、デバイス基板の表面の上に相互接続構造を形成するステップ、デバイス基板の裏面の上に材料層を形成するステップであって、材料層は、基板に引張応力を与え、約０から約０.２の範囲にある吸収係数値を有し、且つ約１.４から約２.５の範囲にある屈折率値を有するステップ、及び材料層の少なくとも一部の上に放射線遮蔽要素を形成するステップ含むものである。 イメージセンサデバイスを含む本発明の広範な態様の１つは、表面（front side）及び表面と対向する(opposite)裏面（back side）を有する基板、基板に配置され、裏面を通過して基板に入射する放射波を検出するように動作可能である放射線検出領域、基板の表面の上に配置された相互接続構造、基板の裏面の上に配置され、基板に引張応力を与える材料層、及び材料層の少なくとも一部の上に配置された放射線遮蔽デバイスを含む。
また、もう１つの態様によれば、イメージセンサデバイスは、表面及び第１面と対向する裏面を有し、画素領域及び周辺領域を有する基板、基板の画素領域に配置される複数の放射線検出領域であって、それぞれが裏面を通過して放射線検出領域に向けて投射される放射線を感知するように動作可能である複数の放射線検出領域、周辺領域に配置される参照画素、基板の表面に結合され、複数の相互接続層を含む相互接続構造、基板の裏面の上に形成される薄膜であって、この薄膜は、約０から約０.２の範囲にある吸収係数値を有し、約１.４から約２.５の範囲にある屈折率値を有し、且つ基板に引張応力を与えること、及び薄膜上に配置され、参照画素と位置合わせされる放射線遮蔽デバイスを含むものである。
さらにまた、もう１つの態様によれば、イメージセンサデバイスの製造方法は、放射線検出デバイスをデバイス基板に形成するステップであって、デバイス基板は、表面及びこの表面と対向する裏面を有し、且つ放射線検出デバイスは、裏面を通過してデバイス基板に入射する放射波を検出するように動作可能であるステップ、デバイス基板の表面の上に相互接続構造を形成するステップ、デバイス基板の裏面の上に材料層を形成するステップであって、材料層は、基板に引張応力を与え、約０から約０.２の範囲にある吸収係数値を有し、且つ約１.４から約２.５の範囲にある屈折率値を有するステップ、及び材料層の少なくとも一部の上に放射線遮蔽要素を形成するステップ含むものである。 イメージセンサデバイスを含む本発明の広範な態様の１つは、表面（front side）及び表面と対向する(opposite)裏面（back side）を有する基板、基板に配置され、裏面を通過して基板に入射する放射波を検出するように動作可能である放射線検出領域、基板の表面の上に配置された相互接続構造、基板の裏面の上に配置され、基板に引張応力を与える材料層、及び材料層の少なくとも一部の上に配置された放射線遮蔽デバイスを含む。
イメージセンサデバイスを含む本発明の広範な態様のもう１つは、表面及び第１面と対向する裏面を有し、画素領域及び周辺領域を有する基板、基板の画素領域に配置される複数の放射線検出領域であって、それぞれが裏面を通過して放射線検出領域に向けて投射される放射線を感知するように動作可能である複数の放射線検出領域、周辺領域に配置される参照画素、基板の表面に結合され、複数の相互接続層を含む相互接続構造、基板の裏面の上に形成され、薄膜が基板に引張応力を受けさせる圧縮応力薄膜、及び薄膜上に配置され、参照画素と位置合わせされる放射線遮蔽デバイスを含む。
本発明の広範な態様のまたもう１つは、イメージセンサデバイスを製造する方法を含み、この方法は、放射線検出デバイスをデバイス基板に形成するステップであって、デバイス基板は、表面及び表面と対向する裏面を有し、且つ放射線検出デバイスは、裏面を通過してデバイス基板に入射する放射波を検出するように動作可能である放射線検出デバイスを形成するステップ、デバイス基板の表面の上に相互接続構造を形成するステップ、デバイス基板の裏面の上に、デバイス基板に引張応力を与える材料層を形成するステップ、及び前記材料層の少なくとも一部の上に放射線遮蔽要素を形成するステップ含む。
本開示の態様は、添付の図面を参照して、次の詳細な説明から理解される。工業における標準実施に従って、種々の特徴が一定の比率で描かれていないことを主張する。実際、種々の特徴の数や寸法は、議論の明確化のために、任意に増加または減少されてよい。
本発明の種々の態様に基づくイメージセンサデバイスを製造する方法を示す流れ図である。
本発明の種々の態様に基づく、種々の製造段階におけるイメージセンサデバイスの断片的な断面側面図である。
本発明の種々の態様に基づく、種々の製造段階におけるイメージセンサデバイスの断片的な断面側面図である。
本発明の種々の態様に基づく、種々の製造段階におけるイメージセンサデバイスの断片的な断面側面図である。
本発明の種々の態様に基づく、種々の製造段階におけるイメージセンサデバイスの断片的な断面側面図である。
本発明の種々の態様に基づく、種々の製造段階におけるイメージセンサデバイスの断片的な断面側面図である。
本発明のイメージセンサデバイス対従来のイメージセンサデバイスの暗電流の性能を示す流れ図である。
本発明のイメージセンサデバイス対従来のイメージセンサデバイスの暗電流の性能を示す流れ図である。
本発明のイメージセンサデバイス対従来のイメージセンサデバイスの暗電流の性能を示す流れ図である。
本発明のイメージセンサデバイス対従来のイメージセンサデバイスの暗電流の性能を示す流れ図である。
次の開示は、その開示の異なる特徴を実施するための、多くの異なる実施の形態または実施例を提供することがわかる。本開示を簡素化するために、複数の要素および複数の配列の特定の実施例が以下に述べられる。これらは単に実施例であり、これらに制限されるものではないことは勿論である。また、以下の説明の第２特徴をおおう、または上の第１特徴の形成は、第１及び第２特徴が直接接触で形成される実施の形態を含むことができ、且つ前記第１及び第２特徴が直接接触しない場合があるように、付加的な特徴が前記第１及び第２特徴を介在させて形成されうる実施の形態を含むこともできる。種々の特徴は、簡易化及び明確化のために異なる尺度で任意に描かれてよい。
図１は、本発明の種々の態様に基づく裏面照射型（BSI）イメージセンサデバイスを製造する方法１０を示す流れ図である。図１を参照すると、方法１０は、放射線検出デバイスがデバイス基板に形成されるブロック１２で開始する。デバイス基板は、表面（front side）及び表面と対向する(opposite)裏面（back side）を有する。放射線検出デバイスは、裏面を通過してデバイス基板に入射する放射波を検出するように動作可能である。方法１０は、相互接続構造がデバイス基板の表面の上に形成されるブロック１４に続く。方法１０は、材料層がデバイス基板の裏面の上に形成されるブロック１６に続く。材料層は、デバイス基板に引張応力を与える。方法１０は、放射線遮蔽要素（radiation-shielding component）が材料層の少なくとも一部の上に形成されるブロック１８に続く。
図２〜６は、図１の方法１０の態様に基づく、種々の製造段階におけるBSIイメージセンサデバイス３０の種々の実施形態の断片的な断面側面図である。イメージセンサデバイス３０は、画素のアレイまたはグリッドを含み、イメージセンサデバイス３０の裏面に向けられた放射線（例えば光）強度を検知、または記録する。 イメージセンサデバイス３０は、電荷結合素子（CCD）、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）イメージセンサ（CIS）、能動画素センサ（APS）、または受動画素センサを含み得る。イメージセンサデバイス３０は、画素のグリッドに隣接して与えられ、画素に動作環境を提供し、且つ画素との外部通信を支持する付加的回路及び入力／出力を更に含む。図２〜６は、本発明の発明概念のよりよく理解するために簡易化されており、一定の比率で描かれたものではない場合があることは理解される。
図２を参照すると、イメージセンサデバイス３０は、デバイス基板３２を含む。デバイス基板３２は、例えばホウ素などのp型ドーパントでドープされたシリコン基板である（例えばp型基板）。あるいは又、デバイス基板３２は、他の好適な半導体材料であり得る。例えば、デバイス基板３２は、例えばリンまたはヒ素などのn型ドーパントでドープされたシリコン基板であってもよい（例えばn型基板）。デバイス基板３２は、ゲルマニウムまたはダイアモンドなどの他の元素半導体を含み得る。デバイス基板３２は、化合物半導体及び／または合金半導体を選択的に含むことができる。また、デバイス基板３２は、エピタキシャル層（エピ層）を含むことができ、性能向上のために歪み（strain）が付与されてもよく、シリコンオンインシュレーター（SOI）構造を含むことができる。図２を再度参照すると、デバイス基板３２は、表面（前面（front surface）とも呼ばれる）３４および裏面（背面（back surface）とも呼ばれる）３６を有する。デバイス基板３２はまた、約１００ミクロン（um）〜約３０００umの範囲にある初期厚さ３８を有する。本実施形態では、初期厚さ３８は、約５００umから約１０００umの範囲にある。
放射線検出領域、例えば画素４０または４２は、デバイス基板３２に形成される。画素４０及び４２は、裏面３６からデバイス基板３２に向けて投射された、例えば入射光４３などの放射線を感知するように動作可能である。画素４０及び４２はそれぞれ、本実施形態にてフォトダイオードを含む。他の実施形態では、画素４０及び４２は、ピン層（pinned layer）フォトダイオード、フォトゲート、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、及び転送トランジスタ（transfer transistors）を含むことができる。画素４０及び４２は、放射線検出デバイスまたは光センサとしても呼ばれることができる。
画素４０及び４２は、互いに変化し、異なる接合深度、厚さ、幅などを有してもよい。簡易化のために、２つの画素４０及び４２だけが図２に示されるが、多数の画素がデバイス基板３２に実装されてもよいことは理解される。示される実施形態において、画素４０及び４２は、表面３４からデバイス基板３２に注入プロセス４６を実行することによって形成される。注入プロセス４６は、ホウ素などのp型ドーパントでデバイス基板３２にドーピングする過程を含む。他の実施形態では、注入プロセス４６は、リンまたはヒ素などのn型ドーパントでデバイス基板３２にドーピングする過程を含む。他の実施形態では、画素４０及び４２は、拡散プロセスによって形成することもできる。
図２を再度参照すると、デバイス基板３２は、分離構造、例えば、分離構造４７及び４９を含み、画素４０と４２との間の電気分離及び光分離を提供する。分離構造４７及び４９は、例えば酸化ケイ素または窒化ケイ素などの誘電材料で形成されるシャロートレンチアイソレーション（STI）構造を含む。表面３４から基板３２内に開口をエッチングし、次いで開口に誘電体を充填することによって形成される。他の実施形態では、分離構造４７及び４９は、例えば、重ドープされたn型またはp型領域などのドープ分離特性（doped isolation features）を含み得る。本実施形態では、分離構造４７及び４９は、画素４０及び４２の前に形成されることが理解される。また、簡易化のために、２つの分離構造４７及び４９だけが図２に示されるが、画素４０及び４２などの放射線感知領域が互いに適切に分離され得るように、多数の分離構造がデバイス基板３２に実装されてもよいことは理解される。
図２を参照すると、画素４０と４２及び分離構造４７と４９は、画素領域５２と呼ばれるイメージセンサデバイス３０の領域に形成される。イメージセンサ３０は、周辺領域５４、ボンディングパッド領域５６（ボンドパッド領域とも呼ばれる）、及びスクライブライン領域５９も含む。図２の点線は、領域５２、５４、５６と５９との間のおおよその境界を示している。周辺領域５４は、光学的に暗い状態にしておく必要があるデバイス６０及び６１を含む。例えば、本実施形態のデバイス６０は、例えば、特定用途向け集積回路（application-specific integrated circuit；ASIC）デバイスまたはシステムオンチップ（SOC）デバイスなどのデジタルデバイスであり得る。デバイス６１は、イメージセンサデバイス３０用に光強度の基準値（baseline）を確立するのに用いられる参照画素であり得る。
ボンディングパッド領域５６は、イメージセンサデバイス３０と外部デバイスとの電気接続が確立され得るように、イメージセンサデバイス３０の１つ以上のボンディングパッド（図示されていない）が後の処理段階で形成される領域を含む。スクライブライン領域５９は、隣接の半導体ダイから１つの半導体ダイ（例えば、ボンディングパッド領域５６、周辺領域５４、及び画素領域５２を含む半導体ダイ）を分離させる領域を含む（図示されていない）。スクライブライン領域５９は、ダイが集積回路チップとしてパッケージされて、販売される前に、後の製造プロセスでそれを通して切断され、隣接のダイを分離する。スクライブライン領域５９は、各ダイの半導体デバイスがダメージを受けないような方法で切断される。これらの領域５２〜５９は、デバイス基板３２の上下に垂直に延伸することも理解される。
図３を参照すると、相互接続構造６５は、デバイス基板３２の表面３４の上に形成される。相互接続構造６５は、イメージセンサデバイス３０の種々のドープされた特徴、回路、及び入力／出力間の相互接続（例えば配線）を提供する複数のパターン化された誘電体層及び導電層を含む。相互接続構造６５は、層間絶縁膜（ILD）及び多層相互接続（MLI）構造を含む。MLI構造は、コンタクト、ビア、及び金属線を含む。説明のために、複数の導電線６６及びビア／コンタクト６８が図３に表されている。示されている導電線６６及びビア／コンタクト６８は、単に例示的なものであることは理解され、実際の導電線６６及びビア／コンタクト６８の位置決めと構成は、設計の必要に応じて異なってもよい。
MLI構造は、例えば、アルミニウム、アルミニウム／シリコン／銅合金、チタン、窒化チタン、タングステン、ポリシリコン、金属シリサイド、またはその組み合わせを含むことができ、アルミニウム配線とも呼ばれる。アルミニウム配線（interconnect）は、物理気相成長（PVD）（またはスパッタリング）、化学気相成長（CVD）、原子層堆積（ALD）、またはその組み合わせを含むプロセスによって形成され得る。アルミニウム相互接続を形成する他の製造技術は、フォトリソグラフィープロセス及びエッチングを含み、垂直接続（例えばビア／コンタクト６８）、水平接続（例えば導電線６６）の導電材料をパターン化する。あるいは又、銅多層配線は、金属パターンを形成するのに用いられ得る。銅配線構造は、銅、銅合金、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、タングステン、ポリシリコン、金属シリサイド、またはその組み合わせを含むことができる。銅配線構造は、CVD、スパッタリング、プレーティング（めっき）、または他の好適なプロセスを含む技術によって形成され得る。
引き続き図３を参照すると、緩衝層７０は、相互接続構造６５に形成される。本実施形態では、緩衝層７０は、酸化ケイ素などの誘電材料を含む。あるいは又、緩衝層７０は、選択的に窒化ケイ素を含むことができる。緩衝層７０は、CVD、PVD、または他の好適な技術によって形成される。緩衝層７０は平坦化され、化学機械研磨（CMP）プロセスによって平滑な表面を形成する。
その後、キャリア基板（carrier substrate）７５は、緩衝層７０を介してデバイス基板３２と接合され、デバイス基板３２の裏面３６の処理は実行することができる。 本実施形態のキャリア基板７５は、基板３２と同様であり、シリコン材料を含む。あるいは又、キャリア基板７５は、ガラス基板または他の好適な材料を含み得る。キャリア基板７５は、分子力（直接ボンディングまたは光融着ボンディング（optical fusion bonding）として知られている技術）によって、または例えば金属拡散または陽極接合などの従来知られている他のボンディング技術によってデバイス基板３２に接合され得る。
図３を再度参照すると、緩衝層７０は、デバイス基板３２とキャリア基板７５との間の電気分離を提供する。キャリア基板７５は、デバイス基板３２の表面３４に形成された画素４０及び４２などの種々の特徴（features）の保護を提供する。キャリア基板７５は、機械的強度も提供し、以下のようにデバイス基板３２の裏面３６の処理もサポートする。接合後、デバイス基板３２とキャリア基板７５は、選択的にアニールされて接合強度を向上させる。
引き続き図３を参照すると、キャリア基板７５が接合された後、次いで薄化プロセス８０が実行され、裏面３６からデバイス基板３２を薄化する。薄化プロセス８０は、機械研削プロセス及び化学薄化プロセスを含むことができる。基板材料の相当量が先ず、機械研削プロセス中にデバイス基板３２から除去することができる。次いで、化学薄化プロセスは、デバイス基板３２の裏面３６に侵食性化学物質を加え、デバイス基板３２を数ミクロン程度の厚さ８５に更に薄化することができる。本実施形態では、厚さ８５は、約５umより小さい、例えば約２〜３umである。１つの実施形態では、厚さ８５は、少なくとも約１umより大きい。本発明に開示された特定の厚さは、単なる例に過ぎず、他の厚さがイメージセンサデバイス３０のアプリケーションのタイプ及び設計条件に従って導入され得ることは理解される。
図４を参照すると、反射防止コーティング（ARC）層１００は、デバイス基板３２の裏面３６上に形成される。ARC層１００は、例えばCVD、PVD、ALD、またはその組み合わせなどの適当な堆積プロセスによって形成され得る。ARC層１００は、裏面３６からデバイス基板３２に向けて投射される放射波の反射を減少するのに好適な材料を含み得る。例えば、ARC層１００は、ケイ素または窒素を含み得る。ARC層１００は、約１００オングストロームから約３５００オングストロームの範囲にある厚さ１０５を有する。
その後、層１１０は、ARC層１００上に形成される。層１１０は、例えばCVD、PVD、ALD、またはその組み合わせなどの適当な堆積プロセスによって形成され得る。層１１０は、薄化されたデバイス基板３２を含む、下方の層に引張応力を与える。引張応力は、材料を膨張（expansion）させる一種の応力であり、材料の長さが引張方向に増加する傾向があることを意味している。 逆に、圧縮応力は、引張応力の反対であり、材料を収縮（contraction）させる一種の応力であり、材料の長さが圧縮方向に減少する傾向があることを意味している。ここでは、層１１０は、下方の層に引張応力を与えるため、その結果、圧縮応力は、その下方の層から層１１０に加えられる。このようなものとして、層１１０は、圧縮層／膜または圧縮応力（compressively-stressed）層／膜と呼ぶこともできる。
１つの実施形態では、層１１０によって与えられた引張応力の量は、約０.０１ギガパスカル（GPa）から約１.０GPaの範囲にある。よって層１１０は、圧縮膜であり（その固有応力がケイ素と比較して圧縮力がある）、ケイ素に引張応力を与える。望ましい量の引張応力を与えることができるように、層１１０は、十分な厚さを有する必要がある。１つの実施形態では、層１１０は、約１００オングストロームから約３５００オングストロームの範囲にある、例えば、約１２００オングストロームの厚さ１１５を有する。
また、BSIイメージセンサデバイス３０が裏面３６から投射される放射波を感知するため、層１１０は、放射の経路にある。放射線検出の干渉を避けるために、層１１０用の材料は、低い吸収係数（K）値及び適当な屈折率（N）値を有するように選択される。また、放射線の予期しない（unintended）吸収を減少するために、層１１０は、０に近づく（または０に近い）吸収係数値を有する。１つの実施形態では、層１１０の吸収係数値は、約０から約０.２の範囲にある。放射線の予期しない（unintended）反射と屈折を減少するために、層１１０は、以下のように計算される屈折率値を有する：N（層１１０）＝（N（層１１０の下方の層）* N（層１１０の上方の層））の平方根。 言い換えれば、層１１０の屈折率値は、層１１０の下方の層の屈折率値と層１１０の上方の層の屈折率値の積（product）の平方根と等しい。１つの実施形態では、層１１０の屈折率値は、約１.４から約２.５の範囲にある。
層１１０のいくつかの実施形態は、それらの形成プロセスとともに、以下に説明される。１つの実施形態では、プラズマ強化（enhanced）窒化ケイ素材料が層１１０の材料として選択される。SiH4、NH3、及びN2は、約３トールと約１０トールの間の成形圧力、及び摂氏約３５０度と約４００度の間の成形温度を有する形成プロセスにおけるフォーミングガスとして用いられる。その結果、本実施形態の層１１０は、約０の吸収係数値、及び約１.９と２の間の屈折率値を有する。本実施形態の層１１０は、約０.２GPaと約０.３GPaの間の引張応力を与えることができる。
もう１つの実施形態では、プラズマ強化酸化物材料が層１１０の材料として選択される。SiH4とN2Oは、約３トールと約１０トールの間の成形圧力、及び摂氏約３５０度と約４００度の間の成形温度を有する形成プロセスにおけるフォーミングガスとして用いられる。その結果、本実施形態の層１１０は、約０の吸収係数値、及び約１.４６と１.５の間の屈折率値を有する。本実施形態の層１１０は、約０.０１GPaと約０.１GPaの間の引張応力を与えることができる。
またもう１つの実施形態では、炭化ケイ素材料が層１１０の材料として選択される。Si(CH3)4 は、約３トールと約１０トールの間の成形圧力、及び摂氏約３５０度と約４００度の間の成形温度を有する形成プロセスにおけるフォーミングガスとして用いられる。その結果、本実施形態の層１１０は、約０の吸収係数値、及び約２.３の屈折率値を有する。本実施形態の層１１０は、約０.７GPaの引張応力を与えることができる。
もう１つの実施形態では、プラズマ強化酸窒化ケイ素材料が層１１０の材料として選択される。SiH4、N2、とN2Oは、約３トールと約１０トールの間の成形圧力、及び摂氏約３５０度と約４００度の間の成形温度を有する形成プロセスにおけるフォーミングガスとして用いられる。その結果、本実施形態の層１１０は、約０.２の吸収係数値、及び約２の屈折率値を有する。本実施形態の層１１０は、約０.０１GPaと約０.１GPaの間の引張応力を与えることができる。
層１１０及びARC層１００は、図４に示される実施形態では分かれた層として示されているが、他の実施形態ではこれらの層は単一層に統合されてもよいことは理解できる。言い換えれば、ARC層１００の材料組成は、ARC層１００が低い吸収係数値、適当な屈折率値を有する手法で選択され、十分な量の引張応力をデバイス基板３２に与えることができる。
特定の実施形態に関わらず、以下に更に詳しく述べられるように、層１００によってデバイス基板３２に与えられる引張応力は、漏れ電流を減少する助けをし、後続の製造プロセスの付加的な層によって与えられた圧縮応力を相殺する助けをする。
図５を参照すると、放射線遮蔽（または放射線ブロッキング（radiation-blocking））デバイス１３０は、周辺領域５４、かつ層１１０上に形成される。前述のように、周辺領域５４は、光学的に暗い状態にしておく必要がある。１つの理由は、周辺領域が放射線を受けてはならない参照画素（例えば参照画素６１）を含むため、画素領域５２の画素用に放射線強度の正確な基準値を確立することができることである。よって、放射線遮蔽デバイス１３０は、下方のデバイス６０〜６１上に位置され、放射線を実質的に通さない材料を含む。 図５に示される実施形態では、放射線遮蔽デバイス１３０は、デバイス６０〜６１と位置合わせされ、例えばAlCuの金属材料を含む。放射線遮蔽デバイス１３０は、約１０００オングストロームから約５０００オングストロームの範囲にある厚さ１３５を有する。
放射線遮蔽デバイス１３０自体は、引張応力を受ける。これは、放射線遮蔽デバイス１３０が圧縮応力を下方の層に加えることを意味する。層１１０が実装されていなければ、放射線遮蔽デバイス１３０は、比較的高い圧縮応力をデバイス基板３２に与える。 この圧縮応力は、デバイス基板に短くなった（shortened）（narrower（より狭い））バンドギャップを有するようにする。短くなったバンドギャップは、例えば画素内の電子キャリアが価電子帯から伝導帯に、より容易にジャンプできるため、漏れ電流を生じることを意味する。このような漏れ電流が、光学的に暗い環境になる場合、漏れ電流は暗電流と呼ぶことができる。従来のBSIイメージセンサデバイスでは、光遮蔽要素（light-shielding component）によって生じた圧縮応力は、画素領域のバンドギャップが周辺領域のバンドギャップと異なることを意味する。よって、周辺領域の参照画素は、画素領域のセンサ画素（sensor pixels）より、大きな漏れ電流量を有する可能性がある。この漏れ電流の相違は、不正確な基準値の放射線強度の計算を招くため、従来のBSIイメージセンサデバイスの性能を下げる。
比較として、ここでのBSIイメージセンサデバイス３０は、層１１０を用いて引張応力を与え、放射線遮蔽デバイス１３０によって生じる圧縮応力を相殺する。上述のように、引張応力は、圧縮応力と正反対でバンドギャップを広くする。従って、放射線遮蔽デバイス１３０によって生じる圧縮応力は、層１１０によって与えられた引張応力によって実質的に相殺されるかまたは減少される。よって、BSIイメージセンサデバイス３０は、漏れ電流を減少して、より正確な基準値の放射線強度の計算を可能にする。
図６を参照すると、付加的なプロセスがBSIイメージセンサデバイス３０の製造を完成させるのに実行されてもよい。例えば、保護（パッシベーション）層１４０が放射線遮蔽デバイス１３０上に形成されてもよい。保護層１４０は、湿気、ほこり、または他の汚染物質がBSIイメージセンサデバイス３０内に入るのを防ぐ、良好な密閉特性がある材料を含むことができる。１つの実施形態では、保護層１４０は、例えば、紫外線窒化ケイ素（UVSN）の窒化ケイ素材料を含み得る。しかし、保護層１４０は、放射線吸収により層１１０上に形成されない可能性もある。そのため、層１１０は、保護層として扱われ、良好な密閉特性を提供することができる。次のプロセスでは、カラーフィルター層１５０は、層１１０の上方に形成され、ARC層１００は、層１１０の下方に形成される。層１１０の屈折率値は、ARC層１００の屈折率値とカラーフィルター層１５０の屈折率値の積の平方根と等しくなるように計算される。よって、層１１０の屈折率値は、ARC層１００の屈折率値の関数である。層１１０の屈折率値は、カラーフィルター１５０の屈折率値の関数でもある。
カラーフィルター層１５０は、画素領域５２に形成され得る。カラーフィルター層１５０は、入射する放射線がその上に、且つそれを通って導かれるように、位置決めされ得る複数のカラーフィルターを含むことができる。カラーフィルターは、入射する放射線の特定の波長帯域をフィルタリングする染料ベース（または、顔料ベースの）ポリマーまたは樹脂を含み、色スペクトル（例えば、赤、緑、及び青）に対応する。その後、複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズ層１６０は、カラーフィルター層１５０上に形成される。マイクロレンズは、例えば画素４０または４２などのデバイス基板３２の特定の放射線検出領域に向けて入射する放射線を導き、集束する。マイクロレンズは、さまざまな配置で位置決めされ、マイクロレンズに用いられる材料の屈折率及びセンサ表面からの距離に応じて、さまざまな形状を有することができる。デバイス基板３２は、カラーフィルター層１５０またはマイクロレンズ層１６０を形成する前に、選択的なレーザーアニーリングプロセスを受けることもできることは理解される。
また、ボンディングパッド１７０は、ボンディングパッド領域５６に形成される。ボンディングパッド１７０は、ボンディングパッド領域５６に開口をエッチングし、開口に少なくとも部分的に導電材料を充填することによって形成される。導電材料は、例えばAlCuなどの金属または金属化合物を含むことができる。ボンディングパッド１７０は、相互接続構造６５に電気的に結合され、例えば、導電線６６の１つに結合される。ボンディングパッド１７０によって、電気的接続はBSIイメージセンサデバイス３０と外部素子の間に確立することができる。
上述の一連の製造プロセスは、制限を意図するものではない。いくつかの層、または素子は、ここで示されるものでなく他の実施形態の異なるプロセスの順序に基づいて形成されてもよい。例えば、ボンディングパッド１７０及び放射線遮蔽デバイス１３０は、同じ製造プロセスを用いて形成され得る。また、いくつかの他の層が形成され得るが、簡易化のためにここでは示されない。例えば、１つ以上の誘電体層が層１１０の上方及び／または放射線遮蔽デバイス１３０の下方に形成することができる。
本発明の実施形態は、従来のBSIイメージセンサより有利な点を与え、他の実施形態が異なる利点を与え得ることが理解され、特定の利点が任意の実施形態に必要とされることはない。１つの利点は、層１１０が引張応力をデバイス基板３２に与えるので、さもなくばデバイス基板３２に加えられる圧縮応力を層１１０が相殺することである。言い換えれば、デバイス基板３２は、圧縮応力により影響されない。このようにして、漏れ電流は減少することができ、放射線強度の計算はより正確に実行することができる。
他の利点として、層１１０の形成は、現存のBSIイメージセンサのプロセスの流れと互換性があることである。層１１０は、生産ラインで現在利用できる処理チャンバを用いて形成することができる。また、層１１０の吸収係数値及び屈折率値は、放射線検出を妨げないように、適当な範囲になるように合わせられる。
図７A、７B、７C、及び７Dは、本発明の実施形態対従来のイメージセンサデバイスによって提供される改善を示している図であり、各図は、異なる状況に対応している。具体的には、図７Aは、カラーフィルター層が形成される前の参照画素の暗電流の性能（performance）に対応しており、図７Bは、カラーフィルター層が形成された後の参照画素の暗電流の性能に対応しており、図７Cは、カラーフィルター層が形成される前のセンサ画素の暗電流の性能に対応しており、且つ図７Dは、カラーフィルター層が形成された後のセンサ画素の暗電流の性能に対応している。
図７Aは、２つのプロット曲線２００A及び２１０Aを表しており、図７Bは、２つのプロット曲線２００B及び２１０Bを表しており、図７Cは、２つのプロット曲線２００C及び２１０Cを表しており、且つ図７Dは、２つのプロット曲線２００D及び２１０Dを表している。プロット曲線２００A〜２００Dは、本発明の実施形態に基づいて製造されたBSIイメージセンサデバイスの暗電流の性能を表しており、プロット曲線２１０A〜２１０Dは、従来のBSIイメージセンサデバイスの暗電流の性能を表している。それぞれの図では、X軸は電子／秒の単位で暗電流（漏れ電流）を測定し、Y軸はチップ分布の百分率を測定している。よって、プロット曲線の所与の点は、特定の暗電流のしきい値を満たすか、または特定の暗電流の制限以下のチップ（BSIイメージセンサデバイス）の百分率分布を示している。
例として、図７Aのプロット曲線２００A上の点２３０を参照すると、そのX軸値はX（A）、及びそのY軸値は、およそ９６％である。これは、本発明の実施形態に基づいて製造されたBSIイメージセンサでは、カラーフィルターが形成される前、チップのおよそ９６％がX（A）より少ないか、または等しい暗電流レベルを有する参照画素を含むということを意味する。もう１つの例として、図７Bのプロット曲線２１０B上の点２３５を参照すると、そのX軸値はX（B）、及びそのY軸値は、およそ９０％である。これは、従来のBSIイメージセンサでは、カラーフィルターが形成された後、チップのおよそ９０％がX（B）より少ないか、または等しい暗電流レベルを有する参照画素を含むということを意味する。またもう１つの例として、図７Dのプロット曲線２００D上の点２４０を参照すると、そのX軸値はX（D）、及びそのY軸値は、およそ８０％である。これは、本発明の実施形態に基づいて製造されたBSIイメージセンサでは、カラーフィルターが形成された後、チップのおよそ８０％がX（D）より少ないか、または等しい暗電流レベルを有するセンサ画素を含むということを意味する。
各プロット曲線と関連した特定値に関係なく、対応する図において、プロット曲線２００A〜２００Dは、プロット曲線２１０A〜２１０Dよりも良好な暗電流の性能を有することが見られる。言い換えると、処理段階がカラーフィルター層の形成段階の前または後であるかに関わらず、且つ参照画素またはセンサ画素であるかに関わらず、本発明の実施形態に基づいて製造されたBSIイメージセンサは、従来のBSIイメージセンサよりも良好な暗電流の性能を有する。具体的には、本発明の実施形態に基づいて製造されたBSIイメージセンサは、従来のBSIイメージセンサよりも所定の暗電流のしきい値（そのしきい値が何であっても）を満たすチップ比率は高くなるものである。
イメージセンサデバイスを含む本発明の広範な態様の１つは、表面及び表面と対向する裏面を有する基板、基板に配置され、裏面を通過して基板に入射する放射波を検出するように動作可能である放射線検出領域、基板の表面の上に配置された相互接続構造、基板の裏面の上に配置され、基板に引張応力を与える材料層、及び材料層の少なくとも一部の上に配置された放射線遮蔽デバイスを含む。
イメージセンサデバイスを含む本発明の広範な態様のもう１つは、表面及び第１面と対向する裏面を有し、画素領域及び周辺領域を有する基板、基板の画素領域に配置される複数の放射線検出領域であって、それぞれが裏面を通過して放射線検出領域に向けて投射される放射線を感知するように動作可能である複数の放射線検出領域、周辺領域に配置される参照画素、基板の表面に結合され、複数の相互接続層を含む相互接続構造、基板の裏面の上に形成され、薄膜が基板に引張応力を受けさせる圧縮応力薄膜、及び薄膜上に配置され、参照画素と位置合わせされる放射線遮蔽デバイスを含む。
本発明の広範な態様のまたもう１つは、イメージセンサデバイスを製造する方法を含み、この方法は、放射線検出デバイスをデバイス基板に形成するステップであって、デバイス基板は、表面及び表面と対向する裏面を有し、且つ放射線検出デバイスは、裏面を通過してデバイス基板に入射する放射波を検出するように動作可能である放射線検出デバイスを形成するステップ、デバイス基板の表面の上に相互接続構造を形成するステップ、デバイス基板の裏面の上に、デバイス基板に引張応力を与える材料層を形成するステップ、及び前記材料層の少なくとも一部の上に放射線遮蔽要素を形成するステップを含む。
以上、当業者が本開示の態様をより理解できるように幾つかの実施の形態特徴を概説した。当業者は、本開示を、ここで採用された実施の形態の、同じ目的を実行しおよび／または同じ利点を達成するために他のプロセスおよび構造を設計又は改変するための基礎として、容易に使用できることが分かる。本開示の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であればそのような等価な構成を達成することが可能であり、当業者は、本開示の精神および範囲を逸脱せずに、ここで種々の変更、代替、および改変をするだろう。
３０ イメージセンサデバイス
３２ デバイス基板
３４ 表面（前面）
３６ 裏面（背面）
３８ 初期厚さ
４０、４２ 画素
４３ 入射光
４６ 注入プロセス
４７、４９ 分離構造
５２ 画素領域
５４ 周辺領域
５６ ボンディングパッド領域
５９ スクライブライン領域
６０、６１ デバイス
６５ 相互接続構造
６６ 導電線
６８ ビア／コンタクト
７０ 緩衝層
７５ キャリア基板
８０ 薄化プロセス
８５ 厚さ
１００ 反射防止コーティング（ARC）層
１０５ 厚さ
１１０ 層
１１５ 厚さ
１３０ 放射線遮蔽デバイス
１３５ 厚さ
１４０ 保護層
１５０ カラーフィルター層
１６０ マイクロレンズ層
１７０ ボンディングパッド
３２ デバイス基板
３４ 表面（前面）
３６ 裏面（背面）
３８ 初期厚さ
４０、４２ 画素
４３ 入射光
４６ 注入プロセス
４７、４９ 分離構造
５２ 画素領域
５４ 周辺領域
５６ ボンディングパッド領域
５９ スクライブライン領域
６０、６１ デバイス
６５ 相互接続構造
６６ 導電線
６８ ビア／コンタクト
７０ 緩衝層
７５ キャリア基板
８０ 薄化プロセス
８５ 厚さ
１００ 反射防止コーティング（ARC）層
１０５ 厚さ
１１０ 層
１１５ 厚さ
１３０ 放射線遮蔽デバイス
１３５ 厚さ
１４０ 保護層
１５０ カラーフィルター層
１６０ マイクロレンズ層
１７０ ボンディングパッド
Claims (10)
- 表面及び前記表面と対向する裏面を有する基板、
前記基板に配置され、前記裏面を通過して前記基板に入射する放射波を検出するように動作可能である放射線検出領域、
前記基板の前記表面の上に配置された相互接続構造、
前記基板の前記裏面の上に配置された材料層であって、この材料層は、前記基板に引張応力を与え、約０から約０.２の範囲にある吸収係数値を有し、且つ約１.４から約２.５の範囲にある屈折率値を有すること、及び
前記材料層の少なくとも一部の上に配置された放射線遮蔽デバイスを含むイメージセンサデバイス。 - 前記引張応力は、約０.０１ギガパスカルから約１ギガパスカルの範囲にあり、
前記材料層は、プラズマ強化窒化ケイ素材料を含み、且つ
前記材料層は、約３トールと約１０トールの間の成形圧力で形成される請求項１に記載のイメージセンサデバイス。 - 前記材料層と前記基板の間に配置され、前記材料層が前記ARC層の第２屈折率値の関数である第１屈折率値を有する反射防止コーティング（ARC）層、及び
前記材料層の上に配置される保護層であって、この保護層と前記ARC層が前記材料層の対向側に配置されることを含む請求項１に記載のイメージセンサデバイス。 - 前記イメージセンサデバイスは、画素領域と周辺領域を含み、参照画素が前記周辺領域に配置され、
前記放射線検出領域は、前記画素領域に配置され、且つ
前記放射線遮蔽デバイスは、前記周辺領域に配置され、前記放射波が前記参照画素に到達するのを実質的に防ぐ請求項１に記載のイメージセンサデバイス。 - 表面及び第１面と対向する裏面を有し、画素領域及び周辺領域を有する基板、
前記基板の前記画素領域に配置される複数の放射線検出領域であって、それぞれが前記裏面を通過して放射線検出領域に向けて投射される放射線を感知するように動作可能である複数の放射線検出領域、
前記周辺領域に配置される参照画素、
前記基板の前記表面に結合され、複数の相互接続層を含む相互接続構造、
前記基板の前記裏面の上に形成される薄膜であって、この薄膜は、約０から約０.２の範囲にある吸収係数値を有し、約１.４から約２.５の範囲にある屈折率値を有し、且つ
前記基板に引張応力を与えること、及び
前記薄膜上に配置され、前記参照画素と位置合わせされる放射線遮蔽デバイスを含むイメージセンサデバイス。 - 前記材料層は、約３トールと約１０トールの間の成形圧力で形成され、
前記薄膜は、０に近い吸収係数値を有し、
前記薄膜は、層の上方の層の屈折率値と層の下方の層の屈折率値の積の平方根とほぼ等しい屈折率値を有し、且つ
前記引張応力は、約０.０１ギガパスカルから約１ギガパスカルの範囲にある請求項５に記載のイメージセンサデバイス。 - 放射線検出デバイスをデバイス基板に形成するステップであって、前記デバイス基板は、表面及び前記表面と対向する裏面を有し、且つ前記放射線検出デバイスは、前記裏面を通過して前記デバイス基板に入射する放射波を検出するように動作可能であるステップ、
前記デバイス基板の前記表面の上に相互接続構造を形成するステップ、
前記デバイス基板の前記裏面の上に材料層を形成するステップであって、前記材料層は、前記基板に引張応力を与え、約０から約０.２の範囲にある吸収係数値を有し、且つ約１.４から約２.５の範囲にある屈折率値を有するステップ、及び
前記材料層の少なくとも一部の上に放射線遮蔽要素を形成するステップ含むイメージセンサデバイスの製造方法。 - 前記材料層を形成するステップは、前記引張応力が約０.０１ギガパスカルから約１ギガパスカルの範囲にあり、
前記材料層がプラズマ強化窒化ケイ素材料を含み、且つ
前記材料層は、約３トールと約１０トールの間の成形圧力で形成されるように実行される請求項７に記載の方法。 - 前記材料層を形成するステップの前に、前記デバイス基板の前記裏面の上に反射防止コーティング（ARC）層を形成するステップであって、前記材料層を形成するステップは、前記材料層が前記ARC層の第２屈折率値の関数である第１屈折率値を有するように実行されるステップ、
前記材料層を形成するステップの後に、前記材料層の上に保護層を形成するステップ、
前記デバイス基板にキャリア基板を接合するステップ、及び
前記裏面から前記デバイス基板を薄化するステップを更に含む請求項７に記載の方法。 - 前記イメージセンサデバイスは、画素領域と周辺領域を含み、前記方法は、前記周辺領域に参照画素を形成するステップを更に含み、
前記放射線検出デバイスを形成するステップは、前記放射線検出デバイスが前記画素領域に形成されるように実行され、且つ
前記放射線遮蔽要素を形成するステップは、前記放射線遮蔽要素が前記周辺領域に形成され、前記放射波が前記参照画素に到達するのを実質的に防ぐように実行される請求項７に記載の方法。
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