KR101768377B1 - 딥-트렌치 격리 구조를 갖는 이미지-센서 디바이스를 형성하기 위한 매커니즘 - Google Patents

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Abstract

이미지-센서 디바이스를 형성하기 위한 매커니즘들의 실시예들이 제공된다. 이미지-센서 디바이스는 전면 표면 및 배면 표면을 갖는 기판을 포함한다. 이미지-센서 디바이스는 또한 배면 표면을 통해 기판에 진입하는 입사 방사선을 검출하도록 동작 가능한 방사선 감지 영역을 포함한다. 이미지-센서 디바이스는 또한 기판 내에 그리고 방사선-감지 영역에 인접하게 형성되는 도핑된 격리 영역을 포함한다. 또한, 이미지-센서 디바이스는 도핑된 격리 영역에 형성되는 딥-트렌치 격리 구조를 포함한다. 딥-트렌치 격리 구조는 배면 표면으로부터 연장되는 트렌치 및 이 트렌치를 커버하는 음으로 하전된 막을 포함한다.

Description

딥-트렌치 격리 구조를 갖는 이미지-센서 디바이스를 형성하기 위한 매커니즘{MECHANISMS FOR FORMING IMAGE-SENSOR DEVICE WITH DEEP-TRENCH ISOLATION STRUCUTRE}
반도체 이미지 센서들은 광과 같은 방사선(radiation)을 감지하는데 이용된다. 상보적 금속-산화물-반도체(CMOS) 이미지 센서들(CIS) 및 전하-커플링된 디바이스(charged-coupled device; CCD) 센서들이 디지털 카메라 또는 모바일 전화 카메라 애플리케이션들과 같은 다양한 애플리케이션들에서 널리 이용된다. 이들 디바이스들은 기판 쪽으로 프로젝팅된 방사선을 흡수하고 감지된 방사선을 전기 신호들로 변환하기 위해, 포토다이오드들 및 트랜지스터들을 비롯해서, 기판의 픽셀들의 어레이를 활용한다.
배면측-조명(backside-illuminated; BSI) 이미지-센서 디바이스는 일 타입의 이미지-센서 디바이스이다. BSI 이미지-센서 디바이스는 (BSI 이미지-센서 디바이스의 이미지 센서 회로를 지지하는) 기판의 배면측 표면 쪽으로 프로젝팅되는 광의 양(volume)을 감지하기 위해 이용된다. 픽셀 그리드는 기판의 전면측에 위치되고, 기판은 기판의 배면측 쪽으로 프로젝팅된 광이 픽셀 그리드에 도달할 수 있도록 충분히 얇다. BSI 이미지-센서 디바이스는 전면측-조명된(frontside-illuminated; FSI) 이미지-센서 디바이스에 비해, 높은 충전율 및 감소된 해로운 간섭을 제공하다. 기존의 BSI 이미지-센서 디바이스들 및 이들 BSI 이미지-센서 디바이스들을 제조하는 방법들은 일반적으로 그들의 의도된 목적들에 충분할 수 있지만, 디바이스 크기 감소(device scaling down)가 지속됨에 따라, 이들은 모든 면들에서 완전히 만족스러운 것은 아니다.
본 개시 및 본 개시의 이점들의 보다 완전한 이해를 위해, 첨부 도면들과 함께 이루어지는 다음의 설명들에 대한 참조가 이제 이루어진다.
도 1은 몇몇 실시예들에 따라 이미지-센서 디바이스를 제조하기 위한 방법을 예시하는 흐름도를 도시한다.
도 2 내지 도 9는 몇몇 실시예들에 따라 다양한 제조 스테이지들에서 이미지-센서 디바이스의 개략적인 단편적 단면도들이다.
다음의 개시는 본 개시의 상이한 특징들을 구현하기 위한 다수의 상이한 실시예들 또는 예들을 제공한다는 것이 이해될 것이다. 컴포넌트들 및 배열들의 특정한 예들이 본 개시를 단순하게 하기 위해 아래에서 설명된다. 이들은 물론 단지 예들일 뿐이며, 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한, 이어지는 설명에서 제 2 프로세스 이전의 제 1 프로세스의 수행은 제 2 프로세스가 제 1 프로세스 직후 수행되는 실시예들을 포함할 수 있고 부가적인 프로세스들이 제 1 및 제 2 프로세스들 사이에 수행될 수 있는 실시예들을 또한 포함할 수 있다. 다양한 특징들이 단순함 및 명료함을 위해 상이한 축적으로 임의로 그려질 수 있다. 또한, 이어지는 설명에서 제 2 특징 위의 또는 그 상의 제 1 특징의 형성은 제 1 및 제 2 특징들이 직접 접촉하는 실시예들을 포함할 수 있고, 제 1 및 제 2 특징들이 직접 접촉하지 않을 수 있도록 제 1 및 제 2 특징들 사이에 부가적인 특징들이 형성될 수 있는 실시예들을 또한 포함할 수 있다. 또한, 다양한 도면들 및 실시예들에서 유사한 엘리먼트들은 동일하거나 유사한 참조 번호들에 의해 식별된다.
본 개시에 따른 이미지-센서 디바이스는 배면측-조명(BSI) 이미지-센서 디바이스이다. BSI 이미지-센서 디바이스는 전하-커플링된 디바이스(CCD), 상보적 금속 산화물 반도체(CMOS) 이미지 센서(CIS), 액티브-픽셀 센서(active-pixel sensor; APS) 또는 패시브-픽셀 센서를 포함한다. 이미지-센서 디바이스는 픽셀들의 동작 환경을 제공하기 위해 그리고 픽셀들과의 외부 통신을 지원하기 위해 픽셀들의 그리드에 인접하게 제공되는 부가적인 회로 및 입력/출력들을 포함할 수 있다.
도 1에는 몇몇 실시예들에 따른 이미지-센서 디바이스를 제조하기 위한 방법의 흐름도가 예시된다. 도 1을 참조하면, 방법(10)은 전면 표면 및 배면 표면을 갖는 기판이 제공되는 블록(11)과 함께 시작한다. 기판은 방사선-감지 영역(radiation-sensing region) 및 방사선-감지 영역에 인접한 도핑된 격리 영역을 포함한다. 방법(10)은 딥-트렌치 격리 구조(deep-trench isolation structure)가 형성되는 블록(13)으로 이어진다. 딥-트렌치 격리 구조는 배면 표면으로부터 연장되는 트렌치 및 트렌치를 커버하는 음으로 하전된 막을 포함한다. 방법(10)은 반사 조각(reflective piece)이 딥-트렌치 격리 구조 위에 형성되는 블록(15)으로 이어진다.
도 2 내지 도 9는 몇몇 실시예들에 따라 다양한 제조 스테이지들에서의 이미지-센서 디바이스의 개략적인 단편적 단면도들이다. 도 2 내지 도 9는 본 개시의 실시예들의 더 나은 이해를 위해 단순화된다는 것이 이해된다.
도 2를 참조하면, 이미지-센서 디바이스(100)는 기판(102)을 포함한다. 기판(102)은 디바이스 기판이다. 기판(102)은 반도체 기판일 수 있다. 기판(102)은 붕소와 같은 p-타입 도펀트로 도핑된 실리콘 기판일 수 있으며, 이 경우에 기판(102)은 p-타입 기판이다. 대안적으로, 기판(102)은 다른 적합한 반도체 물질일 수 있다. 예를 들어, 기판(102)은 인 또는 비소와 같은 N-타입 도펀트로 도핑된 실리콘 기판일 수 있으며, 이 경우에 기판은 N-타입 기판이다. 기판(102)은 게르마늄 또는 다이아몬드와 같은 다른 원소 반도체 물질들을 포함할 수 있다. 기판(102)은 화합물 기판 및/또는 합금 반도체를 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 기판(102)은 성능 강화를 위해 스트레인(strain)될 수 있는 에피택셜 층(epi 층)을 포함할 수 있고, 절연체 상의 실리콘(silicon-on-insulator; SOI) 구조를 포함할 수 있다.
기판(102)은 전면 표면(104)(또한 전면측으로서 지칭됨) 및 배면 표면(106)(배면측으로서 또한 지칭됨)을 갖는다. 이미지-센서 디바이스(100)와 같은 BSI 이미지 센서 디바이스에 대해, 입사 방사선은 배면 표면(106)을 통해 기판(102)에 진입한다. 몇몇 실시예들에서, 기판(102)은 약 500㎛내지 약 1000㎛ 범위의 두께를 갖는다. 기판(102)은 몇몇 실시예들에 따라 프론트 엔드(front end) 프로세스들로 제조된다. 예를 들어, 기판(102)은 픽셀 영역, 주변 영역, 본딩 패드 영역, 및 스크라이브 라인 영역을 포함할 수 있는 다양한 영역들을 포함한다. 단순함을 위해, 픽셀 영역의 단지 부분만이 도 2 내지 도 9에서 도시된다.
픽셀 영역은 방사선-감지 영역들(108) 및 도핑된 격리 영역들(110)을 포함한다. 방사선-감지 영역들(108)은 기판(102)의 도핑 극성과 반대의 도핑 극성으로 도핑된다. 방사선-감지 영역들(108)은 하나 이상의 주입 프로세스들 또는 확산 프로세스들에 의해 형성된다. 방사선-감지 영역들(108)은 기판(102)의 전면 표면(104) 근처에 또는 이에 인접하게 형성된다. 픽셀 영역의 일부만이 도 2에서 도시되지만, 픽셀 영역은 피닝 층 포토다이오드들(pinned layer photodiodes), 포토다이오드 게이트들, 리셋 트랜지스터들, 소스 팔로워 트랜지스터들(source follower transistors) 및 전달 트랜지스터들을 더 포함할 수 있다. 단순함을 위해, 위의 특징들의 상세한 구조들이 본 개시의 도면들에서 도시되지 않는다.
방사선-감지 영역들(108)은 배면 표면(106)으로부터 픽셀 영역에 진입하는 입사 방사선을 감지하도록 동작 가능하다. 입사 방사선은 가시광일 수 있다. 대안적으로 입사 방사선은 적외선(IR), 자외선(UV), X-광선, 마이크로파, 다른 적합한 타입들의 방사선 또는 이들의 결합일 수 있다.
도핑된 격리 영역들(110)은 몇몇 실시예들에 따라 방사선-감지 영역들(108)에 인접하다. 도핑된 격리 영역들(110)은 전면 표면(104) 근처에 또는 이에 인접하게 형성된다. 이웃하는 방사선-감지 영역들(108)의 각각의 쌍은 각각의 도핑된 격리 영역들(110) 중 하나에 의해 서로로부터 분리된다. 도핑된 격리 영역들(110)은 기판(102)의 도핑 극성과 동일한 도핑 극성으로 도핑된다. 몇몇 실시예들에서, 도핑된 격리 영역들(110)의 도핑 농도는 기판(102)의 도핑 농도보다 높다. 예를 들어, 도핑된 격리 영역들(110)의 도핑 농도는 cm3 당 약 1E16 내지 cm3 당 약 1E20의 범위에 있다. 도핑된 격리 영역들(110)은 하나 이상의 주입 프로세스들 또는 확산 프로세스들에 의해 형성된다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 격리 피처들(112)이 몇몇 실시예들에 따라 도핑된 격리 영역들(110)에 형성된다. 격리 피처들(112)은 기판(102)의 전면 표면(104) 근처에 또는 이에 인접하게 형성된다. 몇몇 실시예들에서, 격리 피처들(112)은 방사선-감지 영역들(108) 및 도핑된 격리 영역들(110)의 미리 결정된 영역들을 정의하는데 이용된다. 그러므로, 격리 피처들(112)은 방사선-감지 영역들(108) 및 도핑된 격리 영역들(110)을 형성하기 이전에 형성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도핑된 격리 영역들(110)은 격리 피처들(112)과 정렬된다.
격리 피처들(112)은 얕은 트렌치 격리(shallow trench isolation; STI) 구조들 및/또는 실리콘의 로컬 산화(local oxidation of silicon; LOCOS) 구조들을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, MOSFET 또는 접합 커패시터(junction capacitor)와 같은 몇몇 액티브 또는 패시브 피처들은 설계 요구들 및 제조 관심사들에 따라 도핑된 격리 영역들(110)에 형성된다. 도핑된 격리 영역들(110)의 액티브 및 패시브 피처들은 격리 피처들(112)에 의해 둘러싸이고 보호된다. 격리 피처들(112)의 두께는 도핑된 격리 영역들(110)의 액티브 또는 패시브 피처들의 두께보다 크다. 몇몇 실시예들에서, 격리 피처들(112)의 두께는 약 100 옹스트롬 내지 약 5000 옹스트롬의 범위에 있다.
몇몇 실시예들에서, 격리 피처들(112)은 전면 표면(104)으로부터 기판(102)에 트렌치들을 형성하고 트렌치들 내에 유전체 물질을 충전함으로써 형성된다. 유전체 물질은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 로우(low)-k 물질 또는 다른 적합한 유전체 물질을 포함할 수 있다. 화학 기계적 연마(CMP) 프로세스가 트렌치들을 충전하는 유전체 물질의 표면을 평탄화하도록 수행될 수 있다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 이미지-센서 디바이스(100)는 기판(102)의 전면 표면(104) 위에 형성되는 상호연결 구조(114)를 더 포함할 수 있다. 상호연결 구조(114)는 이미지-센서 디바이스(100)의 다양한 도핑된 피처들, 회로 및 입력/출력에 커플링되는 다수의 패터닝된 유전체 층들 및 전도성 층들을 포함한다. 상호연결 구조(114)는 층간 유전체(interlayer dielectric; ILD) 및 다중층 상호연결(multilayer interconnection; MLI) 구조를 포함한다. MLI 구조는 접촉들, 비아들 및 금속 라인들을 포함한다. 예시를 위해, 다수의 전도성 라인들(116) 및 비아들/접촉들(118)이 도 2에서 도시되며, 전도성 라인들(116) 및 비아들/접촉들(118)은 단지 예시적이라는 것이 이해된다. 전도성 라인들(116) 및 비아들/접촉들(118)의 실제 배치 및 구성은 설계 요건들 및 제조 관심사에 의존하여 변동될 수 있다.
도 3을 참조하면, 버퍼 층(120)이 몇몇 실시예들에 따라 상호연결 구조(114) 상에 형성된다. 버퍼 층(120)은 실리콘 산화물과 같은 유전체 물질을 포함할 수 있다. 대안적으로, 버퍼 층(120)은 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. 버퍼 층(120)은 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD), 물리적 기상 증착(physical vapor deposition; PVD), 또는 다른 적합한 기법들에 의해 증착될 수 있다. 버퍼 층(120)은 CMP 프로세스에 의해 매끈한 표면을 형성하도록 평탄화될 수 있다.
그 후, 캐리어 기판(122)이 버퍼 층(120)을 통해 기판(102)에 본딩된다. 그러므로, 기판(102)의 배면 표면(106)의 프로세싱이 수행될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 캐리어 기판(122)은 기판(102)과 유사하며 실리콘 물질을 포함한다. 대안적으로, 캐리어 기판(122)은 유리 기판 또는 다른 적합한 물질을 포함할 수 있다. 캐리어 기판(122)은 분자력들(molecular forces)(직접 본딩), 광학 퓨전 본딩, 금속 확산 본딩, 애노딕 본딩에 의해, 또는 다른 적합한 본딩 기법들에 의해 기판(102)에 본딩될 수 있다. 버퍼 층(120)은 기판(102)과 캐리어 기판(122) 간에 전기적 격리를 제공한다. 캐리어 기판(122)은 기판(102)의 전면 표면(104) 상에 형성된 다양한 피처들에 대한 보호를 제공한다. 캐리어 기판(122)은 또한 아래에서 논의되는 바와 같이 기판(102)의 배면 표면(106)을 프로세싱하기 위한 기계적 강도 및 지지를 제공한다.
캐리어 기판(122)이 본딩된 이후, 박화(thining) 프로세스가 이어서 배면 표면(106)으로부터 기판(102)을 박화하기 위해 수행된다. 박화 프로세스는 기계적 그라인딩 프로세스(mechanical grinding process)를 포함할 수 있다. 그 후, 에칭 화학물은 대략 수 미크론들 정도인 두께로 기판(102)을 추가로 박화하기 위해 기판(102)의 배면 표면(106) 위에 도포될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 박화 이후에, 기판(102)의 두께는 약 1㎛ 내지 약 100㎛의 범위이다.
공통 이미지-센서 디바이스 결함들은 광학 크로스-토크, 전기 크로스-토크 및 암전류를 포함한다. 결함들은 이미지 픽셀 크기 및 이웃 이미지 픽셀들 간의 간격이 계속 줄어듬에 따라 더욱 심각하게 된다. 광학 크로스-토크는 픽셀들의 광-감지 신뢰도 및 정확도를 저하시키는, 이웃 픽셀들로부터의 광자 간섭을 지칭한다. 암전류는 어떠한 실제 조명도 존재하지 않는 픽셀 전류의 존재로서 정의될 수 있다. 즉, 암전류는 어떠한 광자들도 포토다이오드에 진입하지 않을 때 포토다이오드를 통해 흐르는 전류이다. 과도한 양의 전류 누설들이 픽셀들로부터 비정상적으로 높은 신호를 야기하는 경우 백색 픽셀들이 발생한다. 도 3에서 도시된 이미지-센서 디바이스(100)에서, 도핑된 격리 영역들(110)은 암전류 및 백색 픽셀 결함들을 감소시키기 위해 방사선-감지 영역들(108)의 도핑 극성과 반대의 도핑 극성을 갖는다. 그러나 도핑된 격리 영역들(110) 단독은 암 전류 및 백색 픽셀 결함들을 방지하기에 충분히 효과적이지 않을 수 있다. 또한, 도핑된 격리 영역들(110)은 방사선-감지 영역들(108) 및 도핑된 격리 영역들(110)의 유사한 굴절률로 인해 광학 크로스-토크 결함을 해결할 수 없다.
도 4를 참조하면, 다수의 개구들(124)(또는 트렌치들/리세스들)을 형성하기 위해 기판(102)의 배면 표면(106) 상에 에칭 프로세스가 수행된다. 에칭 프로세스는 건식 에칭 프로세스를 포함한다. 에칭 마스크(예를 들어, 본 명세서에서 예시되지 않는 하드 마스크)는 에칭 프로세스가 수행되기 이전에 형성될 수 있다. 개구들(124) 각각은 기판(102)의 배면 표면(106)에서 폭(W1)을 갖는다. 폭(W1)은 도핑된 격리 영역들(110)의 폭보다 작거나 실질적으로 동일할 수 있다. 개구들(124)은 직사각형 형상, 사다리꼴 형상, 또는 다른 적합한 형상을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 개구들(124) 각각은 기판(102)의 두께의 절반을 초과하여 연장되지만 격리 피처들(112)에 도달하지 않는다. 이에 따라, 격리 피처들(112)에 의해 둘러싸이는 액티브 또는 패시브 피처들은 에칭 프로세스에 의해 손상되지 않을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 기판(102)의 배면 표면(106)으로부터 측정되는 개구들(124)의 깊이는 약 1㎛ 내지 약 10㎛의 범위이다. 개구들(124)의 깊이는 에칭 정지층을 이용함 없이 시간 제어에 의해 조정될 수 있다. 이들 개구들(124)은 아래에서 더 상세히 논의되는 딥-트렌치 격리(deep-trench isolation; DTI) 구조들을 형성하기 위해 이용된다.
도 5를 참조하면, 음으로 하전된 막(126)이 몇몇 실시예들에 따라 기판(102)의 배면 표면(106) 위에 형성된다. 음으로 하전된 막(126)은 컨포멀 방식(conformal manner)으로 개구들(124)의 내부 표면들을 커버하는 것을 포함해서 배면 표면(106)을 컨포멀하게 커버할 수 있다. 음으로 하전된 막(126)은 종래의 유전체 막들보다 더 큰 전체 음전하를 갖는다. 음전하는 음으로 하전된 막(126)의 계면에 홀 축적(hole accumulation)을 증가시키시고 방사선-감지 영역들(108) 주위의 기판(102)의 도핑된 격리 영역들(즉, p-타입)(110) 및 음으로 하전된 막(126)의 계면에 또는 이에 근접하게 공핍 영역(depletion region)을 생성한다. 공핍 영역은 암전류 및/또는 백색 픽셀들을 감소시킨다.
하나 이상의 실시예들에 따라, 음으로 하전된 막(126)은 부산소 실리콘 산화물(oxygen-rich silicon) 또는 하이(high)-k 금속 산화물이다. 하이-k 금속 산화물은 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물, 칼슘 산화물, 이트륨 산화물, 탄탈륨 산화물, 스트론튬 산화물, 티타늄 산화물, 란타늄 산화물, 바륨 산화물, 또는 기존의 반도체 증착 기술들을 이용하여 하이-k 막을 형성할 수 있는 다른 금속 산화물일 수 있다. 하이-k 금속 산화물은 CVD 프로세스 또는 PVD 프로세스를 이용하여 증착될 수 있다. CVD 프로세스는 ICPECVD를 포함하는 플라즈마 강화된 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD), 저압 화학 기상 증착(low pressure chemical vapor deposition; LPCVD), 또는 플라즈마를 이용하거나 이용하지 않는 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD)일 수 있다. 이들 프로세스들은 다양한 유량들 및 전력 파라미터들을 포함하는 프로세스 파라미터들을 변동시킴으로써 음전하의 축적에 호의적이 되도록 튜닝될 수 있고, 음전하를 증가시키기 위해 막 증착 이후 처리 단계를 포함할 수 있다. 결과적인 하이-k 금속 산화물막은 늘어진(dangling)/파손된 금속 산화물 본드들 및/또는 음으로 하전된 격자간 산소 원자들과의 부산소 조성물(oxygen-rich composition)을 가질 수 있으며, 이들 둘 다는 축적된 음전하는 초래한다. 축적된 음전하는 cm2 당 약 5E9 내지 약 1E14이거나 또는 약 1E10/cm2보다 클 수 있다. 즉, 층에 대한 총 전하(Qtot)는 cm2 당 약 -5E9 내지 약 -1E14이거나 또는 약 1E10/cm2보다 더 음(negative)일 수 있다.
다른 실시예들에 따라, 음으로 하전된 막(126)은 실리콘 질화물 또는 질화물 유전체이다. 질화물 물질은 부질소(nitrogen-rich) 실리콘 질화물 또는 탄탈륨 질화물, 티타늄 질화물, 하프늄 질화물, 알루미늄 질화물, 마그네슘 질화물 또는 기존의 반도체 증착 기술들을 이용하여 형성될 수 있는 다른 금속 질화물들과 같은 다른 부질소 유전체 막일 수 있다. 질화물 물질은 CVD 기법 또는 PVD 기법을 이용하여 증착될 수 있다. CVD 프로세스는 ICPECVD를 포함하는 PECVD, LPCVD, 또는 플라즈마를 이용하거나 이용하지 않는 ALD일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 음으로 하전된 막은 플라즈마 질화된 물질(plasma nitrided material)이다. 플라즈마 질화(plasma nitridation)는 질소 이온들을 포함하는 플라즈마를 이용함으로써 비플라즈마 증착 기법이 이용되는 경우 처리 이후의 막 증착 동안 또는 그 이후에 발생할 수 있다. 플라즈마 질화는 축적된 음전하를 갖는 부질소 막을 생성한다. 몇몇 실시예들에서, 음전하는 암모니아를 통한 열 또는 플라즈마 처리에 의해 증가된다. 축적된 음전하는 cm2 당 약 1E9 내지 약 1E13이거나 또는 약 5E9/cm2보다 크다. 즉, 층에 대한 총 전하(Qtot)는 cm2 당 약 -1E9 내지 약 -1E13이거나, 또는 5E9/cm2보다 더 음이다. 몇몇 실시예들에서, 음으로 하전된 막(126)는 약 1nm 내지 약 500nm 범위의 두께를 갖는다. 몇몇 다른 실시예들에서, 음으로 하전된 막(126)은 약 1nm 내지 약 100nm 범위의 두께를 갖는다.
그 후, 도 6을 참조하면, 유전체 물질(128)이 몇몇 실시예들에 따라 기판(102)의 배면 표면(106) 위에 증착된다. 유전체 물질(128)은 개구들(124)의 잔여 공간들을 충전한다. 몇몇 실시예들에서, 유전체 물질(128)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 스핀 온 글래스(spin on glass; SOG), 로우-k 유전체 또는 다른 적합한 유전체 물질을 포함한다. 유전체 물질(128)은 CVD, PVD, 또는 다른 적합한 증착 기법에 의해 증착될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 개구들(124) 외부의 유전체 물질(128)의 부분은 박화되고 평탄화된다. 다음의 논의에서, 개구들(124), 음으로 하전된 막(126)의 부분들 및 개구들(124)의 유전체 물질(128)은 집합적으로 딥-트렌치 격리 구조들(130)로서 지칭된다.
그 후, 도 7을 참조하면, 몇몇 실시예들에 따라 기판(102) 위에 반사 그리드(132)가 형성된다. 예를 들어, 반사 그리드(132)는 유전체 물질(128) 상에 형성된다. 반사 그리드(132)의 각각의 조각은 딥-트렌치 격리 구조들(130) 중 하나에 정렬된다. 몇몇 실시예들에서, 반사 그리드(132)는 알루미늄, 텅스텐, 구리, 탄탈륨, 티타늄, 이들의 합금들 또는 이들의 결합들과 같은 금속 물질로 형성된다. 반사 그리드(132)의 각각의 조각은 직사각형, 역사다리꼴 형상, 역삼각형 형상, 또는 다른 적합한 형상을 가질 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 반사 그리드(132)의 각각의 조각은 약 100 Å 내지 약 15000 Å 범위의 두께(T)를 갖는다. 반사 그리드(132)는 적합한 증착 프로세스에 의해 형성되고 그 후 패터닝된다. 증착 프로세스는 전기도금, 스퍼터링, CVD, PVD 또는 다른 적합한 증착 기법들을 포함한다. CVD 프로세스는 ICPECVD를 포함하는 PECVD, LPCVD, 또는 플라즈마를 이용하거나 이용하지 않는 ALD일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 반사 그리드(132)의 각각의 조각은 배면 표면(106)에서 폭(W2)을 갖는다. 예를 들어, 폭(W2)은 10 내지 1000nm의 범위에 있다. 폭(W2)은 딥-트렌치 격리 구조들(130)을 커버하도록 딥-트렌치 격리 구조들(130)의 폭(W1)과 실질적으로 동일하거나 더 크다. 그러므로, 반사 그리드(132)는 근처의 수직 입사 방사선이 딥-트렌치 격리 구조들(130) 내로 이동하는 것을 방지한다. 딥-트렌치 격리 구조들(130) 내로 이동하는 근처의 수직 입사 방사선은 인접한 방사선-감지 영역들(108)로 굴절될 수 있고, 바람직하지 않은 광자 크로스-토크가 발생할 것이다.
그 후, 도 8을 참조하면, 투명 충전층(134)이 몇몇 실시예들에 따라 기판(102)의 배면 표면(106) 위에 증착된다. 투명 충전층(134)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 적합한 폴리머들로 이루어질 수 있으며, CVD, PVD, 또는 이들의 결합들과 같은 적합한 기법들에 의해 형성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 투명 충전층(134)은 반사 그리드(132)의 두께보다 더 큰 두께를 갖는다. 이에 따라 투명 충전층(134)은 반사 그리드(132)를 커버하며 매끄러운 표면을 제공한다. 예를 들어, 투명 충전층(134)은 약 10 옹스트롬 내지 약 1000 옹스트롬의 범위의 두께를 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 투명 충전층(134)은 이미지-센서 디바이스(100)의 반사 방지층으로서 기능한다. 반사 방지층은 이미지-센서 디바이스(100)의 배면 표면(106) 쪽으로 프로젝팅되는 입사 방사선의 반사를 감소시키도록 역할한다.
그 후, 도 9를 참조하면, 컬러 필터층(136)이 몇몇 실시예들에 따라 투명 충전층(134) 위에 형성된다. 컬러 필터층(136)은 광의 특정 컬러, 예를 들어, 적색, 녹색 또는 청색에 대응할 수 있는 특정 범위의 파장들을 갖는 입사 방사선의 필터링을 지원한다. 컬러 필터층(136)은 미리 결정된 컬러를 갖는 광만이 방사선-감지 영역들(108)에 도달하도록 허용하게 이용될 수 있다. 그 후, 마이크로 렌즈층(138)이 방사선-감지 영역들 쪽으로 입사 방사선을 지향시키기 위해 컬러 필터층(136) 위에 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈층(138)은 다양한 배열들로 위치되고 마이크로 렌즈층(138)에 대해 이용된 물질의 굴절률 및/또는 방사선-감지 영역들(108)과 마이크로 렌즈층(138) 간의 거리에 의존하여 다양한 형상들을 가질 수 있다. 대안적으로, 컬러 필터층(136) 및 마이크로 렌즈층(138)의 위치는 반전되어 마이크로 렌즈층(138)이 기판(102)의 배면 표면(106)과 컬러 필터층(136) 사이에 배치될 수 있다.
이미지-센서 디바이스를 형성하기 위한 매커니즘들의 실시예들이 설명된다. 기판의 배면 표면으로부터 형성되고 음으로 하전된 막을 포함하는 딥-트렌치 격리 구조들은 추가로 암전류 및 백색 픽셀 결함들을 감소시킬 수 있다. 또한, 딥-트렌치 격리 구조들 위에 형성되는 반사 그리드는 입사 방사선이 딥-트렌치 격리 구조들 내로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 그러므로 광자 크로스-토크 결함이 또한 감소되거나 방지된다.
몇몇 실시예들에 따라, 이미지-센서 디바이스가 제공된다. 이미지-센서 디바이스는 전면 표면 및 배면 표면을 갖는 기판을 포함한다. 이미지-센서 디바이스는 또한 배면 표면을 통해 기판에 진입하는 입사 방사선(incident radiation)을 검출하도록 동작 가능한 방사선-감지 영역을 포함한다. 이미지-센서 디바이스는 또한 방사선-감지 영역에 인접하고 기판에 형성되는 도핑된 격리 영역을 포함한다. 또한, 이미지-센서 디바이스는 도핑된 격리 영역에 형성되는 딥-트렌치 격리 구조(deep-trench isolation structure)를 포함한다. 딥-트렌치 격리 구조는 배면 표면으로부터 도핑된 격리 영역 내로 연장되는 트렌치 및 트렌치의 내부 표면을 커버하는 음으로 하전된 막(negatively charged film)을 포함한다.
몇몇 실시예들에 따라, 이미지-센서 디바이스가 제공된다. 이미지-센서 디바이스는 전면 표면 및 배면 표면을 갖는 기판을 포함한다. 이미지-센서 디바이스는 또한 기판에 형성되는 복수의 방사선-감지 영역들을 포함한다. 이미지-센서 디바이스는 또한 기판에 형성되는 복수의 도핑된 격리 영역들을 포함한다. 이웃하는 방사선-감지 영역들의 각각의 쌍은 각각의 도핑된 격리 영역들 중 하나에 의해 서로 분리된다. 또한, 이미지-센서 디바이스는 배면 표면으로부터 도핑된 격리 영역들로 연장되는 복수의 트렌치들을 포함한다. 이미지-센서 디바이스는 또한 트렌치들의 내부 표면들을 커버하는 음으로 하전된 막 및 음으로 하전된 막을 커버하고 트렌치들을 충전하는 유전체 물질을 포함한다. 이미지-센서 디바이스는 추가로 기판의 배면 표면 위에 형성되는 반사 그리드를 포함하고, 반사 그리드의 각각의 조각은 각각의 트렌치들 중 하나와 정렬된다.
몇몇 실시예들에 따라, 이미지-센서 디바이스를 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은 전면 표면 및 배면 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 전면 표면에 인접하게 도핑된 격리 영역 및 방사선-감지 영역을 형성하는 단계를 포함하고 도핑된 격리 영역은 방사선 감지 영역에 인접하다. 이 방법은 추가로 배면 표면으로부터 도핑된 격리 영역 내에 트렌치를 형성하는 단계를 포함한다. 또한 이 방법은 배면 표면 위에 있고 트렌치의 내부 표면을 커버하는 음으로 하전된 막을 형성하는 단계를 포함한다.
본 개시의 실시예들 및 그의 이점들이 상세히 설명되었지만, 다양한 변경들, 교체들 및 변경들이 첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 개시의 사상 및 범위로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명된 특징들, 기능들, 프로세스들 및 물질들 대부분이 본 개시의 범위 내에 있으면서 변동될 수 있다는 것이 당업자에 의해 쉽게 이해될 것이다. 또한, 본 출원의 범위는 본 명세서에서 설명된 물질, 수단 방법들 및 동작들의 프로세스, 머신, 제조, 조성물의 특정한 실시예들로 제한되도록 의도되는 것은 아니다. 본 개시의 개시물로부터 당업자가 쉽게 인지할 수 있는 바와 같이, 본 명세서에서 설명된 대응하는 실시예들과 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현재 존재하거나 추후에 개발될 물질, 수단, 방법들 또는 동작들의 프로세스들, 머신들, 제조, 조성물들이 본 개시에 따라 활용될 수 있다. 이에 따라, 첨부된 청구항들은 이러한 프로세스들, 머신들, 제조, 물질의 조성물들, 수단, 방법들 또는 동작들을 본 발명의 범위 내에 포함하도록 의도된다.

Claims (9)

  1. 이미지-센서 디바이스로서,
    전면 표면(front surface) 및 배면 표면을 갖는 기판;
    상기 배면 표면을 통해 상기 기판에 진입하는 입사 방사선(incident radiation)을 검출하도록 동작 가능한 방사선-감지 영역;
    상기 방사선-감지 영역에 인접하고 상기 기판에 형성되는 도핑된 격리 영역 - 상기 도핑된 격리 영역과 상기 방사선-감지 영역은 상이한 도핑 극성들을 가짐 -; 및
    상기 도핑된 격리 영역에 형성되는 딥-트렌치 격리 구조(deep-trench isolation structure)를 포함하고,
    상기 딥-트렌치 격리 구조는,
    상기 배면 표면으로부터 상기 도핑된 격리 영역 내로 연장되는 트렌치; 및
    상기 트렌치의 내부 표면을 커버하며, 전체로서 음전하를 띠는 음으로 하전된 막(negatively charged film)을 포함하고,
    상기 음으로 하전된 막은 상기 도핑된 격리 영역과 상기 음으로 하전된 막 사이에서 공핍영역을 형성하도록 구성되고,
    상기 음으로 하전된 막은 또한, 상기 배면 표면을 커버하고 상기 방사선-감지 영역과 상기 도핑된 격리 영역에 접촉하도록 구성된 것인 이미지-센서 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음으로 하전된 막은 부산소 실리콘 산화물(oxygen-rich silicon oxide), 하이-k 금속 산화물 및 실리콘 질화물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것인 이미지-센서 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전면 표면 근처에 그리고 상기 도핑된 격리 영역에 형성되는 격리 피처(isolation feature)를 더 포함하는 이미지-센서 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 트렌치는 상기 배면 표면으로부터 연장되지만 상기 격리 피처에 도달하지 않는 것인 이미지-센서 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 배면 표면 위에 형성되는 유전체 물질을 더 포함하는 이미지-센서 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 음으로 하전된 막은 컨포멀 방식(conformal manner)으로 상기 트렌치를 커버하고, 상기 유전체 물질은 상기 트렌치를 충전하는 것인 이미지-센서 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 배면 표면 위에 형성되는 반사 조각(reflective piece)을 더 포함하고, 상기 반사 조각은 상기 딥-트렌치 격리 구조와 정렬되는 것인 이미지-센서 디바이스.
  8. 이미지-센서 디바이스로서,
    전면 표면 및 배면 표면을 갖는 기판;
    상기 기판에 형성되는 복수의 방사선-감지 영역들;
    상기 기판에 형성되는 복수의 도핑된 격리 영역들로서, 이웃하는 방사선-감지 영역들의 각각의 쌍은 각각의 도핑된 격리 영역들 중 하나에 의해 서로 분리되는 것인, 상기 복수의 도핑된 격리 영역들 - 상기 복수의 도핑된 격리 영역들과 상기 복수의 방사선-감지 영역들은 상이한 도핑 극성들을 가짐 -;
    상기 배면 표면으로부터 상기 도핑된 격리 영역들로 연장되는 복수의 트렌치들;
    상기 트렌치들의 내부 표면들과 상기 배면 표면을 커버하며, 전체로서 음전하를 띠는 음으로 하전된 막 - 상기 음으로 하전된 막은 상기 복수의 도핑된 격리 영역들과 상기 음으로 하전된 막 사이에서 공핍영역을 형성하고, 상기 복수의 방사선-감지 영역들과 상기 복수의 도핑된 격리 영역들에 접촉하도록 구성됨 -;
    상기 음으로 하전된 막 위에 있고 상기 트렌치들을 충전하는 유전체 물질; 및
    상기 기판의 배면 표면 위에 형성되는 반사 그리드를 포함하고,
    상기 반사 그리드의 각각의 조각은 각각의 트렌치들 중 하나와 정렬되는 것인 이미지-센서 디바이스.
  9. 이미지-센서 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    전면 표면 및 배면 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계;
    상기 전면 표면에 인접하게 도핑된 격리 영역 및 방사선-감지 영역을 형성하는 단계로서, 상기 도핑된 격리 영역은 상기 방사선 감지 영역에 인접하는 것인, 상기 도핑된 격리 영역 및 방사선-감지 영역을 형성하는 단계;
    상기 배면 표면으로부터 상기 도핑된 격리 영역 내에 트렌치를 형성하는 단계; 및
    상기 배면 표면 위에 있고 상기 트렌치의 내부 표면과 상기 배면 표면을 커버하는 음으로 하전된 막을 형성하는 단계로서, 상기 음으로 하전된 막은 전체로서 음전하를 띠는 것인, 상기 음으로 하전된 막을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 도핑된 격리 영역과 상기 방사선-감지 영역은 상이한 도핑 극성들을 가지며,
    상기 음으로 하전된 막은 상기 도핑된 격리 영역과 상기 음으로 하전된 막 사이에서 공핍영역을 형성하고, 상기 방사선-감지 영역과 상기 도핑된 격리 영역에 접촉하도록 구성된 것인 이미지-센서 디바이스를 제조하는 방법.
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