KR102529637B1 - 저 굴절률 그리드 구조체 및 그 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

방법은, 반도체 기판에 이미지 센서를 형성하는 것, 반도체 기판의 후면으로부터 반도체 기판을 박형화하는 것, 반도체 기판의 후면 상에 유전체 층을 형성하는 것, 및 반도체 기판의 후면 상에 폴리머 그리드를 형성하는 것을 포함한다. 폴리머 그리드는 제1 굴절률 값을 갖는다. 방법은, 폴리머 그리드에 컬러 필터 - 컬러 필터는 제1 굴절률 값보다 더 높은 제2 굴절률 값을 가짐 - 를 형성하는 것, 및 컬러 필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 것을 더 포함한다.

Description

저 굴절률 그리드 구조체 및 그 형성 방법{LOW-REFRACTIVITY GRID STRUCTURE AND METHOD FORMING SAME}
반도체 이미지 센서는 광을 감지하도록 동작된다. 통상적으로, 반도체 이미지 센서는 상보형 금속 산화물 반도체(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor; CMOS) 이미지 센서(CMOS Image Sensor; CIS) 및 전하 결합 소자(Charge-Coupled Device; CCD) 센서를 포함하는데, 이들은 디지털 스틸 카메라(Digital Still Camera; DSC), 이동 전화 카메라, 디지털 비디오(Digital Video; DV) 및 디지털 비디오 레코더(Digital Video Recorder; DVR) 애플리케이션과 같은 다양한 애플리케이션에서 널리 사용된다. 이들 반도체 이미지 센서는 광을 흡수하고 감지된 광을 디지털 데이터 또는 전기 신호로 변환하기 위해 이미지 센서 엘리먼트의 어레이를 활용하는데, 각각의 이미지 센서 엘리먼트는 광 다이오드 및 다른 엘리먼트를 포함한다.
전면 조명(Front Side Illumination; FSI) CMOS 이미지 센서 및 후면 조사형(Backside Illumination; BSI) CMOS 이미지 센서는 두 가지 주요한 타입의 CMOS 이미지 센서이다. FSI CMOS 이미지 센서는 그들의 전면으로부터 투사되는 광을 검출하도록 동작 가능하고, 한편 BSI CMOS 이미지 센서는 그들의 후면으로부터 투사되는 광을 검출하도록 동작 가능하다. FSI CMOS 이미지 센서 또는 BSI CMOS 이미지 센서로 광이 투사되면, 광전자(photoelectron)가 생성되고, 그 다음, 이미지 센서의 픽셀에서 광 감지 디바이스에 의해 감지된다. 광전자가 더 많이 생성될수록, 이미지 센서는 더 나은 양자 효율(Quantum Efficiency; QE)을 가지며, 따라서, CMOS 이미지 센서의 이미지 품질을 향상시킨다.
본 개시의 양태는 첨부의 도면과 함께 판독될 때 하기의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 업계에서의 표준 관행에 따라, 다양한 피쳐는 일정한 축척으로 묘사되지 않는다는 것을 유의한다. 실제, 다양한 피쳐의 치수는 논의의 명확화를 위해 임의적으로 증가 또는 감소될 수도 있다.
도 1 내지 도 13은 몇몇 실시형태에 따른 저 굴절률 그리드 구조체(low-refractivity grid structure)를 갖는 이미지 센서 칩의 형성에서의 중간 단계의 단면도를 예시한다.
도 14는 몇몇 실시형태에 따른 저 굴절률 그리드 구조체를 갖는 이미지 센서 칩을 예시한다.
도 15는 몇몇 실시형태에 따른 기저의(underlying) 그리드 구조체로부터 오프셋되는 저 굴절률 그리드 구조체를 갖는 이미지 센서 칩을 예시한다.
도 16은 몇몇 실시형태에 따른 저 굴절률 그리드 구조체 및 각각의 컬러 필터의 평면도를 예시한다.
도 17은 몇몇 실시형태에 따른 이미지 센서의 픽셀의 회로도를 예시한다.
도 18은 몇몇 실시형태에 따른 이미지 센서 칩을 형성하기 위한 프로세스 플로우를 예시한다.
하기의 개시는, 본 발명의 상이한 피쳐를 구현하기 위한 많은 상이한 실시형태, 또는 예를 제공한다. 본 개시를 단순화하기 위해, 컴포넌트 및 배열(arrangement)의 특정한 예가 하기에서 설명된다. 이들은, 물론, 예에 불과하며 제한하도록 의도되는 것은 아니다. 예를 들면, 후속하는 설명에서 제2 피쳐 위에 또는 상에 제1 피쳐를 형성하는 것은, 제1 및 제2 피쳐가 직접 접촉하여 형성되는 실시형태를 포함할 수도 있고, 또한 제1 및 제2 피쳐가 직접 접촉하지 않을 수도 있도록 제1 피쳐와 제2 피쳐 사이에 추가적인 피쳐가 형성될 수도 있는 실시형태를 포함할 수도 있다. 게다가, 본 개시는 다양한 예에서 참조 번호 및/또는 문자를 반복할 수도 있다. 이 반복은 간략화 및 명확화의 목적을 위한 것이며, 그 자체로는, 논의되는 다양한 실시형태 및/또는 구성 사이의 관계를 지시하는 것은 아니다.
또한, 도면에서 예시되는 바와 같은 다른 엘리먼트(들) 또는 피쳐(들)에 대한 하나의 엘리먼트 또는 피쳐의 관계를 설명하는 설명의 용이성을 위해, "기저의(underlying)", "아래의(below)", "하부의(lower)", "위에 놓이는(overlying)", "상부의(upper)" 및 등등과 같은 공간적으로 상대적인 용어가 본원에서 사용될 수도 있다. 공간적으로 상대적인 용어는, 도면에서 묘사되는 방위 외에, 사용 또는 동작에서 디바이스의 상이한 방위를 포괄하도록 의도된다. 장치는 다르게 배향될 수도 있고(90 도 회전될 수도 있거나 또는 다른 방위에 있을 수도 있고), 본원에서 사용되는 공간적으로 상대적인 서술어(descriptor)는 마찬가지로 그에 따라 해석될 수도 있다.
본 개시의 몇몇 실시형태에 따른 후면 조사형(BSI) 이미지 센서 칩 및 그 형성 방법이 제공된다. 몇몇 실시형태에 따르면, BSI 이미지 센서 칩은, 폴리머일 수도 있거나 또는 폴리머를 포함할 수도 있는 저 굴절률 그리드를 포함한다. 컬러 필터는 저 굴절률 그리드에서 형성된다. 컬러 필터는 저 굴절률 그리드보다 더 높은 굴절률 값을 가지며, 광은 전반사를 통해 저 굴절률 그리드의 측벽으로부터 반사될 수도 있다. BSI 이미지 센서 칩의 형성에서의 중간 단계는 본 개시의 몇몇 실시형태에 따라 예시된다. 몇몇 실시형태의 몇몇 변형예가 논의된다. 본원에서 논의되는 실시형태는 본 개시의 주제를 만들거나 또는 사용하는 것을 가능하게 하는 예를 제공할 것이며, 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자는, 상이한 실시형태의 고려되는 범위 내에서 유지되면서 이루어질 수 있는 변형예를 쉽게 이해할 것이다. 다양한 도면 및 예시적인 실시형태 전체에 걸쳐, 동일한 참조 번호는 동일한 엘리먼트를 가리키기 위해 사용된다. 방법 실시형태가 특정한 순서로 수행되는 것으로 논의될 수도 있지만, 다른 방법 실시형태는 임의의 논리적인 순서로 수행될 수도 있다.
도 1 내지 도 13은 본 개시의 몇몇 실시형태에 따른 저 굴절률 그리드를 포함하는 이미지 센서 칩의 형성에서의 중간 단계의 단면도를 예시한다. 대응하는 프로세스는 또한 도 18에서 도시되는 프로세스 플로우(200)에서 개략적으로 반영된다.
도 1은, 내부에 복수의 이미지 센서 칩(22)을 포함하는 웨이퍼(20)의 일부일 수도 있는 이미지 센서 칩(22)의 초기 구조체의 형성을 예시한다. 이미지 센서 칩(22)은 반도체 기판(24)을 포함한다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 반도체 기판(24)은 결정질(crystalline) 실리콘 기판이다. 본 개시의 다른 실시형태에 따르면, 반도체 기판(24)은, 게르마늄과 같은 원소 반도체; 실리콘 탄소, 갈륨 비소(gallium arsenic), 갈륨 인화물(gallium phosphide), 인듐 인화물(indium phosphide), 인듐 비화물(indium arsenide), 및/또는 인듐 안티몬화물(indium antimonide)을 포함하는 화합물 반도체; SiGe, GaAsP, AlInAs, AlGaAs, GaInAs, GaInP, 및/또는 GaInAsP를 포함하는 합금 반도체; 또는 이들의 조합을 포함한다. 다른 기판, 예컨대 다층 기판 또는 그래디언트 기판(gradient substrate)이 또한 사용될 수도 있다. 설명 전반에 걸쳐, 기판(24)의 주 표면(major surface; 24A)은 반도체 기판(24)의 전면(front surface)으로 지칭되고, 주 표면(24B)은 반도체 기판(24)의 배면(back surface)으로 지칭된다. 표면(24A 및 24B)은 (100) 또는 (001) 표면 평면 상에 있을 수도 있다.
대안적으로 얕은 트렌치 분리(Shallow Trench Isolation; STI) 영역으로 지칭되는 분리 영역은 반도체 기판(24) 안으로 연장하여 영역(예컨대, 활성 영역)을 정의하도록 형성된다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, STI 영역은 상이한 기능을 갖는 복수의 부분을 포함한다. 예를 들면, STI 영역은 예시되는 바와 같이 STI 그리드 구조체(32)를 포함한다. STI 영역은 다른 STI 영역(도시되지 않음)을 포함할 수도 있는데, 이것은, 예를 들면, 트랜지스터와 같은 디바이스에 대한 영역을 정의하기 위해, 웨이퍼(20)의 후면으로부터 금속 패드를 형성하기 위해, 등등을 위해 사용될 수도 있다. STI 그리드 구조체(32)는 내부에 이미지 센서 어레이를 형성하기 위한 그리드이다. STI 그리드 구조체(32)의 평면도가 도 16에서 도시되어 있다. STI 그리드 구조체(32)는 X 방향으로 연장되는 제1 복수의 스트립(그리드 라인), 및 Y 방향으로 연장되며 제1 복수의 그리드 라인과 만나게 되는 제2 복수의 그리드 라인을 포함한다.
다시 도 1을 참조하면, 이미지 센서(26)는 전면(24A)으로부터 반도체 기판(24)으로 연장하도록 형성된다. 이미지 센서(26)의 형성은 주입 프로세스(implantation process)를 포함할 수도 있다. 이미지 센서(26)는 광 신호(광자)를 전기 신호로 변환하도록 구성된다. 이미지 센서(26)는 감광성 금속 산화물 반도체(MOS) 트랜지스터, 감광성 다이오드, 또는 등등일 수도 있다. 설명 전반에 걸쳐, 이미지 센서(26)는, 비록 그들이 다른 타입의 이미지 센서일 수도 있지만, 대안적으로 포토 다이오드(26)로 지칭된다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 포토 다이오드(26)는 이미지 센서 어레이를 형성한다. 포토 다이오드(26)의 각각은 STI 그리드 구조체(32)에서의 그리드 유닛에 있을 수도 있다.
도 1은 또한 STI 그리드 구조체(32)에 의해 정의되는 활성 영역에 적어도 일부를 갖는 픽셀 유닛(30)을 예시한다. 도 17은 예시적인 픽셀 유닛(30)의 회로도를 예시한다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 픽셀 유닛(30)은 전기 접지(GND)에 커플링되는 애노드, 및 전송 게이트 트랜지스터(34)의 소스에 커플링되는 캐소드를 구비하는 포토 다이오드(26)를 포함한다. 전송 게이트 트랜지스터(34)의 드레인은 리셋 트랜지스터(38)의 드레인 및 소스 팔로워(source follower)(42)의 게이트에 커플링될 수도 있다. 리셋 트랜지스터(38)는 리셋 라인(RST)에 커플링되는 게이트를 갖는다. 리셋 트랜지스터(38)의 소스는 픽셀 전력 공급부 전압(VDD)에 커플링될 수도 있다. 플로팅 확산 커패시터(40)는 전송 게이트 트랜지스터(34)의 소스/드레인과 소스 팔로워(42)의 게이트 사이에서 커플링될 수도 있다. 리셋 트랜지스터(38)는 플로팅 확산 커패시터(40)에서의 전압을 VDD로 사전 설정하기 위해 사용된다. 소스 팔로워(42)의 드레인은 전력 공급부 전압(VDD)에 커플링된다. 소스 팔로워(42)의 소스는 행 선택기(row selector; 43)에 커플링된다. 소스 팔로워(42)는 픽셀 유닛(30)에 대한 고 임피던스 출력을 제공한다. 행 선택기(43)는 각각의 픽셀 유닛(30)의 선택 트랜지스터로서 기능하고, 행 선택기(43)의 게이트는 선택 라인(select line; SEL)에 커플링된다.
다시 도 1을 참조하면, 트랜지스터는 픽셀 유닛(30)에서의 디바이스(예컨대 도 17에서의 트랜지스터(34, 38, 42, 및 44))의 예로서 예시된다. 예를 들면, 전송 게이트 트랜지스터(34)는 예로서 도 1에서 예시되어 있다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 포토 다이오드(26)의 각각은, 게이트(28) 및 게이트 유전체(31)를 포함하는 전송 게이트 트랜지스터(34)의 제1 소스/드레인 영역에 전기적으로 커플링된다. 게이트 유전체(31)는 기판(24)의 전면(24A)과 접촉한다. 전송 게이트 트랜지스터(34)의 제1 소스/드레인 영역은 대응하는 연결 포토 다이오드(26)에 의해 공유될 수도 있다. 플로팅 확산 커패시터(40)는, 플로팅 확산 커패시터(40)로서 역할을 하는 pn 접합을 형성하기 위해, 예를 들면, 기판(24)을 p 타입 불순물 및 n 타입 불순물로 상이한 깊이까지 주입하는 것에 의해 기판(24)에서 형성된다. 플로팅 확산 커패시터(40)는 전송 게이트 트랜지스터(34)의 제2 소스/드레인 영역에서 형성될 수도 있고, 그러므로, 플로팅 확산 커패시터(40)의 커패시터 플레이트 중 하나는 전송 게이트 트랜지스터(34)의 제2 소스/드레인 영역에 전기적으로 커플링된다. 동일한 활성 영역에 있는 포토 다이오드(26), 각각의 전송 게이트 트랜지스터(34), 및 플로팅 확산 커패시터(40)는, 도 1에서 또한 마킹되는 바와 같이, 픽셀 유닛(30)의 일부를 형성한다.
다시 도 1을 참조하면, 콘택 에칭 정지 층(29)이 기판(24) 및 트랜지스터 예컨대 전송 게이트 트랜지스터(34) 상에서 형성된다. CESL(29)은 실리콘 산화물(silicon oxide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 탄질화물(silicon carbo-nitride), 또는 등등, 또는 이들의 다층으로 형성될 수도 있다. CESL(29)은, 예를 들면, 원자 층 성막(Atomic Layer Deposition; ALD) 또는 화학적 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD)과 같은 등각적 성막 방법을 사용하여 형성될 수도 있다. 층간 유전체(Inter-Layer Dielectric; ILD)(33)가 CESL(29) 위에 형성된다. ILD(33)는, 예를 들면, 유동 가능 화학적 기상 증착(Flowable Chemical Vapor Deposition; FCVD), 스핀 온 코팅(spin-on coating), CVD, 또는 다른 성막 방법을 사용하여 형성되는 유전체 재료를 포함할 수도 있다. ILD(33)는 또한, 실리콘 산화물, 포스포 실리케이트 글래스(Phospho-Silicate Glass; PSG), 보로 실리케이트 글래스(Boro-Silicate Glass; BSG), 붕소 도핑된 포스포 실리케이트 글래스(Boron-Doped Phospho-Silicate Glass; BPSG), 또는 등등과 같은 산화물일 수도 있는 산소 함유 유전체 재료로 형성될 수도 있다.
전면 인터커넥트 구조체(44)가 반도체 기판(24) 위에 형성된다. 전면 인터커넥트 구조체(44)는 이미지 센서 칩(22)의 디바이스를 전기적으로 인터커넥트하기 위해, 그리고 다른 패키지 컴포넌트에 연결하기 위해 사용된다. 전면 인터커넥트 구조체(44)는 유전체 층(46), 및 유전체 층(46) 내의 금속 라인(48) 및 비아(50)를 포함한다. 설명 전반에 걸쳐, 동일한 유전체 층(46) 내의 금속 라인(48)은 집합적으로 금속 층으로 지칭된다. 전면 인터커넥트 구조체(44)는 복수의 금속 층을 포함할 수도 있다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 유전체 층(46)은 저유전율(low-k) 유전체 층을 포함한다. 저유전율 유전체 층은 낮은 k 값, 예를 들면, 3.8보다 더 낮은, 그리고 어쩌면 약 3.0보다 더 낮은 값을 갖는다.
표면 유전체 층(52)이 웨이퍼(20)의 상부 유전체 층으로서 형성된다. 표면 유전체 층(52)은 약 3.8 이상의 k 값을 갖는 비 저유전율(non-low-k) 유전체 재료로 형성될 수도 있다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 표면 유전체 층(52)은 실리콘 산화물, 실리콘 산질화물(silicon oxy-nitride), 실리콘 산탄화물(silicon oxy carbide), 또는 등등으로 형성되거나 또는 이것을 포함한다.
본딩 패드(54)가 또한 웨이퍼(20)의 상부에 형성된다. 접합 패드(54)는 구리로 형성될 수도 있거나 또는 구리를 포함할 수도 있다. 본딩 패드(54)는 또한 구리를 둘러싸는 배리어 층을 포함할 수도 있다. 본딩 패드(54)의 상부 표면은 표면 유전체 층(52)의 상부 표면과 동일 평면일 수도 있다.
다음으로, 도 2를 참조하면, 웨이퍼(20)가 웨이퍼(120)에 본딩된다. 각각의 프로세스는 도 18에서 도시되는 프로세스 플로우에서 프로세스(202)로서 예시된다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 본딩은 하이브리드 본딩을 통해 수행된다. 따라서, 웨이퍼(20)의 표면 유전체 층(52)은 융합 본딩을 통해 웨이퍼(120)의 표면 유전체 층(152)에 본딩되는데, 예를 들면, S-O-Si 본드가 형성된다. 웨이퍼(20)의 본드 패드(54)는 또한 금속 대 금속 직접 본딩을 통해 웨이퍼(120)의 금속 패드(154)에 본딩된다. 본드 패드(54 및 154)를 통해, 웨이퍼(120)의 회로는 웨이퍼(20)의 이미지 센서 회로에 전기적으로 그리고 신호적으로 연결된다.
본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 웨이퍼(120)는 반도체 기판(124)의 표면 상에서 형성되는 논리 회로(226)를 더 포함하는 칩(222)을 포함한다. 논리 회로(126)는 BSI 칩(22)으로부터 획득되는 전기 신호를 프로세싱하기 위해 사용되는 애플리케이션 회로를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 논리 회로(126)는 이미지 센서 칩(22)으로부터 획득되는 이미지 관련 신호를 프로세싱하기 위해 사용되는 이미지 신호 프로세싱(Image Signal Processing; ISP) 회로 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 이미지 신호 프로세싱(ISP) 회로는 아날로그 대 디지털 컨버터(Analog-to-Digital Converter; ADC), 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; CDS) 회로, 행 디코더, 및 등등을 포함할 수도 있다.
도 2를 더 참조하면, 배면(24B)을 연삭하기 위해 그리고 반도체 기판(24)을 박형화하기 위해 후면 연삭 프로세스(backside grinding process)가 수행된다. 각각의 프로세스는 도 18에서 도시되는 프로세스 플로우에서 프로세스(204)로서 예시된다. 반도체 기판(24)의 결과적으로 나타나는 배면은 도 2에서 배면(24B')으로서 도시된다. 기판(24)의 두께는 약 20 ㎛ 미만, 약 15 ㎛ 미만, 또는 약 6 ㎛ 미만으로 감소될 수도 있고, 그 결과, 광은 배면(24B')으로부터 반도체 기판(24) 안으로 침투하여 광 다이오드(26)에 도달할 수 있다.
도 3을 참조하면, 딥 트렌치 분리(Deep Trench Isolation; DTI) 영역(56)이 형성된다. 각각의 프로세스는 도 21에서 도시되는 프로세스 플로우에서 프로세스(206)로서 예시된다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, DTI 영역(56)의 형성은 반도체 기판(24)을 에칭하는 것, 및 결과적으로 나타나는 트렌치를 Ta2O5와 같은 고유전율 유전체 재료, 금속(예를 들면, 텅스텐)과 같은 불투명 재료, 또는 이들의 조합으로 충전하는 것을 포함한다. 그 다음, 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polish; CMP) 프로세스 또는 기계적 연마 프로세스와 같은 평탄화 프로세스가 수행되어, DTI 영역(56)을 남겨 두면서, 잉여의 재료를 제거한다. DTI 영역(56)은 광이 투과하는 것을 방지하는 기능을 가지며, 광 신호의 크로스토크를 방지하는 기능을 갖는다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, DTI 영역(56)은 그리드를 형성하는데, DTI 영역(56)의 그리드 라인은 STI 그리드 구조체(32)의 그리드 라인에 수직으로 정렬된다(STI 그리드 구조체(32)의 그리드 라인과 수직으로 동일 평면에 있다). DTI 영역(56)은 몇몇 실시형태에 따라 그 안에 공극(void)을 가질 수도 있다. DTI 영역(56)은 이하에서 집합적으로 DTI 그리드 구조체(56)로 지칭된다. DTI 그리드 구조체(56)의 평면도가 도 16에서 예시되어 있다. 도 16에서 도시되는 바와 같이, 평면도에서, DTI 그리드 구조체(56)는 X 방향으로 연장되는 제1 복수의 스트립(그리드 라인), 및 Y 방향으로 연장되며 제1 복수의 그리드 라인과 만나게 되는 제2 복수의 그리드 라인을 포함한다.
도 4는 후면 고 흡수(Backside High Absorption; BSHA) 영역(60)(도 7)이 형성되는 개구(58)의 형성을 예시한다. 각각의 프로세스는 도 18에서 도시되는 프로세스 플로우에서 프로세스(208)로서 예시된다. 따라서, 개구(58)는 이하 BSHA 개구(58)로 지칭된다. BSHA 영역(60)은 광을 집속시키는 기능을 갖는다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 동일한 픽셀 유닛(30)과 중첩하는 단일의 하나의 또는 복수의(예컨대, 두 개, 세 개, 네 개 또는 그 이상의) BSHA 개구(58)가 있다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, BSHA 개구(58)의 형성은 반도체 기판(24) 위에 패터닝된 포토 레지스트와 같은 에칭 마스크(도시되지 않음)를 형성하는 것을 포함한다. 에칭 마스크는 픽셀 유닛에 정렬되는 개구를 갖는데, 각각의 개구는 형성될 하나의 BSHA 개구(58)에 대응한다. 그 다음 반도체 기판(24)은 에칭 마스크의 개구를 통해 에칭되어 복수의 피라미드 형상의 개구를 형성하는데, 이들은 습식 에칭 프로세스(wet etching process)를 통해 달성될 수도 있고, 그 결과, 반도체 기판(24)의 격자 방향을 따르는 에칭은 피라미드 형상의 개구로 나타날 것이다.
도 5는 유전체 층(64)의 형성을 예시한다. 각각의 프로세스는 도 18에서 도시되는 프로세스 플로우에서 프로세스(210)로서 예시된다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 유전체 층(64)은 단일 층 구조체 또는 다층 구조체를 구비한다. 예를 들면, 유전체 층(64)은 실리콘 산화물 층 및/또는 알루미늄 산화물(aluminum oxide) 층, 하프늄 산화물(hafnium oxide) 층, 탄탈룸 산화물(tantalum oxide)(Ta2O5) 층, 또는 이들의 다층을 포함하는 고유전율 유전체 층(들)을 포함할 수도 있다. 실리콘 산화물 층은 열 산화 또는 성막 프로세스를 통해 형성될 수도 있다. 실리콘 산화물 층 또는 고유전율 유전체 층의 대응하는 성막 프로세스는 화학적 기상 증착(CVD), 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 원자 층 성막(ALD), 또는 등등을 포함할 수도 있다. 유전체 층(64)은 BSHA 개구(58) 안으로 연장되며, BSHA 개구(58)를 부분적으로 충전하는 등각 층(conformal layer)으로서 형성될 수도 있다. 몇몇 실시형태에 따르면, 유전체 층(64)은 고유전율 유전체 층 위에 추가적인 투명 유전체 층을 더 포함할 수도 있다. 유전체 층은 실리콘 산화물 또는 유사한 재료로 형성될 수도 있다. 성막 프로세스는 CVD, PECVD, ALD, 또는 등등을 포함할 수도 있다.
몇몇 실시형태에 따르면, 유전체 층(64)의 성막 이후, 유전체 층(64)을 에칭하기 위해 에칭 프로세스가 수행되는데, 유전체 층(64)을 관통하도록 개구(66)가 형성된다. 따라서, 반도체 기판(24)은 개구(66)에 노출된다.
도 6은 본 개시의 몇몇 실시형태에 따른 그리드 구조체(68) 및 금속 접지 구조체(70)의 형성을 예시한다. 각각의 프로세스는 도 18에서 도시되는 프로세스 플로우에서 프로세스(212)로서 예시된다. 몇몇 실시형태에 따르면, 그리드 구조체(68) 및 금속 접지 구조체(70)는 성막 및 패터닝 프로세스에서 형성된다. 예를 들면, 금속 재료가 먼저 성막된다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 금속 재료는 접착 층(69A), 및 접착 층(69A) 위의 금속 재료(69B)를 포함한다. 접착 층(69A)은 티타늄 층, 티타늄 질화물(titanium nitride) 층, 또는 티타늄 층 및 티타늄 층 위의 티타늄 질화물 층을 포함하는 복합 층을 포함할 수도 있다. 접착 층(69A)은 약 400 Å과 약 600 Å 사이의 범위 내의 두께를 가질 수도 있다. 금속 재료(69B)는 텅스텐, 크롬, 또는 등등을 포함할 수도 있고, 약 1.5 kÅ과 약 2.5 kÅ 사이의 범위 내의 두께를 가질 수도 있다.
금속 재료의 성막 이후, 에칭을 통해 패터닝 프로세스가 수행되고, 금속 재료(69B) 및 접착 층(69A)이 그리드 구조체(68) 및 접지 구조체(70)로서 패터닝된다. 그리드 구조체(68)의 상부에서 볼 때, 예시적인 실시형태의 도 16에서 도시되는 바와 같이, 그리드 구조체(68)는 또한 X 방향으로 연장되는 제1 복수의 스트립(그리드 라인), 및 Y 방향으로 연장되는 제2 복수의 스트립을 포함할 수도 있는데, 여기서 복수의 제2 그리드 라인은 제1 복수의 그리드 라인과 만나게 되어 그리드 구조체(68)를 형성한다. 그리드 구조체(68)의 그리드 개구는 또한, DTI 그리드 구조체(56) 및 STI 그리드 구조체(32)의 그리드 개구와 중첩되고, 그 결과, 광은 기저의 포토 다이오드(26)에 도달하기 위해, 개구를 통과할 수 있고, 그 개구 내에 구속될 수 있다. 접지 구조체(70)는 반도체 기판(24)에 물리적으로 접촉하고 전기적으로 연결되도록 유전체 층(64)의 개구 안으로 연장된다.
대안적인 실시형태에 따르면, 그리드 구조체(68)는, 금속 재료로 형성되는 대신, 유전체 재료로 형성될 수도 있거나 또는 이것을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 그리드 구조체(68)는 실리콘 산화물, 실리콘 산화물 질화물, 금속, 저 굴절률 폴리머, 또는 등등으로 형성될 수도 있거나 또는 이것을 포함할 수도 있다. 형성 프로세스는 또한 하나의 또는 복수의 유전체 층을 성막하는 것, 및 유전체 층을 패터닝하는 것을 포함할 수도 있다.
도 7을 참조하면, 그리드 구조체(68) 및 접지 구조체(70)의 형성 이후, 유전체 층(72)이 성막된다. 각각의 프로세스는 도 18에서 도시되는 프로세스 플로우에서 프로세스(214)로서 예시된다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 유전체 층(72)은 실리콘 산화물, 또는 등등으로 형성된다. 유전체 층(72)의 두께는 약 4,000 Å과 약 6,000 Å 사이의 범위 내에 있을 수도 있다. 유전체 층(72)은 CMP 프로세스 또는 기계적 연마 프로세스에서 평탄화될 수도 있고, 그 결과, 그것의 상부 표면은 평면이다. 유전체 층(72)은 그리드 구조체(68) 및 접지 구조체(70)의 상부 표면보다 더 높은 부분을 포함할 수도 있거나 또는 포함하지 않을 수도 있다. BSHA 개구(58)(도 4)를 충전하는 유전체 층(64 및 72)의 부분은 이하 BSHA 영역(60)으로 지칭된다.
몇몇 실시형태에 따르면, 도 4 내지 도 7에서 도시되는 바와 같이, BSHA 영역(60)은 유전체 층(64 및 72)의 형성의 결과로서 형성된다. 대안적인 실시형태에 따르면, BSHA 개구(58)는 유전체 층(64 및 72)의 형성 이전의 시간에 BSHA 영역(60)을 형성하도록 충전된다. 각각의 형성 프로세스에서, BSHA 개구(58)가 형성된 이후, BSHA 개구(58)를 충전하기 위해, 실리콘 산화물 또는 고유전율 유전체 재료 예컨대 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 또는 등등을 포함할 수도 있는 투명 재료 또는 복수의 투명 층이 성막될 수도 있다. 그 다음, CMP 프로세스 또는 기계적 연마 프로세스와 같은 평탄화 프로세스가 수행되어, BSHA 영역(60)으로 나타나게 된다. 결과적으로 나타나는 BSHA 영역(60)은 반도체 기판(24)의 배면(24B')과 동일 평면에 있는 그들의 상부 표면을 가질 것이다. 이들 실시형태에 따르면, BSHA 영역(60)은 DTI 그리드 구조체(56)의 형성 이전 또는 이후에 형성될 수도 있다.
다음으로, 도 8에서 도시되는 바와 같이, 유전체 층(74)이 형성된다. 유전체 층(74)은 BSI 칩의 회로에 연결되는 와이어 본드를 위해 사용되는 금속 본드 패드(도시되지 않음)의 분리를 위해 사용될 수도 있다. 대안적인 실시형태에 따르면, 유전체 층(74)은 형성되지 않거나, 또는 형성되어 패터닝되고, 그 결과, 유전체(74)의 일부는 픽셀(30) 바로 위의 영역으로부터 제거된다. 결과적으로, 후속 형성된 폴리머 그리드 구조체(76') 및/또는 컬러 필터(82)(도 13)는 대안적으로 유전체 층(72)과 물리적 접촉을 할 수도 있다. 본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 유전체 층(74)은 실리콘 산화물로 형성되는데, 이것은 PECVD 또는 다른 적용 가능한 방법을 통해 형성될 수도 있다. 유전체 층(74)의 두께는 약 1,500 Å과 약 2,500 Å 사이의 범위 내에 있을 수도 있다. 유전체 층(74)은 때때로 패시베이션 층으로 지칭된다.
도 8을 참조하면, 블랭킷 층으로서 형성될 수도 있는 저 굴절률 층(76)이 형성된다. 각각의 프로세스는 도 18에서 도시되는 프로세스 플로우에서 프로세스(216)로서 예시된다. 저 굴절률 층(76)은 어떠한 컬러도 없이 투명할 수도 있건, 또는 백색일 수도 있다. 저 굴절률 층(76)의 두께(T1)는 약 2,000 Å과 약 5 nm 사이의 범위 내에 있을 수도 있다. 저 굴절률 층(76)은 상대적으로 낮은 굴절률 값을 가지는데, 이것은 후속하여 형성된 컬러 필터(82)(도 13)의 굴절률 값보다 더 낮다. 몇몇 실시형태에 따르면, 저 굴절률 층(76)의 굴절률은 약 2.0보다 더 낮고, 약 1.3과 약 2.0 사이의 범위 내에 있을 수도 있다. 저 굴절률 층(76)의 이용 가능한 재료는, 수지, 유기 화합물, 또는 등등일 수도 있는 폴리머를 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 예를 들면, 저 굴절률 층(76)을 형성하기 위한 적용 가능한 폴리머는, 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate; PMMA), 에폭시 아크릴레이트, 지방족 우레탄 아크릴레이트, 방향족 우레탄 아크릴레이트, 폴리에스테르 아크릴레이트, 아크릴 아크릴레이트, 및 등등, 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다.
그 다음, 저 굴절률 층(76)은, 도 9에서 도시되는 바와 같이, 그리드 구조체(76')를 형성하도록 패터닝된다. 각각의 프로세스는 도 18에서 도시되는 프로세스 플로우에서 프로세스(218)로서 예시된다. 몇몇 실시형태에 따르면, 포토 레지스트와 같은 패터닝 마스크(78)가 저 굴절률 층(76) 위에 형성되고, 그 다음, 패터닝된다. 포토 레지스트(78)의 패터닝은, 불투명 패턴(80A) 및 투명 패턴(80B)을 포함하는 리소그래피 마스크(80)를 사용하여, 포토 레지스트(78)를 노광시키고, 이어서, 포토 레지스트(78)의 일부의 부분을 제거하는 현상 프로세스가 후속되는 것에 의해 수행될 수도 있다. 패터닝된 포토 레지스트(78)는, 그 다음, 기저의 있는 저 굴절률 층(76)을 에칭하기 위해, 그리고, 그리드 구조체(76')를 형성하기 위해 사용된다. 대안적인 실시형태에 따르면, 저 굴절률 층(76) 및 결과적으로 나타나는 그리드 구조체(76')는 수지 또는 다른 유기 화합물, 또는 등등일 수도 있는 감광성 재료로 형성된다. 따라서, 저 굴절률 층(76)의 패터닝에서, 에칭 마스크(78)는 형성되지 않는다. 오히려, 저 굴절률 층(76)의 패터닝은, 리소그래피 마스크(80)를 사용하여 감광성 저 굴절률 층(76)을 직접적으로 노광시키고, 이어서, 저 굴절률 층(76)의 일부의 부분을 제거하는 현상 프로세스가 후속되는 것에 의해 달성된다. 격자 구조체(76')의 형성 이후, 그리드 구조체(76')는 베이킹되고, 그 결과, 그것은 컬러 필터를 형성하기 위한 후속하는 패터닝 프로세스에 의해 다시 패터닝되지 않을 것이다. 그리드 구조체(76')의 평면도가 도 16에서 예시되어 있다. 그리드 구조체(76')는, 다시, X 방향으로 연장되는 제1 복수의 스트립(그리드 라인), 및 Y 방향으로 연장되며 제1 복수의 그리드 라인과 만나게 되는 제2 복수의 그리드 라인을 포함한다.
몇몇 실시형태에 따르면, 그리드 구조체(76') 내에서의 스트립의 폭은 기저의 그리드 구조체(68), DTI 그리드 구조체(56), 및 STI 그리드 구조체(32)의 스트립의 폭과 동일한 폭을 갖는다. 이 구성에서, 그리드 구조체(68), DTI 그리드 구조체(56), 및 STI 그리드 구조체(32) 중 기저의 것은, 그리드 구조체(76'), 그리드 구조체(68), 및 DTI 그리드 구조체(56) 중 위에 놓이는 것을 넘어 횡방향으로 연장되지 않으며, 대응하는 위에 놓이는 그리드 구조체에 의해 피복되지 않는 어떠한 상부 표면도 갖지 않는다. 상부 표면이, 그리드 구조체가 수직으로 정렬된 상태에서, 광을 상방으로 되반사할 수도 있기 때문에, 광은 상부 표면에 의해 바람직하지 않게 되반사되지 않을 것이다.
대안적인 실시형태에 따르면, 그리드 구조체(76')는 다른 방법을 사용하여 형성될 수도 있으며, 예를 들면, 희생 층이 블랭킷 층으로서 성막(또는 도포)될 수도 있고, 이어서, 리소그래피 프로세스가 후속될 수도 있다. 결과적으로 나타나는 패터닝된 희생 층은 도 8의 예시된 포토 레지스트(78)의 것과 유사한 그리드 패턴을 가질 수도 있다. 그 다음, 그리드 구조체(76')는 희생 층의 트렌치 안으로 충전되고, 이어서, 폴리머 그리드 구조체(76')를 남겨두면서, 희생 층의 제거가 후속된다.
도 10 내지 도 12는 그리드 구조체(76')의 그리드 개구에 컬러 필터(82)(이것은 컬러 필터(82A, 82B, 및 82C) 포함함)를 형성하기 위한 몇몇 예시적인 프로세스를 예시한다. 각각의 프로세스는 도 18에서 도시되는 프로세스 플로우에서 프로세스(220)로서 예시된다. 도 10을 참조하면, 제1 컬러(예컨대 적색)의 것인 제1 컬러 필터(82A)가 그리드 구조체(76')의 그리드 개구의 일부 안으로 충전된다. 몇몇 실시형태에 따르면, 충전 프로세스는 각각의 컬러 필터 재료를 분사하는 것, 및 포토리소그래피 프로세스를 통해 제1 컬러를 갖는 각각의 컬러 필터 재료를 제거하는 것을 포함한다. 각각의 컬러 필터는 82A로서 표기된다. 컬러 필터(82A)는, 도 11 및 도 12에서 도시되는 바와 같이, 그들이 후속하는 리소그래피 프로세스에 의해 제거되지 않도록 베이킹된다.
도 11을 참조하면, 제2 컬러(예컨대 녹색)의 것인 제2 컬러 필터(82B)가 그리드 구조체(76')의 그리드 개구 중 일부 안으로 충전된다. 충전 프로세스는 분사 프로세스 및 포토리소그래피 프로세스를 포함할 수도 있다. 각각의 컬러 필터는 82B로서 표기된다. 컬러 필터(82B)는, 도 12에서 도시되는 바와 같이, 그들이 후속하는 리소그래피 프로세스에 의해 제거되지 않도록 또한 베이킹된다.
도 12는 그리드 구조체(76')의 그리드 개구의 나머지를 충전하는, 제3 컬러(예컨대 청색)의 것인 제3 컬러 필터(82C)의 형성을 예시한다. 충전 프로세스는 분사 프로세스 및 리소그래피 프로세스를 포함할 수도 있다. 각각의 컬러 필터는 82C로서 표기된다.
몇몇 실시형태에 따르면, 컬러 필터(82A, 82B, 및 82C)는 또한, 수지, 유기 화합물, 또는 등등일 수도 있고, 상이한 컬러를 갖도록 염색되는 폴리머로 형성된다. 컬러 필터(82A, 82B, 및 82C)의 재료는, 저 굴절률 층(76) 및 각각의 그리드 구조체(76')의 굴절률 값에 비교하여 상대적으로 더 높은 굴절률 값을 갖는다. 몇몇 실시형태에 따르면, 컬러 필터(82A, 82B, 및 82C)의 굴절률 값은 약 2.0보다 더 높고, 약 2.0과 약 4.0 사이의 범위 내에 있을 수도 있다. 더구나, 컬러 필터(82A, 82B, 및 82C)의 굴절률 값이 N82로서 표현되고, 그리드 구조체(76')의 굴절률 값이 N76으로서 표현되는 경우, 차이(N82 - N76)는 (적절한 재료를 선택하는 것에 의해) 높고, 그 결과, 큰 입사각을 갖는 입사광과 함께 더 작은 입사각을 갖는 입사광도 또한 전반사를 가질 수도 있다. 몇몇 실시형태에 따르면, 차이(N82 - N76)는 약 0.3보다 더 크고, 약 0.5보다 더 크고, 약 0.3과 약 1 사이의 범위 내에 있을 수도 있다. 높은 굴절률 값 차이(N82 - N76)는, 도 13을 참조하여 논의되는 바와 같이, 광의 전반사에 대해 유리하다.
몇몇 실시형태에 따르면, 컬러 필터(82A, 82B, 및 82C)의 형성 이후, 그리드 구조체(76') 및 컬러 필터(82A, 82B, 및 82C)의 상부 표면을 추가로 평탄화하기 위해 평탄화 프로세스가 수행될 수도 있다. 따라서, 그리드 구조체(76') 및 컬러 필터(82A, 82B, 및 82C)의 상부 표면은 동일 평면 상에 있다. 몇몇 실시형태에 따르면, 실리콘 산화물 또는 유사한 재료로 형성될 수도 있는 유전체 층(84)이 성막되고, 그리드 구조체(76') 및 컬러 필터(82A, 82B 및 82C)와 함께 평탄화된다. 유전체 층(84)은 평탄화 이후에 제거될 수도 있거나, 또는 최종 이미지 센서 칩에 남겨질 수도 있다. 대안적인 실시형태에 따르면, 평탄화는 유전체 층(84)을 형성하지 않고 수행된다. 따라서, 유전체 층(84)은, 형성될 수도 있거나 또는 형성되지 않을 수도 있다는 것을 나타내기 위해, 점선으로서 도시된다.
후속하는 프로세스에서, 도 13에서 도시되는 바와 같이, 마이크로 렌즈(86)와 같은 추가적인 컴포넌트가 그 다음 형성된다. 각각의 프로세스는 도 18에서 도시되는 프로세스 플로우에서 프로세스(222)로서 예시된다. 이미지 센서(26)의 각각은 마이크로 렌즈(86) 중 하나에 정렬된다. 따라서, 이미지 센서 칩(22)(및 대응하는 웨이퍼(20))이 형성된다. 예를 들면, 등각 실리콘 산화물 층을 성막하는 것에 의해, 마이크로 렌즈(86) 상에서 형성되는 보호 층(88)이 있을 수도 있다. 각각의 프로세스는 도 18에서 도시되는 프로세스 플로우에서 프로세스(224)로서 예시된다. 후속하는 프로세스에서, 이미지 센서 웨이퍼(20) 및 웨이퍼(120)는, 이미지 센서 칩(22) 중 하나 및 디바이스 칩(122) 중 하나를 각각 포함하는 패키지(90)로 쏘잉된다(sawed).
격자 구조체(76')를 형성하는 것은 박리(delamination)를 감소시키는 이점을 갖는다. 그리드 구조체(76')가 컬러 필터의 것과는 상당히 상이한 속성(예컨대 열팽창 계수(Coefficient of Thermal Expansion; CTE))을 갖는 다른 유전체 재료 또는 금속으로 형성되는 경우, 컬러 필터(82)와 그리드 구조체(76') 사이에서 박리가 발생할 수도 있다. 본 개시의 실시형태에 따른 그리드 구조체(76') 및 컬러 필터가 유사한 속성을 갖는 유사한 재료로 형성되기 때문에, 박리는 감소된다. 더구나, 그리드 구조체(76')는 상이한 픽셀에 대해 의도되는 광 신호의 크로스토크를 감소시키고 방지하기 위한 효과적인 그리드로서 역할을 할 수도 있다. 예를 들면, Snell(스넬)의 법칙에 따라, 수학식(Sinθc = (N76/(N82) * Sin90)은, 광(92)의 전반사가 여전히 발생할 수도 있는 최소 입사각(θc)을 결정한다. 컬러 필터(82)의 굴절률 값(N82)을 그리드 구조체(76)의 굴절률 값(N76)보다 더 높게 만드는 것에 의해, 입사각(θc) 이상의 입사각을 갖는 모든 광(92)은 전반사를 가질 것이고, 그러므로, 그리드 구조체(76')는 크로스토크를 감소시킬 수도 있다. 몇몇 실시형태에 따르면, 그리드 구조체(76') 및 기저의 그리드 구조체(68), DTI 그리드 구조체(56), 및 STI 그리드 구조체(32)는 집합적으로 크로스토크 방지 구조체를 형성한다.
도 14는 대안적인 실시형태에 따른 패키지(90)를 예시한다. 그리드 구조체(76')의 형성에 기인하여, 기저의 그리드 구조체의 일부는 생략될 수도 있다. 예를 들면, 도 14는 몇몇 실시형태에 따른 패키지(90)를 예시하는데, 여기서 도 13에서 도시되는 바와 같은 그리드 구조체(68)는 형성되지 않는다. 더구나, DTI 그리드 구조체(56)는 본 개시의 상이한 실시형태에 따라 형성될 수도 있거나 또는 형성되지 않을 수도 있다는 것을 나타내기 위해 점선으로서 예시된다.
몇몇 실시형태에 따르면, 도 13 및 도 14에서 도시되는 바와 같이, 그리드 구조체(76')는 그리드 구조체(68), DTI 그리드 구조체(56) 및 STI 그리드 구조체(32)에 수직으로 정렬된다. 다른 실시형태에 따르면, 그리드 구조체(76')는, 도 15에서 도시되는 바와 같이, 그리드 구조체(68), DTI 그리드 구조체(56) 및 STI 그리드 구조체(32)로부터 수직으로 오프셋된다. 비록 도 15에서 예시되지 않지만, DTI 그리드 구조체(56)는 위에 놓이는 그리드 구조체(68)로부터 약간 좌측으로 오프셋될 수도 있고, 및/또는 STI 그리드 구조체(32)는 위에 놓이는 DTI 그리드 구조체(56)로부터 약간 좌측으로 오프셋될 수도 있다. 이들 실시형태는 모든 방향이 아닌 하나의 방향에서 BSI 칩(22) 상에 투사될 가능성이 더 높은 광을 감지하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들면, 광은 좌측 저부 방향을 향해 상부 우측 방향으로부터 투사될 수도 있다. 몇몇 실시형태에 따르면, 그리드 구조체(76')의 그리드 라인의 중심은 기저의 그리드 구조체(68) 및/또는 DTI 그리드 구조체(56) 및 STI 그리드 구조체(32)의 대응하는 그리드 라인의 중심으로부터 오프셋 거리(D1)만큼 오프셋되는데, 이것은 약 100 Å보다 더 클 수도 있고, 약 500 Å과 약 5,000 Å 사이의 범위 내에 있을 수도 있다.
도 16은 몇몇 실시형태에 따른 컬러 필터(82), 그리드 구조체(76'), 금속 그리드 구조체(68), DTI 그리드 구조체(56), 및 STI 그리드 구조체(32)의 평면도를 예시한다. 그리드 구조체(76', 56, 및 32)의 각각은 X 방향으로 연장되는 제1 복수의 스트립, 및 Y 방향으로 연장되며 제1 복수의 스트립과 만나게 되는 제2 복수의 스트립을 포함할 수도 있다. 컬러 필터(82)는 그리드 구조체(76')의 그리드 개구에서 형성되고, 그러므로, 그에 의해 둘러싸인다. 그리드 구조체(68, 56, 및 32)는 그리드 구조체(76') 아래에서 형성되고, 그에 의해 중첩될 수도 있다.
본 개시의 실시형태는 몇몇 유리한 피쳐를 갖는다. 폴리머 그리드 구조체가 컬러 필터의 것과 유사한 속성을 가지기 때문에, 폴리머 그리드 구조체와 컬러 필터 사이의 박리는 감소되거나 또는 제거된다. 또한, 폴리머 그리드 구조체는 컬러 필터보다 더 낮은 굴절률 값을 갖는다. 따라서, 전반사가 발생하여, 폴리머 그리드 구조체가 효과적인 광 반사 그리드로 만들 수도 있다.
본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 방법은, 반도체 기판에 이미지 센서를 형성하는 것; 반도체 기판의 후면으로부터 반도체 기판을 박형화하는 것; 반도체 기판의 후면 상에 유전체 층을 형성하는 것; 반도체 기판의 후면 상에 폴리머 그리드 - 폴리머 그리드는 제1 굴절률 값을 가짐 - 를 형성하는 것; 폴리머 그리드에 컬러 필터 - 컬러 필터는 제1 굴절률 값보다 더 높은 제2 굴절률 값을 가짐 - 를 형성하는 것; 및 컬러 필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 것을 포함한다. 한 실시형태에서, 폴리머 그리드를 형성하는 것은 폴리머 층을 분사하는 것; 및 폴리머 그리드를 형성하기 위해 폴리머 층을 패터닝하는 것을 포함한다. 한 실시형태에서, 방법은, 폴리머 그리드가 형성되기 이전에, 반도체 기판의 후면 상에 금속 그리드를 형성하는 것을 더 포함하는데, 여기서 폴리머 그리드는 금속 그리드에 수직으로 정렬된다. 한 실시형태에서, 방법은, 반도체 기판의 배면으로부터 반도체 기판 안으로 연장되는 후면 고 흡수 영역을 형성하는 것을 더 포함하는데, 여기서 폴리머 그리드의 그리드 개구는 후면 고 흡수 영역에 정렬된다. 한 실시형태에서, 방법은 반도체 기판의 후면으로부터 반도체 기판 안으로 연장되는 딥 트렌치 분리 그리드를 형성하는 것을 더 포함하는데, 여기서 딥 트렌치 분리 그리드는 폴리머 그리드에 정렬된다. 한 실시형태에서, 제2 굴절률 값은 약 0.5보다 더 큰 차이만큼 제1 굴절률 값보다 더 크다. 한 실시형태에서, 폴리머 그리드는 컬러 필터가 형성되기 이전에 형성되고, 컬러 필터는 폴리머 그리드의 그리드 개구 안으로 충전된다.
본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 디바이스는, 반도체 기판; 반도체 기판의 이미지 센서; 반도체 기판 위의 폴리머 그리드 - 폴리머 그리드는 반도체 기판의 후면 상에 있음 - ; 및 폴리머 그리드의 그리드 개구를 충전하는 컬러 필터를 포함하는 BSI 이미지 센서 칩을 포함한다. 한 실시형태에서, 폴리머 그리드는 제1 굴절률 값을 가지고, 컬러 필터는 제1 굴절률 값보다 더 높은 제2 굴절률 값을 갖는다. 한 실시형태에서, 제2 굴절률 값과 제1 굴절률 값 사이의 차이는 약 0.5보다 더 크다. 한 실시형태에서, 컬러 필터의 제1 측벽은, 수직 인터페이스를 형성하도록 폴리머 그리드의 제2 측벽과 접촉한다. 한 실시형태에서, 폴리머 그리드의 상부 표면은 컬러 필터의 상부 표면과 동일 평면 상에 있다. 한 실시형태에서, 디바이스는 반도체 기판 위의 그리고 폴리머 그리드 아래에 있는 금속 그리드를 더 포함하는데, 여기서 금속 그리드는 폴리머 그리드에 수직으로 정렬된다. 한 실시형태에서, 디바이스는 반도체 기판 위의 그리고 폴리머 그리드 아래에 있는 금속 그리드를 더 포함하는데, 여기서 금속 그리드는 폴리머 그리드로부터 수평으로 오프셋된다. 한 실시형태에서, 디바이스는 반도체 기판에서 딥 트렌치 분리 그리드를 더 포함하는데, 여기서 딥 트렌치 분리 그리드는 폴리머 그리드에 수직으로 정렬된다.
본 개시의 몇몇 실시형태에 따르면, 디바이스는, 반도체 기판; 반도체 기판의 이미지 센서; 반도체 기판의 딥 트렌치 분리 그리드; 반도체 기판 위의 금속 그리드; 금속 그리드 위의 폴리머 그리드 - 폴리머 그리드의 제1 그리드 라인, 금속 그리드의 제2 그리드 라인, 및 딥 트렌치 분리 그리드의 제3 그리드 라인은 수직으로 정렬되고, 이미지 센서는 폴리머 그리드, 금속 그리드, 및 딥 트렌치 분리 그리드의 그리드 개구에 수직으로 정렬됨 - ; 폴리머 그리드의 그리드 개구 내의 컬러 필터 - 폴리머 그리드의 제1 굴절률 값은 컬러 필터의 제2 굴절률 값보다 더 작음 - ; 및 컬러 필터 위의 마이크로 렌즈를 포함한다. 한 실시형태에서, 제2 굴절률 값과 제1 굴절률 값 사이의 차이는 약 0.5보다 더 크다. 한 실시형태에서, 디바이스는 금속 그리드를 충전하는 유전체 층을 더 포함하는데, 여기서 유전체 층의 일부는 금속 그리드보다 더 높게 연장된다.
전술한 내용은, 기술 분야의 숙련된 자가 본 개시의 양태를 더 잘 이해할 수도 있도록 여러 가지 실시형태의 피쳐를 개략적으로 나타낸다(outline). 기술 분야의 숙련된 자는, 그들이 동일한 목적을 실행하기 위해 및/또는 본원에서 소개되는 실시형태의 동일한 이점을 달성하기 위해 다른 프로세스 및 구조체를 설계 또는 수정하기 위한 기초로서 본 개시를 쉽게 사용할 수도 있다는 것을 인식해야 한다. 기술 분야의 숙련된 자는 또한, 그러한 등가적 구성이 본 개시의 취지와 범위를 벗어나지 않는다는 것, 및 그들이 본 개시의 취지와 범위를 벗어나지 않으면서 본원에서 다양한 변경, 대체, 수정을 가할 수도 있다는 것을 인식해야 한다.
[실시예 1]
방법으로서,
반도체 기판에 이미지 센서를 형성하는 단계;
상기 반도체 기판의 후면(backside)으로부터 상기 반도체 기판을 박형화하는 단계;
상기 반도체 기판의 상기 후면 상에 유전체 층을 형성하는 단계;
상기 반도체 기판의 상기 후면 상에 폴리머 그리드 - 상기 폴리머 그리드는 제1 굴절률 값을 가짐 - 를 형성하는 단계;
상기 폴리머 그리드에 컬러 필터 - 상기 컬러 필터는 상기 제1 굴절률 값보다 더 높은 제2 굴절률 값을 가짐 - 를 형성하는 단계; 및
상기 컬러 필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계
를 포함하는, 방법.
[실시예 2]
실시예 1에 있어서,
상기 폴리머 그리드를 형성하는 단계는:
폴리머 층을 분사하는 단계; 및
상기 폴리머 그리드를 형성하기 위해 상기 폴리머 층을 패터닝하는 단계
를 포함하는 것인, 방법.
[실시예 3]
실시예 1에 있어서,
상기 폴리머 그리드가 형성되기 이전에, 상기 반도체 기판의 상기 후면 상에 금속 그리드를 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 폴리머 그리드는 상기 금속 그리드에 수직으로 정렬되는 것인, 방법.
[실시예 4]
실시예 1에 있어서,
상기 반도체 기판의 배면(back surface)으로부터 상기 반도체 기판 안으로 연장되는 후면 고 흡수 영역을 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 폴리머 그리드의 그리드 개구는 상기 후면 고 흡수 영역에 정렬되는 것인, 방법.
[실시예 5]
실시예 1에 있어서,
상기 반도체 기판의 상기 후면으로부터 상기 반도체 기판 안으로 연장되는 딥 트렌치 분리 그리드(deep-trench isolation grid)를 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 딥 트렌치 분리 그리드는 상기 폴리머 그리드에 정렬되는 것인, 방법.
[실시예 6]
실시예 1에 있어서,
상기 제2 굴절률 값은 약 0.5보다 더 큰 차이만큼 상기 제1 굴절률 값보다 더 큰 것인, 방법.
[실시예 7]
실시예 1에 있어서,
상기 폴리머 그리드는 상기 컬러 필터가 형성되기 이전에 형성되고, 상기 컬러 필터는 상기 폴리머 그리드의 그리드 개구 안으로 충전되는 것인, 방법.
[실시예 8]
디바이스로서,
후면 조사형(Backside Illumination; BSI) 이미지 센서 칩을 포함하되, 상기 후면 조사형(BSI) 이미지 센서 칩은:
반도체 기판;
상기 반도체 기판 내의 이미지 센서;
상기 반도체 기판 위의 폴리머 그리드 - 상기 폴리머 그리드는 상기 반도체 기판의 후면 상에 있음 - ; 및
상기 폴리머 그리드의 그리드 개구를 충전하는 컬러 필터
를 포함하는 것인, 디바이스.
[실시예 9]
실시예 8에 있어서,
상기 폴리머 그리드는 제1 굴절률 값을 가지고, 상기 컬러 필터는 상기 제1 굴절률 값보다 더 높은 제2 굴절률 값을 갖는 것인, 디바이스.
[실시예 10]
실시예 9에 있어서,
상기 제2 굴절률 값과 상기 제1 굴절률 값 사이의 차이는 약 0.5보다 더 큰 것인, 디바이스.
[실시예 11]
실시예 8에 있어서,
상기 컬러 필터의 제1 측벽은, 수직 인터페이스를 형성하도록 상기 폴리머 그리드의 제2 측벽과 접촉하는 것인, 디바이스.
[실시예 12]
실시예 8에 있어서,
상기 폴리머 그리드의 상부 표면은 상기 컬러 필터의 상부 표면과 동일 평면 상에 있는 것인, 디바이스.
[실시예 13]
실시예 8에 있어서,
상기 폴리머 그리드는 수지를 포함하는 것인, 디바이스.
[실시예 14]
실시예 8에 있어서,
상기 반도체 기판 위의 그리고 상기 폴리머 그리드 아래에 있는 금속 그리드를 더 포함하되, 상기 금속 그리드는 상기 폴리머 그리드에 수직으로 정렬되는 것인, 디바이스.
[실시예 15]
실시예 8에 있어서,
상기 반도체 기판 위의 그리고 상기 폴리머 그리드 아래에 있는 금속 그리드를 더 포함하되, 상기 금속 그리드는 상기 폴리머 그리드로부터 수평으로 오프셋되는 것인, 디바이스.
[실시예 16]
실시예 8에 있어서,
상기 반도체 기판 내의 딥 트렌치 분리 그리드를 더 포함하되, 상기 딥 트렌치 분리 그리드는 상기 폴리머 그리드에 수직으로 정렬되는 것인, 디바이스.
[실시예 17]
디바이스로서,
반도체 기판;
상기 반도체 기판 내의 이미지 센서;
반도체 기판 내의 딥 트렌치 분리 그리드;
상기 반도체 기판 위의 금속 그리드;
상기 금속 그리드 위의 폴리머 그리드 - 상기 폴리머 그리드의 제1 그리드 라인, 상기 금속 그리드의 제2 그리드 라인, 및 상기 딥 트렌치 분리 그리드의 제3 그리드 라인은 수직으로 정렬되고, 상기 이미지 센서는 상기 폴리머 그리드, 상기 금속 그리드, 및 상기 딥 트렌치 분리 그리드의 그리드 개구에 수직으로 정렬됨 - ;
상기 폴리머 그리드의 상기 그리드 개구 내의 컬러 필터 - 상기 폴리머 그리드의 제1 굴절률 값은 상기 컬러 필터의 제2 굴절률 값보다 더 작음 - ; 및
상기 컬러 필터 위의 마이크로 렌즈
를 포함하는, 디바이스.
[실시예 18]
실시예 17에 있어서,
상기 제2 굴절률 값과 상기 제1 굴절률 값 사이의 차이는 약 0.5보다 더 큰 것인, 디바이스.
[실시예 19]
실시예 17에 있어서,
상기 금속 그리드를 충전하는 유전체 층을 더 포함하되, 상기 유전체 층의 일부는 상기 금속 그리드보다 더 높게 연장되는 것인, 디바이스.
[실시예 20]
실시예 17에 있어서,
상기 폴리머 그리드는 수지를 포함하는 것인, 디바이스.

Claims (10)

  1. 방법으로서,
    반도체 기판에 이미지 센서를 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판의 후면(backside)으로부터 상기 반도체 기판을 박형화하는 단계;
    상기 반도체 기판의 상기 후면 상에 유전체 층을 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판의 상기 후면 상에 폴리머 그리드를 형성하는 단계 - 상기 폴리머 그리드는 제1 굴절률 값을 가지고, 상기 폴리머 그리드를 형성하는 단계는,
    감광성 재료를 도포하는 단계;
    리소그래피 마스크를 사용하여 상기 감광성 재료를 노광하는 단계; 및
    상기 감광성 재료의 일부의 부분을 제거하기 위하여 상기 감광성 재료에 대해 현상 프로세스를 수행하는 단계 - 상기 감광성 재료의 잔여 부분이 상기 폴리머 그리드를 형성함 - 를 포함함 - ;
    상기 폴리머 그리드에 컬러 필터를 형성하는 단계 - 상기 폴리머 그리드의 하부 표면은 상기 컬러 필터의 하부표면과 동일 평면이고, 상기 컬러 필터는 상기 제1 굴절률 값보다 더 높은 제2 굴절률 값을 가짐 - ; 및
    상기 컬러 필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 그리드가 형성되기 이전에, 상기 반도체 기판의 상기 후면 상에 금속 그리드를 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 폴리머 그리드는 상기 금속 그리드에 수직으로 정렬되고, 상기 폴리머 그리드는 투명 층에 의해 상기 금속 그리드로부터 수직으로 이격되는 것인, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 배면(back surface)으로부터 상기 반도체 기판 안으로 연장되는 후면 고 흡수 영역을 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 폴리머 그리드의 그리드 개구는 상기 후면 고 흡수 영역에 정렬되는 것인, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 상기 후면으로부터 상기 반도체 기판 안으로 연장되는 딥 트렌치 분리 그리드(deep-trench isolation grid)를 형성하는 단계를 더 포함하되, 상기 딥 트렌치 분리 그리드는 상기 폴리머 그리드에 정렬되는 것인, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 굴절률 값은 0.5보다 더 큰 차이만큼 상기 제1 굴절률 값보다 더 큰 것인, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 그리드는 상기 컬러 필터가 형성되기 이전에 형성되고, 상기 컬러 필터는 상기 폴리머 그리드의 그리드 개구 안으로 충전되는 것인, 방법.
  8. 디바이스로서,
    후면 조사형(Backside Illumination; BSI) 이미지 센서 칩을 포함하되, 상기 후면 조사형(BSI) 이미지 센서 칩은:
    반도체 기판;
    상기 반도체 기판 내의 이미지 센서;
    상기 반도체 기판 위의 폴리머 그리드 - 상기 폴리머 그리드는 상기 반도체 기판의 후면 상에 있고, 상기 폴리머 그리드는 감광성 재료로 형성됨 - ; 및
    상기 폴리머 그리드의 그리드 개구를 충전하는 컬러 필터 - 상기 폴리머 그리드의 하부 표면은 상기 컬러 필터의 하부 표면과 동일 평면임 -
    를 포함하는, 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 폴리머 그리드는 제1 굴절률 값을 가지고, 상기 컬러 필터는 상기 제1 굴절률 값보다 더 높은 제2 굴절률 값을 갖는 것인, 디바이스.
  10. 디바이스로서,
    반도체 기판;
    상기 반도체 기판 내의 이미지 센서;
    반도체 기판 내의 딥 트렌치 분리 그리드;
    상기 반도체 기판 위의 금속 그리드;
    상기 금속 그리드 위의 폴리머 그리드 - 상기 폴리머 그리드의 제1 그리드 라인, 상기 금속 그리드의 제2 그리드 라인, 및 상기 딥 트렌치 분리 그리드의 제3 그리드 라인은 수직으로 정렬되고, 상기 이미지 센서는 상기 폴리머 그리드, 상기 금속 그리드, 및 상기 딥 트렌치 분리 그리드의 그리드 개구에 수직으로 정렬됨 - ;
    상기 폴리머 그리드의 상기 그리드 개구 내의 컬러 필터 - 상기 폴리머 그리드의 하부 표면은 상기 컬러 필터의 하부 표면과 동일 평면이고, 상기 폴리머 그리드의 제1 굴절률 값은 상기 컬러 필터의 제2 굴절률 값보다 더 작음 - ; 및
    상기 컬러 필터 위의 마이크로 렌즈
    를 포함하고,
    상기 폴리머 그리드는 감광성 재료로 형성되는 것인, 디바이스.
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