KR20070003658A - 후면 조명 센서용 광반사 - Google Patents

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KR20070003658A
KR20070003658A KR1020060060313A KR20060060313A KR20070003658A KR 20070003658 A KR20070003658 A KR 20070003658A KR 1020060060313 A KR1020060060313 A KR 1020060060313A KR 20060060313 A KR20060060313 A KR 20060060313A KR 20070003658 A KR20070003658 A KR 20070003658A
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츄-슈안 슈
슈-규오 유
던-니안 양
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타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 발명은 후면 조명 반도체 디바이스를 제공한다. 상기 디바이스는 전면 및 후면을 가진 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 전면위에 형성된 센서 소자, 및 상기 센서 소자 위에 배치된 광반사층(light reflective layer; LRL)을 구비한다. LRL은 후면을 향해 그리고 센서 소자를 통해 지향된 광을 반사시키도록 구성된다.
후면 조명 반도체 디바이스, 반도체 기판, 센서 소자, 반사층

Description

후면 조명 센서용 광반사{Light reflection for backside illuminated sensor}
도 1 및 도 3은 본 발명의 특징들에 따라 구성된 복수의 후면 조명 센서들을 가진 반도체 디바이스의 다양한 실시예들의 단면도들.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 반도체 디바이스 110 : 기판
120 : 센서 소자들 120a, 120b, 120c : 센서 소자들
130 : 광반사층(LRL)
130a, 130b, 130c : 유전 반사 피쳐들 130d : 유전 LRL 피쳐
140 : 다층 상호접속물(MLI) 142 : 금속 1 층
142a, 142b : 금속 라인 피쳐들 144 : 금속 2 층
144a, 144b : 금속 라인 피쳐들 144c : 더미 금속 피쳐
150 :광 200 : 반도체 디바이스
300 : 반도체 디바이스
(배경)
본 특허는 2005년 6월 30일자로 출원된 미국 가 특허출원 제 60/695,682 호의 장점을 청구하며, 그 개시내용 전체를 본원에서 참조하기로 한다.
반도체 기술들에 있어서, 후면 조명 센서들은 기판의 후면을 향해 투사된 다량의 노출된 광을 감지하기 위해 이용된다. 후면 조명 센서들은 기판의 전면 위에 형성될 수 있고, 이 기판은 기판의 후면을 향해 투사된 광이 센서들에 도달할 수 있을 만큼 충분히 얇아야 한다. 그러나, 얇은 기판은 센서들의 감도를 떨어뜨릴 것이다. 예를 들면, 장파장 광은 유효하게 흡수되는 부분이 없이 센서들을 통과하여 빛날 수 있다. 후면 조명 센서들 및/또는 대응 기판의 개선이 요구된다.
본 발명의 특징들은 첨부 도면들과 함께 읽을 때 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해될 것이다. 이 업계의 표준 프랙티스에 따라 여러 가지 특징들이 실제 크기로 그려지지 않았음을 강조한다. 실제로, 여러 가지 특징들의 치수들은 설명을 명확하게 하기 위해 임의로 크게 또는 작게 될 수 있다.
(상세한 설명)
다음의 개시내용은 다양한 실시예들의 상이한 특징들을 구현하기 위한 많은 상이한 실시예들 또는 예들을 제공함을 이해될 것이다. 이하에 구성요소들 및 장치들의 특정 예들이 본 개시내용을 단순화하기 위해 기술된다. 물론 이것은 단지 예들에 지나지 않으며 이것에 한정되도록 의도하는 것은 아니다. 또한, 본 발명은 다 양한 예들에서 참조 번호들 및/또는 문자들을 반복할 수 있다. 이러한 반복은 단순성 및 명확성을 위한 것이며 본질적으로 논의된 다양한 실시예들 및/또는 구성들간의 관계를 나타내지 않는다. 더욱이, 다음의 설명에서 제 2 피쳐(feature) 위 또는 제 2 피쳐 상의 제 1 피쳐의 형성은 제 1 및 제 2 피쳐들이 직접 접촉하여 형성되는 실시예들을 포함할 수 있고, 추가 피쳐들이 제 1 및 제 2 피쳐들이 직접 접촉하지 않도록 제 1 및 제 2 피쳐들을 개재시켜 형성될 수 있는 실시예들도 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 특징들에 따라 구성된 복수의 후면 조명(또는 후방조명) 센서들을 가진 반도체 디바이스(100)의 일 실시예의 단면도를 나타낸다.
반도체 디바이스(100)는 반도체 기판(110)을 구비한다. 상기 기판(110)은 실리콘, 게르마늄, 및 다이아몬드와 같은 기본 반도체(elementary semiconductor)를 포함할 수 있다. 상기 기판(110)은 또한 실리콘 카바이드, 칼륨 비소, 인듐 비소, 및 인듐 인화물과 같은 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 상기 기판(110)은 실리콘 게르마늄, 실리콘 게르마늄 탄화물, 갈륨 비소 인화물, 및 갈륨 인듐 인화물과 같은 합금 반도체를 포함할 수 있다. 상기 기판(110)은 다양한 p형 도핑 영역들 및/또는 n형 도핑 영역들을 포함할 수 있다. 모든 도핑은 다양한 단계들에서 이온 주입(ion implantation) 또는 확산과 같은 공정을 이용하여 구현될 수 있다. 상기 기판(110)은 상기 기판 위에 형성된 상이한 디바이스들을 분리하기 위해 횡분리 피쳐 들(lateral isolation features)을 포함할 수 있다.
상기 반도체 디바이스(100)는 상기 반도체 기판(110)의 전면 위에 형성된 복수의 센서 소자들(120)을 구비할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 센서 소자들은 상기 전면 상에 배치될 수 있고 반도체 기판(110)으로 연장될 수 있다. 상기 센서 소자들(12)은 각각 확산 또는 이온 주입에 의해 상기 반도체 기판(110)에 형성된 N형 및/또는 P형 도펀트들을 가진 도핑 영역일 수 있는 감광 영역(light-sensing region)(또는 포토-센싱 영역)을 포함할 수 있다. 상기 감광 영역은 약 1014와 1021 원자/cm3 범위의 도핑 농도를 가질 수 있다. 감광 영역은 그 위에 조명된 광을 받도록 동작 가능한, 관련 센서 소자 영역의 약 10%와 80% 범위의 표면 영역을 가질 수 있다. 센서 소자들(120)은 광다이오드들, 상보형 금속-산화물-반도체(complimentary metal-oxide-semiconductor; CMOS) 이미지 센서들, 전하 결합 소자(charged coupling device; CCD) 센서들, 능동 화소 센서들(active pixel sensors), 수동 화소 센서(passive pixel sensor), 및/또는 기판(110)에 확산되거나 그렇지 않으면 상기 기판(110)에 형성된 다른 센서들을 구비할 수 있다. 그러한 것으로서, 센서 소자들(120)은 종래 및/또는 미래에 개발될 영상 감지 장치들(image sensing devices)을 포함할 수 있다. 상기 센서 소자들(120)은 센서 어레이 또는 다른 적당한 구성으로 배치된 복수의 화소들을 포함할 수 있다. 상기 복수의 센서 화소들은 다양한 센서 유형들을 가지고 설계될 수 있다. 예를 들면, 센서 화소들의 한 그룹은 CMOS 이미지 센서들이고 센서 화소들의 다른 그룹은 수동 센서 들(passive sensors)이다. 더욱이, 상기 센서 소자들(120)은 컬러 이미지 센서들 및/또는 단색 이미지 센서들을 포함할 수 있다. 상기 센서 소자들(120)은 센서 소자들(120)이 조명된 광에 적당한 응답을 제공하게 동작할 수 있도록 전기 회로 및 접속물과 같은 구성요소들을 더 포함하거나 이들 구성요소에 결합될 수 있다. 상기 디바이스(100)는 적용 중 반도체 기판(110)의 후면을 향해 지향된 광(150)을 수신하도록 설계되어, 광경로들을 방해하는 게이트 피쳐들 및 금속 라인들과 같은 다른 물체들을 제거하고, 조명된 광에 대한 감광 영역의 노출을 최대화한다. 상기 기판(110)은 박육화되어 그 후면을 통해 지향된 광이 효과적으로 센서 소자들(120)에 도달할 수 있게 한다.
반도체 디바이스(100)는 반도체 기판(110)의 전면 위에 형성된 광반사층(LRL)(130)을 더 포함한다. LRL(130)이 반도체 기판(110) 위에 형성된 센서 소자들(120) 상에 배치되어 상기 기판(110)의 후면을 향해 그리고 센서 소자들(120)을 통해 지향된 광이 센서 소자들(120)에 다시 반사될 수 있게 하고, 따라서 그 감도가 향상된다. LRL(130)은 후면 조명광이 감광 영역들로 효과적으로 반사될 수 있도록 설계 및 구성될 수 있다. 일 예에 있어서, 감광 영역을 통해 지향된 후면 조명광의 80%이상이 다시 반사될 수 있다. 일 예에서, LRL(130)은 후면 조명광에 대해 실질적으로 적어도 30%의 반사율을 가질 수 있다. LRL(130)은 반사면이 관련 센서 소자의 표면 영역의 실질적으로 적어도 80%의 표면 영역을 가지는 관련 센서 소자에 대한 반사면을 가질 수 있다. LRL(130)은 약 50 옹스트롬과 20 마이크로미터 범위의 두께를 가질 수 있다. 상기 LRL은 최대화된 효율 및 성능을 위해 센서 소자 들(120)에 더 가깝게 설계될 수 있다. 일 실시예에 있어서, LRL(130)은 금속 상호접속으로 형성되고 그리고/또는 층간 유전체(interlayer dielectric; ILD)에 형성된다. LRL(130)은 후면 조명광을 복수의 센서 소자들(120)에 반사시키기 위해 연속 반사면을 가지도록 설계될 수 있다. 이와는 달리, LRL(130)은 동일 층에 패터닝 및 배치되거나 여러 층들에 산재된 복수의 반사 분리/접속 피쳐들을 포함할 수 있다. 예를 들면, LRL(130)의 일부는 금속 1(Metal 1) 층에 배치될 수 있고 그것의 다른 부분은 금속 2(Metal 2) 층에 배치될 수 있다. 다른 예에 있어서, 하나의 감광 영역과 연관된 반사면은 하나 이상의 반사 피쳐들을 포함할 수 있다. LRL(130)은 컨택트들(contacts), 비어들(vias), 및 금속 라인들과 같은 디바이스(100)의 기능 요소(functional component)를 포함할 수 있다. 이들 기능 피쳐들은 그것의 통상 기능들에 부가하여, 더 유효한 광반사를 위해 구성될 수 있다. 예를 들면, 금속 라인 스트립(metal line strip)이 그것의 통상 기능들을 변경하지 않고 재배치되고 그리고/또는 넓어질 수 있다. LRL(130)은 금속, 유전체, 다른 공정/제조 호환성 재료들, 및/또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. LRL(130)에서의 금속은 알루미늄, 구리, 텅스텐, 티탄, 티탄 질화물, 탄탈, 탄탈 질화물, 금속 규화물, 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. LRL(130)에서의 유전체는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 옥시니트라이드, 로우 k 재료(low k material) 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, LRL(130)에서의 상기 유전체는 약 2보다 작은 흡광 계수(extinction coefficient)를 가진다. 다른 예에 있어서, LRL(130)은 포커싱 및 효과적인 반사를 위해 곡면을 가진 반사 피쳐들을 포함하도록 설계될 수 있다. LRL(130)은 제 2 형태의 2개의 필름들 사이에 개재된 제 1 형태의 하나의 필름을 가진 샌드위치된 구조(sandwiched structure)와 같은 적층 다중-필름들 구조((stacked multi-films structure))를 가진 반사 피쳐들을 포함할 수 있다.
상기 디바이스(100)는 반도체 기판(110) 위 및 상기 센서 소자들(120) 상에 형성된 다층 상호접속물(multilayer interconnect; MLI)(140)을 포함할 수 있다. 상기 MLI(140)는 URL(130)을 따라 배치 및 형성될 수 있다. 상기 디바이스(100)는 상기 MLI(140) 상에 배치된 패시베이션 층(passivation layer)을 포함할 수 있다. 상기 디바이스(100)는 그것을 기계적으로 지지하기 위해 그리고 후면 조명광이 그것을 광학적으로 통과하도록 허용하기 위해 상기 반도체 기판(110)의 후면에 부착된 투명층을 더 포함할 수 있다. 상기 디바이스(100)는 컬러 이미징 응용(color imaging application)을 위해 상기 센서 소자들(120)과 상기 반도체 기판(110)의 후면 사이에 개재된 컬러 필터들을 더 포함할 수 있다. 상기 디바이스(100)는 상기 센서 소자들(120)과 상기 반도체 기판(110)의 후면 사이 또는 컬러 필터들이 구현되면 컬러 필터들과 후면 사이에 개재된 복수의 마이크로-렌즈(micro-lens)를 포함하여, 후면 조명광이 감광 영역들에 포커싱될 수 있게 한다. LRL(130)은 더 높은 반사율을 가진 재료를 이용함으로써 그리고/또는 적층된 다중-필름 구조를 채용함으로써 향상된 반사율을 가질 수 있다. 적층된 다중-필름 구조는 각 층의 두께 및 반사율(reflective index)이 잘 조정되어 반사율을 향상시킬 수 있도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 다수의 필름들의 두께는 여러 필름들로부터 반사된 광이 구조적으로 간섭하고 따라서 반사된 광이 증대될 수 있도록 조정될 수 있다. 각 층의 반 사율은 적층된 다중-필름들 구조로부터의 반사가 최대화되도록 주의깊게 선택되거나 조정될 수 있다. LRL(130)은 이중 다마신 공정(dual damascene processing)과 같은 종래의 가공 기술들과 호환 가능하고 통합된 다양한 공정들에 의해 형성될 수 있다. LRL(130)을 형성하기 위한 상기 방법은 침착 기술(deposition techniques) 예컨대 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD), 물리적 기상 증착(physical vapor deposition; PVD), 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD), 도금(plating), 스핀-온 코팅(spin-on coating), 및 다른 적합한 공정을 이용할 수 있다. 상기 방법은 또한 다른 공정들 예컨대 폴리싱/평탄화, 에칭, 포토리소그라피, 및 가열 공정(thermal process)을 구현할 수 있다. 공정 방법들은 예상 굴절율 및/또는 두께에 대해 최적화될 수 있다.
도 2에는 본 발명의 특징들에 따라 구성된 복수의 후면 조명 센서들을 가진 반도체 디바이스(200)의 다른 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 상기 디바이스(200)는 구성, 조성 및 형성에 있어서 상기 디바이스(100)의 것들과 실질적으로 유사한 반도체 기판(110), 예시적인 센서 소자들(120a, 120b, 120c)과 같은 복수의 센서 소자들(120), 및 컬러 필터들 및 마이크로렌즈와 같은 다른 적당한 구성요소들을 포함할 수 있다.
상기 디바이스(200)는 다층 상호접속물(multi-layer interconnect; MLI 또는 상호접속물)(140) 및 함께 집적 및 형성된 광반사층(light reflective layer; LRL) (130)을 포함한다. MLI(140)은 적어도 하나의 상호접속층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 2는 금속 1 층 (142) 및 금속 2 층(144)과 같은 2개의 예시적인 금속층 들을 가진 MLI(140)를 도시한다. 상기 금속 1 층(142)은 예시적인 금속 라인 피쳐들(142a, 142b)을 포함할 수 있다. 상기 금속 2 층(144)은 예시적인 금속 라인 피쳐들(144a, 144b), 및 더미 금속 피쳐(dummy metal feature; 144c)를 포함할 수 있다. 상기 MLI(140)은 상기 금속층(142)과 상기 반도체 기판(110) 사이를 접속하기 위해 배치 및 구성된 수직 콘택트들(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 상기 MLI(140)는 상이한 금속층들 사이 예컨대 금속층(142)와 금속층(144) 사이를 접속하기 위해 배치 및 구성된 수직 비어들(vertical vias)(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 일반적인 전기적 기능 이외에, 상기 MLI(140)는 이렇게 적어도 부분적으로 광반사층(130)으로서 작용하도록 설계 및 구성된다. 예를 들면, 상호접속물(interconnect; 142a)은 관련된 센서 소자(120a)에 후면 조명광을 효과적으로 반사시키기 위해 위치되고 및/또는 확대될 수 있다. 다른 예에 있어서, 상기 MLI(140)는 결합된 구조(상기 예에서는 142b, 144b)가 후면 조명 광을 관련 센서 소자(102b)에 효과적으로 반사시킬 수 있도록 구성된 예시적인 금속 피쳐들(142b, 144b)과 같은 다수의 금속 피쳐들(동일층 또는 상이층들로부터의)을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 상기 MLI(140)는 그 자체로 또는 다른 피쳐들(이 예에서는 142b)과의 조합에 의해 후면 조명광을 관련 센서 소자(102c)에 효과적으로 반사시키도록 구성된 더미 금속(144c)과 같은 더미 피쳐들을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 컨택트/비어 피쳐들이 반사를 위해 부가적으로 사용될 수 있고 또는 반사를 위해 다른 피쳐들과 조합될 수 있다. 모든 반사 피쳐들은 바람직하게는 효과적인 반사를 위해 감광 영역들에 더 가깝게 설계된다.
상기 MLI(140)는 종래의 상호접속물들을 포함할 수 있고 이 기술분야에서 잘 알려진 종래의 공정에 의해 형성될 수 있다. 일 예에 있어서, 상호접속물(140)은 알루미늄 기술을 이용할 수 있다. 다른 예에 있어서, 상호접속물(140)은 구리 기법(copper technology)을 이용할 수 있다. 상기 알루미늄 상호접속물은 알루미늄, 알루미늄/실리콘/구리 합금, 티탄, 티탄 질화물, 텅스텐, 금속 규화물, 또는 조합물을 포함할 수 있다. 알루미늄 상호접속물은 다중-필름 구조를 포함할 수 있다. 예를 들면, 금속 라인은 티탄/티탄 질화물과 같은 재료들을 가진 배리어/접착 필름들(barrier/adhesion films) 및 알루미늄 합금을 가진 알루미늄 필름을 포함할 수 있다. 컨택트/비어 피쳐는 유사한 배리어/접착 필름들 및 텅스텐 플러그(tungsten plug)를 포함할 수 있다. 알루미늄 상호접속물들은 스퍼터링, CVD, 또는 이들의 조합들에 의해 침착될 수 있다. 다른 제조 공정들, 예컨대 포토리소그라피 및 에칭이 이용되어 수직 접속물(비어들 및 컨택트들) 및 수평 접속물(금속 라인들)을 위한 금속 재료들을 패터닝할 수 있다. 구리 상호접속물은 구리, 구리 합금, 티탄, 티탄 질화물, 탄탈, 탄탈 질화물, 텅스텐, 금속 규화물, 텅스텐 코발트 인, 또는 이들의 조합물들을 포함할 수 있다. 상기 구리 상호접속물은 트렌치 퍼스트(trench first) 또는 비어 퍼스트 공정들(via first processes)과 같은 이중 다마신 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 이중 다마신 공정에 있어서, 도금 및 화학 기계적 폴리싱(chemical mechanical polishing; CMP)이 이용될 수 있다.
MLI(140)에 통합된 LRL(130)은 이웃하는 피쳐들 및 반도체 공정과 호환 가능 한 다른 금속 재료들을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 적당한 금속 재료가 반도체 디바이스(200)를 제조하는 데 이용되는 반도체 공정과 호환 가능할 필요가 있을 수 있다. 유전 재료는 MLI 구조에 배치될 수 있고 금속 피쳐들 사이의 빈 공간들에 충전될 수 있다. 상기 유전 재료는 조성, 구성, 및 형성에 있어서 상기 디바이스(100)에서의 종래의 레벨간 유전체(inter-level dielectric; ILD)와 실질적으로 유사할 수 있다. 예를 들면, 상기 유전 재료는 실리콘 산화물, 예컨대 탄소 도핑 실리콘 산화물 및 불소 도핑 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 옥시니트라이드, 로우 케이(low k) 재료, 이들의 조합들, 및/또는 다른 적절한 재료들을 포함할 수 있다.
도 3에는 본 발명의 특징들에 따라 구성된 복수의 후면 조명 센서들을 가진 반도체 디바이스(300)의 다른 실시예의 단면도가 도시된다. 상기 디바이스(300)는 상기 디바이스(200)의 것과 실질적으로 유사한 반도체 기판(110), 일례의 센서 소자들(120a, 120b, 120c)과 같은 복수의 센서 소자들(120), 및 컬러 필터들, 마이크로렌즈, 및 상호접속물과 같은 다른 적합한 구성요소들을 포함할 수 있다.
상기 디바이스(300)는 층간 유전체(ILD)에 배치되거나 층간 유전체(ILD)에 집적된 유전 광반사층(LRL; 130)을 더 포함할 수 있다. 상기 유전 LRL(130)은 상기 반도체 기판(110)의 반사율보다 작은 반사율을 가질 수 있고 이웃하는 ILD의 굴절율과는 다른 굴절율을 가질 수 있다. 상기 유전 LRL(130)은 유전 재료 예컨대 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 옥시니트라이드, 로우 케이 재료, 다른 적합한 유전 재료 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 상기 유전 LRL(130)은 유전 반사 피쳐들(130a, 130b, 130c)과 같은 복수의 패터닝된 반사면들을 가질 수 있고, 및/또는 130d와 같은 연속 반사면을 가질 수 있다. 상기 유전 LRL(130)은 적층된 다중-필름 구조를 포함할 수 있다. 적층된 다중-필름 구조는 각 필름이 향상된 반사를 위한 적당한 두께 및 반사율을 가질 수 있도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 적층된 다수의 필름들의 두께는 반사광이 구조적으로 간섭하도록 조정될 수 있다. 각 필름의 반사율은 다중 필름들로부터의 반사가 최대화되도록 주의 깊게 선택되거나 조정될 수 있다.
다른 구성 및 조합이 박막 광학(thin film optics) 기술과 같은 이 기술 분야에서 잘 알려진 기술들에 따라 반사 향상을 위해 채용될 수 있다. 일 예에 있어서, 상기 유전 LRL(130)은, 도 3에 도시된 반사 피쳐들(130a, 130b, 130c)과 같은, 제 1 유전 재료의 제 1 층, 제 2 유전 재료의 제 2 층, 및 상기 제 1 유전 재료의 제 3 층을 가진 샌드위치된 구조를 포함할 수 있다. 다른 예에 있어서, 상기 유전 LRL(130)은 유전 반사층(130d)과 같은 2중 필름들을 포함할 수 있다. 상기 유전 LRL(130)은 CVD, PVD, 가열 산화(thermal oxidation), ALD, 스핀 온 글래스(spin on glass)와 같은 공정, 다른 적합한 공정 또는 이들의 조합들에 의해 형성될 수 있다. 화학 기계적 폴리싱(CMP)과 같은 다른 제조 기술들이 이용될 수 있다. 일 예에 있어서, CMP 공정은 평탄면을 생성하기 위해 디싱(dishing) 및 부식 효과들(errosion effects)을 최소화하기 위해 조정될 수 있다. 다른 예에 있어서, CMP 공정은 효과적이고 포커싱된 반사를 위한 곡면을 생성하도록 적절한 디싱 효과를 위해 조정될 수 있다. 상기 유전 LRL(130)은 최대화된 반사를 제공하기 위해 상 기 MLI(140)와 조합될 수 있다. 일 예에 있어서, 상기 유전 LRL 피쳐(130b) 및 금속 피쳐(142b)(전기적 기능 라인/콘택트/비어 또는 더미 금속 피쳐)는 관련 센서 소자(102b)에 대한 반사를 제공하기 위해 조합된다. 다른 예에 있어서, 상기 유전 LRL 피쳐(130c) 및 상이한 수직 레벨들에서의 다른 유전 LRL 피쳐(130d)는 관련 센서 소자(120c)에 대해 향상된 반사를 제공하기 위해 조합될 수 있다. 다른 적당한 조합 및 구성이 본 발명에 따라 반사를 향상시키기 위해 이용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 반도체 기판의 전면 위에 센서 소자들, 상기 광반사층, 상기 패시베이션층, 및 다른 구조물들의 형성시, 상기 반도체 기판(110)의 후면은 추가로 가공된다. 예를 들면, 상기 후면은 조명된 광이 감광 영역들에 효과적으로 도달할 수 있도록 박육화(thinned)될 수 있다. CMP 및/또는 에칭과 같은 공정이 상기 반도체 기판(110)의 두께를 감소시키기 위해 이용될 수 있다. 상기 반도체 기판(110)의 후면은 또한 상기 반도체 기판(110)을 지지하고 또한 보호하기 위해 충분한 두께 및 기계적 강도를 가진 투명층에 의해 보호될 수 있다.
개시된 구조 및 이를 제조하기 위한 방법에 있어서, 인가 중 조명된 광은 가시광 빔에 한정되지 않고, 다른 광학 광선(optical light) 예컨대 적외선(IR) 및 자외선(UV), 및 다른 적당한 방사 빔들(radiation beams)로 확대될 수 있다. 따라서, 광반사층(130)은 대응하는 방사 빔을 효과적으로 반사시키기 위해 적당히 선택되고 설계될 수 있다.
따라서, 본 발명은 후면 조명 반도체 디바이스를 제공한다. 이 디바이스는 전면 및 후면을 가진 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 전면에 형성된 센서 소자, 및 상기 센서 소자 상에 배치된 광반사층(LRL)을 포함하고, 여기서 LRL은 후면을 향해 그리고 센서 소자를 통해 지향된 광을 반사시키도록 구성된다.
개시된 디바이스에 있어서, 상기 LRL은 센서 소자의 80%이상의 영역을 통해 지향된 광을 반사시키도록 설계될 수 있다. 상기 LRL은 거기로 지향된 광의 약 30%를 반사시킬 수 있다. 상기 LRL은 약 50옹스트롬과 20마이크로미터 범위의 두께를 가질 수 있다. 상기 LRL은 금속, 유전체, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함할 수 있다. 상기 금속은 알루미늄, 구리, 텅스텐, 티탄, 티탄 질화물, 탄탈, 탄탈 질화물, 금속 규화물, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 상기 유전체는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 옥시니트라이드, 로우 케이 재료, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 상기 유전체는 반도체 기판의 반사율보다 낮은 반사율을 가질 수 있다. 상기 LRL은 다층 구조를 포함할 수 있다. 상기 LRL은 다층 상호접속 구조 내에 배치되고 다층 상호접속 구조물과 함께 제조될 수 있다. 상기 LRL은 다층 상호접속물의 일부를 포함할 수 있다. 센서 소자는 상보형 금속-산화물-반도체(CMOS) 이미지 센서, 전하-결합 소자 센서, 능동 화소 센서, 수동 화소 센서, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 상기 센서 소자들은 LRL 아래에 배치된 감광 영역을 포함할 수 있다. 상기 감광 영역은 약 1014와 1021 원자들/cm3 범위의 도핑 농도를 가질 수 있다. 상기 감광 영역은 상기 센서 소자의 화소 영역의 약 10%와 80% 범위의 영역을 가질 수 있다. 상기 감광 영역은 N형 도핑 영역 및/또는 P형 도핑 영역을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 반도체 디바이스를 제공한다. 상기 디바이스는 전면 및 후면을 가진 반도체 기판, 상기 전면위에 배치된 복수의 센서 소자들, 및 상기 복수의 센서 소자들 상에 배치되고 상기 반도체 기판을 향해 그리고 상기 복수의 센서 소자들 각각의 영역의 적어도 80%을 통해 지향된 광을 반사시키도록 구성된 복수의 금속 반사 피쳐들을 포함한다. 각각의 복수의 금속 반사 피쳐들은 알루미늄, 구리, 텅스텐, 티탄, 티탄 질화물, 탄탈, 탄탈 질화물, 금속 규화물, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함할 수 있다. 상기 금속 반사 피쳐들은 상기 반도체 기판의 전면 위의 다층 상호접속물내에 배치되고 다층 상호접속물과 함께 형성될 수 있다. 상기 금속 반사 피쳐들은 다층 상호접속물의 일부를 포함할 수 있다. 상기 금속 반사 피쳐들은 상기 다층 상호접속물의 하나 이상의 층에 배치될 수 있다.
본 발명은 또한 반도체 디바이스를 제공한다. 상기 디바이스는 전면 및 후면을 가진 반도체 기판, 상기 전면위에 배치된 복수의 센서 소자들, 및 복수의 센서 소자들 상의 층간 유전체에 배치되고 상기 반도체 기판의 후면을 향해 지향되고 그리고 복수의 센서 소자들 각각의 적어도 80% 영역을 통해 지향된 광을 반사시키도록 구성된 유전 반사층을 포함한다. 상기 유전 반사층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 옥시니트라이드, 로우 케이 재료, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함할 수 있다. 상기 유전 반사층은 다중-필름 구조를 포함 할 수 있다.
상기 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 사람이 상세한 설명을 더욱 잘 이해할 수 있도록 여러 실시예들의 특징들을 개략 설명하였다. 이 기술분야에서 숙련된 사람들은 이들이 동일한 목적들을 수행하고 그리고/또는 여기에 소개된 실시예들의 동일 이점들을 달성하기 위한 다른 공정들 및 구조들을 설계 또는 변경하기 위한 기초로서 본 개시내용을 용이하게 이용할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한 이 기술분야에서 숙련된 사람들은 이와 같은 등가의 구성들은 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 것과 이들은 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본원에 다양한 변경들, 치환들 및 수정을 만들 수 있다는 것을 알아야 한다.
본 발명에 의하면 장파장 광이 유효 흡수없이 센서들을 통과하여 빛날 수 있는 문제점을 해결한 개선된 후면 조명 센서들 및/또는 대응 기판을 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 후면 조명 반도체 디바이스로서,
    전면 및 후면을 가진 반도체 기판;
    상기 반도체 기판의 상기 전면 위에 형성된 센서 소자; 및
    상기 반도체 기판 상에 배치된 광반사층(light relective layer; LRL)을 포함하고,
    상기 LRL은 상기 센서 소자에 대한 반사면을 가지며, 상기 반사면은 상기 센서 소자 표면 영역의 실질적으로 적어도 80%의 표면 영역을 가지는, 후면 조명 반도체 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 소자는 능동 화소 센서(active pixel sensor) 또는 수동 화소 센서(passive pixel sensor)를 포함하는, 후면 조명 반도체 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 LRL은 후면 조명광에 대해 실질적으로 적어도 30%의 반사율(reflectivity)을 가지는, 후면 조명 반도체 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 LRL은 약 50옹스트롬 내지 20 마이크로미터 범위의 두께를 가지는, 후면 조명 반도체 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 LRL은 금속 또는 유전체를 포함하는, 후면 조명 반도체 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유전체는 약 2보다 작은 흡광 계수(extinction coefficient)를 가지는, 후면 조명 반도체 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 LRL은 다층 구조를 포함하는, 후면 조명 반도체 디바이스.
  8. 후면 조명 반도체 디바이스로서,
    전면 및 후면을 가진 반도체 기판;
    상기 반도체 기판의 상기 전면 위에 형성되며, 감광 영역(light-sensing region)을 포함하는 센서 소자; 및
    상기 감광영역 상에 배치된 광반사층(LRL)을 포함하고,
    상기 LRL은 광을 다시 상기 감광 영역으로 반사시키도록 구성된, 후면 조명 반도체 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 감광 영역은 약 1014 내지 1021 원자/cm3 범위의 도핑 농도를 가지는, 후면 조명 반도체 디바이스.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 감광 영역은 상기 센서 소자의 화소 영역의 약 10% 내지 80% 범위의 영역을 가지는, 후면 조명 반도체 디바이스.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 감광 영역은 N형 도핑 영역 또는 P형 도핑 영역을 포함하는, 후면 조명 반도체 디바이스.
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