KR20130088705A - 개선된 반사성의 이미지 센서용 광학 그리드를 위한 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
개선된 반사성의 이미지 센서용 광학 그리드가 제공된다. 일 실시예에서, 후방 조명식 CIS 소자는 반도체 기판으로서 복수의 광 센서를 포함하는 화소 어레이 영역이 상기 반도체 기판의 전방면 상에 형성되고, 상기 각각의 광 센서는 상기 화소 어레이 영역에서 화소를 형성하는 것인 반도체 기판과; 상기 반도체 기판의 후방면 위에 배치된 광학 그리드 재료로서 상기 화소 어레이 영역 내의 각각의 화소를 구획하고 측벽 및 상부를 갖는 광학 그리드를 형성하도록 패터닝되고 상기 반도체 기판 위로 연장되는 광학 그리드 재료와; 상기 광학 그리드 위에 형성되고, 적어도 순도 99%인 금속의 순수 금속 코팅과 상기 순수 금속 코팅 위의 2.0보다 큰 굴절률의 고-k 절연 코팅을 포함하는 고반사성 코팅을 포함한다. 방법도 개시된다.
Description
본 발명은 이미지 센서에 사용되는 광학 그리드의 반사성을 향상시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
휴대 장치 상에 정지 사진 및 비디오 카메라를 포함한 디지털 카메라를 계속 사용하는 것으로부터 이미지 센서에 대한 수요가 형성되었다. 태블릿 컴퓨터, 스마트폰, 랩톱 및 웹 기반의 비디오 플레이어와 같은 휴대용 또는 배터리 전원의 장치에 카메라를 사용하는 것은 계속 증가하고 있다.
초기 디지털 카메라는 이미지 센서로서 주로 전하 결합 소자("CCD")에 의존하였다. 보다 최근에는 CMOS 이미지 센서("CIS")가 점차적으로 보급되고 있다. CCIS 기술은 아날로그 장치가 아닌 디지털 장치를 제공하며, CIS는 CMOS 트랜지스터 또는 다이오드 기술을 사용하므로, 추가적인 디지털 처리 및 로직 회로가 이미지화 집적 회로에 용이하게 합체될 수 있다. 집광 효율(양자 효율: QE)은 CCD 소자로 얻어진 것보다 클 수 있다.
CIS 소자는 다이오드로서 또는 트랜지스터의 일부 즉, "광-트랜지스터"로서 형성될 수 있는 감광성 광-다이오드를 기초로 한다. 광-다이오드가 광에 노출되면, 광에 비례하여 전자가 흐르고, 주어진 시간 내에 수용되는 광량을 지시하는 전압 신호가 생성될 수 있다. 이 신호는 이후 디지털 신호로 변환되고 소자 상의 회로가 신호를 출력할 수 있다. 반도체 소자 상에는 화소("픽셀")의 어레이가 형성된다. 필터링과 같은 디지털 신호 처리와 예컨대 이미지 처리를 제공하고 인터페이스 회로를 시스템에 제공하기 위해 어레이 외부에는 추가의 회로가 형성될 수 있다.
원래, 전방 조명식(front side illuminated: "FSI") 어레이는 CIS 소자와 함께 사용되었다. 그러나, FSI CIS 방식으로 광 센서에 충돌하는 광은 충돌광을 흡수 또는 산란시킬 수 있는 금속 및 절연체의 층을 통과하여야 하므로 양자 효율을 감소시킨다. 낮은 광 조건의 소자의 사용에 대한 필요성은 높은 QE에 대한 요구를 가져온다. 후방 조명식(back side illuminated:"BSI") CIS 장치가 개발되었다. 반도체 기판의 후방면으로부터 입사광을 수용하는 것에 의해 상기 금속 및 절연체의 개재하는 층 없이 광로가 짧게 형성될 수 있다. 웨이퍼 박막화를 사용하고 에피택셜 반도체 층의 사용으로, 기판은 추가로 박막화되거나 심지어 제거될 수 있으며, 광 센서는 소자의 후방측 표면에 매우 근접하므로 QE를 크게 증가시킨다. BSI CIS 소자는 현재의 제품에 점차적으로 보급된다.
일 실시예에서, 방법은 반도체 기판의 후방면 위로 화소 영역 어레이 영역 위에 재료 층을 형성하고; 포토리소그래픽 공정을 이용하여 상기 재료 층을 패터닝하여 광학 그리드 - 상기 화소 어레이 영역 위에 피복되어 상기 화소 어레이 영역의 각 섹션 내에 화소 센서를 구획함 - 를 형성하고; 상기 광학 그리드 위에 순수 금속 코팅 - 적어도 순도 99%인 금속을 포함한 - 을 적층하고; 상기 순수 금속 코팅 위에 약 2.0보다 큰 굴절률의 절연층을 적층하고; 상기 순수 금속 코팅과 상기 절연층을 패터닝하여 상기 광학 그리드의 각 섹션의 상부 및 측벽 상에 반사성 코팅을 형성하고; 상기 광학 그리드 위에 약 2.0 미만의 굴절률의 패시베이션층을 적층하는 것을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 방법은 구리와 알루미늄 중 하나의 순수 금속을 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 재료 층의 형성은 전도체 형성을 포함한다. 추가의 실시예에서, 상기 전도체는 알루미늄과 구리 중 하나이다. 또 다른 실시예에서, 방법은 약 3.8보다 큰 유전 상수를 갖는 절연체를 적층하는 것에 의해 순수 금속 코팅 위에 약 2.0보다 큰 굴절률의 절연층을 적층하는 것을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 탄탈 산화물, 티타늄 산화물 및 알루미늄 산화물로부터 선택된 하나를 적층시키는 것에 의해 순수 금속 코팅 위에 약 2.0보다 큰 굴절률의 절연층을 적층하는 것을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 상기 방법은 전도체 재료의 층의 형성을 추가로 포함하여, 반도체 기판의 화소 어레이 영역의 후방면 위에 재료 층을 형성하는 것을 포함한다.
또 다른 대안적인 실시예에서, 상기 방법은 실리콘계 절연체를 적층하는 것에 의해 광학 그리드 위에 약 2.0 미만의 굴절률의 패시베이션층을 적층하는 것을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 광학 그리드 위에 약 2.0 미만의 굴절률의 패시베이션층을 적층하는 것은 실리콘계 실리콘 산화물을 적층하는 것을 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 광학 그리드의 반사율은 95%보다 크다. 또 다른 실시예에서, 광학 그리드 위에 적어도 순도 99%의 금속인 순수 금속 코팅을 적층하는 것은 적어도 순도 99.9%의 Al 또는 Cu를 적층하는 것을 포함한다.
다른 실시예에서, 반도체 소자는 반도체 기판으로서, 복수의 광 센서를 포함하는 화소 어레이 영역이 상기 반도체 기판 내에 배치되고 상기 광 센서 중 하나는 상기 화소 어레이 영역 내의 각 화소에 대응하는 것인 반도체 기판과; 상기 반도체 기판의 후방면 상에 광학 그리드를 형성하고 상기 화소 어레이 내의 각각의 화소를 구획하는 광학 그리드 재료를 포함하며, 상기 광학 그리드는 기재 위에 적어도 순도 99%의 순수 금속인 순수 금속 코팅과, 상기 순수 금속 코팅 위에 2.0보다 큰 굴절률의 고-k 절연 재료를 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 순수 금속 코팅은 구리와 알루미늄 중 하나이다. 추가의 실시예에서, 상기 소자에 있어서 상기 고-k 절연 재료는 3.8보다 큰 유전 상수 k의 절연 재료를 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 반도체 소자는 광학 그리드 위에, 약 2.0 미만의 굴절률의 절연 재료를 포함하는 패시베이션층을 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 후방 조명식 CIS 소자는 반도체 기판으로서, 복수의 광 센서를 포함하는 화소 어레이 영역이 상기 반도체 기판의 전방면 상에 형성되고, 상기 각각의 광 센서는 상기 화소 어레이 영역에서 화소를 형성하는 것인 반도체 기판과; 상기 반도체 기판의 후방면 위에 배치된 광학 그리드 재료로서, 상기 화소 어레이 영역 내의 각각의 화소를 구획하고 측벽 및 상부를 갖는 광학 그리드를 형성하도록 패터닝되고 상기 반도체 기판 위로 연장되는 광학 그리드 재료와; 상기 광학 그리드 위에 형성되고, 적어도 순도 99%인 금속의 순수 금속 코팅과 상기 순수 금속 코팅 위의 2.0보다 큰 굴절률의 고-k 절연 코팅을 포함하는 고반사성 코팅을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 후방 조명식 CIS 소자는 상기 광학 그리드와 상기 기판의 후방면을 피복하고, 약 2.0 미만의 굴절률의 절연 재료를 포함하는 패시베이션층을 포함한다. 추가의 실시예에서, 후방 조명식 CIS 소자는 적어도 순도 99%이고 구리와 알루미늄 중 하나를 더 포함하는 금속 코팅을 포함한다. CIS 소자의 또 다른 실시예에서, 순수 금속 코팅 위의 상기 고-k 절연 코팅은 탄탈 산화물, 티타늄 산화물, 또는 알루미늄 산화물을 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, CIS 소자에 있어서, 광학 그리드 재료는 구리와 알루미늄으로부터 선택된 전도체를 포함한다.
본 발명과 그 장점의 보다 완전한 이해를 돕기 위해, 첨부 도면과 관련하여 행해지는 이하의 설명을 참조한다.
도 1은 실시예의 사용을 예시하는 중간 처리 단계에서의 구조의 단면도를 나타내며;
도 2는 추가의 처리에 따른 도 1의 구조의 단면도를 나타내며;
도 3은 추가의 처리에 따른 도 2의 구조의 단면도를 나타내며;
도 4는 추가의 처리에 따른 도 3의 구조의 단면도를 나타내며;
도 5는 추가의 처리에 따른 도 4의 구조의 단면도를 나타내며;
도 6은 추가의 처리에 따른 도 5의 구조의 단면도를 나타내며;
도 7은 일 실시예를 예시하는 추가의 처리에 따른 도 6의 구조의 단면도를 나타내며;
도 8은 도 7의 구조의 일부의 단면도를 나타내며;
도 9는 실시예의 사용을 예시하는 도 7의 구조의 일부의 단면도를 나타내며;
도 10은 도 7의 구조의 평면도를 나타내며;
도 11은 방법의 실시예의 단계를 예시하는 흐름도를 나타낸다.
여러 다른 도면에서 대응하는 도면 번호와 부호는 달리 지시하지 않으면 대응하는 부분을 지칭한다. 도면은 바람직한 실시예의 관련 측면을 분명히 나타내도록 그려진 것으로 반드시 일정한 비율로 작성되는 것은 아니다.
도 1은 실시예의 사용을 예시하는 중간 처리 단계에서의 구조의 단면도를 나타내며;
도 2는 추가의 처리에 따른 도 1의 구조의 단면도를 나타내며;
도 3은 추가의 처리에 따른 도 2의 구조의 단면도를 나타내며;
도 4는 추가의 처리에 따른 도 3의 구조의 단면도를 나타내며;
도 5는 추가의 처리에 따른 도 4의 구조의 단면도를 나타내며;
도 6은 추가의 처리에 따른 도 5의 구조의 단면도를 나타내며;
도 7은 일 실시예를 예시하는 추가의 처리에 따른 도 6의 구조의 단면도를 나타내며;
도 8은 도 7의 구조의 일부의 단면도를 나타내며;
도 9는 실시예의 사용을 예시하는 도 7의 구조의 일부의 단면도를 나타내며;
도 10은 도 7의 구조의 평면도를 나타내며;
도 11은 방법의 실시예의 단계를 예시하는 흐름도를 나타낸다.
여러 다른 도면에서 대응하는 도면 번호와 부호는 달리 지시하지 않으면 대응하는 부분을 지칭한다. 도면은 바람직한 실시예의 관련 측면을 분명히 나타내도록 그려진 것으로 반드시 일정한 비율로 작성되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예의 구성 및 사용을 이하에 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 다양한 특정의 측면으로 구체화될 수 있는 다수의 적용 가능한 창의적 개념을 제공함을 이해하여야 한다. 설명되는 특정 실시예들은 본 발명을 구성하고 사용하기 위한 특정 방식에 대한 예시일 뿐으로, 이들 예는 발명의 상세한 설명과 첨부된 특허청구범위의 범위를 제한하지 않는다.
여기의 실시예들은 예시적인 예일 뿐으로 개시된 범위를 제한하지 않으며 첨부된 특허청구범위의 범위를 제한하지 않는다. 본 발명의 실시예들은 BSI CIS 소자 상에 광학 그리드를 형성하는 방법 및 장치를 포함한다. 광학 그리드의 반사성을 증가시키는 것에 의해 신호 대 잡음비가 향상될 수 있고, 흡수율이 감소될 수 있으며, 화소 간섭이 감소될 수 있으므로 소자 QE가 증가된다.
실시예의 방법에서, 광학 그리드는 센서 어레이 위의 금속 또는 절연체로부터 형성된다. 그리드 라인 위로는 순수 금속의 코팅이 형성된다. 고-k 유전체와 같은 제2 절연 코팅이 형성된다. 광학 그리드 상에 최종 절연 코팅이 패시베이션층으로서 형성된다. 이렇게 형성된 광학 그리드는 광학 그리드로 사용된 종래의 금속에 비해 고반사성 및 낮은 소광 계수(extiction coefficient)를 갖고, 광을 흡수하지 않는다. 실시예의 광학 그리드 재료의 사용은 화소 영역 사이에서의 광학적 누화(cross talk)를 방지하고 신호 대 잡음비 성능을 향상시킨다.
실시예들은 특정 측면의 예시적인 예, 즉 BSI CIS 소자에 사용되는 고반사성의 광학 그리드의 형성의 예에 관하여 설명되지만, 실시예들은 다른 용도의 목적으로 금속 위에 반사성 코팅을 제공하는데 사용될 수도 있다. 예를 들면, 실시예의 방법 및 구조는 전방 조명식 CIS 센서, CCD 어레이 또는 고반사성 금속을 필요로 하는 기타의 용례에 사용될 수 있다. 실시예의 방법 및 장치는 여기에 설+
.명되는 예의 공정에 한정되지 않으며, 예시적인 예들은 첨부된 특허청구범위를 제한하지 않는다.
이미지 센서를 피복하는 광학 그리드는 화소 대 화소 간의 광학적 누화를 방지하고 신호 대 잡음비를 향상시키는 것에 의해 추가적인 성능을 제공할 수 있다. 광학 시스템에서, 알루미늄(Al)과 은(Ag) 등의 금속은 높은 반사 성능으로 인해 종래 선택되었던 금속이다. 예를 들면, 약 550 나노미터 파장의 가시 광선에서 Ag는 최고의 반사율(~98%)를 나타낸 한편, Al은 양호한 성능(~92%)을 보여준다. 추가로, Al은 자외선 영역에서 양호한 반사율(~93%)과 적외선 영역에서 양호한 성능을 보여준다. 결국, 광학 박막 용례에 Al이 널리 사용된다. 그러나, Al은 낮은 내화학성(예컨대, 후속하는 화학적 공정에 의해 손상됨)을 나타내고 산화가 용이하여 AlOx 막을 형성한다. 다른 재료로 피복시 Al으로의 부착도 때로 바라는 바에 못미친다. 유사하게, Ag는 대기중에서 쉽게 산화되어 AgOx 막(예, 변색(tarnish))을 형성한다.
또한, 이들 금속이 소정 파장의 광에 대해 반사적이더라도, 선택된 재료와 두께에 따라 해당 소정의 광도 흡수된다. 소정의 광 파장의 경우 흡수 정도는 30~100% 범위일 수 있다. CIS 소자에서, 이러한 특징은 화소 어레이에 대한 광품질/광량을 상당히 감소시킬 수 있다(QE 감소를 야기함).
본 출원의 실시예들은 BSI CMOS 이미지 센서 소자를 위한 광학 그리드 시스템에 대해 "경면(mirror)" 코팅의 개념을 제공한다. 광학 그리드의 반사율을 적어도 95% 이상으로 향상시키기 위해 금속과 고-k 절연체를 포함하는 코팅이 제공된다. 이것은 기판 내의 광 센서로 제공되는 QE, 광 품질 및 광량을 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 그리드는 화소간 광학적 누화의 감소와 함께 개선된 신호 대 잡음 성능을 제공할 것이다.
도 1은 실시예를 포함하는 BSI CIS의 형성을 위한 제1 중간 처리 단계에서의 소자(100)의 단면도를 나타낸다. 반도체 기판(11)은 후방면이 도 1에 도시된 바와 같이 상향 배치된 것으로 도시되어 있다. 이것은 예시를 위한 임의의 배향이며; 물론 소자는 회전될 수 있다. 기판(11)은 실리콘 기판 또는 기타 반도체 재료일 수 있음에 유의하라. 갈륨 비소화물; 게르마늄; 실리콘 카바이드; 인듐 비소화물; 또는 인듐 인화물; 또는 실리콘 게르마늄 카바이드, 갈륨 인듐 인화물, 갈륨 인듐 비소화물 등의 반도체 합금이 사용될 수 있다. 기판은 통상 반도체 재료의 웨이퍼일 수 있다. 실시예에 웨이퍼 레벨 처리("WLP")가 사용될 수 있고 해당 처리는 모든 실시예에 필요한 것은 아니지만 추가의 실시예를 제공하는 것으로 고려된다. 또 다른 실시예에서, 기판(11)은 "SOI" 층과 같은 절연체 위에 에피택셜 층으로서 제공될 수 있다. 반도체 재료의 웨이퍼는 접합 또는 적층될 수 있으며, 반도체 기판은 이들 층 중의 한 층일 수 있다. 기판(11)은 화학적 기계적 연마("CMP"), 기계적 웨이퍼 연마 또는 반도체 에칭과 같은 웨이퍼 연마 방법에 의해 통상 박막화된다. 소정의 실시예에서, 박막화 이후의 기판(11)은 두께가 2.0 미크론 이상으로 작을 수 있다.
도 1에서, 금속 차폐 영역(33)과 주변 영역(35)과 함께 화소 어레이 영역(31)이 도시된다. 기판(11)의 어레이 영역(31)에 센서(13)가 보인다. 해당 예에서, 3개의 화소 센서(13)가 도시된다. 이들은 예컨대 광 다이오드이거나 대안적으로 광-트랜지스터의 소스/드레인 영역일 수 있다. 해당 단면도에서는 간명성을 위해 오직 3개의 센서(13)만이 도시되지만, 실제 소자의 경우, 수백 또는 수천 개 이상의 화소 센서의 어레이가 통상 행과 열의 배열로 제공될 것임에 유의하라. 센서(13)는 기판(11)의 "전방면" 측으로 연장되는 확산 영역 또는 도핑된 영역으로서 도시된다. 기판은 에피택셜 층을 포함할 수 있고, 센서(13)는 해당 에피택셜 층 내에 형성될 수 있다. 기판(11)은 도핑되는 p 또는 n형 웰(well)을 포함할 수 있고, 센서(13)는 웰 내의 양측으로 도핑된 확산 영역으로 형성될 수 있다. 센서(13)는 광-다이오드일 수 있고, 광-다이오드는 P-N 접합을 포함할 수 있으며, 센서(13)는 "피닝된(pinned)" 광-다이오드를 포함할 수 있다. 트랜지스터, 예컨대, 샘플링 기간 중에 광-다이오드 내에 수집된 광자에 대응하는 전압을 출력하는 전달 트랜지스터를 포함하는 여러 가지 다른 요소가 각각의 센서(13) 내에 포함될 수 있다.
영역(33)은 피복 금속 부분으로 차폐되어 센서(13)에 대한 블랙 레벨 상관 관계 또는 "BLC"를 제공한다. 해당 영역은 어떤 광자도 수용하지 않을 것이며, 따라서 회로가 감지된 레벨로부터 "블랙 노이즈"를 제거하여 화소의 성능을 개선할 수 있도록 감지 동작에 사용되는 비교를 제공할 것이다. 기판(11) 내의 영역(35)은 어레이 영역 외부의 추가적인 로직 함수와 그리고 연결을 위해 사용되는 화소 어레이 영역(31) 외의 영역이다. 도 1에서, 격리 영역(15)은 예컨대 기판(11) 내에 형성된 얕은 트렌치 소자 분리("STI") 영역일 수 있다. 대체예로서 실리콘의 부분 산화("LOCOS") 격리를 포함한다. 산화층과 같은 층간 절연막(17)이 기판을 피복하는 것으로 도시되어 있다. 제1 금속층에 대해 층간 절연막(19)이 보이고, 금속 1 영역(25)이 보인다. 이것은 어레이를 예컨대, 외부 패드 또는 솔더 커넥터에 결합시키는 전도체를 제공할 수 있다. 도시된 비아(23)는 도시되지 않은 다른 층에 금속 1 패드(25)를 결합시킨다. 기판(11)은 센서(13), 소자 상의 다른 회로 및 외부 커넥터에 대한 매핑 및 연결을 제공하는 다수의 층간 절연막, 금속간 절연층 및 금속층을 포함할 수 있다. 소자(100)의 조명은 도 1에서 후방면 또는 상부면으로부터 이므로, 도 1에 도시된 바와 같이 기판의 바닥면 상으로 배향된 기판(11)의 전방면 상의 센서(13) 위에 여러 층을 사용하는 것에 문제가 없다.
도 2는 추가의 처리 단계에 따른 소자(100)를 도시한다. 도 2에서, 반사 방지 코팅("ARC")(41)과 같은 코팅이 기판(11)의 후방면(도 2에 도시된 바와 같은 상부면)을 피복하는 것으로 도시되어 있는데, 이러한 코팅은 예컨대 유기 물질일 수 있다. 산화물과 같은 절연 코팅(43)이 ARC 층(41)을 피복하는 것으로 도시되어 있다.
도 3에서, 소자(100)는 추가의 처리 단계를 마친 상태가 도시된다. 도 3에서, 기판(11) 위에는 광학 그리드(45)를 형성하는 재료의 층이 적층된다. 해당 층(45)은 예컨대, 전기화학적 도금("ECP")에 의해 형성되는 Al 또는 Cu와 같은 전도체로서 사용되는 재료로부터 통상 선택될 수 있다. 예컨대 기판 위에 시드층이 스퍼터링된 후 나머지 층이 ECP에 의해 형성될 수 있다. 금속 재료 외에도, 소광 계수 k>0인 절연 물질과 같은 다른 재료가 사용될 수 있다. 일례에서, 알루미늄(Al)이 사용되었다.
도 4에서, 추가의 처리 단계를 마친 소자(100)가 도시된다. 도 4에서, 도시된 감광층("PR")(47)은 그리드 층(45) 위에 형성된다. PR(47)은 광학 그리드 층(45)의 기재를 패턴화하여 그리드 패턴을 형성함으로써 각각의 화소 영역을 인접하는 화소 영역으로부터 분리하는데 사용된다.
도 5는 추가의 처리 단계를 마친 소자(100)의 단면도이다. 도 5에서, 도시된 감광층(47)은 광학 패턴 마스크를 사용한 노광, 해당 층(47)에 대한 광 또는 엑시머 레이저 에너지의 노출, 경화 또는 강화 단계 및 도시된 패턴을 형성하는 감광층(47)에 대한 현상 단계를 포함하는 포토리소그래픽 패터닝 이후의 상태를 나타낸다.
도 6은 광학 그리드 재료의 층(45)의 에칭 단계 이후의 소자(100)의 단면도이다. 도 6에서, 해당 층(45)은 패터닝되어 섹션(451, 453, 455)과 금속 차폐 섹션(48)을 갖는 광학 그리드를 형성한다. 나머지 재료는 제거된다. 종래의 금속 에칭 공정이 사용될 수 있으며, 잔류 감광 물질은 예컨대 PR 스트립 또는 회화(ashing) 단계에 의해 제거된다. 광학 그리드(451, 453, 455)의 각 부분은 나머지 부분에 연결되어 화소 영역을 구획한다.
도 7은 일례의 실시예의 반사성 코팅을 완성하는 추가의 처리 단계를 마친 소자(100)의 단면도이다. 도 7에서, 도시된 각각의 광학 그리드 섹션(451, 455, 453)은 제1 금속 코팅(51)과 고-k 절연 코팅(53)을 포함하며, 전체 기판 위에 패시베이션 절연층(55)이 제공되어 소자에 대한 광학적 최적화 및 패시베이션을 제공한다.
도 8은 도 7의 광학 그리드(453)의 일부를 단면 형태로 근접 관찰한 도면을 나타낸다. Al 또는 Cu와 같은 순수 금속 코팅(51)이 광학 그리드 섹션(453)의 상부 및 측벽 위에 제공된다. 이러한 순수 금속 코팅은 >99%의 순도일 수 있고, 일례로 >99.9% 순도의 Al이 사용되었다. Al 또는 Cu 금속의 두께는 예컨대, 20~100 나노미터일 수 있다. 해당 층은 예컨대 플라즈마 증기 증착("PVD") 공정에 의해 형성될 수 있다. 코팅 형성 후, 예컨대 2 보다 큰 굴절률(n)을 갖는 고-k 절연 재료(53)가 순수 금속(51) 위에 형성된다. 해당 고-k 절연 재료는 비 한정적인 예로서 탄탈계 산화물 TaOx, TiOx를 포함하는 티타늄계 산화물, Al2O3와 같은 알루미늄 산화물 및 기타 유사한 절연 물질과 같은, 약 2보다 큰 굴절률의 임의의 고-k 절연 물질일 수 있다. 고-k 절연 물질은 실리콘 이산화물의 유전 상수보다 크거나 약 3.8의 유전 상수를 가진다. 여러 실시예에서, 고-k 유전 물질은 더 높은, 예컨대, 9.0보다 큰 유전 상수를 가질 수 있다. 고-k 유전 물질은 CVD 또는 PVD 공정에 의해 증착되는 10~100 나노미터의 두께를 가질 수 있다. 순수 금속(51)과 절연층(53)을 형성하는 처리 단계는 이들 층을 각각 또는 함께 패턴화함으로써 도 8에 도시된 구조를 형성할 수 있다. 최종적으로, 453과 같은 광학 그리드 섹션 위에 패시베이션층(55)이 제공된다. 패시베이션층은 예컨대 실리콘을 다량 함유한(silicon rich; 이하 '실리콘계'로 지칭함) SiO2와 같은 낮은 굴절률 n<2의 산화물일 수 있다. 이 층은 광학 그리드 층(45)의 섹션(451, 453, 455) 상의 코팅과 달리 굴절 또는 반사되지 않아야 한다.
순수 금속, 고굴절률의 절연체 및 패시베이션층의 코팅이 사용시, 광학 그리드 재료(45)의 반사율은 크게 증가된다. 예를 들면, 순수 알루미늄 코팅의 알루미늄 금속 그리드의 경우, 반사율은 95%보다 클 수 있고, 98%를 초과할 수 있다. 따라서, 실시예의 경면 코팅의 사용은 반사율를 증가시키고 BSI CIS 소자에 대한 QE를 향상시킨다.
도 9는 실시예의 동작의 단면도이다. 화소 영역을 구획하는 광학 그리드 재료(45)의 두 개 섹션이 도시된다. 이들 섹션은 예컨대 도 7의 453, 455이다. 각각의 섹션은 광학 그리드 섹션의 측벽 및 상부 위의 순수 금속 코팅과 고굴절률의 절연 산화물 코팅을 구비하여 반사율을 증가시킨다. 예시적인 예에서 광학 그리드 섹션(453, 455)에 충돌하는 적색용 광자(L1), 녹색용 광자(L2) 및 청색용 광자(L3)는 기판 내로 반사되어 흡수되지 않으므로 효율을 증가시킨다. 화소 센서 섹션 사이에 광학 그리드 재료(45)를 배치하는 것은 최근접 센서(13)로 광을 반사시키고 인접 화소 영역으로는 광을 반사시키지 않는 것에 의해 신호 대 잡음비를 향상시키고 화소 간 광학적 누화를 감소시킨다.
도 10은 기판(11) 위의 광학 그리드(45)의 평면도이다. 그리드에 의해 정해지는 각각의 섹션은 화소 영역(102)을 구획한다. 실제 소자에는 수천 또는 수백만 화소가 제공된다. 광학 그리드(45)와 금속(51), 고-k 절연체(53) 및 패시베이션층(55)의 코팅은 모두 웨이퍼 레벨 처리의 접근 방식으로 형성될 수 있고, 이미지 소자들은 패시베이션층의 완성 후에 단일화 분리될 수 있다. 대안적으로, 전술한 바와 같이 후방 조명식의 경우 기판을 박막화하는 웨이퍼 박막화 단계 이후에 개별 소자들을 처리할 수 있다.
전술한 경면 코팅 실시예의 광학 그리드는 CCD 영상기는 물론, 전방 조명식 소자에 대한 적용과 다른 이미지화 용례를 가질 수 있으며, 실시예 및 첨부된 특허청구범위는 여기에 예로써 제시된 범위를 넘는 추가의 용례들을 고려한 것이다.
도 11은 방법의 실시예의 흐름도이다. 도 11에서, 61 단계에서, 화소 영역을 정하는 광학 그리드 재료가 기판의 후방면 위에 제공된다.
63 단계에서, 방법은 광학 그리드 재료 위에 순수 금속 코팅을 적층함으로써 계속된다. 65 단계에서, 2보다 큰 굴절률의 고-k 절연 코팅이 순수 금속 코팅 위에 적층된다. 67 단계에서, 코팅이 패턴화되어 광학 그리드의 각각의 섹션의 상부 및 측벽 상에 고반사성 코팅의 광학 그리드를 남긴다.
69 단계에서, 실리콘계 절연 물질의 패시베이션층이 광학 그리드 재료 및 반사성 코팅 위에 형성된다.
여기에 설명되는 예시적인 구조 외에, 기판은 기판의 다른 부분에 형성되는 능동 트랜지스터, 다이오드, 캐패시터, 인덕터, 레지스터, 양극 및 MOSFET 소자, 메모리 셀, 아날로그 소자, 필터, 트랜시버 등을 포함하는 다른 소자도 포함할 수 있다. 또한, 기판을 에칭하기 위한 여기에 설명되는 실시예의 에칭 단계 이후에, 층간 절연막, 전도체, 상부층에 형성되는 추가의 소자 및 패키징 재료가 기판 위에 배치됨으로써 집적 회로, 태양 전지, 프로세서 등과 같은 완전한 마이크로 전자공학적 성분을 형성할 수 있다.
실시예의 사용으로 고반사성의 광학 그리드 재료가 유익하게 제공된다. 실시예들은 기존의 반도체 공정과 호환된다. 실시예에 대한 방법은 화학적 특성 또는 장비를 교체 또는 변경할 필요없이 기존의 금속 증착, 패턴, 에칭 및 제공 공정을 사용한다.
본 발명의 실시예들과 그 장점을 상세히 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 취지와 범위를 벗어나지 않고 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능함을 이해하여야 한다. 예를 들면, 재료, 주입량 및 온도가 대체될 수 있다.
더욱이, 본 출원의 범위는 명세서에 설명된 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계에 대한 특정 실시예에 한정되도록 의도된 것이 아니다. 당업자는 본 발명의 개시로부터 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계를 쉽게 알 수 있으므로, 여기 개시된 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 해당 실시예와 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 이미 존재하고 있거나 후에 개발될 사항은 본 발명의 개시에 따라 활용될 수 있다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 해당 범위 내에서 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계를 포함하도록 의도된 것이다.
Claims (10)
- 반도체 기판의 후방면 위의 화소 어레이 영역 위에 재료 층을 형성하는 단계와;
포토리소그래픽 공정을 이용하여 상기 재료 층을 패터닝하여 광학 그리드 - 상기 화소 어레이 영역 위에 피복되어 상기 화소 어레이 영역의 각 섹션에서 화소 센서를 구획함 - 를 형성하는 단계와;
상기 광학 그리드 위에 순수 금속 코팅 - 적어도 순도 99%인 금속을 포함함 - 을 적층하는 단계와;
상기 순수 금속 코팅 위에 2.0보다 큰 굴절률의 절연층을 적층하는 단계와;
상기 순수 금속 코팅과 상기 절연층을 패터닝하여 상기 광학 그리드의 각 부분의 상부 및 측벽 위에 반사성 코팅을 형성하는 단계와;
상기 광학 그리드 위에 2.0 미만의 굴절률의 패시베이션층을 적층하는 단계
를 포함하는 방법. - 반도체 기판으로서, 복수의 광 센서를 포함하는 화소 어레이 영역이 상기 반도체 기판 내에 배치되고 상기 광 센서 중 하나는 상기 화소 어레이 영역 내의 각 화소에 대응하는 것인 반도체 기판과;
상기 반도체 기판의 후방면 상에 광학 그리드를 형성하고 상기 화소 어레이 내의 각각의 화소를 구획하는 광학 그리드 재료를 포함하는 반도체 소자로서,
상기 광학 그리드는 기재 위의 적어도 순도 99% 금속인 순수 금속 코팅과, 상기 순수 금속 코팅 위의 2.0보다 큰 굴절률의 고-k 절연 재료를 더 포함하는 것인 반도체 소자. - 제2항에 있어서, 상기 순수 금속 코팅은 구리와 알루미늄을 필수 구성으로 하는 군으로부터 선택된 하나인 반도체 소자.
- 제2항에 있어서, 상기 고-k 절연 재료는 3.8보다 큰 유전 상수 k의 절연 재료를 더 포함하는 것인 반도체 소자.
- 제12항에 있어서, 상기 광학 그리드 위에, 2.0 미만의 굴절률의 절연 재료를 포함하는 패시베이션층을 더 포함하는 반도체 소자.
- 후방 조명식 CIS 소자로서:
반도체 기판으로서, 복수의 광 센서를 포함하는 화소 어레이 영역이 상기 반도체 기판의 전방면 상에 형성되고, 상기 각각의 광 센서는 상기 화소 어레이 영역에서 화소를 형성하는 것인 반도체 기판과;
상기 반도체 기판의 후방면 위에 배치된 광학 그리드 재료로서, 상기 화소 어레이 영역 내의 각각의 화소를 구획하고 측벽 및 상부를 갖는 광학 그리드를 형성하도록 패터닝되고 상기 반도체 기판 위로 연장되는 광학 그리드 재료와;
상기 광학 그리드 위에 형성되고, 적어도 순도 99%인 금속의 순수 금속 코팅과 상기 순수 금속 코팅 위의 2.0보다 큰 굴절률의 고-k 절연 코팅을 포함하는 고반사성 코팅
을 포함하는 후방 조명식 CIS 소자. - 제6항에 있어서, 상기 광학 그리드와 상기 기판의 후방면을 피복하고, 2.0 미만의 굴절률의 절연 재료를 포함하는 패시베이션층을 더 포함하는 후방 조명식 CIS 소자.
- 제6항에 있어서, 적어도 순도 99%인 상기 금속 코팅은 구리와 알루미늄의 군으로부터 선택된 금속을 더 포함하는 것인 후방 조명식 CIS 소자.
- 제6항에 있어서, 상기 순수 금속 코팅 위의 상기 고-k 절연 코팅은 탄탈 산화물, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물을 필수 구성으로 하는 군으로부터 선택된 하나를 더 포함하는 것인 후방 조명식 CIS 소자.
- 제6항에 있어서, 상기 광학 그리드 재료는 구리와 알루미늄을 필수 구성으로 하는 군으로부터 선택된 전도체를 포함하는 것인 후방 조명식 CIS 소자.
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