KR20190024645A - 격자 구조물에 의한 장파장광에 대한 증가된 광학 경로 - Google Patents

격자 구조물에 의한 장파장광에 대한 증가된 광학 경로 Download PDF

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Abstract

본 개시의 일부 양태들은 전면 및 후면을 갖는 반도체 기판을 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다. 전면과 후면 사이의 반도체 기판 내에 광검출기가 배열된다. 반도체 기판의 후면과 상호연결 구조물 사이에 반도체 기판의 전면이 배열되도록 상호연결 구조물이 반도체 기판의 전면 아래에 배열된다. 하부 링 구조물이 반도체 기판의 후면 내로 연장되고 광검출기를 측방향으로 둘러싼다. 하부 링 구조물에 의해 둘러싸인 격자 구조물이 기판의 후면으로부터 광검출기 내의 위치로 연장된다.

Description

격자 구조물에 의한 장파장광에 대한 증가된 광학 경로{INCREASED OPTICAL PATH FOR LONG WAVELENGTH LIGHT BY GRATING STRUCTURE}
본 출원은 2017년 8월 30에 출원된 미국 가출원 제 62/552,114 호를 우선권으로 주장하며, 이 가출원의 내용은 그 전체가 참조로서 본원에 포함된다.
많은 오늘날의 전자 디바이스들은, 광학 이미지들을 광학 이미지들을 나타내는 디지털 데이터로 변환하는 이미지 센서들을 포함한다. 전자 디바이스들에 흔히 사용되는 이미지 센서의 한 유형은 BSI(backside illumination) 이미지 센서이다. BSI 이미지 센서는, 상호연결 구조물 위에 있고 상호연결 구조물과는 반대측 상에서 방사선을 수신하도록 구성되는 광검출기들의 어레이를 포함한다. 이 배열은, BSI 이미지 센서가 입사 방사선에 대해 높은 감도를 갖도록, 방사선이 상호연결 구조물 내의 도전성 피처들에 의해 방해받지 않고 광검출기들 상에 충돌하도록 한다.
본 개시의 양태는 첨부 도면들과 함께 읽을 때, 이어지는 상세한 설명으로부터 최상으로 이해된다. 본 산업에서의 표준적인 관행에 따라, 다양한 피처들이 축척대로 도시되지 않은 점을 유념한다. 실제로, 다양한 피처들의 치수(dimension)들은 논의의 명료함을 위해 임의적으로 증가되거나 또는 감소될 수 있다.
도 1a는 격자 구조물을 갖는 BSI 이미지 센서의 일부 실시예들의 상면도를 예시한다.
도 1b 및 도 1c는 도 1a의 BSI 이미지 센서와 일치하는 일부 실시예들의 단면도들을 예시한다.
도 2 내지 도 10은 격자 구조물을 갖는 BSI 이미지 센서의 추가 상면도들을 예시한다.
도 11a는 픽셀들의 어레이를 포함하는 BSI 이미지 센서의 일부 실시예들의 상면도를 예시하고, 여기서 픽셀들 중 적어도 일부는 격자 구조물을 포함한다.
도 11b는 도 11a와 일치하는 BSI 이미지 센서의 일부 실시예들의 단면도를 예시한다.
도 11c 및 도 11d는 픽셀들의 어레이를 포함하는 BSI 이미지 센서의 일부 실시예들의 추가 상면도들을 예시하고, 여기서 픽셀들 중 적어도 일부는 격자 구조물을 포함한다.
도 12a 내지 도 12f는 픽셀들의 어레이를 포함하는 BSI 이미지 센서의 일부 실시예들의 일련의 상면도들을 예시하고, 여기서 픽셀들 중 적어도 일부는 격자 구조물을 포함한다.
도 13은 픽셀 센서의 일부 실시예들의 회로도를 예시한다.
도 14 내지 도 23은 격자 구조물을 갖는 BSI 이미지 센서를 제조하는 방법의 일부 실시예들을 집합적으로 예시하는 일련의 단면도들을 예시한다.
도 24는 격자 구조물을 갖는 BSI 이미지 센서를 형성하는 방법의 일부 실시예들과 일치하는 흐름도를 예시한다.
도 25는 FSI(front-side illumination) 이미지 센서의 일부 실시예들의 단면도를 예시한다.
도 26은 BSI(back-side illumination) 이미지 센서의 일부 실시예들의 단면도를 예시한다.
본 개시는 본 개시의 상이한 특징을 구현하기 위한 많은 상이한 실시예, 또는 예시를 제공한다. 본 개시를 단순화하기 위해 컴포넌트들 및 배열들의 특정 예시들이 아래에서 설명된다. 물론, 이것들은 단지 예시들에 불과하며, 제한적으로 의도되는 것은 아니다. 예를 들어, 이어지는 설명에서 제 2 피처 위의 또는 제 2 피처 상의 제 1 피처의 형성은 제 1 피처 및 제 2 피처가 직접적으로 접촉하여 형성되는 실시예를 포함할 수 있으며, 또한 제 1 피처 및 제 2 피처가 직접적으로 접촉하지 않을 수 있도록 추가적인 피처가 제 1 피처와 제 2 피처 사이에 형성될 수 있는 실시예를 포함할 수 있다. 또한, 본 개시는 다양한 예시들에서 참조 부호들 및/또는 문자들을 반복할 수 있다. 이러한 반복은 단순화 및 명료화의 목적을 위한 것이며, 그 자체가 논의되는 다양한 실시예들 및/또는 구성들 사이의 관계에 영향을 주는 것은 아니다.
또한, "밑", "아래", "보다 아래", "위", "보다 위" 등과 같은 공간 상대적 용어들은, 도면들에 예시된 바와 같이, 다른 엘리먼트(들) 또는 피처(들)에 대한 하나의 엘리먼트 또는 피처의 관계를 설명하도록 설명의 용이성을 위해 본원에서 사용될 수 있다. 공간 상대적 용어들은 도면들에 도시된 배향에 더하여, 사용 중이거나 또는 동작 중인 디바이스의 상이한 배향들을 망라하도록 의도된 것이다. 장치는 이와 다르게 배향(90° 또는 다른 배향들로 회전)될 수 있으며, 본원에서 사용되는 공간 상대적 기술어들이 그에 따라 유사하게 해석될 수 있다.
표준 IC 제조 프로세스들은 FSI(frontside illumination) 기술들 또는 BSI(backside illumination) 기술들을 사용하는 이미지 센서들을 생산할 수 있다. 도 25에 도시된 바와 같이, FSI에서, 광(2502)은 IC의 전면 상에 드리워지고(fall), 기판(2510)의 전면(2510f)을 지나 기판 내의 하나 이상의 광검출기(2512)에서 수집되기 전에, 유전체 구조물(2508) 내에 배치되는 BEOL(back end of line) 금속층들(2506)의 스택과 같은 전기적 상호연결 구조물(2504)을 통과한다. 종종 FSI에서, BEOL 금속층들은, BEOL 금속층들의 재료가 입사광과 광검출기들 사이에 배열되면 광을 차단할 수 있으므로, 개별 광검출기들 위에 개구부들(애퍼처들)을 갖도록 구조화된다. 이들 애퍼처들을 통해 광검출기들에 도달하는 광량을 최적화하기 위해, 마이크로 렌즈들(2514), 컬러 필터들(2516), 트렌치 격리 구조물들(2518), 도파관들, 및/또는 다른 광학 피처들이 BEOL 금속층들(2506) 위에 종종 배열되어 반사들을 최소화하고 광(2502)을 각 광검출기들(2512)을 향하여 지향시키는 것을 돕는다.
도 26에 도시된 바와 같이, BSI에서, 센서는 광이 BEOL 금속층들 내의 개구부들/애퍼처들을 통과하게 하기보다는, 후면으로부터 조명된다[즉, 기판(2510')의 측면이 BEOL 금속층들(2506')의 스택에 대향하고 유전체 구조물(2508')에 대향함]. FSI와 비교하여, BSI는 광검출기가 기판(2510')의 일 면 상에 BEOL 금속층들(2506')을 갖고 기판(2510')의 다른 측면 상에 [컬러 필터들(2516') 및 마이크로 렌즈들(2514')을 포함하는] 자신의 광학 경로를 갖도록 하며, 이는 전기적 엘리먼트들로부터 광학 엘리먼트들의 더 나은 분리를 가능하게 한다. 이는, 광학 경로가 전기적 컴포넌트들과 독립적으로 최적화될 수 있고 그 반대도 가능함을 의미한다. BSI에 대한 광학 제약들은, BSI에서, 여기서는 박형화된(thinned-down) 기판 표면의 후면 상에 배치되는 마이크로 렌즈들(2514')에 근접하게 광검출기들(2512')이 종종 위치된다는 점을 제외하고 FSI와 유사하다. 또한, BSI가 BEOL 금속층들(2506') 내의 애퍼처들과 연관된 제약들을 제거하기 때문에, BSI는 입사광(2502')에 대한 손실 메커니즘을 제거하여, 디바이스들에 대한 높은 양자 효율을 잠재적으로 제공한다.
본 개시에서, BSI 기술들에서 이용되는 박형화된 기판이 자율 주행 차량들, 보안 시스템들 등에 적용가능한 저광(low-light) 조건들에서 사용되는 적외선광과 같은 입사광의 장파장들을 흡수하는 도전과제들을 가질 수 있다는 점이 이해된다. 예를 들어, 일부 경우들에서 박형화된 실리콘 기판은 대략 2 마이크로미터 내지 3 마이크로미터의 총 두께를 가질 수 있다. 이 두께는 일반적으로, 가시광(예를 들어, 400 nm 내지 700 nm 사이의 파장들)을 수신하는 광검출기들에 대해 충분히 높은 QE(quantum efficiency)을 달성할 수 있다. 그러나, 850 nm 내지 940 nm 사이의 파장을 갖는 근적외선광(또한, 어느 정도의 가시 적색광)과 같은 더 긴 파장들의 광에 대해, 광검출기들에 대한 QE는, 예를 들어 일부 경우들에서 10%보다 적게 매우 낮아진다. 장파장들의 광의 더 나은 흡수를 가능하게 하기 위한 한 접근법은 박형화된 기판의 두께를, 예를 들어 대략 6 마이크로미터까지 증가시킴으로써, 흡수될 입사광에 대한 더 긴 광 전파 경로를 제공하는 것이다. 그러나, 기판의 두께를 증가시키는 것은 몇몇 제조 도전과제들을 유발한다. 예를 들어, 6 마이크로미터 기판을 관통하는 에칭은 라인 프로세싱의 백 엔드(back end) 동안 어렵고, 본드 패드가 디바이스의 최상면 상에 최종적으로 형성되었을 때, 기판의 증가된 두께는 프로세싱 동안 단차(step) 높이 문제들을 유발할 수 있다. 따라서, 많은 점에서, 2 마이크로미터 두께 내지 3 마이크로미터 두께를 갖는 박형화된 Si 기판을 사용하는 것을 지속하는 것이 바람직하지만, 지금까지, 그러한 박형화된 Si 기판의 프로세스 친화적인 컨텍스트(process-friendly context)에서의 더 긴 파장들의 광에 대한 높은 QE를 달성할 수 있는 BSI 이미지 센서를 제공하는 것은 어려웠다.
따라서, 본 개시는 박형화된 기판 상에 배치되는 BSI 이미지 센서를 제공하고, BSI 이미지 센서는 박형화된 기판의 후면 상에 격자 구조물을 포함한다. 격자 구조물이 입사광을 기판 내에서 종종 다수회 반사시킴으로써, 격자 구조물이 존재하지 않는 경우와 비교하여(예를 들어, 입사광이 기판의 후면으로부터 광검출기까지의 단일의 순전히 선형 경로를 따르는 경우와 비교하여) 입사광의 전파 경로를 길어지게 한다. 광에 대한 전파 경로를 증가시킴으로써, 격자 구조물은 예를 들어 다른 접근법들과 비교하여 근적외선광 또는 적외선광과 같은 장파장광의 더 나은 검출을 가능하게 한다. 따라서, 격자 구조물은 더 긴 파장들의 광에 대해 충분히 높은 QE를 유지하면서, BSI 이미지 센서 내의 박형화된 기판 상의 광검출기들의 사용을 용이하게 한다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, BSI 이미지 센서(100)의 일부 실시예들의 상면도(도 1a) 및 단면도들[도 1b(도 1a 내의 라인(B-B')을 따라 취해짐), 및 도 1c (도 1a 내의 라인(C-C')을 따라 취해짐)]이 제공된다.
도 1a 내지 도 1c에 예시된 바와 같이, BSI 이미지 센서(100)는 전면(102f) 및 후면(102b)을 갖는 반도체 기판(102)을 포함하고, 여기서 전면(102f)과 후면(102b) 사이의 반도체 기판(102) 내에 광검출기(104)가 배열된다. 광검출기(104)는 자신에게 충돌하는 입사광(116)을 흡수하도록 구성된다. 또한, 광검출기(104)는 반도체 기판(102)의 주변 영역과는 반대 도핑 유형의 도핑된 반도체 영역이거나 도핑된 반도체 영역을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 광검출기(104)는 pn 접합부에서 서로 만나는 p형 영역(애노드) 및 n형 영역(캐소드)을 포함하는 광다이오드이다. 다른 실시예들에서, 광검출기(104)는 p형 영역(애노드), n형 영역(캐소드), 및 광다이오드가 pin 접합부를 포함하도록 p형 영역을 n형 영역으로부터 분리시키는 절연 영역을 포함한다. 충분한 에너지의 광자(photon)가 광다이오드에 부딪힐 때, 전자 정공 쌍(electron-hole pair)이 생성된다. 접합부의 공핍 영역 또는 그로부터 떨어진 하나의 확산 길이에서 흡수가 발생하면, 이들 캐리어들은 공핍 영역의 빌트인(built-in) 전계에 의해 접합부로부터 스위핑(swiping)된다. 따라서 정공들은 애노드를 향해 이동하고 전자들은 캐소드를 향해 이동하여 광전류가 생성된다.
상호연결 구조물(106)과 후면(102b) 사이에 전면(102f)이 배열되도록 상호연결 구조물(106)이 반도체 기판의 전면(102f) 아래에 배열된다. 상호연결 구조물(106)은 광검출기(104), 반도체 기판(102), 및 반도체 기판의 전면(102f) 아래에 있다. 상호연결 구조물(106)은 ILD(interlayer dielectric) 구조물(128), 및 서로 위아래로 적층되고 ILD 구조물(128)을 관통하는 복수의 금속 라인들(예를 들어, 130a, 130b, 130c)을 포함한다. 접촉부들(예를 들어, 140)이 제 1 금속 라인(예를 들어, 130a)을 기판(102) 상의 게이트 전극(142)에 또는 기판(102) 내의 활성 영역에 전기적으로 연결하는 한편, 비아들(132)이 상이한 금속층들의 금속 라인들을 서로 전기적으로 연결한다. 일부 실시예들에서, 금속 라인들 및 비아들은 구리, 티타늄, 크롬, 니오븀, 납, 팔라듐, 금, 은, 알루미늄, 텅스텐, 및/또는 이들의 합금들과 금속, 또는 일부 다른 도전성 재료를 포함한다. 일부 실시예들에서, ILD 구조물(128)은, 예를 들어 실리콘 이산화물, 로우 κ(low κ) 유전체[즉, 약 3.9보다 작은 유전 상수(κ)를 갖는 유전체], PSG(phosphosilicate glass), 일부 다른 유전체, 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, ILD 구조물(128)은 실리콘 이산화물 또는 PGS층, 및 실리콘 이산화물 또는 PSG층 아래에 적층되는 복수의 로우 κ 유전체층들을 포함할 수 있다.
실리콘 질화물층 또는 실리콘 산화질화물층과 같은 패시베이션층(134)이 상호연결 구조물(106)의 바닥면 상에 배치된다. 패시베이션층(134) 아래에 캐리어 기판(136)이 배치된다. 캐리어 기판(136)은 BSI 이미지 센서(100)에 대한 추가 구조적 강성을 제공하도록 기판(102)의 두께보다 큰 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 예를 들어 기판(102)은 대략 2 마이크로미터 내지 6 마이크로미터, 또는 2 마이크로미터 내지 3 마이크로미터의 두께(ds)를 갖는 박형화된 단결정 실리콘 기판인 한편, 캐리어 기판(136)은 박형화된 단결정 실리콘 기판의 두께보다 큰, 적어도 한 자릿수인, 가끔은 몇 자릿수인 두께를 갖는 반도체 또는 글래스 기판이다.
일반적으로 유전체 재료로 제조된 하부 링 구조물(108)은 반도체 기판(102)의 후면(102b) 내로 연장되고 광검출기(104)를 측방향으로(laterally) 둘러싼다. 일부 실시예들에서, 하부 링 구조물(108)은 실리콘 이산화물로 제조된다. 일부 실시예들에서, 하부 링 구조물(108)은 반도체 기판(102)의 총 두께(ds)의 30% 내지 100%인 깊이(ddr)로 연장된다.
상부 링 구조물(110)은 반도체 기판의 후면(102b) 위로 연장되고 하부 링 구조물(108) 위에 정렬된다. 상부 링 구조물(110)은 전체적으로 금속으로 제조될 수 있거나 또는 금속 및 유전체 재료들로 제조될 수 있다. 하부 링 구조물(108) 및 금속성 링 구조물(110)은 입사광(116)을 광검출기(104)를 향해 안내하는 것을 돕고, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화질화물층과 같은 패시베이션층(118)은 후면(102b) 및 상부 링 구조물(110)을 커버한다. 일부 실시예들에서, 하부 링 구조물(108) 및/또는 상부 링 구조물(110)은 정가각형, 직사각형, 또는 다각형의 형상이고, 위에서 보았을 때 라운드형 코너부들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 금속성 링 구조물(110)은 하부 링 구조물(108)의 내측 및 외측 측벽들과 정렬되는 내측 및 외측 측벽들을 가져서, 금속성 링 구조물(110) 및 하부 링 구조물(108)은 공통 중심축을 공유하고 동일한 방사상 벽 두께를 갖는다. 다른 실시예들에서, 금속성 링 구조물(110)은 하부 링 구조물(108)의 방사상 벽 두께보다 크거나 작은 방사상 벽 두께를 가질 수 있고/있거나 하부 링 구조물(108)의 중심축으로부터 벗어난 중심축을 가질 수 있다.
하부 링 구조물(108)에 의해 둘러싸인 격자 구조물(114)은 기판의 후면(102b)으로부터 광검출기(104) 내의 위치로 연장된다. 도 1a의 상면도에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서 격자 구조물(114)은 복수의 선형(linear) 트렌치들을 포함한다. 복수의 트렌치들의 중심라인들이 서로 동일한 간격들로 이격되어 서로 이격되는 필러(pillar)들 또는 벽들(예를 들어, 112a, 112b, 112c)을 형성하도록 복수의 트렌치들이 유전체 재료 또는 금속으로 충전될 수 있다. 도 1a에서, 복수의 트렌치들의 중심라인들은 하부 링 구조물(108)의 외측 에지들와 평행하게 배열된다. 도 1c에서, 트렌치들의 최상부 및 바닥부 에지들은 하부 링 구조물(108)의 내측 측벽들과 직접 접촉한다. 광 안내 개구부들(122)이 인접한 필러들 또는 벽들 사이를 지나고, 하나 이상의 필러 또는 벽에 의해 한정된다. 하나 이상의 필러 또는 벽은, 입사광(116)이 후면(102b)으로부터 광검출기(104)로 이동할 때 입사광(116)을 광 안내 개구부들(122)을 통해 반도체 기판(102) 내에서 다수회 반사시키도록 구성됨으로써, 반도체 기판(102) 내에 광 안내 개구부들(122)을 통해 제 1 구분적(piecewise) 선형 광 전파 경로를 유도한다. 일부 실시예들에서, 격자 구조물(114)의 깊이(dgs)는 하부 링 구조물(108)의 깊이(ddr)보다 얕거나 깊을 수 있다. 예를 들어 깊이(dgs)는 깊이(ddr)의 30% 내지 150% 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, 하부 링 구조물(108) 및 상부 링 구조물(110)은 동일한 포토리소그래피 마스크 및 동일한 에칭을 사용하여 제조되어, 깊이(dgs) 및 깊이(ddr)가 동일하거나 거의 동일하며, 이는 제조 프로세스를 단순화한다는 점에서 바람직하다.
일부 실시예들에서, 격자 구조물(114)의 깊이는 하부 링 구조물(108)의 깊이와 동일하다. 다른 실시예들에서, 격자 구조물(114)의 깊이는 하부 링 구조물(108)의 깊이보다 크거나 작다. 격자 구조물의 필러들 또는 벽들(112)은 금속(예를 들어, Cu, W, Ni, Al) 또는 유전체 재료(예를 들어, SiO2, Si3N4, 하이 k 유전체, 또는 로우 k 유전체) 또는 에어(부분적으로 또는 완전히), 또는 금속, 유전체, 및/또는 에어의 조합으로 제조될 수 있다.
격자 구조물(114)은 입사광(116)의 방향을 수직 입사(또는 거의 수직 입사)로부터 거의 측방향 전파로 변경하도록 구조화된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서 충돌광(116)의 입사각이 Si와 SiO2 사이의 총 내부 반사의 임계각인 23도일 때, 광학 경로는 2.5 미크론 내지 6.4 미크론 증가되고, QE는 예를 들어 850 nm 내지 940 nm의 근적외선 파장에 대해 100% 이상으로 상당히 향상될 수 있다. 일부 경우들에서, 반사광이 수직으로 입사될 수 있고, 수평에 대해 10도 내지 40도 내의 각도를 갖도록 재지향될 수 있음으로써, 광학 경로 길이에 있어서의 상당한 증가를 실현한다.
도 2는, 트렌치들의 최상부 및 바닥부 에지들이 거리(d)만큼 하부 링 구조물(108)의 내측 측벽들로부터 이격된 다른 예시를 도시한다. 거리(d)는, 예시된 것보다 작을 수 있으며 이 경우 트렌치들의 최상부 및/또는 바닥부 에지들은 광검출기(104)의 최외측 에지를 넘어 상주하거나, 또는 예시된 것보다 클 수 있으며 이 경우 트렌치들의 최상부 및/또는 바닥부 에지들은 광검출기(104)의 최외측 에지 내에 리세싱된다.
도 3은 다른 실시예의 상면도를 도시하며, 여기서 격자 구조물(114)은 유전체 또는 금속 재료로 충전된 복수의 트렌치들을 포함한다. 도 3에서, 격자 구조물(114)의 복수의 트렌치들은 서로 평행하게 연장되고 대략 45도의 각도로 하부 링 구조물(108)의 외측 에지들을 만난다. 다시, 도 3의 예시된 실시예에서, 복수의 트렌치들의 중심라인들이 서로 동일한 간격들(s)로 이격되어 복수의 트렌치들이 서로 이격된다. 그러나, 다른 실시예들에서 트렌치들의 중심라인들간의 간격은 서로 상이할 수 있다.
도 4는 다른 실시예의 상면도를 도시하며, 여기서 필러들 또는 벽들(112)은 30° 내지 60° 범위의 각도로 하부 링 구조물(108)을 만난다. 일부 실시예들에서, 필러들 또는 벽들(112)이 하부 링 구조물(108)과 만나는 각도는 45°이다.
도 5 및 도 6은 필러들 또는 벽들(112)이 행열로 배열된 추가 실시예들의 상면도들을 제공한다. 따라서, 제 1 세트의 트렌치들은 제 1 방향으로 평행하게 연장되고, 제 2 세트의 트렌치들은 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 평행하게 연장된다. 일부 실시예들에서, 제 1 세트의 트렌치들은 30° 내지 60° 범위의 각도로 제 2 세트의 트렌치들을 교차한다. 일부 실시예들에서, 제 1 세트의 트렌치들 및 제 2 세트의 트렌치들이 교차하는 각도는 45°이다.
도 7은 다른 실시예의 상면도를 도시하며, 여기서 격자 구조물(114)은 단일 링 형상 구조물이고 하부 링 구조물(108)의 외측 에지들과 동형인(congruous) 에지들을 갖는다. 링 형상 격자 구조물(114)은 유전체 또는 금속 재료로 충전될 수 있다. 링 형상 격자 구조물(114)은, 일부 실시예들에서 하부 링 구조물(108)의 반경의 대략 25% 내지 대략 80% 범위인 직경을 가질 수 있다.
도 8은 다른 실시예의 상면도를 예시하며, 여기서 격자 구조물(114)은 동심인(concentric) 다수의 링 형상 구조물들을 포함한다. 2개의 동심 링들이 도시되었지만, 임의의 수의 동심 링들이 픽셀에 대해 포함될 수 있다. 동심 링들은 일부 실시예들에서 서로 동일한 고리형(annular) 폭들을 가질 수 있고, 가장 가까운 링들의 가장 가까운 에지들간에 동일한 간격들을 가질 수 있지만, 다른 실시예들에서 동심 링들은 서로 상이한 고리형 폭들을 가질 수 있고, 가장 가까운 링들의 가장 가까운 에지들간에 상이한 간격들을 가질 수 있다.
도 9 및 도 10은 트렌치들이 행열로 배열된 추가 실시예들의 상면도들을 제공한다. 따라서, 제 1 세트의 트렌치들은 제 1 방향으로 평행하게 연장되고, 제 2 세트의 트렌치들은 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 평행하게 연장된다. 일부 경우들에서, 제 1 세트의 트렌치들 및 제 2 세트의 트렌치들은 각각 하부 링 구조물(108)을 수직으로 교차한다.
따라서, 격자 구조물(114)에 대해 많은 구조적 실시예들이 가능하다는 점이 이해될 것이다. 일부 실시예들에서, 격자 구조물(114)은 하부 링 구조물(108)에 의해 한정되는 총 영역의 10% 내지 60% 사이를 점유한다. 일부 실시예들에서, 하부 링 구조물(108)은 (도 1a의 상면도에 예시된 바와 같이) 정사각형 또는 직사각형이지만, 다른 실시예들에서 하부 링 구조물(108)은 삼각형, 육각형, 팔각형 등일 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 격자 구조물(114)의 그 최외측 에지들간의 최대폭은 단일 픽셀에 대해 하부 링 구조물(108)의 최대폭의 5% 내지 30% 사이이다.
도 11a 및 도 11b는 일부 다른 실시예들에 따른 이미지 센서를 예시한다. 도 11a는 행열로 배열된 복수의 픽셀들을 포함하는 이미지 센서의 상면도를 예시하는 한편, 도 11b는 2개의 이웃하는 픽셀들의 대응하는 단면도를 제공한다.
도 11a를 참조하면, 픽셀 센서들의 어레이를 포함하는 이미지 센서의 일부 실시예들의 상면도(1100)가 제공된다. 픽셀 센서들(802, 804, 806, 808)에는 각 파장들의 방사선이 할당된다. 일부 실시예들에서, 픽셀 센서들(802, 804, 806, 808)에는 레드 파장들(예를 들어, 약 620 나노미터 내지 약 750 나노미터)의 방사선, 그린 파장들(예를 들어, 약 495 나노미터 내지 약 570 나노미터)의 방사선, 블루 파장들(예를 들어, 약 450 나노미터 내지 약 495 나노미터)의 방사선, 및 적외선 파장들(예를 들어, 약 850 nm 내지 약 940 nm)의 방사선이 교대로 할당된다. 예를 들어, “R”로 라벨링된 픽셀 센서들(802)에는 레드 파장들의 방사선이 할당되고, “B”로 라벨링된 픽셀 센서들(804)에는 블루 파장들의 방사선이 할당되고, “G”로 라벨링된 픽셀 센서들(806)에는 그린 파장들의 방사선이 할당되며, “IR”로 라벨링된 픽셀 센서들(808)에는 적외선 파장들의 방사선이 할당된다. 또한, 일부 실시예들에서, 픽셀 센서들(802, 804, 806)은 일반적으로 베이어(Bayer) 필터 모자이크에 따라 레드, 그린, 및 블루 파장 할당들 사이를 교호하지만, 그 사이에 배치된 IR 픽셀 센서들(808)은 적외선 파장들을 검출하기 위한 것이다.
격자 구조물(114)은 픽셀 센서들 중 적어도 일부 내에 선택적으로 위치된다. 예를 들어, 격자 구조물(114)은 적외선 픽셀 센서들(808)과 같은 더 긴 파장들의 광을 수신하도록 구성되는 픽셀 센서들 내에 위치되는 한편, 더 짧은 파장들을 수신할 픽셀 센서들은 격자 구조물을 제 위치에 갖지 않는다. 따라서, 레드, 블루, 및 그린 픽셀 센서들(802, 804, 806)은 [예를 들어, 이들 픽셀 센서들에 대한 격자 구조물(114)의 결여로부터 기인하는 기판 내의 더 적은 반사들로 인해] 기판 내의 더 짧은 광 전파 경로를 갖는 한편, 적외선 픽셀 센서들(808)은 더 긴 광 전파 경로[예를 들어, 격자 구조물(114)의 존재로부터 기인하는 다수의 반사들로 인한 구분적 선형 광 전파 경로]를 갖는다.
다양한 픽셀들에 파장들을 할당하기 위해, 픽셀 센서들은 예를 들어 도 11b에 도시된 바와 같이, 할당된 파장들의 방사선에 따라 입사 방사선을 필터링하도록 구성되는 각 컬러 필터들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 11b에 보여지는 바와 같이, 레드 픽셀 센서(802)는 다른 파장들의 광을 감쇠시키거나 차단하면서 레드광이 통과하도록 하는 그 위에 배열되는 레드 컬러 필터(902)를 포함하는 한편, 적외선 픽셀 센서(808)는 적외선 컬러 필터(904)(또는 컬러 필터 결여)뿐만 아니라, 장파장을 갖는 적외선광의 더 나은 흡수를 가능하게 하기 위해 기판을 통하는 입사 적외선광의 광 전파 경로를 증가시키는 격자 구조물(114)을 포함한다. 패시베이션층(118)의 상면 상의 마이크로 렌즈들(906, 908)은 또한 입사광을 픽셀들(각각, 802, 808)의 각 광검출기들을 향해 지향시키는 것을 도울 수 있다.
도 11a 및 도 11B를 계속 참조하면, 반도체 기판의 후면 위에 복수의 금속성 링 구조물들(110)이 배열된다. 복수의 금속성 링 구조물들(110)의 외측 에지들이 서로 인접하여 반도체 기판(102)의 후면에 평행한 평면에 있는 금속성 메쉬 구조물을 확립한다. 금속성 메쉬 구조물의 각각의 금속성 링 구조물(110)은 평면 투영시 광검출기(104)의 투영부를 둘러싼다. 상부 메쉬 구조물의 제 1 상부 링 구조물(110a)에 의해 둘러싸인 격자 구조물(114)은, 기판의 후면으로부터 광검출기(104)에 대응하는 깊이까지 반도체 기판 내에서 연장된다. 유사하게, 하부 링 구조물들(108)의 외측 에지들이 서로 인접하여 기판(102)의 후면(102b) 내에 임베딩된 하부 메쉬 구조물을 확립한다.
일부 실시예들에서, 각각의 픽셀 센서는 갇힌(pent up) 전하를 FND(floating diffusion node)(916)에 선택적으로 전달하도록 구성되는 트랜스퍼 트랜지스터(918)를 더 포함한다. FDN(916)는 광검출기(104)로부터 자신에게 전달되는 전하를 저장하도록 구성되고, 트랜스퍼 트랜지스터(918)는 전하를 FDN(916)에 선택적으로 전달하도록 구성된다. FDN(916)은 반도체 기판(102) 내에 배열되고, 반도체 기판의 주변 영역과는 반대 도핑 유형의 도핑된 반도체 영역이거나 도핑된 반도체 영역을 포함한다. 트랜스퍼 트랜지스터(918)는, 반도체 기판(102) 상에 배열되고, 광검출기(104)에 측방향으로 인접하며, 게이트 유전체층(922)에 의해 반도체 기판(102)으로부터 이격되는 게이트(920)를 포함한다. 또한, 트랜스퍼 트랜지스터(918)는, 게이트(920) 위에 채널 영역을 규정하기 위한, 각각 게이트(920)의 서로 반대측에 있는 측부들 상에 있는, 반도체 기판 내에 배열되는 소스/드레인 영역들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 소스/드레인 영역들 중 하나는 광검출기(104)에 대응하고/하거나 소스/드레인 영역들 중 다른 하나는 FDN(916)에 대응한다. 예를 들어 실리콘 이산화물과 같은 유전체 재료로 종종 제조되는 STI(Shallow trench isolation) 영역들(924)이 또한 일부 실시예들에서 존재할 수 있으며, 하부 링 구조물(108) 및/또는 금속성 링 구조물(110)과 정렬될 수 있다. STI 영역들(924)의 높이는 일부 실시예들에서 하부 링 구조물(108) 및/또는 금속성 링 구조물(110)의 높이보다 작을 수 있지만, 다른 실시예들에서 하부 링 구조물(108) 및/또는 금속성 링 구조물(110)의 높이보다 클 수 있다.
도 11a 및 도 11b가 센서 픽셀들 중 일부만이 격자 구조물을 갖는 예시를 도시하지만, 다른 실시예들에서 어레이의 모든 센서 픽셀들이 격자 구조물을 가질 수 있거나 어레이의 더 적은 센서 픽셀들이 격자 구조물을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 11c는 8개의 픽셀들 중 하나가 적외선 픽셀에 대응하는 격자 구조물을 갖는 이미지 센서의 실시예를 도시하고, 도 11d는 16개의 픽셀들 중 하나가 적외선 픽셀에 대응하는 격자 구조물을 갖는 이미지 센서의 실시예를 도시한다. 다른 변형들이 또한 가능하며, 예시된 경우들은 단지 예시들이다. 또한, 일부 실시예들에서, 상이한 픽셀들은 그 픽셀에 대한 광 전파 경로의 길이를 “튜닝”하기 위해, 상이한 기하구조들 및/또는 격자 구조물의 가장 가까운 이웃하는 벽들, 필러들, 또는 트렌치 구조물들의 중심라인들간의 간격들을 갖는 격자 구조물들을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 제 1 구분적 선형 광 전파 경로[예를 들어, IR 픽셀(808)을 통하는 적외선광에 대한 구분적 선형 광 전파 경로]와 제 2 광 전파 경로[예를 들어, 레드 픽셀(802)을 통하는 레드광에 대한 선형 전파 경로] 사이의 길이에 있어서의 차이는 제 1 파장과 제 2 파장간의 차이에 비례한다.
패시베이션층(118)은 반도체 기판(102) 위에, 상호연결 구조물(106)과는 반대측의 반도체 기판(102) 상에 배열된다. 패시베이션층(118)은 컬러 필터(예를 들어, 902, 904)로 충전되고 마이크로 렌즈(예를 들어, 906, 908)에 의해 커버되는 리세스를 포함한다. 예를 들어, 패시베이션층(118)은, 예를 들어 한 쌍의 산화물층들 사이에 적층되는 질화물층과 같이 유전체층들의 다중층 스택일 수 있다.
도 12a 내지 도 12f를 참조하면, 픽셀 어레이의 일부 실시예들의 일련의 상면도들이 제공된다. 각각의 상면도는 픽셀 어레이의 일부를 도시하고, 명확성의 목적들을 위해 4개의 열들(C0 내지 C3) 및 4개의 행들(R0 내지 R3)로 배열된 픽셀들을 포함하는 것으로서 예시된다. 각각의 행 및 열의 교차부에 반도체 기판 내에 배치되는 광검출기(104)가 있다. 도 12a 내지 도 12c에서, 유전체 링 구조물들(108)이 서로 병합되어 픽셀 어레이 위에 유전체 메쉬를 형성하도록 각각의 광검출기는 대응하는 하부 링 구조물(108)에 의해 개별적으로 측방향으로 둘러싸인다. 일부 픽셀들은 구분적 선형 광 전파 경로를 유도하여 더 긴 파장광의 흡수를 향상시키기 위해 광을 기판 내에서 다수회 반사시키도록 구성되는 필러들 또는 벽들(112)로 제조되는 격자 구조물(114)(예를 들어, 114A 내지 114F)을 포함한다. 더 짧은 파장들의 광을 수신하는 다른 픽셀들은 그들의 광검출기 위에 격자 구조물이 없다.
일부 실시예들에서, 격자 구조물은 어레이의 다수의 열들 및 행들에 걸쳐있을 수 있으므로, 단일 격자 구조물이 다수의 광검출기들 위에 놓일 수 있다. 예를 들어, 도 12d에서, 격자 구조물(114D)은 행(R3)을 따라 열들(C1 및 C2)의 광검출기들 위에 놓이고, 이 격자 구조물(114D)을 수용하기 위해 열들(C1 및 C2)간의 하부 링 구조물(108)에 “끊김(break)”이 있다. 도 12e에서, 격자 구조물(114E)은 행들(R1 및 R2)을 따라 열들(C1 및 C2)의 광검출기들 위에 놓이고, 이 격자 구조물(114D)을 수용하기 위해 열들(C1 및 C2) 및 행들(R1 및 R2)간의 하부 링 구조물(108)에 “끊김”이 있다. 도 12f는 상이한 사이즈들의 격자 구조물들(114F, 114G)이 픽셀 어레이 내에 포함되는 또 다른 실시예를 도시한다. 따라서, 도 12f 내의 제 1 격자 구조물(114F)은 단일 픽셀 위에 한정되는 한편, 도 12f 제 2 격자 구조물(114G)은 다수의 픽셀들에 걸쳐있다. 제 1 및 제 2 격자 구조물들(114F 및 114G)은 상이한 파장들의 광을 검출하도록 사용될 수 있다. 도 12a 내지 도 12f는 단지 일부 예시들을 예시하며, 다른 격자 구조물들이 또한 본 개시의 범위 내에 있는 것으로서 간주된다.
도 13을 참조하면, 도 11a 및 도 11b의 이미지 센서 내의 픽셀 센서의 일부 실시예들의 회로도(1300)가 제공된다. 예시된 바와 같이, FDN(916)은 트랜스퍼 트랜지스터(918)에 의해 광검출기(104)에 선택적으로 커플링되고, 리셋 트랜지스터(1304)에 의해 전원에 선택적으로 커플링된다. 광검출기(104)는 예를 들어 광다이오드일 수 있고/있거나 전원(1302)은 예를 들어 DC(direct current) 전원일 수 있다. 트랜스퍼 트랜지스터(918)는 광검출기(104) 내에 축적된 전하를 FDN(916)에 전달하도록 구성되고, 리셋 트랜지스터(1304)는 FDN(916)에 저장된 전하를 소거(clear)하도록 구성된다. FDN(916)은 전원(1302)을 행 선택 트랜지스터(1308)에 선택적으로 커플링하는 소스 팔로워 트랜지스터(1306)를 게이팅하고, 행 선택 트랜지스터(1308)는 소스 팔로워 트랜지스터(1306)를 출력부(1310)에 선택적으로 커플링한다. 소스 팔로워 트랜지스터(1306)는 FDN(916) 내에 저장된 전하를 비파괴적으로(non-destructively) 판독하고 증폭하도록 구성되고, 행 선택 트랜지스터(1308)는 판독을 위한 픽셀 센서를 선택하도록 구성된다.
이미지 센서가 도 13 내에서 5개의 트랜지스터들을 갖는 것으로서 설명되었지만, 다른 실시예들의 픽셀 센서가 더 많거나 적은 트랜지스터들을 포함할 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 예를 들어, 다른 실시예들의 이미지 센서는 2개의, 3개의, 또는 6개의 트랜지스터들을 포함할 수 있다.
도 14 내지 도 23은, 일부 실시예들에 따른 이미지 센서 디바이스를 제조하는 방법을 집합적으로 예시하는 일련의 단면도들을 도시한다. 방법은 도 1a 내지 도 1c의 이미지 센서를 형성하기 위해 이용될 수 있다. 방법이 도 2 내지 도 13 중 임의의 하나의 실시예들과 함께 또한 이용될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
도 14의 단면도(1400)에 의해 예시된 바와 같이, 반도체 기판(102)이 제공되거나 형성된다. 일부 실시예들에서, 반도체 기판(102)은 벌크 실리콘 기판, 일부 다른 벌크 반도체 기판, 또는 일부 다른 반도체 기판이거나 이들을 포함한다. 반도체 기판(102)은, 예를 들어 단결정 실리콘, 나노다공성 실리콘, 일부 다른 실리콘, 일부 다른 반도체 재료, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있거나 이들을 포함할 수 있다. 또한, 반도체 기판(102)은, 예를 들어 n형 또는 p형 도핑을 가질 수 있다.
도 15의 단면도(1500)에 의해 예시된 바와 같이, 광검출기(104)가 반도체 기판(102)에 근접하여 형성된다. 일부 실시예들에서, 광검출기(104)를 형성하기 위한 프로세스는 도핑된 반도체 영역(1502)을 형성하기 위해 기판(102) 내에 도펀트들을 주입하는 것을 포함한다. 그러한 실시예들 중 일부에서, 도핑된 반도체 영역(1502)의 도핑이 반대 도핑 유형의 도펀트들을 사용하여 수행되도록 기판(102)은 초기에 단일 도핑 유형을 갖는다. 도핑은, 예를 들어 이온 주입 또는 일부 다른 도핑 프로세스를 사용하여 수행될 수 있고/있거나, 예를 들어 도펀트들을 선택적으로 주입하기 위해 포토레지스트 마스크를 사용할 수 있다. 따라서, 도핑된 반도체 영역(1502)은 광접합부(1504)에서 기판(102)을 만난다. 다른 실시예들에서, 반대 도전성을 갖고 광접합부에서 만나도록 하나 위에 다른 하나가 주입되는 제 1 웰들 및 제 2 웰들이 광검출기(104)에 분리적으로 주입될 수 있다.
트랜스퍼 트랜지스터(202)가 각 픽셀에 대해 형성된다. 각각의 트랜스퍼 트랜지스터(202)는 게이트 전극(204), 게이트 유전체층(206), 제 1 소스/드레인 영역(라벨링 생략), 및 제 2 소스/드레인 영역(라벨링 생략)을 포함한다. 제 1 소스/드레인 영역은, 예를 들어 도핑된 반도체 영역에 의해 규정될 수 있다. 제 2 소스/드레인 영역은, 예를 들어 반도체 기판(102) 내의 FDR에 의해 규정될 수 있다.
도 15의 단면도(1500)에 의해 예시된 바와 같이, 각각의 픽셀 및 기판(102)을 커버하는 상호연결 구조물(106)이 형성된다. 상호연결 구조물(106)은 ILD 구조물(128), 복수의 와이어들(130), 및 복수의 비아들(132)을 포함한다. 예시의 편의를 위해, 와이어들 중 일부만이 라벨링되고, 비아들 중 일부만이 라벨링된다.
일부 실시예들에서, 상호연결 구조물(106)을 형성하기 위한 프로세스는, 기판(102) 위에 ILD 서브층[즉, ILD 구조물(128)의 서브층]을 반복적으로 형성하는 것, ILD 구조물(128)의 상면에 평탄화를 수행하는 것, ILD 구조물을 선택적으로 에칭하여 비아 개구부 및/또는 와이어 개구부를 형성하는 것, 및 비아 개구부 및/또는 와이어 개구부를 도전 재료로 충전하는 것을 포함한다. ILD 서브층은, 예를 들어 열 산화, CVD, PVD, 스퍼터링, 일부 다른 퇴적 프로세스, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 형성될 수 있다. 평탄화는, 예를 들어 CMP(chemical mechanical polish) 또는 일부 다른 평탄화 프로세스에 의해 수행될 수 있다. 선택적 에칭은, 예를 들어 포토리소그래피를 사용하여 “선택적으로” 수행될 수 있다. 충전은, 예를 들어 CVD, PVD, 전기도금, 무전해(electro-less) 도금, 일부 다른 퇴적 또는 도금 프로세스, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상호연결 구조물(106)을 형성하기 위한 프로세스는, 와이어들(130) 및 비아들(132)을 형성하기 위해 이중 다마신 프로세스(dual-damascene process) 또는 단일 다마신 프로세스(single-damascene process)를 반복적으로 수행하는 것을 포함한다. 이중 다마신 프로세스는 동시에 2개의 도전성 피처들(예를 들어, 와이어 및 비아)을 형성하는 반면, 단일 다마신 프로세스는 한번에 단일의 도전성 피처(예를 들어, 와이어 또는 비아)를 형성한다.
도 16의 단면도(1600)에 의해 예시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 기판(102)의 전면 표면은 패시베이션층(134) 및 ILD 구조물(128)을 통해 캐리어 기판(136)에 본딩된다. 캐리어 기판(136)은, 예를 들어 벌크 단결정 실리콘 기판, 일부 다른 실리콘 기판, SOI 기판, 반도체 기판, 또는 일부 다른 기판일 수 있다. 일부 실시예들에서, 본딩 프로세스는 퓨전 본딩 프로세스 또는 일부 다른 본딩 프로세스에 의해 수행된다.
도 17의 단면도(1700)에 의해 예시된 바와 같이, 도 16의 구조물이 수직으로 플립핑(flipping)된다. 또한, 기판(102)은 후면 표면에서 시닝(thinning)됨으로써, 기판(102)의 두께를 감소시킨다. 일부 실시예들에서, 기판(102)은 에칭 및/또는 CMP 또는 일부 다른 평탄화 프로세스와 같은 평탄화를 수행함으로써 시닝된다.
도 18의 단면도(1800)에 의해 예시된 바와 같이, 반도체 기판(102)의 후면에 복수의 트렌치들(124)이 형성된다. 일부 실시예들에서, 트렌치들(124)을 형성하기 위한 프로세스는 포토레지스트층이 제 위치에 있는 상태에서 기판(102)의 후면 표면에 에칭을 수행하고, 후속하여 포토레지스트층을 제거하는 것을 포함한다. 일부 경우들에서, 픽셀의 외측 둘레에 대응하는 최외측 링 형상 트렌치가 일 에칭에서 에칭되고, 최외측 링 형상 트렌치에 의해 둘러싸인 일련의 내측 트렌치들이 상이한 에칭을 사용하여 분리적으로 에칭된다. 따라서, 최외측 링 형상 트렌치는 제 1 깊이를 가질 수 있고, 일련의 내측 트렌치들은 제 1 깊이와는 상이한 제 2 깊이를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 최외측 링 형상 트렌치 및 일련의 내측 트렌치들은 모두 단일의 에칭 프로세스를 사용하여 동시에 형성되고, 단일 깊이를 공유한다.
도 19의 단면도(1900)에 의해 예시된 바와 같이, 일련의 트렌치들 내에 유전체 재료(1902)가 퇴적된다. 일부 실시예들에서, 유전체 재료(1902)의 내측 표면은 기판(102)의 후면 표면과 동형상으로 이루어지고(conform)/이루어지거나 기판(102)의 후면 표면과 직접적으로 접촉한다. 유전체 재료(1902)는, 예를 들어 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 하이 κ 유전체, 일부 다른 유전체, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있거나 이들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 유전체 재료(1902)를 형성하기 위한 프로세스는 트렌치들 내에 유전체 재료(1902)를 퇴적하는 것을 포함한다. 퇴적은, 예를 들어 열 산화, CVD, PVD, 스퍼터링, 또는 일부 다른 퇴적 프로세스에 의해 수행될 수 있다.
도 20의 단면도(2000)에 의해 예시된 바와 같이, 유전체 재료(1902)의 외측 표면에 평탄화가 수행됨으로써, 하부 링 구조물(108)에 의해 둘러싸인 유전체 필러들 또는 벽들(112)을 형성한다. 평탄화는, 예를 들어 CMP 또는 일부 다른 평탄화 프로세스에 의해 수행될 수 있다.
도 21의 단면도(2100)에 의해 예시된 바와 같이, 하부 링 구조물(108) 위에 금속성 링 구조물(110)이 형성된다. 금속성 링 구조물(110)은 예를 들어, 기판(102) 위에 예를 들어 실리콘 질화물층과 같은 패터닝층을 형성하고, 이어서 자신의 위치들이 금속성 링 구조물(110)의 위치들에 대응하는 개구부들을 형성하기 위해 패터닝층을 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 이어서, 패터닝층이 제 위치에 있는 상태에서 예를 들어 개구부들 내에 그리고 패터닝층 위에 예를 들어 스퍼터링, 전기도금, 또는 CVD에 의해 금속이 형성될 수 있다. 이어서, 개구부들 내의 금속을 남기면서 패터닝층 위로부터 금속을 제거하고 패터닝층의 상면을 노출시키기 위해 CMP가 수행될 수 있다. 이어서, 패터닝층이 제거될 수 있고, 도 21 내에 예시된 구조물을 남긴다.
도 22의 단면도(2200)에 의해 예시된 바와 같이, 기판(102)의 후면 표면을 커버하고 금속성 링 구조물(110)을 커버하는 패시베이션층(118)이 형성된다. 패시베이션층(118)은, 예를 들어 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 하이 κ 유전체, 일부 다른 유전체, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있거나 이들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 패시베이션층(118)을 형성하기 위한 프로세스는 기판(102)의 후면 표면 상에 패시베이션층(118)을 퇴적하고, 후속하여 패시베이션층(118)의 외측 표면에 평탄화를 수행하는 것을 포함한다. 퇴적은, 예를 들어 열 산화, CVD, PVD, 스퍼터링, 또는 일부 다른 퇴적 프로세스에 의해 수행될 수 있다. 평탄화는, 예를 들어 CMP(chemical mechanical polish) 또는 일부 다른 평탄화 프로세스에 의해 수행될 수 있다.
도 23의 단면도(2300)에 의해 예시된 바와 같이, 복수의 컬러 필터들(예를 들어, 902) 및 복수의 마이크로 렌즈들(예를 들어, 906)이 패시베이션층(118) 상에 형성된다. 컬러 필터들(902)은 각각 광검출기들(104) 위에 놓이고, 마이크로 렌즈들(906)은 각각 컬러 필터들(404) 위에 놓인다. 컬러 필터들(902)은 할당되지 않은 파장들의 방사선을 차단하면서 할당된 파장들의 방사선을 통과시킨다. 일부 실시예들에서, 컬러 필터들(904)은 제 1 파장들의 방사선에 대한 컬러 필터층을 형성하는 것, 컬러 필터층을 패터닝하는 것, 이어서 상이한 파장들의 방사선에 대해 이것들을 반복하는 것에 의해 형성된다.
또한 도 23의 단면도(2300)에 의해 예시된 바와 같이, 컬러 필터들(904) 상에 복수의 마이크로 렌즈들(906)이 형성된다. 마이크로 렌즈들(906)은 컬러 필터(904) 위에 놓이고, 입사 방사선을 각각 픽셀의 광검출기 상에 포커싱한다. 일부 실시예들에서, 마이크로 렌즈들(906)을 형성하기 위한 프로세스는 컬러 필터들(904) 위에 마이크로 렌즈층을 형성하는 것, 및 후속하여 마이크로 렌즈층을 마이크로 렌즈들(906)에 대해 개별적인 마이크로 렌즈 템플릿들로 패터닝하는 것을 포함한다.
도 24는 BSI 이미지 센서를 형성하는 방법의 일부 실시예들과 일치하는 흐름도를 예시한다.
단계(2402)에서, 반도체 기판이 수용된다. 이 단계의 일부 실시예들이 예를 들어 도 14에 대응할 수 있다.
단계(2404)에서, 기판의 전면에 광검출기가 형성되고, 기판의 전면 위에 상호연결 구조물이 형성된다. 이 단계의 일부 실시예들이 예를 들어 도 15에 대응할 수 있다.
단계(2406)에서, 상호연결 구조물 위에 패시베이션층이 형성된다. 이 단계의 일부 실시예들이 예를 들어 도 16에 대응할 수 있다.
단계(2408)에서, 패시베이션층을 통해 상호연결 구조물에 캐리어 기판이 본딩된다. 이 단계의 일부 실시예들이 예를 들어 도 16에 대응할 수 있다.
단계(2410)에서, 반도체 기판의 후면이 예를 들어 CMP에 의해 시닝된다. 이 단계의 일부 실시예들이 예를 들어 도 17에 대응할 수 있다.
단계(2412)에서, 반도체 기판의 시닝된 후면에 일련의 트렌치들이 형성된다. 이 단계의 일부 실시예들이 예를 들어 도 18에 대응할 수 있다.
단계(2414)에서, 일련의 트렌치들 내에 유전체층이 형성된다. 이 단계의 일부 실시예들이 예를 들어 도 19에 대응할 수 있다.
단계(2416)에서, 유전체층의 최상면을 평탄화하기 위해 (예를 들어, CMP를 사용하여) 유전체층이 평탄화된다. 이 단계의 일부 실시예들이 예를 들어 도 20에 대응할 수 있다.
단계(2418)에서, 유전체층의 평탄화된 최상면 위에 금속 그리드 및 패시베이션층이 형성된다. 이 단계의 일부 실시예들이 예를 들어 도 21 및 도 22에 대응할 수 있다.
단계(2420)에서, 패시베이션층 위에 컬러 필터 및 마이크로 렌즈가 형성된다. 이 단계의 일부 실시예들이 예를 들어 도 23에 대응할 수 있다.
따라서, 위로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 본 개시의 일부 양태들은 전면 및 후면을 갖는 반도체 기판을 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다. 전면과 후면 사이의 반도체 기판 내에 광검출기가 배열된다. 반도체 기판의 후면과 상호연결 구조물 사이에 반도체 기판의 전면이 배열되도록 상호연결 구조물이 반도체 기판의 전면 아래에 배열된다. 하부 링 구조물이 반도체 기판의 후면 내로 연장되고 광검출기를 측방향으로 둘러싼다. 하부 링 구조물에 의해 둘러싸인 격자 구조물이 기판의 후면으로부터 광검출기 내의 위치로 연장된다.
다른 실시예들은 전면 및 후면을 갖는 반도체 기판 내에 또는 반도체 기판 상에 배치되는 이미지 센서에 관한 것이다. 이미지 센서는 전면과 후면 사이의 반도체 기판 내에 배열되는 복수의 광검출기들을 포함한다. 반도체 기판의 후면 위에 복수의 금속성 링 구조물들이 배열된다. 복수의 금속성 링 구조물들의 외측 에지들이 서로 인접하여 반도체 기판의 후면에 평행한 평면에 있는 금속성 메쉬 구조물을 확립한다. 금속성 메쉬 구조물의 각각의 금속성 링 구조물은 평면 투영시 광검출기의 투영부를 둘러싼다. 금속성 메쉬 구조물의 제 1 금속성 링 구조물에 의해 둘러싸인 격자 구조물은, 기판의 후면으로부터 제 1 광검출기에 대응하는 깊이까지 반도체 기판 내에서 연장된다.
또 다른 실시예들은 방법에 관한 것이다. 이 방법에서, 반도체 기판이 수용된다. 기판의 전면에 광검출기가 형성되고, 기판의 전면 위에 그리고 광검출기 위에 상호연결 구조물이 형성된다. 상호연결 구조물 위에 캐리어 기판이 형성된다. 반도체 기판의 후면이 시닝되고, 후면은 상호연결 구조물로부터 가장 멀리 있다. 반도체 기판의 시닝된 후면에 일련의 트렌치들이 형성된다. 일련의 트렌치들 내에 유전체층이 형성되고, 유전체층이 평탄화되어 평탄화된 최상면을 갖는 유전체층을 남긴다. 유전체층을 평탄화하는 것은 유전체층을 분리하여 기판 내에 링 형상 유전체층을 남기고 링 형상 유전체층에 의해 측방향으로 둘러싸인 벽 또는 필러 유전체 구조물들을 남긴다. 벽 또는 필러 유전체 구조물들은 광검출기 위에 배치된다.
상술한 것은 당업자가 본 개시의 양태들을 더 잘 이해할 수 있도록 일부 실시예들의 특징들의 개요를 서술한 것이다. 당업자는, 본원에 소개되는 실시예와 동일한 목적을 실행하거나 및/또는 동일한 장점을 달성하도록, 다른 프로세스 및 구조를 설계하거나 또는 변경하기 위한 기반으로서, 그들이 본 개시를 쉽게 사용할 수 있다는 것을 인식해야 한다. 당업자는, 그러한 균등한 구성이 본 개시의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는다는 점과, 본 개시의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 본원의 다양한 변경, 대체, 및 개조를 행할 수 있다는 점을 또한 자각해야 한다.
실시예들
실시예 1. 이미지 센서에 있어서,
전면 및 후면을 갖는 반도체 기판으로서, 상기 전면과 상기 후면 사이의 상기 반도체 기판 내에 광검출기가 배열되는 것인, 상기 반도체 기판;
상호연결 구조물로서, 상기 반도체 기판의 후면과 상기 상호연결 구조물 사이에 상기 반도체 기판의 전면이 배열되도록 상기 반도체 기판의 전면 아래에 배열되는 것인, 상기 상호연결 구조물;
상기 반도체 기판의 후면 내로 연장되고 상기 광검출기를 측방향으로(laterally) 둘러싸는 하부 링 구조물; 및
상기 하부 링 구조물에 의해 둘러싸인 격자 구조물로서, 상기 기판의 후면으로부터 상기 광검출기 내의 위치로 연장되는 것인, 상기 격자 구조물
을 포함하는, 이미지 센서.
실시예 2. 실시예 1에 있어서, 상기 격자 구조물은 하나 이상의 필러(pillar) 또는 벽(wall) - 상기 하나 이상의 필러 또는 벽에 의해 광 안내 개구부들이 한정됨 - 을 포함하고, 상기 하나 이상의 필러 또는 벽은 입사광이 상기 후면으로부터 상기 광검출기로 이동할 때 상기 입사광을 상기 광 안내 개구부들을 통해 상기 반도체 기판 내에서 다수회 반사시키도록 구성됨으로써, 상기 반도체 기판 내에 상기 광 안내 개구부들을 통해 제 1 구분적(piecewise) 선형 광 전파 경로를 유도하는 것인, 이미지 센서.
실시예 3. 실시예 1에 있어서,
상기 반도체 기판의 후면 위로 연장되고 상기 하부 링 구조물 위에 정렬되는 상부 링 구조물을 더 포함하는, 이미지 센서.
실시예 4. 실시예 1에 있어서, 상기 격자 구조물은 유전체 재료로 충전되는 복수의 트렌치들을 포함하고, 유전체 재료로 충전되는 상기 복수의 트렌치들은 상기 복수의 트렌치들의 중심라인들이 서로 동일한 간격들로 이격되도록 서로 이격되며 상기 하부 링 구조물의 외측 에지들과 평행하게 배열되는 것인, 이미지 센서.
실시예 5. 실시예 1에 있어서, 상기 격자 구조물은 유전체 재료로 충전되는 복수의 트렌치들을 포함하고, 상기 복수의 트렌치들은 서로 평행하게 연장되며 상기 하부 링 구조물의 외측 에지들과 45도의 각도로 만나는 것인, 이미지 센서.
실시예 6. 실시예 5에 있어서, 유전체 재료로 충전되는 상기 복수의 트렌치들은, 상기 복수의 트렌치들의 중심라인들이 서로 동일한 간격들로 이격되도록 서로 이격되는 것인, 이미지 센서.
실시예 7. 실시예 1에 있어서, 상기 격자 구조물은 링 형상이고, 상기 하부 링 구조물의 외측 에지들과 동형인(congruous) 에지들을 갖는 것인, 이미지 센서.
실시예 8. 실시예 1에 있어서, 상기 격자 구조물은 금속으로 충전되고 서로 평행하게 배열되는 복수의 선형 트렌치들을 포함하거나, 또는 상기 하부 링 구조물의 외측 에지들과 동형인 에지들을 갖는 링 형상 금속성 구조물인 것인, 이미지 센서.
실시예 9. 실시예 1에 있어서, 상기 격자 구조물의 깊이는 상기 하부 링 구조물의 깊이와 동일한 것인, 이미지 센서.
실시예 10. 실시예 1에 있어서, 상기 격자 구조물의 깊이는 상기 하부 링 구조물의 깊이와 상이한 것인, 이미지 센서.
실시예 11. 실시예 1에 있어서, 상기 격자 구조물의 깊이는, 상기 전면과 상기 후면 사이에서 측정되었을 때 상기 반도체 기판의 총 두께의 30% 내지 100% 범위인 것인, 이미지 센서.
실시예 12. 실시예 1에 있어서, 상기 하부 링 구조물은 정사각형, 직사각형, 또는 다각형의 형상인 것인, 이미지 센서.
실시예 13. 실시예 1에 있어서, 상기 격자 구조물은 상기 하부 링 구조물에 의해 한정되는 총 영역의 10% 내지 60% 사이를 점유하는 것인, 이미지 센서.
실시예 14. 실시예 1에 있어서, 상기 격자 구조물은 실리콘 이산화물을 포함하는 것인, 이미지 센서.
실시예 15. 이미지 센서에 있어서,
전면 및 후면을 갖는 반도체 기판으로서, 상기 전면과 상기 후면 사이의 상기 반도체 기판 내에 복수의 광검출기들이 배열되는 것인, 상기 반도체 기판;
상기 반도체 기판의 후면 위에 배열되는 복수의 금속성 링 구조물들로서, 상기 복수의 금속성 링 구조물들의 외측 에지들은 서로 인접하여 상기 반도체 기판의 후면에 평행한 평면에 있는 금속성 메쉬 구조물을 확립하고, 상기 금속성 메쉬 구조물의 각각의 금속성 링 구조물들은 상기 평면 투영시 광검출기의 투영부를 둘러싸는 것인, 상기 복수의 금속성 링 구조물; 및
상기 금속성 메쉬 구조물의 제 1 금속성 링 구조물에 의해 둘러싸인 격자 구조물로서, 상기 기판의 후면으로부터 제 1 광검출기에 대응하는 깊이까지 상기 반도체 기판 내에서 연장되는 것인, 상기 격자 구조물
을 포함하는, 이미지 센서.
실시예 16. 실시예 15에 있어서, 상기 금속성 메쉬 구조물의 제 2 금속성 링 구조물은, 상기 제 2 금속성 링 구조물 내에 격자 구조물이 배치되지 않고 상기 제 2 금속성 링 구조물에 의해 한정되는 영역 내에서 전체적으로 개구되는 것인, 이미지 센서.
실시예 17. 실시예 16에 있어서, 상기 격자 구조물은 상기 격자 구조물의 내측 측벽들에 의해 한정되는 하나 이상의 광 안내 개구부를 포함하고, 상기 광 안내 개구부의 내측 측벽들은 입사광을 상기 입사광이 상기 제 1 광검출기로 이동할 때 상기 반도체 기판 내에서 다수회 반사시키도록 구성됨으로써, 상기 반도체 기판 내에 제 1 구분적 선형 광 전파 경로를 유도하는 것인, 이미지 센서.
실시예 18. 실시예 15에 있어서,
상기 반도체 기판의 후면 내로 연장되고 상기 복수의 금속성 링 구조물들 아래에 정렬되는 복수의 유전체 링 구조물들을 더 포함하고, 각각의 유전체 링 구조물은 대응하는 광검출기를 측방향으로 둘러싸는 것인, 이미지 센서.
실시예 19. 방법에 있어서,
반도체 기판을 수용하는 단계;
상기 기판의 전면에 광검출기를 형성하는 단계;
상기 광검출기 위에 그리고 상기 기판의 전면 위에 상호연결 구조물을 형성하는 단계;
상기 상호연결 구조물 위에 캐리어 기판을 본딩하는 단계;
상기 반도체 기판의 후면 - 상기 후면은 상기 상호연결 구조물로부터 가장 멀리 있음 - 을 시닝(thinning)하는 단계;
상기 반도체 기판의 시닝된 후면에 일련의 트렌치들을 형성하는 단계;
상기 일련의 트렌치들 내에 유전체층을 형성하는 단계; 및
상기 유전체층을 평탄화하여 평탄화된 최상면을 갖는 유전체층을 남기는, 상기 유전체층을 평탄화하는 단계로서, 상기 유전체층을 평탄화하는 단계는 상기 유전체층을 분리하여 상기 기판 내에 링 형상 유전체층을 남기고 상기 링 형상 유전체층에 의해 측방향으로 둘러싸인 벽 또는 필러 유전체 구조물들 - 상기 벽 또는 필러 유전체 구조물들은 상기 광검출기 위에 배치됨 - 을 남기는 것인, 상기 유전체층을 평탄화하는 단계
를 포함하는, 방법.
실시예 20. 실시예 19에 있어서, 상기 벽 또는 필러 유전체 구조물들의 깊이는, 상기 전면과 상기 후면 사이에서 측정되었을 때 상기 반도체 기판의 총 두께의 30% 내지 100% 범위인 것인, 방법.

Claims (10)

  1. 이미지 센서에 있어서,
    전면 및 후면을 갖는 반도체 기판으로서, 상기 전면과 상기 후면 사이의 상기 반도체 기판 내에 광검출기가 배열되는 것인, 상기 반도체 기판;
    상호연결 구조물로서, 상기 반도체 기판의 후면과 상기 상호연결 구조물 사이에 상기 반도체 기판의 전면이 배열되도록 상기 반도체 기판의 전면 아래에 배열되는 것인, 상기 상호연결 구조물;
    상기 반도체 기판의 후면 내로 연장되고 상기 광검출기를 측방향으로(laterally) 둘러싸는 하부 링 구조물; 및
    상기 하부 링 구조물에 의해 둘러싸인 격자 구조물로서, 상기 기판의 후면으로부터 상기 광검출기 내의 위치로 연장되는 것인, 상기 격자 구조물
    을 포함하는, 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 격자 구조물은 하나 이상의 필러(pillar) 또는 벽(wall) - 상기 하나 이상의 필러 또는 벽에 의해 광 안내 개구부들이 한정됨 - 을 포함하고, 상기 하나 이상의 필러 또는 벽은 입사광이 상기 후면으로부터 상기 광검출기로 이동할 때 상기 입사광을 상기 광 안내 개구부들을 통해 상기 반도체 기판 내에서 다수회 반사시키도록 구성됨으로써, 상기 반도체 기판 내에 상기 광 안내 개구부들을 통해 제 1 구분적(piecewise) 선형 광 전파 경로를 유도하는 것인, 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 후면 위로 연장되고 상기 하부 링 구조물 위에 정렬되는 상부 링 구조물을 더 포함하는, 이미지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 격자 구조물은 유전체 재료로 충전되는 복수의 트렌치들을 포함하고, 유전체 재료로 충전되는 상기 복수의 트렌치들은 상기 복수의 트렌치들의 중심라인들이 서로 동일한 간격들로 이격되도록 서로 이격되며 상기 하부 링 구조물의 외측 에지들과 평행하게 배열되는 것인, 이미지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 격자 구조물은 유전체 재료로 충전되는 복수의 트렌치들을 포함하고, 상기 복수의 트렌치들은 서로 평행하게 연장되며 상기 하부 링 구조물의 외측 에지들과 45도의 각도로 만나는 것인, 이미지 센서.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 격자 구조물은 링 형상이고, 상기 하부 링 구조물의 외측 에지들과 동형인(congruous) 에지들을 갖는 것인, 이미지 센서.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 격자 구조물은 금속으로 충전되고 서로 평행하게 배열되는 복수의 선형 트렌치들을 포함하거나, 또는 상기 하부 링 구조물의 외측 에지들과 동형인 에지들을 갖는 링 형상 금속성 구조물인 것인, 이미지 센서.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 격자 구조물의 깊이는, 상기 전면과 상기 후면 사이에서 측정되었을 때 상기 반도체 기판의 총 두께의 30% 내지 100% 범위인 것인, 이미지 센서.
  9. 이미지 센서에 있어서,
    전면 및 후면을 갖는 반도체 기판으로서, 상기 전면과 상기 후면 사이의 상기 반도체 기판 내에 복수의 광검출기들이 배열되는 것인, 상기 반도체 기판;
    상기 반도체 기판의 후면 위에 배열되는 복수의 금속성 링 구조물들로서, 상기 복수의 금속성 링 구조물들의 외측 에지들은 서로 인접하여 상기 반도체 기판의 후면에 평행한 평면에 있는 금속성 메쉬 구조물을 확립하고, 상기 금속성 메쉬 구조물의 각각의 금속성 링 구조물들은 상기 평면 투영시 광검출기의 투영부를 둘러싸는 것인, 상기 복수의 금속성 링 구조물; 및
    상기 금속성 메쉬 구조물의 제 1 금속성 링 구조물에 의해 둘러싸인 격자 구조물로서, 상기 기판의 후면으로부터 제 1 광검출기에 대응하는 깊이까지 상기 반도체 기판 내에서 연장되는 것인, 상기 격자 구조물
    을 포함하는, 이미지 센서.
  10. 방법에 있어서,
    반도체 기판을 수용하는 단계;
    상기 기판의 전면에 광검출기를 형성하는 단계;
    상기 광검출기 위에 그리고 상기 기판의 전면 위에 상호연결 구조물을 형성하는 단계;
    상기 상호연결 구조물 위에 캐리어 기판을 본딩하는 단계;
    상기 반도체 기판의 후면 - 상기 후면은 상기 상호연결 구조물로부터 가장 멀리 있음 - 을 시닝(thinning)하는 단계;
    상기 반도체 기판의 시닝된 후면에 일련의 트렌치들을 형성하는 단계;
    상기 일련의 트렌치들 내에 유전체층을 형성하는 단계; 및
    상기 유전체층을 평탄화하여 평탄화된 최상면을 갖는 유전체층을 남기는, 상기 유전체층을 평탄화하는 단계로서, 상기 유전체층을 평탄화하는 단계는 상기 유전체층을 분리하여 상기 기판 내에 링 형상 유전체층을 남기고 상기 링 형상 유전체층에 의해 측방향으로 둘러싸인 벽 또는 필러 유전체 구조물들 - 상기 벽 또는 필러 유전체 구조물들은 상기 광검출기 위에 배치됨 - 을 남기는 것인, 상기 유전체층을 평탄화하는 단계
    를 포함하는, 방법.
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