KR20190035564A - 반도체 이미지 센서 - Google Patents

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KR20190035564A
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켕-유 초우
웬-하우 우
웨이-치에 치앙
치엔-시엔 청
가즈아키 하시모토
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Abstract

후면 조사(BSI) 이미지 센서는, 전방 측면 및 그 전방 측면과 반대 쪽에 있는 후방 측면을 포함하는 기판, 및 어레이로 배열된 복수의 픽셀 센서들을 포함한다. 픽셀 센서들의 각각은, 기판 내의 광 감지 디바이스와, 후방 측면 상의 픽셀 센서 위의 컬러 필터, 및 후방 측면 상의 컬러 필터 위의 광학 구조물을 포함한다. 광학 구조물은 제1 측벽을 포함하고, 제1 측벽과 기판의 전면과 실질적으로 평행한 평면은 0°보다 큰 끼인각을 형성한다.

Description

반도체 이미지 센서{SEMICONDUCTOR IMAGE SENSOR}
우선권 데이터
본 출원은 2017년 9월 26일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/563,298호의 이익을 주장하며, 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로 통합되어 있다.
디지털 카메라들 및 기타의 이미징 디바이스들은 이미지 센서들을 사용한다. 이미지 센서들은 광학 이미지들을 디지털 이미지들로서 나타낼 수 있는 디지털 데이터로 변환한다. 이미지 센서는 픽셀 센서들의 어레이를 포함하고 논리 회로들을 지원한다. 어레이의 픽셀 센서들은 입사광을 측정하기 위한 단위 디바이스들이고, 지원 논리 회로들은 측정치의 판독을 용이하게 한다. 광학 이미징 디바이스들에 일반적으로 사용되는 이미지 센서의 한가지 유형은 후방 측면 조사(Back Side Illumination, BSI) 이미지 센서이다. BSI 이미지 센서의 제조는 저비용, 소형화, 및 고집적화를 위한 기존의 반도체 프로세스들로 집적화될 수 있다. 또한, BSI 이미지 센서들은 낮은 동작 전압, 낮은 전력 소비, 높은 양자 효율, 낮은 판독 잡음을 가지며, 랜덤 액세스를 허용한다.
본 개시의 양태들은 첨부된 도면들과 함께 판독할 때 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 업계의 표준 관례에 따라, 다양한 피처들은 일정한 축척에 따라 그려진 것이 아니라는 점을 알 수 있다. 실제로, 다양한 피처들의 치수는 논리의 명확성을 위해 임의로 늘리거나 또는 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따라 구성된 다양한 제조 단계에서 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서들의 일련의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서의 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따라 구성된 다양한 제조 단계에서 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서들의 일련의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서의 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따라 구성된 다양한 제조 단계에서 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서들의 일련의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서들의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서의 단면도이다.
본 개시는 제공된 발명의 기술적 요지의 상이한 피처들을 구현하기 위한 많은 상이한 실시예들, 또는 예시들을 제공한다. 본 개시를 간단히 하기 위해 구성 소자들(elements) 및 배치들(arrangements)의 특정 예시들이 아래에 설명된다. 이들은 물론 단지 예시들이며 이들 기재 내용으로 제한하려는 것은 아니다. 예를 들어, 이하의 설명에서 제2 피처 위의 제1 피처의 형성은 제1 피처 및 제2 피처가 직접 접촉하여 형성되는 실시예들을 포함할 수 있으며, 또한 제1 피처 및 제2 피처가 직접 접촉하지 않도록 제1 피처와 제2 피처 사이에 추가적인 피처들이 형성될 수 있는 실시예들을 포함할 수 있다. 또한, 본 개시는 다양한 예시들에서 참조 번호들 및/또는 문자들을 반복할 수 있다. 이러한 반복은 간단하고 명료함을 목적으로 하며, 논의된 다양한 실시예들 및/또는 구성들 사이의 관계를 그 자체로 지시하지는 않는다.
또한, "아래(beneath)", "아래(below)", "하부의(lower)", "위(above)", "상부의(upper)" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어들(spatially relative terms)은 도면들에 도시된 바와 같이 하나의 소자 또는 피처들의 다른 소자들 또는 피처들의 관계를 기술하기 위한 설명의 용이함을 위해 본 명세서에서 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에 도시된 방향에 부가하여 사용 또는 동작 중에 디바이스(device)의 상이한 방향들을 포함하도록 의도된다. 장치(apparatus)는 다르게 지향될 수도 있고(90도 회전되거나 또는 다른 방향으로 회전될 수도 있음), 또한 그에 따라서 본 명세서에서 사용되는 공간적으로 상대적인 기술어도 이와 마찬가지로 해석될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "제1(first)", "제2(second)" 및 "제3(third)"과 같은 용어들은 다양한 소자들, 구성 요소들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들을 기술하며, 이들 소자들, 구성 요소들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션들을 다른 것으로부터 구별하기 위해서만 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "제1", "제2" 및 "제3"과 같은 용어들은 문맥에 의해 명백하게 나타내지 않는 하나의 시퀀스 또는 순서를 의미하지는 않는다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "approximately(대략)", "substantially(실질적으로)", "실질적인(substantial)" 및 "약(about)"이라는 용어들은 작은 변화들을 기술하고 설명하는데 사용된다. 사건이나 상황과 함께 사용될 때, 이 용어는 사건이나 상황이 정확하게 발생하는 경우 뿐만 아니라 사건이나 상황이 가까운 근사치로 발생하는 경우를 의미할 수 있다. 예를 들어, 수치와 관련하여 사용될 때, 이 용어는 ±5% 이하, ±4% 이하, ±3% 이하, ±2% 이하, ±1% 이하, ±0.5% 이하, ±0.1% 이하, 또는 ±0.05% 이하와 같은 그 수치의 ±10% 이하의 변동 범위를 의미할 수 있다. 예를 들어, 2개의 수치는 그 값의 차이가 ±5% 이하, ±4% 이하, ±3% 이하, ±2% 이하, ±1% 이하, ±0.5% 이하, ±0.1% 이하, ±0.05% 이하와 같은 그 값의 평균의 ±10% 이하인 경우 "실질적으로" 동일하거나 동등한 것으로 간주될 수 있다. 예를 들어, "실질적으로" 평행은 ±5°이하, ±4°이하, ±3°이하, ±2°이하, ±1°이하, ±0.5°이하, ±0.1°이하, 또는 ±0.05°이하와 같은 ±10°이하인 0 °에 대한 각도 변화의 범위를 지칭할 수 있다. 예를 들어, "실질적으로" 수직은 ±5°이하, ±4°이하, ±3°이하, ±2°이하, ±1°이하, ±0.5°이하, ±0.1°이하, 또는 ±0.05°이하와 같은 ±10°이하인 90°에 대한 각도 변화의 범위를 지칭할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "마이크로 구조물들"은 기판 또는 컬러 필터들의 고르지 않거나 거친 표면을 만드는 리세스되거나 또는 돌출되는 구조물들을 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "리세스"는 다른 구조물의 둘레 또는 에지로부터 리세스된 구조물이고, "돌출부"는 다른 구조물의 둘레 또는 에지로부터 돌출된 구조물이다.
BSI 이미지 센서는 픽셀 센서들의 어레이를 포함한다. 통상적으로, BSI 이미지 센서들은, 기판 내에 배치된 픽셀 센서들에 대응하는 반도체 기판 및 포토다이오드들, 기판의 전방 측면 위에 배치된 집적 회로들의 백 엔드 오브 라인(back-end-of-line, BEOL) 금속화, 및 기판의 후방 측면 위에 배치된 픽셀 센서들에 대응하는 컬러 필터들 및 마이크로 렌즈들을 포함하는 광학 스택을 갖는 집적 회로를 포함한다. BSI 이미지 센서들의 크기가 감소함에 따라, BSI 이미지 센서들은 많은 어려움들에 직면하게 되었다. BSI 이미지 센서들의 한 가지 문제점은 인접한 픽셀 센서들 간의 크로스 토크(cross talk)이며, BSI 이미지 센서들의 다른 문제점은 가벼운 수집이라는 것이다. BSI 이미지 센서들이 작아지면서 집광 표면적이 점점 작아짐에 따라, 픽셀 센서들의 감도를 감소시킨다. 이는 낮은 조명 환경에서 문제가 된다. 그러므로, BSI 이미지 센서들의 감도가 향상되도록 픽셀 센서들 및 각도 응답의 흡수 효율을 증가시킬 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 BSI 센서의 전방 측면으로 돌출된 곡면을 포함하는 절연 구조물을 포함하는 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서를 제공함에 따라, 일부 실시예들에서는 광이 추가로 집속된다. 본 발명은 컬러 필터들 또는 마이크로 렌즈들과 동일한 재료를 포함하는 광학 구조물을 포함하는 BSI 이미지 센서를 추가로 제공한다. 광학 구조물은 광 가이드의 역할을 하며, 일부 실시예들에서는 광학 구조물에 의해 더 긴 광 이동 거리가 생성된다. 따라서, 더 많은 광자가 흡수된다. 또한, 본 발명은 하나의 컬러 필터 위에 복수의 마이크로 렌즈들을 포함하는 BSI 이미지 센서를 추가로 제공하며, 일부 실시예들에서는 복수의 마이크로 렌즈들에 의해 더 긴 광 이동 거리가 생성된다. 다시 말해서, 광이 픽셀 센서에서 큰 각을 가지고 이동하기 때문에, 감도 및 각도 응답이 개선된다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서(100)의 픽셀 센서(110)의 단면도이고, 도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따라 구성된 다양한 제조 단계들에서 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서들의 일련의 단면도이다. 도 1 및 도 2a 내지 도 2e의 동일한 소자들은 동일한 참조 번호들로 나타내는 점을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, BSI 이미지 센서(100)는 기판(102)을 포함하고, 기판(102)은 예를 들어 벌크 실리콘(Si) 기판, 또는 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator, SOI) 기판과 같은 벌크 반도체 기판(bulk semiconductor substrate)을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 기판(102)은 전방 측면(front side)(102F) 및 그 전방 측면(102F)과 반대 쪽에 있는 후방 측면(back side)(102B)을 갖는다. BSI 이미지 센서(100)는 일반적으로 어레이 내에 배열된 복수의 픽셀 센서들(110)을 포함하고, 픽셀 센서들(110)의 각각은 기판(102)에 배치된 포토다이오드(112)와 같은 광 감지 디바이스(light sensing device)를 포함한다. 다시 말해서, BSI 이미지 센서(100)는 픽셀 센서들(110)에 대응하는 복수의 포토다이오드들(112)을 포함한다. 포토 다이오드들(112)은 기판(102)에 행과 열로 배열되고, 거기에 입사하는 광자들로부터 전하(예컨대, 전자들)를 축적하도록 구성된다. 또한, 트랜지스터(114)와 같은 논리 디바이스는 전방 측면(102F) 상의 기판(102) 위에 배치될 수 있고, 포토다이오드(112)의 판독을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 픽셀 센서(110)는 광을 사전 결정된 파장으로 수신하도록 배치된다. 따라서, 포토다이오드(112)는 일부 실시예들에서 입사광의 가시 광선을 감지하도록 동작될 수 있거나 또는 포토다이오드(112)는 일부 실시예들에서 입사광의 적외선(IR) 및/또는 근적외선(NIR)을 감지하도록 동작될 수 있다.
깊은 트렌치 절연(DTI) 구조물과 같은 절연 구조물(120)은 도 1에 도시된 바와 같이 기판(102) 내에 배치된다. 일부 실시예들에서, DTI 구조물(120)은 다음의 동작에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 에칭은 기판(102)의 후방 측면(102B)으로부터 수행된다. 제1 에칭은 포토다이오드(112)를 둘러싸고 이 포토다이오드 사이에 복수의 깊은 트렌치들(도시 생략됨)을 초래한다. 이어서, 화학 기상 증착(CVD)과 같은 임의의 적합한 증착 기술을 사용하여 깊은 트렌치들을 채우기 위해 실리콘 산화물(SiO)과 같은 절연 재료가 형성된다. 일부 실시예들에서, 깊은 트렌치들의 적어도 측벽은 코팅(122)에 의해 라인화되고, 깊은 트렌치들은 절연 재료(124)에 의해 충전된다. 코팅(22)은 텅스텐(W), 구리(Cu) 또는 알루미늄-구리(AlCu)와 같은 금속, 또는 실리콘보다 작은 굴절률(n)을 갖는 저-n(low-n) 재료를 포함할 수 있다. 저-n 재료는 SiO 또는 하프늄 산화물(HfO)을 포함할 수 있지만, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 깊은 트렌치들을 채우는 절연 재료(124)는 저-n 절연 재료를 포함할 수 있다. 이어서, 불필요한 절연 재료를 제거하기 위해 평탄화가 수행되어, 후방 측면(102B) 상의 기판(102)의 표면이 노출되고, 도 1에 도시된 바와 같이 포토다이오드(112)를 둘러싸고 그 포토다이오드 사이에 DTI 구조물(120)이 얻어진다. DTI 구조물(120)은 인접한 픽셀 센서들(110) 사이의 광학적 절연을 제공함으로써, 기판 절연 그리드로서의 역할을 하고 크로스 토크를 감소시킨다.
백 엔드 오브 라인(BEOL) 금속화 스택(130)은 기판(102)의 전방 측면(102F) 위에 배치된다. BEOL 금속화 스택(130)은 층간 유전체(ILD) 층(134)에 적층된 복수의 금속화 층들(132)을 포함한다. BEOL 금속화 스택(130)의 하나 이상의 접촉부들은 논리 디바이스(114)에 전기적으로 접속된다. 일부 실시예들에서, ILD 층(134)은 저 유전체 재료(즉, 3.9 미만의 유전 상수를 갖는 유전체 재료) 또는 산화물을 포함할 수 있지만, 본 발명은 이들로 제한되지 않는다. 복수의 금속화 층(132)은 구리(Cu), 텅스텐(W), 또는 알루미늄(Al)과 같은 금속을 포함할 수 있지만, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, BEOL 금속화 스택(130)과 볼 그리드 어레이(BGA)(도시되지 않음)와 같은 외부 커넥터들 사이에는 다른 기판(도시되지 않음)이 배치될 수 있다. 또한, BSI 이미지 센서(100)는 외부 커넥터들을 통해 다른 디바이스들이나 또는 회로들과 전기적으로 연결되지만, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 일부 실시예들에서, 픽셀 센서들(110)에 대응하는 복수의 컬러 필터들(150)은 기판(102)의 후방 측면(102B)상의 픽셀 센서들(110) 위에 배치되어 있다. 다시 말해서, 픽셀 센서들(110)의 각각은 후방 측면(102B) 상의 광 감지 디바이스(112) 위에 컬러 필터(150)를 포함한다. 또한, 일부 실시예들에서, 컬러 필터들(150) 사이에는 저-n 구조물(140)이 배치된다. 일부 실시예들에서, 저-n 구조물(140)은 그리드 구조물을 포함하고, 컬러 필터들(150)은 그리드 내에 위치한다. 따라서, 저-n 구조물(140)은 각각의 컬러 필터(150)를 둘러싸고, 도 1에 도시된 바와 같이 컬러 필터들(150)을 서로 분리시킨다. 저-n 구조물(140)은 컬러 필터(150)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 층들을 포함하는 복합 구조물일 수 있다. 일부 실시예들에서, 저-n 구조물(140)은 적어도 금속층(142) 및 이 금속층(142) 위에 배치된 유전체층(144)을 포함하는 복합 적층체를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 금속층(142)은 W, Cu, 또는 AlCu를 포함할 수 있다. 유전체 층(144)은 컬러 필터(150)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 재료이거나 또는 Si의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 재료를 포함하지만, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다. 낮은 굴절률로 인해, 저-n 구조물(140)은 광을 컬러 필터들(150)로 지향시키거나 반사시키는 광 가이드로서의 역할을 한다. 결과적으로, 저-n 구조물(140)은 컬러 필터들(150)로 입사하는 광의 양을 효과적으로 증가시킨다. 또한, 낮은 굴절률로 인해, 저-n 구조물(140)은 인접한 컬러 필터들(150) 사이에 광학적 절연을 제공한다.
각각의 컬러 필터(150)는 대응하는 포토다이오드(112)의 각각 위에 배치된다. 컬러 필터들(150)은 광의 대응하는 컬러들 또는 파장들로 할당되고, 할당된 컬러들 또는 파장들의 광을 제외한 모든 것을 필터링하도록 구성된다. 전형적으로, 컬러 필터들(150)이 적색 컬러 필터들, 녹색 컬러 필터들, 및 청색 컬러 필터들을 포함하도록 컬러 필터들(150)의 할당은 적색, 녹색, 및 청색 광들 사이에서 교번한다. 일부 실시예들에서, 적색 컬러 필터들, 녹색 컬러 필터들 및 청색 컬러 필터들은 바이엘 모자이크 패턴으로 배열되지만, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 각각의 픽셀 센서(110)에 대응하는 마이크로 렌즈들(160)은 컬러 필터(150) 위에 배치된다. 각각의 마이크로 렌즈들(160)의 위치 및 면적은 도 1에 도시된 바와 같이 컬러 필터(150) 또는 픽셀 센서(110)의 위치 및 면적과 대응함을 쉽게 이해해야 한다.
일부 실시예들에서, 픽셀 센서들(110)의 각각은 도 1에 도시된 바와 같이 기판(102)의 후방 측면(102B) 위에 배치된 복수의 마이크로 구조물들(116)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(116)은 다음의 조작에 의해 형성될 수 있다. 마스크 층(도시되지 않음)은 후방 측면(102B)상의 기판(102)의 표면 위에 배치되고, 이어서 마스크 층 위에 패터닝된 포토레지스트(도시되지 않음)를 형성한다. 그 다음, 기판(102)은 후방 측면(102B)으로부터 패터닝된 포토레지스트 및 마스크 층을 통해 에칭되고, 따라서 복수의 마이크로 구조물들(116)은 각각의 픽셀 센서들(110) 내의 기판(102)의 후방 측면(102B) 위에 형성된다. 그 다음, 패터닝된 포토레지스트 및 마스크 층이 제거된다. 일부 실시예에서, 습식 에칭과 같은 추가적인 동작이 취해질 수 있다. 결과적으로, 마이크로 구조물들(116)의 상부 및 하부는 도 1에 도시된 바와 같은 파형 패턴을 얻기 위해 점점 가늘어지는 모양이거나 둥근 모양이 된다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(116)의 측벽 및 방향 또는 평면(DH)은 끼인각(included angle)(θ1)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 평면(DH)은 기판(102)의 전면(102s)과 실질적으로 평행하다. 일부 실시예들에서, 끼인각(θ1)은 약 48°와 약 58°사이이지만, 본 발명은 이들로 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(116)은 연속적인 구조물들일 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같은 웨이브 프로파일을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(116)은 기판(102)에 의해 서로 이격된 이산 구조물(discrete structure)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 반사 방지 코팅(anti-reflective coating, ARC)(118)은 후방 측면(102B) 상의 기판(102) 위에 배치된다. 또한, 마이크로 구조물들(116)의 표면은 등각으로 형성된 ARC(118)에 의해 라인화된다. 일부 실시예들에서, 절연 구조물(170)은 기판(102)의 후방 측면(102B) 상의 ARC(118) 위에 배치되고, 절연 구조물(170)은 전방 측면(102F)을 향하는 제1 표면(170a) 및 후방 측면(102B)을 향하는 제2 표면(170b)을 포함한다. 절연 구조물(170)의 제1 표면(170a)은 마이크로 구조물들(116)과 동일한 프로파일을 포함한다. 보다 중요하게는, 제2 표면(170b)은 전방 측면(102F)을 향해 움푹 패이거나 구부러진 곡면을 포함한다.
도 2a 내지 도 2e를 참조하면, 절연 구조물(170)은 다음과 같은 동작에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연 재료(172)는 기판(102)의 후방 측면(102B) 상의 마이크로 구조물들(116) 및 ARC(118)(도 2a 내지 도 2e에 도시되지 않음) 위에 배치된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 절연 재료(172)는 마이크로 구조물들(116) 사이의 공간들을 채우고, CMP와 같은 평탄화 프로세스는 기판(102)의 후방 측면(102B) 위에 실질적으로 편평하거나 또는 균일한 표면을 제공하기 위해 절연 재료(172)로 동작할 수 있다. 일부 실시예들에서, 절연 재료(172)는 예를 들어 실리콘 이산화물과 같은 산화물을 포함할 수 있지만, 본 발명은 이들로 제한되지는 않는다.
다음에, 도 2b를 참조하면, 저-n 구조물(140)이 절연 재료(172) 위에 배치된다. 전술한 바와 같이, 저-n 구조물(140)은 컬러 필터들(150)이 그리드 내에 위치되도록 그리드 구조물을 포함한다. 도 2c를 참조하면, 절연 재료(172)에 에칭이 수행되어, 전방 측면(102F)을 향하여 움푹 패이거나 구부러진 곡면이 형성된다. 결과적으로, 절연 구조물(170)이 얻어진다. 절연 구조물(170)은 마이크로구조물들(116)을 덮고 단면도에서 마이크로 구조물들(116)과 동일한 파형 패턴을 갖는 제1 표면(170a)을 포함한다. 절연 구조물(170)은 도 2c에 도시된 바와 같이 전방 측면(102F) 쪽으로 만곡된 곡면을 포함하는 제2 표면(170b)을 더 포함한다. 그 후, 컬러 필터들(150)은 도 2d에 도시된 바와 같이 저-n 구조물(140) 내에 배치되고, 이어서, 도 2e에 도시된 바와 같이 컬러 필터들(150)의 각각의 필터 위에 마이크로 렌즈들(160)를 배치한다. 따라서, 절연 구조물(170)은 기판(102)과 광학 구조물(컬러 필터(150) 및 마이크로 렌즈들(160)을 포함함) 사이에 끼워진다. 또한, 절연 구조물(170)의 제1 표면(107a)은 기판(102)을 향하고, 제2 표면(170b)은 광학 구조물(150/160)을 향한다. 또한, 제2 표면(170b) 위에 배치된 컬러 필터(150)는 마이크로 렌즈들(160)에 대향하는 평탄면과 절연 구조물(170)에 대향하는 만곡면을 포함한다.
도 1을 다시 참조하면, 입사광(L)은 각각의 컬러 필터(150) 위의 마이크로 렌즈들(160)에 의해 집광되고 컬러 필터(150)에 수렴된다. 그러나, 절연 구조물(170)을 통과하는 입사광(L)은 굴곡된 제2 표면(170b)으로 인해 더욱 집광된다. 다시 말해서, 광학 구조물(마이크로 렌즈들(160) 및 컬러 필터(150)를 포함) 및 절연 구조물(170)에 의해 더 많은 광이 수집될 수 있다. 또한, 집광된 광은 마이크로 구조물(116)에 의해 산란되거나 또는 확산되어, 포토다이오드(112)에 입사할 때 직접 입사광이 마이크로 구조물들(116)에 의해 침지되거나 또는 경사지게 된다. 따라서, 포토다이오드(112)에는 더 긴 광 이동 거리가 생성된다. 또한, 광은 DTI 구조물(120)에 의해 포토다이오드(112)로 다시 반사될 수 있다. 다시 말해서, 광이 포토다이오드(112)에 트랩되어, 픽셀 센서(110)의 감도가 향상된다. 또한, 광 이동 거리가 길어지기 때문에, 포토다이오드(112) 또는 기판(102)의 두께를 줄일 수 있어 프로세스가 더욱 단순화되고 개선될 수 있다.
도 3은 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서(200)의 픽셀 센서(210)의 단면도이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따라 구성된 다양한 제조 단계들에서 BSI 이미지 센서(200)의 픽셀 센서들(210)의 일련의 단면도이다. 도 3 및 도 4a 및 도 4b의 동일한 소자들은 동일한 참조 번호들에 의해 나타내는 점을 쉽게 이해할 수 있다. BSI 이미지 센서(100)와 BSI 이미지 센서(200)에서 동일한 소자들은 동일한 재료를 포함할 수 있고 및/또는 동일한 동작에 의해 형성될 수 있으며, 따라서 이들 세부 사항은 간결함을 위해 생략된다. 도 3에 도시된 바와 같이, BSI 이미지 센서(200)는 기판(202)을 포함하고, 기판(202)은 전방 측면(202F) 및 이 전방 측면(202F)과 반대 쪽에 있는 후방 측면(202B)을 갖는다. BSI 이미지 센서(200)는 일반적으로 어레이 내에 배열된 복수의 픽셀 센서들(210)을 포함한다. 픽셀 센서들(210)에 대응하는 포토다이오드들(212)과 같은 복수의 광 감지 디바이스들이 기판(202)에 배치된다. 포토다이오드들(212)은 기판(202)에서 행렬로 배열된다. 다시 말해서, 픽셀 센서들(210)의 각각은 포토다이오드(212)와 같은 광 감지 디바이스를 포함한다. 또한, 트랜지스터(214)와 같은 논리 디바이스는 기판(202)의 전방 측면(202F) 위에 배치되고, 포토다이오드(212)의 판독을 가능하게 하도록 구성된다.
DTI 구조물과 같은 절연 구조물(220)은 도 3에 도시된 바와 같이 기판(202) 내에 배치된다. 일부 실시예들에서, 깊은 트렌치들의 적어도 측벽들은 코팅(222)에 의해 라인화되고 깊은 트렌치들은 절연 재료(224)로 채워진다. DTI 구조물(220)은 인접한 픽셀 센서들(210) 사이의 광학적 절연을 제공하고, 그에 따라 기판 절연 그리드 역할을 하고 크로스 토크를 감소시킨다. BEOL 금속화 스택(230)은 기판(202)의 전방 측면(202F) 위에 배치된다. BEOL 금속화 스택(230)은 ILD 층(234)에 적층된 복수의 금속화 층(232)을 포함한다. BEOL 금속화 스택(230)의 하나 이상의 접촉부는 논리 디바이스(214)에 전기적으로 접속된다. 일부 실시예들에서, BEOL 금속화 스택(230)과 볼 그리드 어레이(BGA)(도시되지 않음)와 같은 외부 커넥터들 사이에는 다른 기판(도시되지 않음)이 배치될 수 있다. 또한, BSI 이미지 센서(200)는 외부 커넥터들을 통해 다른 디바이스들이거나 또는 회로들과 전기적으로 연결되지만, 본 발명은 이들로 제한되지는 않는다.
도 3을 참조하면, 일부 실시예들에서, 픽셀 센서들(210)에 대응하는 복수의 컬러 필터들(250)은 기판(202)의 후방 측면(202B)상의 픽셀 센서들(210) 위에 배치되어 있다. 다시 말해서, 픽셀 센서들(210)의 각각은 후방 측면(202B) 상의 광 감지 디바이스(212) 위에 컬러 필터(250)를 포함한다. 또한, 일부 실시예들에서, 컬러 필터들(250) 사이에는 저-n 구조물(240)이 배치된다. 전술한 바와 같이, 저-n 구조물(240)은 그리드 구조물을 포함하고, 컬러 필터들(250)은 그리드 내에 위치한다. 따라서, 저-n 구조물(240)은 각 컬러 필터(250)를 둘러싸고, 도 3에 도시된 바와 같이 컬러 필터들(250)을 서로 분리시킨다. 저-n 구조물(240)은 컬러 필터(250)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 층들을 포함하는 복합 구조물일 수 있다. 일부 실시예들에서, 저-n 구조물(240)은 적어도 금속층(242) 및 이 금속층(242) 위에 배치된 유전체 층(244)을 포함하는 복합 적층체를 포함할 수 있다. 낮은 굴절률로 인해, 저-n 구조물(240)은 광을 컬러 필터들(250)로 지향시키거나 반사시키는 광 가이드로서의 역할을 한다. 결과적으로, 저-n 구조물(240)은 컬러 필터들(250)로 입사하는 광의 양을 효과적으로 증가시킨다. 또한, 낮은 굴절률로 인해, 저-n 구조물(240)은 인접한 컬러 필터들(250) 사이에 광학적 절연을 제공한다. 각각의 컬러 필터들(250)은 대응하는 포토다이오드(212)의 각각 위에 배치된다. 컬러 필터들(250)은 광의 대응하는 컬러들 또는 파장들로 할당되고, 할당된 컬러들 또는 파장들의 광을 제외한 모든 것을 필터링하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 각각의 픽셀 센서들(210)은 도 3에 도시된 바와 같이 기판(202)의 후방 측면(202B) 위에 배치된 복수의 마이크로 구조물들(216)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(216)은 도 3에 도시된 바와 같은 파형 패턴을 획득하기 위해 점점 가늘어지는 모양이거나 둥근 모양이 된다. 전술한 바와 같이, 마이크로 구조물들(216)의 측벽 및 방향 또는 평면(DH)은 끼인각(θ1)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 평면(DH)은 기판(202)의 전면(202s)과 실질적으로 평행하다. 일부 실시예들에서, 끼인각(θ1)은 약 48°와 약 58°사이가 될 수 있지만, 본 발명은 이들로 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(216)은 연속적인 구조물들일 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같은 웨이브 프로파일을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(216)은 기판(202)에 의해 서로 이격된 이산 구조물을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 반사 방지 코팅(ARC)(218)은 후방 측면(202B) 상의 기판(202) 위에 배치된다. 또한, 마이크로 구조물(216)의 표면은 등각으로 형성된 ARC(218)에 의해 라인화된다. 일부 실시예들에서, 절연 구조물(270)은 기판(202)의 후방 측면(202B) 상의 ARC(218) 위에 배치되고, 절연 구조물(270)은 전방 측면(202F)을 향하는 제1 표면(270a) 및 후방 측면(202B)을 향하는 제2 표면(270b)을 포함한다. 절연 구조물(270)은 도 2a 내지 도 2e에 언급되고 도시된 바와 같은 동작에 의해 얻어질 수 있고, 그에 따라서 이러한 세부적인 내용은 간결성을 위해 생략한다. 일부 실시예들에서, 제1 표면(270a)은 단면도에서 마이크로 구조물들(216)과 동일한 파형 패턴을 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 표면(270b)은 도 3에 도시된 바와 같이 실질적으로 균일하거나 평평한 표면을 포함하지만, 본 발명은 이들로 제한되지는 않는다. 예를 들어, 제2 표면(270b)은 일부 실시예들에서 도 1에 도시된 바와 같은 곡면을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 각각의 픽셀 센서들(210)은 후방 측면(202B) 상의 컬러 필터(250) 위의 광학 구조물(252)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 광학 구조물(252)은 제1 측벽(252a)을 포함하고, 제1 측벽(252a)과 기판(202)의 전면(202s)과 실질적으로 평행한 평면(DH)은 0°보다 큰 끼인각(θ2)을 형성한다. 예를 들어 이들로 제한되는 것은 아니지만, 끼인각(θ2)은 약 35°와 약 55°사이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 구조물(252) 및 컬러 필터(250)는 동일한 재료를 포함하고, 광학 구조물(252)은 도 3에 도시된 바와 같이 후방 측면(202B)을 향해 돌출된다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 광학 구조물(252)은 다음과 같은 동작에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연 구조물(270)은 후방 측면(202B) 상의 기판(202) 위에 배치되고, 이어서 저-n 구조물(240)을 배치한다. 또한, 일부 실시예들에서 저-n 구조물(240)을 배치한 후에 만곡된 제2 표면을 형성하기 위해 에칭 작업이 수행될 수 있다. 다음에, 저-n 구조물(240) 내에 컬러 필터 재료들이 배치된다. 일부 실시예들에서, 컬러 필터 재료들은 저-n 구조물(240)을 덮는다. 이어서, 컬러 필터 재료들에 대해 성형 작업이 수행된다. 성형 동작은 마스킹/리소그래피 동작과 같은 임의의 적합한 동작을 포함할 수 있으므로, 그 상세한 설명은 간략화를 위해 생략된다. 성형 작업을 수행한 후에, 저-n 구조물(240) 내에 위치한 컬러 필터들(250)이 얻어지고, 컬러 필터(250) 및 저-n 구조물(240)의 양쪽 모두 위에 각각 광학 구조물들(252)이 얻어진다. 다시 말해서, 광학 구조물(252)의 각각은 컬러 필터(250) 중 하나와 저-n 구조물(240)의 상부 표면의 일부를 덮도록 형성된다. 또한, 광학 구조물(252)의 각각은 하부의 컬러 필터(250)와 동일한 재료를 포함한다.
도 3을 다시 참조하면, 컬러 필터(250) 위의 광학 구조물(252)로 인하여, 광학 구조물(252) 및 컬러 필터(250)로 입사되는 광(L)은 확산되고, 따라서 더 긴 광 이동 거리가 얻어진다. 보다 중요하게는, 광학 구조물(252)로 인해 BSI 이미지 센서(200)에는 마이크로 렌즈들이 더 이상 필요하지 않게 된다. 결과적으로, 광학 스택의 높이가 감소되고, 각도 응답이 개선된다. 도 3을 여전히 참조하면, 광(L)은 광학 구조물(252)에 의해 확산될 뿐만 아니라, 포토다이오드(212)에 입사될 때 광학 구조물(252) 및 마이크로 구조물들(216)에 의해 침지되거나 또는 경사지게 되고, 따라서 더 긴 광 이동 거리가 얻어진다.결과적으로, 포토다이오드(212)의 흡수가 증가한다. 또한, 광은 DTI 구조물(220)에 의해 포토다이오드(212)로 다시 반사될 수 있기 때문에, 광은 도 3에 도시된 바와 같이 포토다이오드(212) 내에 포획되는 것으로 간주된다. 따라서, 많은 양의 광자가 흡수되고, BSI 이미지 센서(200)의 감도가 향상된다. 또한, 광 이동 거리가 길어지지기 때문에, 포토다이오드(212) 또는 기판(202)의 두께를 줄일 수 있고, 그에 따라 프로세스는 더욱 단순화되고 개선될 수 있다.
도 5는 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서(300)의 픽셀 센서(310)의 단면도이고, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따라 구성된 다양한 제조 단계들에서 BSI 이미지 센서(300)의 픽셀 센서들(310)의 일련의 단면도이다. 도 5와 도 6a 및 도 6b의 동일한 소자들은 동일한 참조 번호들로 나타내는 점을 쉽게 이해할 수 있다. BSI 이미지 센서(300)와 BSI 이미지 센서(100/200)에서 동일한 소자들은 동일한 재료를 포함할 수 있고 및/또는 동일한 동작에 의해 형성될 수 있으며, 따라서 이들 세부 사항은 간결함을 위해 생략된다. 도 5에 도시된 바와 같이, BSI 이미지 센서(300)는 기판(302)을 포함하고, 기판(302)은 전방 측면(302F) 및 이 전방 측면(302F)과 반대 쪽에 있는 후방 측면(302B)을 갖는다. BSI 이미지 센서(300)는 일반적으로 어레이 내에 배열된 복수의 픽셀 센서들(310)을 포함한다. 픽셀 센서들(310)에 대응하는 포토다이오드들(312)과 같은 복수의 광 감지 디바이스들이 기판(302)에 배치된다. 포토다이오드들(312)은 기판(302)에서 행렬로 배열된다. 다시 말해서, 픽셀 센서들(310)의 각각은 포토다이오드(312)와 같은 광 감지 디바이스를 포함한다. 또한, 트랜지스터(314)와 같은 논리 디바이스는 기판(302)의 전방 측면(302F) 위에 배치되고, 포토다이오드(312)의 판독을 가능하게 하도록 구성된다.
DTI 구조물과 같은 절연 구조물(320)은 도 5에 도시된 바와 같이 기판(302) 내에 배치된다. 일부 실시예들에서, 깊은 트렌치들의 적어도 측벽들은 코팅(322)에 의해 라인화되고 깊은 트렌치들은 절연 재료(324)로 채워진다. DTI 구조물(320)은 인접한 픽셀 센서들(310) 사이의 광학적 절연을 제공하고, 그에 따라 기판 절연 그리드의 역할을 하고 크로스 토크를 감소시킨다. BEOL 금속화 스택(330)은 기판(302)의 전방 측면(302F) 위에 배치된다. BEOL 금속화 스택(330)은 ILD 층(334)에 적층된 복수의 금속화 층(332)을 포함한다. BEOL 금속화 스택(330)의 하나 이상의 접촉부는 논리 디바이스(314)에 전기적으로 접속된다. 일부 실시예들에서, BEOL 금속화 스택(330)과 볼 그리드 어레이(BGA)(도시되지 않음)와 같은 외부 커넥터들 사이에는 다른 기판(도시되지 않음)이 배치될 수 있다. 또한, BSI 이미지 센서(300)는 외부 커넥터들을 통해 다른 디바이스들이나 또는 회로들과 전기적으로 연결되지만, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다.
일부 실시예들에서, 각각의 픽셀 센서들(310)은 도 5에 도시된 바와 같이 기판(302)의 후방 측면(302B) 위에 배치된 복수의 마이크로 구조물들(316)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(316)은 도 5에 도시된 바와 같은 파형 패턴을 획득하기 위해 점점 가늘어지는 모양이거나 둥근 모양이 된다. 전술한 바와 같이, 마이크로 구조물들(316)의 측벽 및 방향 또는 평면(DH)은 끼인각(θ1)(도 1에 도시된 바와 같이)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 평면(DH)은 기판(302)의 전면(302s)과 실질적으로 평행하다. 일부 실시예들에서, 끼인각(θ1)은 약 48°와 약 58°사이가 될 수 있지만, 본 발명은 이들로 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(316)은 연속적인 구조물들일 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같은 웨이브 프로파일을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(316)은 기판(302)에 의해 서로 이격된 이산 구조물을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 반사 방지 코팅(ARC)(318)은 후방 측면(302B) 상의 기판(302) 위에 배치된다. 또한, 마이크로 구조물(316)의 표면은 등각으로 형성된 ARC(318)에 의해 라인화된다. 일부 실시예들에서, 절연 구조물(370)은 기판(302)의 후방 측면(302B) 상의 ARC(318) 위에 배치된다. 절연 구조물(370)은 전방 측면(302F)을 향하는 제1 표면(370a) 및 후방 측면(302B)을 향하는 제2 표면(370b)을 포함한다. 절연 구조물(370)은 도 2a 내지 도 2e에 언급되고 도시된 바와 같은 동작에 의해 얻어질 수 있고, 그에 따라서 이러한 세부적인 내용은 간결성을 위해 생략한다. 일부 실시예들에서, 제1 표면(370a)은 단면도에서 마이크로 구조물들(316)과 동일한 파형 패턴을 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 표면(370b)은 도 5에 도시된 바와 같이 실질적으로 균일하거나 평평한 표면을 포함하지만, 본 발명은 이들로 제한되지는 않는다. 예를 들어, 제2 표면(370b)은 일부 실시예들에서 도 1에 도시된 바와 같은 곡면을 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 일부 실시예들에서, 픽셀 센서들(310)에 대응하는 복수의 컬러 필터들(350)이 기판(302)의 후방 측면(302B) 상의 픽셀 센서들(310) 위에 배치된다. 다시 말해서, 각각의 픽셀 센서들(310)은 후방 측면(302B) 상의 광 감지 디바이스(312) 위의 컬러 필터(350)를 포함한다. 또한, 일부 실시예들에서, 컬러 필터들(350) 사이에는 저-n 구조물(340)이 배치된다. 일부 실시예들에서, 저-n 구조물(340)은 그리드 구조물을 포함하고 컬러 필터들(350)은 그리드 내에 위치한다. 따라서, 저-n 구조물물(340)은 각각의 컬러 필터들(350)을 둘러싸고, 도 5에 도시된 바와 같이 컬러 필터들(350)을 서로 분리시킨다. 저-n 구조물(340)은 컬러 필터들(350)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 층을 포함하는 복합 구조물일 수 있다. 일부 실시예들에서, 저-n 구조물(340)은 적어도 금속층(342) 및 이 금속층(342) 위에 배치된 유전체 층(344)을 포함하는 복합 적층체를 포함할 수 있다. 저 굴절률로 인하여, 저-n 구조물(340)은 광을 컬러 필터들(350)로 지향시키거나 반사시키는 광 가이드로서의 역할을 한다. 결과적으로, 저-n 구조물(340)은 컬러 필터들(350)로 입사하는 광의 양을 효과적으로 증가시킨다. 또한, 낮은 굴절률로 인하여, 저-n 구조물(340)은 인접한 컬러 필터들(350) 사이에 광학적 절연을 제공한다.
각각의 컬러 필터들(350)은 각각의 대응하는 포토다이오드들(312) 위에 배치된다. 컬러 필터들(350)은 대응하는 컬러 또는 파장의 광으로 할당되고, 할당된 컬러 또는 파장의 광을 제외한 모든 것을 필터링하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 각각의 픽셀 센서들(310)에 대응하는 마이크로 렌즈들(360)은 컬러 필터(350) 위에 배치된다. 각각의 마이크로 렌즈들(360)의 위치 및 면적은 도 5에 도시된 바와 같이 컬러 필터(350) 또는 픽셀 센서(310)의 위치 및 면적과 대응함을 쉽게 이해해야 한다.
일부 실시예들에서, 픽셀 센서들(310)의 각각은 후방 측면(302B) 상의 컬러 필터(350)와 마이크로 렌즈들(360) 사이에 끼워진 광학 구조물(362)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 광학 구조물(362)은 제1 측벽(362a)을 포함하고, 제1 측벽(362a) 및 평면(DH)은 0°보다 큰 끼인각(θ3)을 형성한다. 예를 들어, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 끼인각(θ3)은 약 35°와 약 55°사이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 구조물(362)과 마이크로 렌즈들(360)은 동일한 재료를 포함할 수 있고, 광학 구조들(362)의 각각은 도 5에 도시된 바와 같이 전방 측면(302F) 쪽으로 돌출된다.
도 6a를 참조하면, 광학 구조물(352)은 다음과 같은 동작에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연 구조물(370)은 후방 측면(302B) 상의 기판(302) 위에 배치되고, 이어서 저-n 구조물(340)을 배치한다. 또한, 일부 실시예들에서 저-n 구조물(340)을 배치한 후에 만곡된 제2 표면을 형성하기 위해 에칭 작업이 수행될 수 있다. 다음에, 컬러 필터들(350)은 저-n 구조물(340) 내에 배치된다. 그 후, 도 6b에 도시된 바와 같이 컬러 필터들(350)의 각각에 리세스(354)를 형성하기 위해 에칭 작업이 수행될 수 있다. 다시 말해서, 각각의 컬러 필터들(350)은 전방 측면(302F)을 향하여 리세스되거나 또는 오목하게 형성된 리세스(354)를 포함한다. 리세스(354)를 형성한 후, 마이크로 렌즈들(360) 및 광학 구조물(362)이 배치된다. 따라서, 광학 구조물(362)은 리세스(354)를 채우도록 배치되는 반면, 마이크로 렌즈들(360)은 도 5에 도시된 바와 같이 광학 구조물(362), 칼라 필터(350) 및 저-n 구조물(340) 위에 배치된다.
도 5를 다시 참조하면, 마이크로 렌즈들(360)과 컬러 필터(350) 사이의 광학 구조물(362)로 인하여, 마이크로 렌즈들(360)에 입사된 광(L)은 집광되지만, 그 광(L)은 광학 구조물(362)에 의해 확산되고, 그에 따라 광 이동 거리가 얻어진다. 도 5에 도시된 바와 같이, 광학 구조물(362)에 의해 확산된 광(L)은 포토다이오드(312)에 입사할 때 마이크로 구조물들(316)에 의해 침지되거나 기울어지고, 따라서 더 긴 광 이동 거리가 얻어진다. 결과적으로, 포토다이오드(312)의 흡수가 증가한다. 또한, 광은 DTI 구조물(320)에 의해 포토다이오드(312)로 다시 반사될 수 있기 때문에, 광은 도 5에 도시된 바와 같이 포토다이오드(312) 내에 트랩된다. 따라서, 보다 많은 광자가 흡수되고, BSI 영상 센서(300)의 감도가 향상된다. 또한, 광 이동 거리가 길어지기 때문에, 포토다이오드(312) 또는 기판(302)의 두께를 감소시킬 수 있어, 프로세스가 더욱 단순화되고 개선될 수 있다.
도 7은 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서(400)의 픽셀 센서(410)의 단면도이다. BSI 이미지 센서(400) 및 BSI 이미지 센서(100/200/300) 내의 동일한 구성 소자들은 동일한 재료를 포함할 수 있고 및/또는 동일한 동작에 의해 형성될 수 있음을 유의해야 하고, 그에 따라서, 이들의 세부 사항은 간결함을 위해 생략된다. 도 7에 도시된 바와 같이, BSI 이미지 센서(400)는 기판(402)을 포함하고, 기판(402)은 전방 측면(402F) 및 이 전방 측면(402F)과 반대 쪽에 있는 후방 측면(402B)을 갖는다. BSI 이미지 센서(400)는 일반적으로 어레이 내에 배열된 복수의 픽셀 센서들(410)을 포함한다. 픽셀 센서들(410)에 대응하는 포토다이오드(412)와 같은 복수의 광 감지 디바이스들은 기판(402) 내에 배치된다. 포토다이오드(412)는 기판(402)에서 행렬로 배열된다. 다시 말해서, 각각의 픽셀 센서들(410)은 포토다이오드(412)와 같은 광 감지 디바이스를 포함한다. 또한, 트랜지스터(414)와 같은 논리 디바이스들은 기판(402)의 전방 측면(402F) 위에 배치되고, 포토다이오드들(412)의 판독을 가능하게 하도록 구성된다.
DTI 구조물과 같은 절연 구조물(420)은 도 7에 도시된 바와 같이 기판(402) 내에 배치된다. 일부 실시예들에서, 깊은 트렌치들의 적어도 측벽들은 코팅(422)에 의해 라인화되고 깊은 트렌치들은 절연 재료(424)로 채워진다. DTI 구조물(420)은 인접한 픽셀 센서들(410) 사이의 광학적 절연을 제공하고, 그에 따라 기판 절연 그리드로서의 역할을 하고 크로스 토크를 감소시킨다. BEOL 금속화 스택(430)은 기판(402)의 전방 측면(402F) 위에 배치된다. BEOL 금속화 스택(430)은 ILD 층(434)에 적층된 복수의 금속화 층(432)을 포함한다. BEOL 금속화 스택(430)의 하나 이상의 접촉부는 논리 디바이스(414)에 전기적으로 접속된다. 일부 실시예들에서, BEOL 금속화 스택(430)과 볼 그리드 어레이(BGA)(도시되지 않음)와 같은 외부 커넥터들 사이에는 다른 기판(도시되지 않음)이 배치될 수 있다. 또한, BSI 이미지 센서(400)는 외부 커넥터들을 통해 다른 디바이스들이나 또는 회로들과 전기적으로 연결되지만, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다.
일부 실시예들에서, 각각의 픽셀 센서들(410)은 도 7에 도시된 바와 같이 기판(402)의 후방 측면(402B) 위에 배치된 복수의 마이크로 구조물들(416)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(416)은 도 7에 도시된 바와 같은 파형 패턴을 획득하기 위해 점점 가늘어지는 모양이거나 둥근 모양이 된다. 전술한 바와 같이, 마이크로 구조물들(416)의 측벽 및 방향 또는 평면(DH)은 끼인각(θ1)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 평면(DH)은 기판(402)의 전면(402s)과 실질적으로 평행하다. 일부 실시예들에서, 끼인각(θ1)은 약 48°와 약 58°사이가 될 수 있지만, 본 발명은 이들로 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(416)은 연속적인 구조물들일 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같은 웨이브 프로파일을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(416)은 기판(402)에 의해 서로 이격된 이산 구조물을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 반사 방지 코팅(ARC)(418)은 후방 측면(402B) 상의 기판(402) 위에 배치된다. 또한, 마이크로 구조물(416)의 표면은 등각으로 형성된 ARC(418)에 의해 라인화된다. 일부 실시예들에서, 절연 구조물(470)은 기판(402)의 후방 측면(402B) 상의 ARC(418) 위에 배치되고, 절연 구조물(470)은 전방 측면(402F)을 향하는 제1 표면(470a) 및 후방 측면(402B)을 향하는 제2 표면(470b)을 포함한다. 절연 구조물(470)은 도 2a 내지 도 2e에 언급되고 도시된 바와 같은 동작에 의해 얻어질 수 있고, 그에 따라서 이러한 세부적인 내용은 간결성을 위해 생략한다. 일부 실시예에서, 제1 표면(470a)은 단면도에서 마이크로 구조물들(416)과 동일한 파형 패턴을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제2 표면(470b)은 도 7에 도시된 바와 같이 실질적으로 균일한 표면을 포함하지만, 본 발명은 이들로 제한되지는 않는다. 예를 들어, 제2 표면(470b)은 일부 실시예들에서 도 1에 도시된 바와 같은 곡면을 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 일부 실시예들에서, 픽셀 센서들(410)에 대응하는 복수의 컬러 필터들(450)이 기판(402)의 후방 측면(402B) 상의 픽셀 센서들(410) 위에 배치된다. 다시 말해서, 각각의 픽셀 센서들(410)은 후방 측면(402B) 상의 광 감지 디바이스(412) 위의 컬러 필터(450)를 포함한다. 또한, 일부 실시예들에서, 컬러 필터들(450) 사이에 저-n 구조물(440)이 배치된다. 일부 실시예들에서, 저-n 구조물(440)은 그리드 구조물을 포함하고 컬러 필터들(450)은 그리드 내에 위치한다. 따라서, 저-n 구조물(440)은 각각의 컬러 필터(450)를 둘러싸고, 도 7에 도시된 바와 같이 컬러 필터들(450)을 서로 분리시킨다. 저-n 구조물(440)은 컬러 필터들(450)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 층을 포함하는 복합 구조물일 수 있다. 일부 실시예에서, 저-n 구조물(440)은 적어도 금속층(442) 및 이 금속층(442) 위에 배치된 유전체 층(444)을 포함하는 복합 적층체를 포함할 수 있다. 저 굴절률로 인해, 저-n 구조물(440)은 광을 컬러 필터들(450)로 지향시키거나 반사시키는 광 가이드로서의 역할을 한다. 결과적으로, 저-n 구조물(440)은 컬러 필터들(450)로 입사하는 광의 양을 효과적으로 증가시킨다. 또한, 낮은 굴절률로 인하여, 저-n 구조물(440)은 인접한 컬러 필터들(450) 사이에 광학적 절연을 제공한다. 각각의 컬러 필터들(450)은 각각의 대응하는 포토다이오드들(412) 위에 배치된다. 컬러 필터들(450)은 대응하는 컬러 또는 파장의 광으로 할당되고, 할당된 컬러 또는 파장의 광을 제외한 모든 것을 필터링하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 픽셀 센서들(410)의 각각은 컬러 필터(450) 및 저-n 구조물(440) 위에 배치된 광학 구조물(460)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 광학 구조물(460)은 마이크로 렌즈들을 형성하는데 사용되는 재료들을 포함한다. 다시 말해서, 광학 구조물(460)은 마이크로 렌즈들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 구조물(460)은 제1 측벽(460a)을 포함하고, 제1 측벽(460a)과 평면(DH)은 0°보다 큰 끼인각(θ4)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 제1 측벽(460a) 및 컬러 필터(450)는 끼인각(θ4)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 끼인각(θ4)은 약 35°와 약 55°사이일 수 있지만, 본 발명은 이들로 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 광학 구조물(460)은 도 7에 도시된 바와 같이 후방 측면(402B)을 향해 돌출된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 컬러 필터(450) 상에 배치된 광학 구조물(460)로 인하여, 마이크로 렌즈(460)로 입사되는 광(L)은 광학 구조물(460)에 의해 침지되거나 기울어진다. 또한, 광(L)은 포토다이오드(412)에 입사할 때 마이크로 구조물(416)에 의해 침지되거나 기울어지고, 그에 따라서 더 긴 광 이동 거리가 얻어진다. 결과적으로, 포토다이오드(412)의 흡수가 증가한다. 또한, 광은 DTI 구조물(420)에 의해 포토다이오드(412)로 다시 반사될 수 있기 때문에, 광은 도 7에 도시된 바와 같이 포토다이오드(412) 내에 트랩된다. 따라서, 많은 양의 광자가 흡수되고, BSI 이미지 센서(400)의 감도가 향상된다. 또한, 광 이동 거리가 길어지기 때문에, 포토다이오드(412) 또는 기판(402)의 두께를 감소시킬 수 있어 프로세스가 더욱 단순화되고 개선될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일부 실시예의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서(400)의 픽셀 센서(410)의 단면도가 도시되어 있다. 일부 실시예들에서 광학 구조물(460)의 모든 측벽들과 평면(DH)(또는 컬러 필터(450))은 도 7에 도시된 바와 같이 동일한 끼인각(θ4)을 형성할 수 있고, 따라서 모든 측벽들은 제1 측벽(460a)으로 지칭된다. 또한, 제1 측벽들(460a)은 도 7에 도시된 바와 같이 꼭지점(460c1)을 형성하기 위해 접촉한다. 그러나, 일부 실시예들에서, 광학 구조물(460)은 제1 측벽(460a) 및 제2 측벽(460b)을 포함할 수 있다. 제1 측벽(460a)과 방향(DH)(또는 컬러 필터(450))은 끼인각(θ4)을 형성하고, 제2 측벽(460b)과 방향(DH)(또는 컬러 필터(450))은 끼인각(θ5)을 형성하고, 끼인각(θ5)은 끼인각(θ4)과 상이하다. 일부 실시예들에서, 끼인각(θ5)은 끼인각(θ4)보다 크다. 또한, 제1 측벽(460a)과 제2 측벽(460b)은 도 8에 도시된 바와 같이 꼭지점(460c2)을 형성하기 위해 접촉한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일부 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서(400)의 복수의 픽셀 센서들(410)의 단면도이다. 픽셀 센서들(410)이 행 및 열의 어레이로 배열됨으로써, 어레이의 중앙 영역에 위치된 픽셀 센서들(410)과 어레이의 주변 및 에지 영역에 위치된 픽셀 센서들(410)이 존재한다는 것은 당업자에게 잘 알려져 있다. 더욱 중요하게는, 픽셀 센서들(410)에 입사하는 광은 픽셀 센서들(410)의 위치에 따라 상이한 입사각을 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 제2 측벽(460b)과 평면(DH)(또는 컬러 필터(450))에 의해 형성된 끼인각(θ5)은 조정 가능하다. 일부 실시예들에서, 어레이의 중앙 영역에 위치한 픽셀 센서들(410c)은 제1 측벽(460a) 및 끼인각(θ4)만을 포함할 수 있고, 중심 영역 주위에 위치된 픽셀 센서들(410p1)은 제1 측벽(460a) 및 제2 측벽(460b)을 포함할 수 있다. 보다 중요하게는, 픽셀 센서(410)가 중심 영역으로부터 더 멀리 떨어지게 될 때, 픽셀 센서(410)의 끼인각(θ5)은 점점 커지고 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 어레이의 주변 또는 에지 영역에 위치한 픽셀 센서들(410p2)의 끼인각(θ5)은 픽셀 센서들(410c)과 픽셀 센서들(410p2) 사이에 위치된 픽셀 센서들(410p1)의 끼인각(θ5)보다 크게 된다. 일부 실시들예에서, 어레이의 에지 영역에 위치된 픽셀 센서들(410p2)의 끼인각(θ5)은 90°일 수 있지만, 본 발명은 이들로 제한되지는 않는다. 부가적으로, 꼭지점(460c)은 또한 본 발명의 일부 실시예들에 따라 조정 가능하다. 예를 들어, 어레이의 중앙 영역에 위치한 픽셀 센서(410c)의 꼭지점(460c1)도 광학 구조물(460)의 중심에 위치하지만, 픽셀 센서(410)가 중심 영역으로부터 더 멀리 떨어지게 될 때, 꼭지점(460c2)은 중심 영역으로부터 점점 멀어지고 있다. 전술한 바와 같이, 픽셀 센서들(410)에 입사되는 광은 픽셀 센서들(410)의 위치에 따라 상이한 입사각을 포함할 수 있다. 끼인각(θ5)은 제1 측벽(460a)이 입사광을 지향시키기에 충분한 큰 표면을 제공하도록 조정 가능하다. 결과적으로, 광(L)은 포토다이오드(412)에 진입할 때 마이크로 구조물들(416)에 의해 침지되거나 기울어지고, 그에 따라서 더 긴 광 이동 거리가 얻어진다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 양태들에 따른 BSI 이미지 센서(500)의 픽셀 센서(510)의 단면도이다. BSI 이미지 센서(500) 및 BSI 이미지 센서(100/200/300/400)의 동일한 구성 요소들은 동일한 재료를 포함할 수 있고 및/또는 동일한 동작에 의해 형성될 수 있고, 그에 따라서 이러한 세부적인 내용은 간결성을 위해 생략한다. 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, BSI 이미지 센서(500)는 기판(502)을 포함하고, 기판(502)은 전방 측면(502F) 및 이 전방 측면(502F)과 반대 쪽에 있는 후방 측면(502B)을 갖는다. BSI 이미지 센서(500)는 일반적으로 어레이 내에 배열된 복수의 픽셀 센서들(510)을 포함한다. 기판(502) 내에는 픽셀 센서(510)에 대응하는 복수의 포토다이오드(512)가 배치되어 있다. 포토다이오드(512)는 기판(502)에서 행과 열로 배열된다. 또한, 트랜지스터(514)와 같은 논리 디바이스들은 기판(502)의 전방 측면(502F) 위에 배치되고, 포토다이오드(512)의 판독을 가능하게 하도록 구성된다.
DTI 구조물과 같은 절연 구조물(520)은 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이 기판(502) 내에 배치된다. 일부 실시예들에서, 깊은 트렌치들의 적어도 측벽들은 코팅(522)에 의해 라인화되고 깊은 트렌치들은 절연 재료(524)로 채워진다. DTI 구조물(520)은 인접한 픽셀 센서들(510) 사이의 광학적 절연을 제공하고, 그에 따라 기판 절연 그리드로서의 역할을 하고 크로스 토크를 감소시킨다. BEOL 금속화 스택(530)은 기판(502)의 전방 측면(502F) 위에 배치된다. BEOL 금속화 스택(530)은 ILD 층(534)에 적층된 복수의 금속화 층(532)을 포함한다. BEOL 금속화 스택(530)의 하나 이상의 접촉부는 논리 디바이스(514)에 전기적으로 접속된다. 일부 실시예들에서, BEOL 금속화 스택(530)과 볼 그리드 어레이(BGA)(도시되지 않음)와 같은 외부 커넥터들 사이에는 다른 기판(도시되지 않음)이 배치될 수 있다. 또한, BSI 이미지 센서(500)는 외부 커넥터들을 통해 다른 디바이스들이나 또는 회로들과 전기적으로 연결되지만, 본 발명은 이들로 제한되는 것은 아니다.
일부 실시예들에서, 각각의 픽셀 센서들(510)은 도 10 내지 도 l2에 도시된 바와 같이 기판(502)의 후방 측면(502B) 위에 배치된 복수의 마이크로 구조물들(516)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(516)은 도 10에 도시된 바와 같은 파형 패턴을 획득하기 위해 점점 가늘어지는 모양이거나 둥근 모양이 된다. 전술한 바와 같이, 마이크로 구조물들(516)의 측벽 및 기판(502)의 전면(502s)과 실질적으로 평행한 방향 또는 평면(DH)은 도 1에 도시된 바와 같이 끼인각(θ1)을 형성하고, 끼인각(θ1)은 약 48°와 약 58°사이가 될 수 있지만, 본 발명은 이들로 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(516)은 연속적인 구조물들일 수 있으며, 도 10 내지 도 l2에 도시된 바와 같은 웨이브 프로파일을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로 구조물들(516)은 기판(502)에 의해 서로 이격된 이산 구조물을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 반사 방지 코팅(ARC)(518)은 후방 측면(502B) 상의 기판(502) 위에 배치된다. 또한, 마이크로 구조물들(516)의 표면은 등각으로 형성된 ARC(518)에 의해 라인화된다. 일부 실시예들에서, 절연 구조물(570)은 기판(502)의 후방 측면(502B) 상의 ARC(518) 위에 배치되고, 절연 구조물(570)은 전방 측면(502F)을 향하는 제1 표면(570a) 및 후방 측면(502B)을 향하는 제2 표면(570b)을 포함한다. 절연 구조물(570)은 도 2a 내지 도 2e에 언급되고 도시된 바와 같은 동작에 의해 얻어질 수 있고, 그에 따라서 이러한 세부적인 내용은 간결성을 위해 생략한다. 일부 실시예들에서, 제1 표면(570a)은 단면도에서 마이크로 구조물들(516)과 동일한 파형 패턴을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제2 표면(570b)은 도 10 내지 도 l2에 도시된 바와 같이 실질적으로 균일한 표면을 포함하지만, 본 발명은 이들로 제한되지는 않는다. 예를 들어, 제2 표면(570b)은 일부 실시예들에서 도 1에 도시된 바와 같은 곡면을 포함할 수 있다.
도 10 내지 도 l2를 참조하면, 일부 실시예들에서, 픽셀 센서들(510)에 대응하는 복수의 컬러 필터들(550)이 기판(502)의 후방 측면(502B) 상의 픽셀 센서들(510) 위에 배치된다. 또한, 일부 실시예들에서, 컬러 필터들(550) 사이에 저-n 구조물(540)이 배치된다. 일부 실시예들에서, 저-n 구조물(540)은 그리드 구조물을 포함하고 컬러 필터들(550)은 그리드 내에 위치한다. 따라서, 저-n 구조물물(540)은 각각의 컬러 필터(550)를 둘러싸고, 도 10에 도시된 바와 같이 컬러 필터들(550)을 서로 분리시킨다. 저-n 구조물(540)은 컬러 필터들(550)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 층을 포함하는 복합 구조물일 수 있다. 일부 실시예들에서, 저-n 구조물(540)은 적어도 금속층(542) 및 이 금속층(542) 위에 배치된 유전체 층(544)을 포함하는 복합 적층체를 포함할 수 있다. 저 굴절률로 인하여, 저-n 구조물(540)은 광을 컬러 필터들(550)로 지향시키거나 반사시키는 광 가이드로서의 역할을 한다. 결과적으로, 저-n 구조물(540)은 컬러 필터들(550)로 입사하는 광의 양을 효과적으로 증가시킨다. 또한, 낮은 굴절률로 인하여, 저-n 구조물(540)은 인접한 컬러 필터들(550) 사이에 광학적 절연을 제공한다. 각각의 컬러 필터들(550)은 각각의 대응하는 포토다이오드들(512) 위에 배치된다. 컬러 필터들(550)은 대응하는 컬러 또는 파장의 광으로 할당되고, 할당된 컬러 또는 파장의 광을 제외한 모든 것을 필터링하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 각각의 픽셀 센서(510)는 후방 측면(502B) 상의 컬러 필터(550) 위에 배치된 복수의 광학 구조물(560)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 광학 구조물들(560)은 마이크로 렌즈들을 형성하는데 사용되는 재료들을 포함한다. 다시 말해서, 광학 구조물들(560)은 마이크로 렌즈들(560)을 포함할 수 있다. 하나의 픽셀 센서(510)의 복수의 마이크로 렌즈들(560)의 양, 위치 및 면적은 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이 하부 컬러 필터(550)에 대응한다는 것을 쉽게 이해할 수 있어야 한다. 예를 들어, 복수의 마이크로 렌즈들(560)의 각각의 하부 면적은 그 하부의 컬러 필터(550)의 상부 면적보다 작다. 일부 실시예들에서, 복수의 마이크로 렌즈들(560)의 각각의 폭은 픽셀 센서(510)의 폭의 절반과 실질적으로 동일하지만, 본 발명은 이들로 제한되지는 않는다. 일부 실시예들에서, 복수의 마이크로 렌즈들(560)의 하부 면적들의 합은 복수의 마이크로 렌즈들(560)의 아래의 컬러 필터(550)의 상부 면적보다 크다. 일부 실시예들에서, 복수의 마이크로 렌즈들(560a) 중 적어도 하나는 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이 저-n 구조물(540)의 일부를 덮는다.
일부 실시예들에서, 마이크로 렌즈들(560)의 각각은 도 10에 도시된 바와 같이 프리즘 형상을 포함한다. 프리즘 형상의 마이크로 렌즈들(560a)은 각각 제1 측벽(562a)을 포함하고, 제1 측벽(562a)과 기판(502)의 전면(502s)과 실질적으로 평행한 평면(DH)은 0°보다 큰 끼인각(θ6)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 제1 측벽(562a) 및 컬러 필터(550)는 끼인각(θ6)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 끼인각(θ6)은 약 35°와 약 55°사이일 수 있지만, 본 발명은 이들로 제한되지는 않는다. 일부 실시예들에서, 마이크로 렌즈들(560a)은 도 10에 도시된 바와 같이 후방 측면(502B)을 향해 돌출된다. 또한, 마이크로 렌즈들(560a)의 높이는 픽셀 크기 및 끼인각(θ6)에 의존한다.
일부 실시예들에서, 마이크로 렌즈들(560)의 각각은 도 11에 도시된 바와 같이 반원형 형상을 포함한다. 반원형 마이크로 렌즈들(560b)은 각각 후방 측면(502B)을 향한 곡면을 포함한다. 일부 실시예들에서, 마이크로 렌즈들(560)의 각각은 도 12에 도시된 바와 같이 1/2 작은 물방울 형상(half-droplet shape) 또는 1/2 타원 형상(half-ellipse shape)을 포함한다. 1/2 작은 물방울 형상 또는 1/2 타원 형상의 마이크로 렌즈들(560c)은 각각 후방 측면(502B)을 향한 곡면을 포함한다. 또한, 마이크로 렌즈들(560c)의 각각은 반장축(semi-major axis)을 포함하고, 컬러 필터(550)의 반장축 및 법선 벡터는 끼인각(θ7)을 형성하고, 끼인각(θ7)은 약 0°내지 약 45°사이에 있다. 또한, 마이크로 렌즈들(560b 또는 560c)의 높이는 픽셀 크기 및 끼인각(θ7)에 의존한다.
도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 하나의 컬러 필터(550) 상에 배치된 복수의 마이크로 렌즈들(560)로 인해, 마이크로 렌즈들(560)로 입사되는 광(L)은 침지되거나 또는 경사지게 된다. 또한, 광(L)은 포토다이오드(512)에 입사할 때 마이크로 구조물들(516)에 의해 침지되거나 경사지게 되고, 그에 따라 더 긴 광 이동 거리가 얻어진다. 결과적으로, 포토다이오드(512)의 흡수가 증가된다. 또한, 광은 DTI 구조물(520)에 의해 포토다이오드(512)로 다시 반사될 수 있기 때문에, 광은 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이 포토다이오드(412) 내에 트랩되는 것으로 간주된다. 따라서, 많은 양의 광자가 흡수되고, BSI 이미지 센서(500)의 감도가 향상된다. 또한, 광 이동 거리가 길어지기 때문에, 포토다이오드(512) 또는 기판(502)의 두께를 감소시킬 수 있고, 그에 따라서 프로세스가 더욱 단순화되고 개선될 수 있다.
따라서, 본 발명은 BSI 센서의 전방 측면으로 돌출된 곡면을 포함하는 절연 구조물을 포함하는 BSI 이미지 센서의 픽셀 센서를 제공함에 따라, 일부 실시예들에서는 광이 더욱 집광된다. 본 발명은 컬러 필터 또는 마이크로 렌즈들과 동일한 재료를 포함하는 광학 구조물을 포함하는 BSI 이미지 센서를 추가로 제공한다. 광학 구조물은 광 가이드로서의 역할을 하며, 일부 실시예들에서는 광학 구조물에 의해 포토다이오드에 더 긴 광 이동 거리가 생성된다. 따라서, 더 많은 광자가 흡수된다. 또한, 본 발명은 하나의 컬러 필터 상에 복수의 마이크로 렌즈들을 포함하는 BSI 이미지 센서를 제공하고, 일부 실시예들에서는 복수의 마이크로 렌즈들에 의해 포토다이오드에서 더 긴 광 이동 거리가 생성된다. 다시 말해서, 픽셀 센서에서 광이 큰 각도로 진행되기 때문에, 감도 및 각도 응답이 향상된다.
일부 실시예들에서, BSI 이미지 센서가 제공된다. BSI 이미지 센서는 전방 측면 및 그 전방 측면과 반대 쪽에 있는 후방 측면을 포함하는 기판과, 기판 내의 픽셀 센서와, 후방 측면 상의 기판 상에 배치된 절연 구조물과, 후방 측면 상의 기판 위의 컬러 필터와, 후방 측면 상의 컬러 필터 위의 마이크로 렌즈들을 포함한다. 절연 구조물은 전방 측면을 향하는 제1 표면 및 후방 측면을 향하는 제2 표면을 포함하고, 제2 표면은 전방 측면을 향하여 만곡된 곡면을 포함한다.
일부 실시예들에서, BSI 이미지 센서가 제공된다. BSI 이미지 센서는 전방 측면 및 그 전방 측면과 반대 쪽에 있는 후방 측면을 포함하는 기판과, 어레이로 배열된 복수의 픽셀 센서들을 포함한다. 각각의 픽셀 센서들은 기판 내의 광 감지 디바이스와, 후방 측면 상의 픽셀 센서 위의 컬러 필터와, 컬러 필터 상의 광학 구조물을 포함한다. 광학 구조물은 제1 측벽을 포함하고, 제1 측벽 및 기판의 전면과 실질적으로 평행한 평면은 0°보다 큰 끼인각을 형성한다.
일부 실시예들에서, BSI 이미지 센서가 제공된다. BSI 이미지 센서는 전방 측면 및 그 전방 측면과 반대 쪽에 있는 후방 측면을 포함하는 기판과, 기판 내의 픽셀 센서와, 후방 측면 상의 기판 위의 컬러 필터와, 컬러 필터 상의 복수의 마이크로 렌즈들을 포함한다. 복수의 마이크로 렌즈들의 각각의 하부 면적은 컬러 필터의 상부 면적보다 작고, 복수의 마이크로 렌즈들의 하부 면적들의 합은 컬러 필터의 상부 면적보다 크다.
전술한 내용은 당업자가 본 개시의 양태들을 더 잘 이해할 수 있도록 몇몇 실시예들의 피처들을 개략적으로 설명한다. 당업자는 본 명세서에서 소개된 실시예들의 동일한 목적들을 수행하고 및/또는 동일한 이점들을 달성하기 위한 다른 프로세스들 및 구조물들을 설계 또는 변경하기 위한 기초로서 본 개시를 용이하게 사용할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 당업자는 이러한 균등한 구성들이 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경, 대체 및 변형을 가할 수 있음을 알아야 한다.
<부 기>
1. 후면 조사(back side illumination; BSI) 이미지 센서에 있어서,
전방 측면(front side) 및 상기 전방 측면과 반대 쪽에 있는 후방 측면(back side)을 포함하는 기판;
상기 기판 내의 픽셀 센서;
상기 후방 측면 상의 기판 위에 배치되고, 상기 전방 측면을 향하는 제1 표면 및 상기 후방 측면을 향하는 제2 표면을 포함하는 절연 구조물 - 상기 제2 표면은 상기 전방 측면을 향하여 구부러진 곡면을 포함함 -;
상기 후방 측면 상의 상기 기판 위의 컬러 필터; 및
상기 후방 측면 상의 상기 컬러 필터 위의 마이크로 렌즈
를 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 픽셀 센서는 상기 기판의 후방 측면 위에 배치된 복수의 마이크로 구조물들을 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
3.제2항에 있어서, 상기 마이크로 구조물들의 측벽과 상기 기판의 전면과 평행한 평면은 끼인각(included angle)을 형성하고, 상기 끼인각은 48°내지 58°인 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
4.제2항에 있어서, 상기 절연 구조물의 제1 표면은 상기 마이크로 구조물들을 덮고, 단면도로 파형 패턴을 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
5. 후면 조사(BSI) 이미지 센서에 있어서,
전방 측면 및 상기 전방 측면과 반대 쪽에 있는 후방 측면을 포함하는 기판; 및
어레이로 배열된 복수의 픽셀 센서들
을 포함하고,
상기 픽셀 센서들의 각각은,
상기 기판 내의 광 감지 디바이스;
상기 후방 측면 상의 상기 광 감지 디바이스 위의 컬러 필터; 및
상기 컬러 필터 위의 광학 구조물로서, 상기 광학 구조물은 제1 측벽을 포함하고, 상기 제1 측벽과 상기 기판의 전면과 평행한 평면은 0°보다 큰 끼인각을 형성하는 것인, 광학 구조물
을 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
6. 제5항에 있어서, 상기 끼인각은 약 35°내지 약 55°인 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
7. 제5항에 있어서, 상기 광학 구조물들 및 상기 컬러 필터들은 동일한 재료를 포함하고, 상기 광학 구조물들의 각각은 상기 후방 측면을 향해 돌출되는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
8. 제7항에 있어서, 상기 후방 측면 상의 상기 기판 위에 배치된 복수의 저-n 구조물(low-n structure)들을 더 포함하고, 상기 저-n 구조물은 상기 컬러 필터들을 둘러싸고 분리하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
9. 제8항에 있어서, 상기 광학 구조물들의 각각은 상기 저-n 구조물들의 상부면들을 덮는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
10. 제5항에 있어서, 상기 픽셀 센서들의 각각은 상기 후방 측면 상의 컬러 필터 위에 배치된 마이크로 렌즈를 더 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
11. 제10항에 있어서, 상기 광학 구조물들 및 상기 마이크로 렌즈는 동일한 재료를 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
12. 제11항에 있어서, 상기 컬러 필터들의 각각은 상기 전방 측면을 향해 리세스된 리세스를 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
13. 제12항에 있어서, 상기 광학 구조물들의 각각은 상기 컬러 필터들의 각각과 상기 마이크로 렌즈들의 각각 사이에 배치되고, 상기 리세스 내에 위치되는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
14. 제5항에 있어서, 상기 광학 구조물들의 각각은 마이크로 렌즈를 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
15. 제14항에 있어서, 상기 광학 구조물들의 각각은 제2 측벽을 더 포함하고, 상기 제1 측벽과 상기 제2 측벽은 꼭지점(vertex)을 형성하도록 접촉하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
16. 제15항에 있어서, 상기 어레이 내의 상기 광학 구조물들의 각각의 꼭지점의 위치는 조정 가능한 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
17. 후면 조사(BSI) 이미지 센서에 있어서,
전방 측면 및 상기 전방 측면과 반대 쪽에 있는 후방 측면을 포함하는 기판;
상기 기판 내의 픽셀 센서;
상기 후방 측면 상의 상기 기판 위의 컬러 필터; 및
상기 컬러 필터 위의 복수의 마이크로 렌즈들
을 포함하고,
상기 복수의 마이크로 렌즈들의 각각의 하부 면적은 상기 컬러 필터의 상부 면적보다 작고, 상기 복수의 마이크로 렌즈들의 하부 면적의 합은 상기 컬러 필터의 상부 면적보다 큰 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
18. 제17항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈들의 각각은 측벽을 포함하고, 상기 측벽 및 상기 기판의 전면과 실질적으로 평행한 평면은 약 35°내지 55°의 끼인각을 형성하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
19.제17항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈들의 각각은 프리즘 형상을 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
20. 제17항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈들의 각각은 반장축(semi-major axis)을 포함하고, 상기 반장축과 상기 컬러 필터의 법선 벡터는 끼인각을 형성하고, 상기 끼인각은 약 0°내지 약 45°인 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.

Claims (10)

  1. 후면 조사(back side illumination; BSI) 이미지 센서에 있어서,
    전방 측면(front side) 및 상기 전방 측면과 반대 쪽에 있는 후방 측면(back side)을 포함하는 기판;
    상기 기판 내의 픽셀 센서;
    상기 후방 측면 상의 기판 위에 배치되고, 상기 전방 측면을 향하는 제1 표면 및 상기 후방 측면을 향하는 제2 표면을 포함하는 절연 구조물 - 상기 제2 표면은 상기 전방 측면을 향하여 구부러진 곡면을 포함함 -;
    상기 후방 측면 상의 상기 기판 위의 컬러 필터; 및
    상기 후방 측면 상의 상기 컬러 필터 위의 마이크로 렌즈
    를 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 픽셀 센서는 상기 기판의 후방 측면 위에 배치된 복수의 마이크로 구조물들을 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 마이크로 구조물들의 측벽과 상기 기판의 전면과 평행한 평면은 끼인각(included angle)을 형성하고, 상기 끼인각은 48°내지 58°인 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
  4. 제2항에 있어서, 상기 절연 구조물의 제1 표면은 상기 마이크로 구조물들을 덮고, 단면도로 파형 패턴을 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
  5. 후면 조사(BSI) 이미지 센서에 있어서,
    전방 측면 및 상기 전방 측면과 반대 쪽에 있는 후방 측면을 포함하는 기판; 및
    어레이로 배열된 복수의 픽셀 센서들
    을 포함하고,
    상기 픽셀 센서들의 각각은,
    상기 기판 내의 광 감지 디바이스;
    상기 후방 측면 상의 상기 광 감지 디바이스 위의 컬러 필터; 및
    상기 컬러 필터 위의 광학 구조물로서, 상기 광학 구조물은 제1 측벽을 포함하고, 상기 제1 측벽과 상기 기판의 전면과 평행한 평면은 0°보다 큰 끼인각을 형성하는 것인, 광학 구조물
    을 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 광학 구조물들 및 상기 컬러 필터들은 동일한 재료를 포함하고, 상기 광학 구조물들의 각각은 상기 후방 측면을 향해 돌출되는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 후방 측면 상의 상기 기판 위에 배치된 복수의 저-n 구조물(low-n structure)들을 더 포함하고, 상기 저-n 구조물은 상기 컬러 필터들을 둘러싸고 분리하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
  8. 제5항에 있어서, 상기 픽셀 센서들의 각각은 상기 후방 측면 상의 컬러 필터 위에 배치된 마이크로 렌즈를 더 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
  9. 제5항에 있어서, 상기 광학 구조물들의 각각은 마이크로 렌즈를 포함하는 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
  10. 후면 조사(BSI) 이미지 센서에 있어서,
    전방 측면 및 상기 전방 측면과 반대 쪽에 있는 후방 측면을 포함하는 기판;
    상기 기판 내의 픽셀 센서;
    상기 후방 측면 상의 상기 기판 위의 컬러 필터; 및
    상기 컬러 필터 위의 복수의 마이크로 렌즈들
    을 포함하고,
    상기 복수의 마이크로 렌즈들의 각각의 하부 면적은 상기 컬러 필터의 상부 면적보다 작고, 상기 복수의 마이크로 렌즈들의 하부 면적의 합은 상기 컬러 필터의 상부 면적보다 큰 것인, 후면 조사(BSI) 이미지 센서.
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