KR20220078524A - 이미지 센서 구조물 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 구조물은 디바이스 스택 위에 배치되는 이미지 스택을 포함한다. 이미지 스택은 복수의 광 검출기를 포함한다. 제1 광학 필터 스택이 이미지 스택 위에 배치된다. 제1 광학 필터 스택은 도광체 층을 포함한다. 광 파이프 공동이 도광체 층 내에 배치된다. 각각의 광 파이프 공동은 광 검출기와 연관된다. 각각의 광 파이프 공동은 약 2.5 대 약 1 초과인 종횡비를 갖는다. 나노웰 층이 제1 광학 필터 스택 위에 배치된다. 나노웰이 나노웰 층 내에 배치된다. 각각의 나노웰은 광 검출기와 연관된다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 특허 출원은, 2019년 10월 9일자로 출원되고 발명의 명칭이 Image Sensor Structure인 미국 가특허 출원 제62/912,908호에 대한 우선권을 주장한다. 상기 언급된 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
CMOS 이미지 센서와 같은 이미지 센서 구조물은, 흔히, 나노웰 층(nanowell layer) 내에 배치된 복수의 고밀도 나노웰을 이용하여, 나노웰 내에 배치된 분석물에 대한 반응을 수행한다. 나노웰 층은 반응으로부터 데이터를 수집 및 분석하는 이미지 센서 구조물의 전면 또는 후면 상에 배치된다. 예를 들어, (DNA 세그먼트들의 클러스터 등과 같은) 분석물은 형광 표지로 태깅(tagging)될 수 있고, 여기 광이 표지된 분석물들 상으로 지향되어 그들이 방출 광을 형광 발광하게 할 수 있다.
이어서, 분석물은 형광 방출 광의 광자를 방출할 수 있으며, 이는 나노웰로부터 나노웰과 연관된 복수의 광 검출기(예컨대, 포토다이오드) 상으로 투과될 수 있다. 광 검출기는 방출 광 광자를 검출한다. 디바이스 회로부가 디바이스 스택 내로부터 광 검출기에 접속될 수 있다. 이어서, 디바이스 회로부는 그들 검출된 광자에 기초하여 데이터 신호를 처리하고 송신할 수 있다. 이어서, 데이터 신호는 분석되어 분석물의 특성을 드러낼 수 있다.
전면 조명식(front side illuminated, FSI) 이미지 센서 구조물에서, 나노웰 층은 여기 광에 의해 조명되는 이미지 센서 구조물의 전면 상에 배치된다. FSI 이미지 센서 구조물에서, 디바이스 스택은 나노웰 층과 복수의 광 검출기 사이에 위치된다. 그러나, 그러한 이미지 센서 구조물에서, 광 검출기의 활성(예컨대, 광 감지) 영역의 일부분은 디바이스 스택 내의 디바이스 회로부에 의해 차단될 수 있다. 광 검출기 크기 및 피치가 훨씬 더 작아짐에 따라, 디바이스 스택에 의해 차단되는 활성 영역의 부분이 증가하여, 광 검출기의 감도를 감소시킬 수 있다.
후면 조명식(back side illuminated, BSI) 이미지 센서 구조물에서, 나노웰 층은 여기 광에 의해 조명되는 이미지 센서 구조물의 후면 상에 배치된다. BSI 이미지 센서 구조물에서, 디바이스 스택은 나노웰 층과 복수의 광 검출기 사이에 위치되지 않는다. 따라서, 디바이스 스택은 광 검출기의 활성 영역을 차단하지 않을 수 있다.
그러나, 디바이스 스택의 디바이스 회로부는, 흔히, FSI 이미지 센서 구조물에서 크로스토크(crosstalk)의 감소를 돕는 데 사용된다. 그러한 디바이스 회로부는 BSI 이미지 센서 구조물에서 크로스토크를 감소시키는 것을 돕는 데 이용가능하지 않을 수 있다. 크로스토크는 나노웰로부터 투과되는 방출 광을 포함하며, 이는 나노웰과 연관되지 않는 광 검출기에 의해 우발적으로 검출된다.
또한, FSI 이미지 센서 구조물과는 달리, 디바이스 스택은, BSI 이미지 센서 구조물에서, 여기 광이 광 검출기에 도달하는 것을 충분히 차단하는 것을 돕는 데 이용가능하지 않을 수 있다. 추가로, 디바이스 스택은, 또한, BSI 이미지 센서 구조물에서, 나노웰로부터 방출되는 방출 광을 광 검출기 상에 효율적으로 수집 및 집속시키는 것을 돕는 데 이용가능하지 않을 수 있다.
본 명세서에 제공된 예는 전술된 문제를 극복할 수 있다. 예를 들어, 하나의 예는 디바이스 스택의 도움 없이 나노웰과 연관되지 않은 광 검출기 사이의 크로스토크를 감소시키는 BSI 이미지 센서 구조물을 제공한다. 추가로, 다른 예는, 디바이스 스택의 도움 없이, 광 검출기로부터 여기 광을 충분히 차단할 수 있고, 방출 광을 광 검출기 상에 효율적으로 수집 및 집속시킬 수 있는 BSI 이미지 센서 구조물을 제공한다.
본 발명은, 후면으로부터 나노웰을 향해 지향되는 여기 광으로 조명될 때, 디바이스 스택의 도움 없이, 이미지 센서 구조물 내에 배치된 나노웰과 연관되지 않은 광 검출기 사이의 크로스토크를 감소시킬 수 있는 이미지 센서 구조물을 제공함으로써 종래 기술에 비해 이점 및 대안을 제공한다. 추가적으로, 이미지 센서 구조물 내에 배치된 광 파이프 공동은, 디바이스 스택의 도움 없이 여기 광을 충분히 차단하고 방출 광을 효율적으로 수집하도록 크기설정되는 종횡비 및 측벽 각도를 갖는다. 추가로, 종횡비는 이미지 센서 구조물을 제조하기에 신뢰할 수 없게 만들 정도로 크지 않고, 측벽 각도는 이미지 센서 구조물을 제조하기에 신뢰할 수 없게 만들 정도로 작지 않다.
본 발명의 하나 이상의 태양에 따른 이미지 센서 구조물은 디바이스 스택 위에 배치되는 이미지 스택을 포함한다. 이미지 스택은 복수의 광 검출기를 포함한다. 제1 광학 필터 스택이 이미지 스택 위에 배치된다. 제1 광학 필터 스택은 도광체 층, 및 도광체 층 내에 배치되는 복수의 광 파이프 공동을 포함한다. 복수의 광 파이프 공동의 각각의 광 파이프 공동은 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관된다. 각각의 광 파이프 공동은 약 2.5 대 1 초과인 종횡비를 갖는다. 나노웰 층이 제1 광학 필터 스택 위에 배치된다. 복수의 나노웰이 나노웰 층 내에 배치된다. 각각의 나노웰은 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관된다.
일부 예에서, 이미지 센서 구조물의 광 파이프 공동은 약 11도 내지 약 1.2도의 범위 내에 있는 측벽 각도를 갖는다.
일부 예에서, 이미지 센서 구조물은 광 파이프 공동 내에 배치되는 광학 필터 재료를 포함한다. 광학 필터 재료는 광 파이프 공동의 측벽에서 도광체 층과 직접 접촉한다.
일부 예에서, 이미지 센서 구조물은 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는 제2 광학 필터 스택을 포함한다. 제1 광학 필터 스택 및 제2 광학 필터 스택은 제1 필터 스택 및 제2 필터 스택 중 어느 하나보다 큰 전체 종횡비를 갖는다.
일부 예에서, 이미지 센서 구조물의 도광체 층은 중합체 재료, 반도체 재료 및 유전체 재료 중 하나를 포함한다.
일부 예에서, 이미지 센서 구조물의 제1 광학 스택은 이미지 스택 위에 배치되는 중간 층을 포함하고, 도광체 층은 중간 층 위에 배치된다. 도광체 층은, 광 파이프 공동의 측벽 상에 배치되고 광 파이프 공동의 저부 표면 상에 배치되지 않는 금속 층이다. 도광체 층은 약 100 나노미터 이하의 두께를 갖는다.
일부 예에서, 이미지 센서 구조물의 이미지 스택은 기판 층, 복수의 격리 트렌치(isolation trench) 및 유전체 재료를 포함한다. 기판 층은 복수의 광 검출기 위에 배치된다. 기판 층은 방출 광 및 여기 광을 통과시키도록 동작한다. 복수의 격리 트렌치는 기판 층 내에 배치된다. 각각의 격리 트렌치는 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기에 인접하게 배치된다. 유전체 재료는 각각의 격리 트렌치 내에 배치된다. 유전체 재료는 복수의 광 검출기들 중 각각의 광 검출기를 전기적으로 격리시키도록 동작한다.
이미지 센서 구조물의 일부 예에서, 제1 광학 필터 스택 내에 배치된 중간 층 및 이미지 스택의 기판 층은 동일한 재료로 구성된다.
이미지 센서 구조물의 일부 예에서, 중간 층 및 기판 층은 실리콘으로 구성된다.
일부 예에서, 이미지 센서 구조물은 광학 흡수성 재료로 구성되는 도광체 층을 포함한다. 광학적으로 투명한 재료가 광 파이프 공동 내에 배치된다. 광학적으로 투명한 재료는 광학 흡수성 재료의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는다.
일부 예에서, 이미지 센서 구조물은 크로스토크 층, 크로스토크 커튼(crosstalk curtain), 확산 층 및 광 파이프 연장부를 포함한다. 크로스토크 층은, 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 광학 필터 스택의 상부 표면 위에 배치된다. 크로스토크 커튼은, 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 광학 필터 스택의 상부 표면으로부터 아래로 연장된다. 확산 층은 광학 필터 스택과 이미지 스택 사이에 배치된다. 광 파이프 연장부는 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동의 저부에 배치된다. 광 파이프 연장부는 확산 층을 통해 연장된다.
본 발명의 하나 이상의 태양에 따른 다른 이미지 센서 구조물은 디바이스 스택 위에 배치되는 이미지 스택을 포함한다. 이미지 스택은 복수의 광 검출기를 포함한다. 제1 광학 필터 스택이 이미지 스택 위에 배치된다. 제1 광학 필터 스택은 도광체 층, 도광체 층 내에 배치되는 복수의 광 파이프 공동, 및 광 파이프 공동 내에 배치되는 광학 필터 재료를 포함한다. 각각의 광 파이프 공동은 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관된다. 광학 필터 재료는 광 파이프 공동의 측벽에서 도광체 층과 직접 접촉한다. 나노웰 층이 제1 광학 필터 스택 위에 배치된다. 복수의 나노웰이 나노웰 층 내에 배치된다. 각각의 나노웰은 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관된다.
이미지 센서 구조물의 일부 예에서, 광 파이프 공동은 약 2.5 대 약 1 초과인 종횡비를 갖는다.
이미지 센서 구조물의 일부 예에서, 광 파이프 공동은 약 11도 내지 약 1.2도의 범위 내에 있는 측벽 각도를 갖는다.
이미지 센서 구조물의 일부 예에서, 도광체 층은 중합체 재료, 반도체 재료 및 유전체 재료 중 하나를 포함한다.
이미지 센서 구조물의 일부 예에서, 제1 광학 필터 스택은 이미지 스택 위에 배치되는 중간 층을 포함한다. 도광체 층은 중간 층 위에 배치된다. 도광체 층은, 광 파이프 공동의 측벽 상에 배치되고 광 파이프 공동의 저부 표면 상에 배치되지 않는 금속 층이다. 도광체 층은 약 100 나노미터 이하의 두께를 갖는다.
이미지 센서 구조물의 일부 예에서, 이미지 스택은 기판 층, 복수의 격리 트렌치 및 유전체 재료를 포함한다. 기판 층은 복수의 광 검출기 위에 배치된다. 기판 층은 방출 광 및 여기 광을 통과시키도록 동작한다. 복수의 격리 트렌치는 기판 층 내에 배치된다. 각각의 격리 트렌치는 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기에 인접하게 배치된다. 유전체 재료는 각각의 격리 트렌치 내에 배치된다. 유전체 재료는 복수의 광 검출기들 중 각각의 광 검출기를 전기적으로 격리시키도록 동작한다.
이미지 센서 구조물의 일부 예에서, 제1 광학 필터 스택 내에 배치된 중간 층 및 이미지 스택 내에 배치된 기판 층은 동일한 재료로 구성된다.
일부 예에서, 이미지 센서 구조물은 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는 제2 광학 필터 스택을 포함한다. 제1 광학 필터 스택 및 제2 광학 필터 스택은 제1 필터 스택 및 제2 필터 스택 중 어느 하나보다 큰 전체 종횡비를 갖는다.
일부 예에서, 이미지 센서 구조물은 크로스토크 층, 크로스토크 커튼, 확산 층 및 광 파이프 연장부를 포함한다. 크로스토크 층은, 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 광학 필터 스택의 상부 표면 위에 배치된다. 크로스토크 커튼은, 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 광학 필터 스택의 상부 표면으로부터 아래로 연장된다. 확산 층은 광학 필터 스택과 이미지 스택 사이에 배치된다. 광 파이프 연장부는 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동의 저부에 배치된다. 광 파이프 연장부는 확산 층을 통해 연장된다.
본 발명의 하나 이상의 태양에 따른 다른 이미지 센서 구조물은 디바이스 스택 위에 배치되는 이미지 스택을 포함한다. 이미지 스택은 복수의 광 검출기를 포함한다. 제1 광학 필터 스택이 이미지 스택 위에 배치된다. 제1 광학 필터 스택은 광학 흡수성 재료로 구성되는 도광체 층, 도광체 층 내에 배치되는 복수의 광 파이프 공동, 및 광 파이프 공동 내에 배치되는 광학적으로 투명한 재료를 포함한다. 각각의 광 파이프 공동은 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관된다. 광학적으로 투명한 재료는 광학 흡수성 재료의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는다. 나노웰 층이 제1 광학 필터 스택 위에 배치된다. 복수의 나노웰이 나노웰 층 내에 배치된다. 각각의 나노웰은 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관된다.
이미지 센서 구조물의 일부 예에서, 광 파이프 공동은 약 11도 내지 약 1.2도의 범위 내에 있는 측벽 각도 및 약 2.5 대 약 1 초과인 종횡비를 갖는다.
이미지 센서 구조물의 일부 예에서, 광학 흡수성 재료는 광 파이프 공동의 측벽에서 광학적으로 투명한 재료와 직접 접촉한다.
일부 예에서, 이미지 센서 구조물은 크로스토크 층, 크로스토크 커튼, 확산 층 및 광 파이프 연장부를 포함한다. 크로스토크 층은, 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 광학 필터 스택의 상부 표면 위에 배치된다. 크로스토크 커튼은, 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 광학 필터 스택의 상부 표면으로부터 아래로 연장된다. 확산 층은 광학 필터 스택과 이미지 스택 사이에 배치된다. 광 파이프 연장부는 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동의 저부에 배치된다. 광 파이프 연장부는 확산 층을 통해 연장된다.
본 발명의 하나 이상의 태양에 따른, 이미지 센서 구조물을 형성하는 방법은 디바이스 스택 위에 이미지 스택을 배치하는 단계를 포함한다. 이미지 스택은 복수의 광 검출기를 포함한다. 도광체 층이 이미지 스택 위에 배치된다. 복수의 광 파이프 공동이 도광체 층 내에 에칭된다. 각각의 광 파이프 공동은 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관된다. 각각의 광 파이프 공동은 약 2.5 대 1 초과인 종횡비를 갖는다. 나노웰 층이 도광체 층 위에 배치된다. 복수의 나노웰이 나노웰 층 내에 배치된다. 각각의 나노웰은 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관된다. 도광체 층, 복수의 광 파이프 공동 및 광학 필터 재료는 이미지 스택 위에 배치되는 제1 광학 필터 스택을 포함한다.
일부 예에서, 본 방법은 이미지 스택 위에 중간 층을 배치하는 단계를 포함한다. 도광체 층은 중간 층 위에 배치된다. 도광체 층은, 광 파이프 공동의 측벽 상에 배치되고 광 파이프 공동의 저부 표면 상에 배치되지 않는 금속 층이다. 도광체 층은 약 100 나노미터 이하의 두께를 갖는다.
일부 예에서, 본 방법은 광 파이프 공동 내에 광학 필터 재료를 배치하는 단계를 포함한다. 광학 필터 재료는 광 파이프 공동의 측벽에서 도광체 층과 직접 접촉한다.
일부 예에서, 본 방법은 제1 광학 필터 스택 위에 제2 광학 필터 스택을 배치하는 단계를 포함한다. 제1 광학 필터 스택 및 제2 광학 필터 스택은 제1 필터 스택 및 제2 필터 스택 중 어느 하나보다 큰 전체 종횡비를 갖는다.
일부 예에서, 본 방법은 광학 흡수성 재료로 구성되는 도광체 층을 포함한다. 광학적으로 투명한 재료가 광 파이프 공동 내에 배치된다. 광학적으로 투명한 재료는 광학 흡수성 재료의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는다.
아래에서 더 상세히 논의되는 전술한 개념들 및 추가의 개념들의 모든 조합은 (그러한 개념들이 상호 불일치하지 않는다면) 본 명세서에 개시된 발명 요지의 일부인 것으로 고려되고 본 명세서에서 설명되는 이익 및 이점을 달성하기 위해 사용될 수 있음이 이해되어야 한다.
본 발명은 첨부 도면과 함께 취해진 하기의 상세한 설명으로부터 더 완전히 이해될 것이다.
도 1은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 광 검출기를 포함하는 이미지 스택이 디바이스 스택 위에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 2는 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 도광체 층이 이미지 스택 위에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 도 1의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 광 파이프 공동이 도광체 층 내로 에칭되어서, 각각의 광 파이프 공동이 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관되게 하는, 중간 제조 단계에서의 도 2의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 광 파이프 공동의 종횡비 및 측벽 각도가 예시되는, 도 3의 원형 영역(4-4)의 확대도의 일례의 단면도를 도시한다.
도 5는 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 광학 필터 재료가 광 파이프 공동 내에 배치되고, 도광체 층, 복수의 광 파이프 공동 및 광학 필터 재료가 제1 광학 필터 스택을 형성하는, 중간 제조 단계에서의 도 3의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 6은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 제2 광학 필터 스택이 도 5의 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 도 5의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 7은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 나노웰을 갖는 나노웰 층이 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는, 완료된 제조 단계에서의 도 5의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 8은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 광 파이프 공동이 중간 층 내로 에칭되고, 금속 도광체 층이 광 파이프 공동의 측벽 상에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 9는 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 광학 필터 재료가 광 파이프 공동 내에 배치되고, 중간 층, 도광체 층, 복수의 광 파이프 공동 및 광학 필터 재료가 제1 광학 필터 스택을 형성하는, 중간 제조 단계에서의 도 8의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 10은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 나노웰을 갖는 나노웰 층이 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는, 완료된 제조 단계에서의 도 9의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 11은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 중간 층이 이미지 스택의 기판 층 위에 배치되고, 중간 층 및 기판 층이 동일한 재료로 구성되며, 복수의 광 파이프 공동이 중간 층 내로 에칭되는, 중간 제조 단계에서의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 12는 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 금속 도광체 층이 광 파이프 공동의 측벽 상에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 도 11의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 13은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 광학 필터 재료가 광 파이프 공동 내에 배치되고, 중간 층, 도광체 층, 복수의 광 파이프 공동 및 광학 필터 재료가 제1 광학 필터 스택을 형성하는, 중간 제조 단계에서의 도 12의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 14는 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 나노웰을 갖는 나노웰 층이 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는, 완료된 제조 단계에서의 도 13의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 15는 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 확산 층이 이미지 스택과 광학 필터 스택 사이에 배치되는, 완료된 제조 단계에서의 다른 이미지 센서 구조물(400)의 일례의 단면도를 도시한다.
도 16은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 도광체 층이 광학 필터 재료로 구성되고, 광 파이프 공동이 광학적으로 투명한 재료로 충전되는, 완료된 제조 단계에서의 다른 이미지 센서 구조물(500)의 일례의 단면도를 도시한다.
도 1은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 광 검출기를 포함하는 이미지 스택이 디바이스 스택 위에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 2는 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 도광체 층이 이미지 스택 위에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 도 1의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 광 파이프 공동이 도광체 층 내로 에칭되어서, 각각의 광 파이프 공동이 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관되게 하는, 중간 제조 단계에서의 도 2의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 광 파이프 공동의 종횡비 및 측벽 각도가 예시되는, 도 3의 원형 영역(4-4)의 확대도의 일례의 단면도를 도시한다.
도 5는 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 광학 필터 재료가 광 파이프 공동 내에 배치되고, 도광체 층, 복수의 광 파이프 공동 및 광학 필터 재료가 제1 광학 필터 스택을 형성하는, 중간 제조 단계에서의 도 3의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 6은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 제2 광학 필터 스택이 도 5의 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 도 5의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 7은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 나노웰을 갖는 나노웰 층이 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는, 완료된 제조 단계에서의 도 5의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 8은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 광 파이프 공동이 중간 층 내로 에칭되고, 금속 도광체 층이 광 파이프 공동의 측벽 상에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 9는 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 광학 필터 재료가 광 파이프 공동 내에 배치되고, 중간 층, 도광체 층, 복수의 광 파이프 공동 및 광학 필터 재료가 제1 광학 필터 스택을 형성하는, 중간 제조 단계에서의 도 8의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 10은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 나노웰을 갖는 나노웰 층이 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는, 완료된 제조 단계에서의 도 9의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 11은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 중간 층이 이미지 스택의 기판 층 위에 배치되고, 중간 층 및 기판 층이 동일한 재료로 구성되며, 복수의 광 파이프 공동이 중간 층 내로 에칭되는, 중간 제조 단계에서의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 12는 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 금속 도광체 층이 광 파이프 공동의 측벽 상에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 도 11의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 13은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 광학 필터 재료가 광 파이프 공동 내에 배치되고, 중간 층, 도광체 층, 복수의 광 파이프 공동 및 광학 필터 재료가 제1 광학 필터 스택을 형성하는, 중간 제조 단계에서의 도 12의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 14는 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 나노웰을 갖는 나노웰 층이 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는, 완료된 제조 단계에서의 도 13의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도를 도시한다.
도 15는 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 확산 층이 이미지 스택과 광학 필터 스택 사이에 배치되는, 완료된 제조 단계에서의 다른 이미지 센서 구조물(400)의 일례의 단면도를 도시한다.
도 16은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 도광체 층이 광학 필터 재료로 구성되고, 광 파이프 공동이 광학적으로 투명한 재료로 충전되는, 완료된 제조 단계에서의 다른 이미지 센서 구조물(500)의 일례의 단면도를 도시한다.
이제, 본 명세서에 개시된 방법, 시스템, 및 디바이스의 구조, 기능, 제조, 및 사용의 원리에 대한 전반적인 이해를 제공하기 위해 소정의 예가 설명될 것이다. 하나 이상의 예가 첨부 도면에 예시되어 있다. 당업자는, 본 명세서에서 구체적으로 설명되고 첨부 도면에 예시된 방법, 시스템, 및 디바이스가 비제한적인 예이며, 본 발명의 범주는 청구범위에 의해서만 정의된다는 것을 이해할 것이다. 하나의 예와 관련하여 예시되거나 설명되는 특징부는 다른 예의 특징부와 조합될 수 있다. 그러한 수정 및 변형은 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다.
청구범위를 포함하여 본 발명 전반에 걸쳐 사용될 수 있는 용어 "실질적으로", "대략", "약", "상대적으로", 또는 다른 그러한 유사한 용어는, 예를 들어 기준 또는 파라미터로부터의 처리의 변화로 인한 작은 변동을 기술하고 설명하는 데 사용된다. 그러한 작은 변동은, 또한, 기준 또는 파라미터로부터의 0의 변동을 포함한다. 예를 들어, 그들은 ±10% 이하, 예를 들어 ±5% 이하, 예를 들어 ±2% 이하, 예를 들어 ±1% 이하, 예를 들어 ±0.5% 이하, 예를 들어 ±0.2% 이하, 예를 들어 ±0.1% 이하, 예를 들어 ±0.05% 이하를 지칭할 수 있다.
도 1 내지 도 16을 참조하면, 여러 도면에 걸쳐 같은 또는 유사한 컴포넌트를 나타내는 데 같은 도면 부호가 사용된다. 도 1 내지 도 6, 도 8 및 도 9, 및 도 11 내지 도 13은 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 다양한 중간 제조 단계에서의 이미지 센서 구조물(100, 200, 300)의 예를 각각 예시한다. 도 7, 도 10, 도 14, 도 15 및 도 16은 완료된 제조 단계에서의 이미지 센서 구조물(100, 200, 300, 400, 500)의 예를 각각 예시한다.
도 1을 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 중간 제조 단계에서의 이미지 센서 구조물(100)의 일례의 단면도가 도시되어 있다. 이러한 제조 단계에서, 이미지 센서 구조물(100)은 디바이스 스택(104) 위에 배치되는 이미지 스택(102)을 포함한다. 본 명세서에서 더 상세히 논의될 바와 같이, 이미지 센서 구조물(100)은 후면 조명식(BSI) 이미지 센서 구조물이다.
이미지 센서 구조물(100)에 대한 기계적 지지를 제공하기 위해, 캐리어 기판(106)이 디바이스 스택(104)에 접합된다. 캐리어 기판(106)은 실리콘 또는 다른 반도체 재료를 포함하거나 그것일 수 있다. 캐리어 기판(106)은 400 내지 800 마이크로미터 두께의 범위 내에 있을 수 있다.
디바이스 스택(104)으로부터, 캐리어 기판(106)의 전면 상에 접합된 전도성 패드(108)로의 전기 입력/출력 접속부가 실리콘 관통 비아(through silicon via, TSV)(110)를 이용하여 제조될 수 있다. TSV는 금속 라이너(109)를 가질 수 있거나, 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)와 같은 금속으로 충전될 수 있다.
디바이스 스택(104)은 복수의 유전체 층(111)을 포함할 수 있다. 유전체 층(111)은 SiO2, SiN, SiON 또는 다른 유전체 재료를 포함하거나 그것일 수 있다.
유전체 층(111)은, 예를 들어 저항기, 커패시터, 다이오드 및/또는 트랜지스터 및 그들의 상호접속부와 같은 다양한 디바이스 회로부(112)를 포함할 수 있다. 디바이스 스택(104)의 디바이스 회로부(112)는 이미지 스택(102) 내에 배치된 복수의 광 검출기(114A, 114B, 114C, 114D, 114E)(집합적으로 114)와 인터페이싱한다. 디바이스 회로부(112)는 방출 광(158)(도 7에서 가장 잘 볼 수 있음)의 검출된 광 광자를 사용하여 광 검출기(114)로부터의 데이터 신호를 처리하도록 동작가능하다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 광 검출기(114)는 예를 들어 반도체일 수 있다. 반도체는 포토다이오드, 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 재료, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 광 검출기(114)는, 또한, 반도체 재료 내의 임플란트 또는 포토다이오드 접합 영역일 수 있다. 예를 들어, 포토다이오드(114)는 p-기판 내의 n-도핑된 영역, n-도핑된 기판 상의 p-웰 상의 n-도핑된 영역, 또는 임의의 다른 다이오드 조합일 수 있다.
이미지 스택(102)은 디바이스 스택(104) 위에 배치되는 복수의 광 검출기(114)를 포함한다. 기판 층(116)이 복수의 광 검출기(114) 위에 배치된다. 기판 층(116)은 실리콘, 실리콘 게르마늄, 갈륨 비소 또는 다른 반도체 재료를 포함하거나 그것일 수 있다. 본 명세서에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 기판 층(116)은 이미지 스택(102) 위에 배치된 나노웰(148)(도 7에서 가장 잘 볼 수 있음)로부터 나오는 방출 광(158) 및 여기 광(156) 둘 모두를 통과시키도록 동작한다. 방출 광(158)은, 예를 들어, 약 500 나노미터(nm) 내지 약 650 nm의 파장 범위 내에 있을 수 있다. 여기 광(156)은, 예를 들어, 약 400 nm 내지 약 570 nm의 파장 범위 내에 있을 수 있다. 방출 광(158)은 여기 광(156)보다 큰 파장을 가질 수 있다. 더 구체적으로, 방출 광(158)은 여기 광(156)의 파장보다 약 40 nm 내지 140 nm 더 큰 범위 내에 있는 파장을 가질 수 있다.
이미지 스택(102)은, 또한, 기판 층(116) 내에 배치되는 복수의 격리 트렌치(118A, 118B, 118C, 118D, 118E)(집합적으로 118)를 포함한다. 각각의 격리 트렌치(118)는 복수의 광 검출기들(114) 중 하나의 광 검출기(114)에 인접하게 배치된다. 격리 트렌치(118)는 깊은 트렌치일 수 있고, 약 5 대 1 내지 약 25 대 1의 큰 종횡비(aspect ratio, AR)를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 종횡비(AR)는 특징부(이러한 경우에, 격리 트렌치(118))의 높이 대 특징부의 최대 폭의 비이다.
제조 공차로 인해, 격리 트렌치(118)는 모두 동일한 높이를 갖지는 않을 수 있다. 예를 들어, 격리 트렌치(118A 내지 118D)는 기판 층(116)의 전체 두께를 가로질러 연장되지 않는 것으로 예시되어 있고, 격리 트렌치(118E, 118F)는 기판 층(116)의 전체 두께를 가로질러 연장되는 것으로 예시되어 있다.
이미지 스택(102)은, 또한, 각각의 격리 트렌치(118) 내에 배치되는 유전체 재료(120)를 포함한다. 유전체 재료(118)는 복수의 광 검출기들(114) 중 각각의 광 검출기(114)를 전기적으로 격리시키도록 동작한다. 유전체 재료(118)는, 또한, 광 검출기들(114) 사이에서의 광 또는 광 생성 전자의 투과를 차단하거나 상당히 감소시킴으로써 광 검출기들 사이의 크로스토크를 상당히 감소시키도록 동작한다. 유전체 재료는 SiO2, SiN, SiON 또는 다른 유전체 재료를 포함하거나 그것일 수 있다.
도 1에 예시된 중간 제조 단계에서의 이미지 센서 구조물(100)을 제조하는 방법의 예는 먼저 기판 층(116)을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 그 후에, 다양한 도핑 기법이 이용되어, 기판 층(116) 내에 n-도핑된 포토다이오드 접합 영역 및 p-도핑된 포토다이오드 접합 영역을 형성하여서, 광 검출기(114)를 형성할 수 있다. 이어서, 격리 트렌치(118)가 광 검출기들(114) 사이에서 (예를 들어, 반응성 이온 에칭(reactive ion etching, RIE) 공정으로) 이방성으로 에칭될 수 있다. 이어서, 격리 트렌치(118)는 유전체 재료(120)로 충전되어, 전기적 깊은 트렌치 격리(deep trench isolation, DTI)를 제공하고 광 검출기들(114) 사이의 크로스토크를 상당히 감소시킬 수 있다. 임의의 초과의 유전체 재료(120)는, 예를 들어 화학적 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization, CMP) 공정에 의해, 광 검출기(114)의 레벨까지 평탄화될 수 있다. 이어서, 디바이스 스택(104)이 광 검출기(114) 바로 위에 배치되어, 이미지 센서 구조물(100)의 이미지 스택(102) 및 디바이스 스택(104)의 형성을 완료할 수 있다. 이어서, 캐리어 기판(106)이 디바이스 스택(104)에 접합되어, 이미지 센서 구조물(100)에 기계적 지지를 제공할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 도광체 층(122)이 이미지 스택(102) 위에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 도 1의 이미지 센서 구조물(100)의 일례의 단면도가 도시되어 있다. 도광체 층(122)은, 예를 들어, 중합체 재료, 반도체 재료 또는 유전체 재료를 포함하거나 그것일 수 있다. 도광체 층이 중합체인 경우, 그는 SU-8 포토레지스트 재료, 벤조사이클로부텐(BCB), 폴리아미드, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 또는 다른 염료 착색 필름을 포함하거나 그것일 수 있다. 도광체 층이 유전체인 경우, 그는 SiO2, SiN, SiC, 산질화 실리콘 또는 다른 유전체를 포함하거나 그것일 수 있다. 그가 반도체 재료인 경우, 그는 실리콘 또는 다른 반도체 재료를 포함하거나 그것일 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 광 파이프 공동(124A, 124B, 124C, 124D, 124E)(집합적으로 124)이 도광체 층(122) 내에 형성되는, 중간 제조 단계에서의 도 2의 이미지 센서 구조물(100)의 일례의 단면도가 도시되어 있다. 각각의 광 파이프 공동(124)은 복수의 광 검출기들(114) 중 하나의 광 검출기(114)와 연관된다. 더 구체적으로, 각각의 광 파이프 공동(124A, 124B, 124C, 124D, 124E)은, 각각, 연관된 광 검출기(114A, 114B, 114C, 114D, 114E)와 정렬된다. 따라서, 광 파이프 공동(124)을 통해 이동하는 광은 그의 연관된 광 검출기(114) 상으로 지향될 수 있고, 임의의 연관되지 않은 광 검출기 상으로 지향되지 않을 수 있다.
광 파이프 공동(124)은 도광체 층(122) 내로 이방성으로 에칭되고/되거나 리소그래피 방식으로 패턴화될 수 있다. 제조 공차로 인해, 광 파이프 공동(124)은 항상 도광체 층(122)의 전체 두께를 관통하지는 않을 수 있다. 예를 들어, 광 파이프 공동(124D)은 광 파이프 공동의 저부에 배치된, 작은 두께의 도광체 층(122) 재료를 갖는 것으로 예시되어 있다. 그러나, 광 파이프 공동(124D)의 저부에서의 도광체 층(122)의 두께는 그가 광 센서(114)를 향해 지향되는 광을 상당히 차단하지 않을 정도로 충분히 작다. 광을 상당히 차단하지 않기 위해, 광 파이프 공동(124)의 저부에서의 도광체 층(122)의 두께는 약 50 나노미터 두께 이하일 수 있거나, 또는 약 20 나노미터 두께 이하일 수 있다.
도광체 층(122)은 광 검출기들(114) 사이의 크로스토크의 감소를 돕기 위해 하나의 광 파이프 공동(124)으로부터 다른 광 파이프 공동으로의 광의 투과를 상당히 감소시키거나 차단한다. 본 명세서의 용어 "상당한"은 약 50% 이상을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 도광체 층(122)은 하나의 광 파이프 공동(124)으로부터 다른 광 파이프 공동으로의 광의 투과를 50%만큼, 60%만큼, 75% 이상만큼 감소시킬 수 있다. 도광체 층(122)은, 또한, 방출 광(156)의 상당한 부분을 광 파이프 공동(124)을 통해 그리고 그의 연관된 광 검출기(114) 상으로 안내하는 것을 돕는다. 예를 들어, 도광체 층은 방출 광(156)의 50%, 60%, 75%를 그의 연관된 광 검출기(114) 상으로 안내하는 것을 도울 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 광 파이프 공동(124)의 종횡비(AR) 및 측벽 각도(θ)가 예시되는, 도 3의 원형 영역(4-4)의 일례의 확대 단면도가 도시되어 있다. 본 명세서에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 광 파이프 공동(124)의 종횡비(AR)는, 여기 광을 차단하고 이미지 센서 구조물(100) 내의 광 파이프 공동(124) 바로 위에 배치된 나노웰(148)로부터 나오는 방출 광을 수집할 필요성에 따라, 약 2.5 대 1 내지 약 25 대 1의 범위일 수 있다. 더 구체적으로, 도 3 및 도 4의 광 파이프 공동(124)의 종횡비(AR)는 광 파이프 공동(124)의 상부에서의 상부 폭(W)이 되는 최대 폭(W)에 대한 광 파이프 공동(124)의 실제 높이(H)의 비이다.
공동(124)의 저부에서의 저부 폭(W')이 공동(124)의 상부에서의 상부 폭(W)과 동일한 그러한 높은 종횡비의 광 파이프 공동(124)을 신뢰성 있게 제조하는 것은 실용적이지 않거나 비용 효과적이지 않을 수 있다. 바꾸어 말하면, 이들 높은 종횡비의 광 파이프 공동(124)에 대한 신뢰성 있고 비용 효과적인 제조 공정은 수직 기준선(126)(즉, 도광체 층(122)의 상부 표면(128)에 실질적으로 수직인 선(126))에 대해 0이 아닌 측벽 각도(θ)를 갖는 측벽(130)을 포함할 가능성이 높을 수 있다.
광 파이프 공동(124)의 양쪽 측부 상에서의 측벽 각도(θ)는 실질적으로 동일할 가능성이 높다. 따라서, 공동(124)의 상부 에지(129)로부터 하향으로 연장되는 수직 기준선(126)으로부터의 저부 폭(W')의 (광 파이프 공동(124)의 양쪽 측부 상에서의) 수평 거리(d)도 실질적으로 동일할 수 있다.
그러한 0이 아닌 측벽 각도(θ)는 광 파이프 공동(124)이 임의의 주어진 측벽 각도(θ)에 대해 달성할 수 있는 최대 달성가능 높이(Hmax) 및 그에 따른 최대 달성가능 종횡비(ARmax)를 제한할 것이다. 즉, 최대 달성가능 높이(Hmax)는 광 파이프 공동(124)의 저부에서의 저부 폭(W')이 0이 될 수 있는 높이로 제한된다. 바꾸어 말하면, 최대 달성가능 높이(Hmax)는 측벽(130)이 임의의 주어진 측벽 각도(θ)에 대해 일정 지점(132)에서 만날 수 있는 높이로 제한된다. 광 파이프 공동(124)의 양쪽 측부 상에서의 측벽 각도(θ)가 실질적으로 동일하기 때문에, 지점(132)은 공동(124)의 상부에서의 폭(W) 사이의 수평으로 중간에 위치된다. 따라서, 수직 기준선(126)으로부터의 저부 지점(132)의 수평 거리는, 또한, W/2와 실질적으로 동일할 수 있다.
실제 종횡비(AR), 최대 달성가능 종횡비(ARmax), 실제 높이(H), 최대 달성가능 높이(Hmax), 측벽 각도(θ), 상부 폭(W), 저부 폭(W') 및 거리(d) 사이의 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다:
AR = H/W;
tan θ = d/H = 0.5W/Hmax; 및
ARmax = Hmax/W =H/(2d) = H/(W-W') = 0.5/(tan θ).
따라서, ARmax = 0.5/(tan θ)이기 때문에, 측벽 각도(θ)가 작을수록, 달성될 수 있는 최대 달성가능 종횡비(ARmax)가 커진다.
도 5를 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 광학 필터 재료(134)가 광 파이프 공동(124) 내에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 도 3의 이미지 센서 구조물(100)의 일례의 단면도가 도시되어 있다. 이러한 제조 단계에서, 도광체 층(122), 복수의 광 파이프 공동(124) 및 광학 필터 재료(134)는 이미지 스택(102) 위에 배치되는 완성된 제1 광학 필터 스택(136)을 형성한다.
광학 필터 재료(134)는 여기 광의 상당한 부분을 차단할 수 있다. 예를 들어, 광학 필터 재료는 약 500 nm 내지 650 nm 범위의 방출 광의 파장의 상당한 부분을 통과시킬 수 있고, 약 400 nm 내지 570 nm 범위의 여기 광의 상당한 부분을 차단할 수 있다.
광학 필터 재료(134)는 그가 광 파이프 공동(124)의 측벽(130)에서 도광체 층(122)과 직접 접촉하도록 광 파이프 공동(124) 내에 배치된다. 광학 필터 재료(134)를 광 파이프 공동(124)의 측벽(130)에서 도광체 층(122)과 직접 접촉하게 하는 것은 상당한 양의 여기 광(156)이 광학 필터 재료(134)와 도광체 층(122) 사이에서 우발적으로 투과하여 아래의 광 검출기(114)에 도달할 수 없는 것을 보장한다.
광학 필터 재료(134)는 염료가 낮은 형광을 가질 수 있는 염료-중합체 블렌드를 포함하거나 그것일 수 있다. 예를 들어, 염료는 Orasol Orange 유형 염료, Orasol Yellow 유형 염료, Solvent Yellow 유형 염료, Solvent Orange 유형 염료 또는 Solvent Red 유형 염료와 같은, 금속화된 아조 염료 복합체 등급(metallized azo dye complex class)의 구성원을 포함하거나 그것일 수 있다. 중합체는, 예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트를 포함하거나 그것일 수 있다.
재료(134)는 광 파이프 공동(124) 내로 스핀 코팅(spin coating)되거나 분무되어 베이킹(baking)되고/되거나 경화될 수 있다. 임의의 초과의 광학 필터 재료(134)는 도광체 층(122)의 상부 표면(128)의 레벨까지 평탄화될 수 있다.
광 파이프 공동(124) 및 광학 필터 재료(130)는, 대부분의 여기 광(156)을 차단하고 방출 광(158)의 상당한 부분을 복수의 광 검출기(114)로 투과시키는 도광체로서 효과적으로 작용한다. 도광체로서 효율적으로 동작하기 위해, 일부 구현예에서의 광 파이프 공동(124)은 선택된 도광체 재료(134)로 하여금 여기 광(156)의 상당한 부분이 아래의 광 검출기(114)로 투과하는 것을 차단할 수 있게 하기에 충분히 높은 높이(H)를 갖는다.
추가적으로, 도광체로서 효율적으로 동작하기 위해, 일부 구현예에서의 공동(124)의 상부 폭(W)은, 광 검출기들(114) 사이의 피치가 작을 때에도, 예컨대 약 0.5 마이크로미터보다 작을 때에도, 상당한 양의 방출 광(158)을 효율적으로 수집하기에 충분히 크다. 광 검출기들(114) 사이의 피치가 상부 폭(W)에 비해 작을 때, 광 파이프 공동(124)의 저부 폭(W')도 상부 폭(W)에 비해 작을 수 있다.
광 파이프 공동의 상부 폭(W)과 저부 폭(W') 사이의 큰 차이와 큰 높이(H)를 가능하게 하는 한 가지 방식은 높은 종횡비를 갖는 것이다. 예를 들어, 종횡비(H/W)는 약 2.5 대 1 초과일 수 있고, 약 5 대 1 초과일 수 있고, 약 10 대 1 초과일 수 있고, 약 20 대 1 초과일 수 있다.
실제 종횡비(H/W)가 높을수록, 최대 달성가능 종횡비(Hmax/W)가 높아질 수 있고, 측벽 각도(θ)가 작아질 수 있다. 예를 들어:
그러나, 높은 최대 달성가능 종횡비 및 대응하는 작은 측벽 각도(θ)는 제조하기에 비실용적이고 신뢰할 수 없으며 고가일 수 있다. 예를 들어, 약 25 대 1 초과의 최대 달성가능 종횡비 및 약 1.2도 미만의 대응하는 측벽 각도(θ)는 신뢰성 있게 상당한 양으로 제조하기 어려울 수 있다.
따라서, 여기 광(156)을 효율적으로 차단하고 방출 광(158)을 수집하는 도광체, 즉 광학 필터 재료(134)로 충전된 광 파이프 공동(124)의 신뢰성 있는 제조를 가능하게 하기 위해, 광 파이프 공동의 종횡비(H/W) 및 측벽 각도(θ)는 소정의 사전결정된 범위 내에서 제조될 수 있다. 예를 들어, 광 파이프 공동은:
도 6을 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 제2 광학 필터 스택(138)이 도 5의 제1 광학 필터 스택(136) 위에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 도 5의 이미지 센서 구조물의 일례의 단면도가 도시되어 있다. 조합된 제1 및 제2 광학 필터 스택들(136, 138)은 제1 광학 필터 스택 및 제2 광학 필터 스택 중 어느 하나보다 큰 전체 종횡비를 갖는다.
통상적으로 신뢰성 있게 제조하기 어려울 수 있는 높은 종횡비는, 여기 광(156)을 실질적으로 차단하거나 방출 광(158)을 효율적으로 수집하는 것과 같은 파라미터를 가능하게 하는 데 바람직할 수 있다. 예를 들어, 약 10 초과, 약 15 초과, 약 20 초과 및 약 25 초과의 전체 종횡비가 요구될 수 있다. 그러한 높은 종횡비를 달성하면서도, 여전히 합리적인 제조 한계 내에서 측벽 각도(θ)를 갖기 위해, 제2 광학 필터 스택(138)이 제1 광학 필터 스택(136) 위에 배치될 수 있다. 측벽 각도(θ)의 그러한 합리적인 제조 한계는, 예를 들어, 1.2도 이상, 1.5도 이상 및 3도 이상일 수 있다.
제2 광학 필터 스택(138)은 제1 광학 필터 스택(136) 위에 배치되는 제2 도광체 층(140)을 포함할 수 있다. 제2 복수의 광 파이프 공동(142)이 제2 도광체 층(140) 내에 형성될 수 있다. 각각의 제2 광 파이프 공동은 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기(114)와 연관된다. 제2 광학 필터 재료(144)가 각각의 제2 광 파이프 공동(142) 내에 배치될 수 있다. 제2 광 파이프 공동은 제2 광 파이프 공동 높이(H2) 및 제2 광 파이프 공동 상부 폭(W2)을 가질 수 있다.
전체 종횡비는 조합된 제1 및 제2 광 파이프 공동들(124, 140)의 전체 높이(HTOT)를 조합된 제1 및 제2 광 파이프 공동들(124, 140)의 최대 폭으로 나눈 것과 거의 동일할 수 있다. 제2 광학 필터 스택(138)이 제1 광학 필터 스택(136)과 실질적으로 기하학적으로 동일한 경우, 전체 종횡비는, 사실상, 제1 광 파이프 공동(124)의 종횡비의 약 2배일 수 있고, 측벽 각도(θ)는 거의 동일하게 유지될 수 있다.
즉, 전체 종횡비는 제1 및 제2 광 파이프 공동들(124, 140)의 조합된 높이들(H, H2)의 전체 높이(HTOT)를 조합된 제1 및 제2 광 파이프 공동들(124, 140)의 최대 폭으로 나눈 것과 거의 동일할 수 있다. 최대 폭은 2개의 상부 폭들(W, W2) 중 더 넓은 것일 수 있다. 전체 높이(HTOT)가 제1 광 파이프 공동(124)의 높이(H)의 약 2배일 수 있고, 최대 폭이 제1 광 파이프 공동의 폭(W)과 거의 동일할 수 있기 때문에, 전체 종횡비는 제1 광 파이프 공동(124)의 종횡비의 약 2배일 수 있다. 그러나, 측벽 각도(θ)는 제1 및 제2 광 파이프 공동들(124, 142) 전체에 걸쳐 거의 동일하게 유지될 수 있다.
제2 광학 필터 스택(138)이 제1 광학 필터 스택(136)과 실질적으로 동일한 것으로 도 6에 예시되어 있지만, 제2 광학 필터 스택(138)의 다른 구성이 이용될 수 있다. 예를 들어, 제2 광학 필터 스택(138)은 제2 도광체 층(140)의 재료 및 크기, 제2 광 파이프 공동(142)의 재료 및 크기, 및 제2 광학 필터 재료의 재료 및 크기가 제1 광학 필터 스택(136)과는 상이할 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 나노웰(148A, 148B, 148C, 148D, 148E)(집합적으로 148)을 갖는 나노웰 층(146)이 제1 광학 필터 스택(136) 위에 배치되는, 완료된 제조 단계에서의 도 5의 이미지 센서 구조물(100)의 일례의 단면도가 도시되어 있다. 각각의 나노웰(148)은 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기(114)와 연관된다. 더 구체적으로, 각각의 나노웰(148A, 148B, 148C, 148D, 148E)은, 각각, 연관된 광 파이프 공동(124A, 124B, 124C, 124D, 124E) 및 연관된 광 검출기(114A, 114B, 114C, 114D, 114E)와 정렬될 수 있다. 따라서, 나노웰(148)로부터 나오는 소정 광은 그의 연관된 광 파이프 공동(124)을 통해 이동할 수 있고, 그의 연관된 광 검출기(114) 상으로 지향될 수 있으며, 임의의 연관되지 않은 광 검출기 상으로 지향되지 않을 수 있다.
나노웰 층(146)은 유전체 재료, 예를 들어 질화 실리콘 SiN 또는 (오산화 탄탈륨 Ta2O5와 같은) 일종의 산화 탄탈륨의 하나 이상의 층일 수 있다. 나노웰(148)은 리소그래피 방식으로 패턴화되고 나노웰 층(146) 내로 에칭될 수 있다.
패시베이션 스택(passivation stack)(150)이, 선택적으로, 제1 광학 필터 스택(136) 바로 위에 배치될 수 있으며, 여기에서 나노웰 층(146)은 패시베이션 스택 위에 배치될 수 있다. 패시베이션 스택은 SiO2 또는 SiN과 같은 유전체 재료의 하나 이상의 층일 수 있다. 패시베이션 스택은, 또한, BCB 또는 SU8과 같은 중합체의 하나 이상의 층일 수 있다. 패시베이션 스택은 제1 광학 필터 스택(136)의 화학 반응성을 감소시키는 데 사용될 수 있으며, 이때 화학 반응은 나노웰(148)에서 수행된다.
동작 동안, (DNA 세그먼트들의 클러스터 등과 같은) 소정 분석물(152)이 형광 표지된 분자(154)로 태깅되고 나노웰(148) 내에 배치될 수 있다. 이어서, 다양한 유형의 여기 광(156)이 나노웰(148) 내의 분석물(152) 상으로 방사되어, 표지된 분자(154)가 방출 광(158)을 형광 발광하게 할 수 있다. 방출 광(158)의 광자들의 대부분은 패시베이션 스택(150)을 통해 투과되고 그의 연관된 광 파이프 공동(124)으로 들어갈 수 있다. 광 파이프 공동(124)은 그의 광학 필터 재료(134)와 함께, 여기 광(156)의 대부분을 걸러 내고 방출 광(158)의 상당한 부분을 도광체 바로 아래에 위치된 연관된 광 검출기(114)로 지향시킬 수 있는 도광체로서 작용한다.
광 검출기(114)는 방출 광 광자(158)를 검출한다. 이어서, 디바이스 스택(104) 내의 디바이스 회로부(112)는 방출 광(158)의 그들 검출된 광자에 기초하여 데이터 신호를 처리하고 전송한다. 이어서, 데이터 신호는 분석되어 분석물(152)의 특성을 드러낼 수 있다.
이미지 센서 구조물(100)은 후면 조명식(BSI) 이미지 센서 구조물인데, 그 이유는 나노웰(148)이 이미지 센서 구조물(100)의 후면 상에 배치되고, 디바이스 스택(104)이 나노웰 층(146)과 복수의 광 검출기(114) 사이에 배치되지 않기 때문이다. 바꾸어 말하면, 디바이스 스택(104) 및 나노웰 층(146)은 복수의 광 검출기(114)의 서로 반대편 측부들 상에 배치된다. 따라서, 나노웰(148)은 이미지 센서 구조물(100)의 후면으로부터 여기 광(156)에 의해 조명된다.
그러나, 디바이스 스택(104)의 위치 때문에, 디바이스 회로부(112)는 나노웰(148)로부터 연관되지 않은 광 검출기(114) 상으로 나오는 방출 광 광자(158)의 크로스토크의 감소를 돕는 데 이용가능하지 않을 수 있다. 디바이스 스택(104)의 결여를 보상하기 위해, 도광체 층(122)은 여기 광(156) 및 방출 광(158)의 대부분이 하나의 광 파이프 공동(124)으로부터 다른 광 파이프 공동으로 투과하는 것을 차단하는 데 이용된다. 바꾸어 말하면, 도광체 층(122)은 나노웰(148) 내의 형광 표지된 분자(154)로부터 나오는 방출 광(158) 및 이미지 센서 구조물(100)의 후면으로부터 나노웰(148)을 조명하는 여기 광(156)이 그를 통과하는 것을 방지하거나 적어도 실질적으로 방지하도록 동작한다.
추가적으로, 도광체 층(122)은 광 파이프 공동(124)의 측벽(130)에서 광학 필터 재료(134)와 직접 접촉한다. 이와 같이, 광학 필터 재료(134)를 통과하지 않고서 광 파이프 공동(124)을 통해 투과할 수 있는 여기 광(156)은 거의 또는 전혀 없다. 광학 필터 재료(134)는 여기 광(156)을 차단하도록 그리고 방출 광(158)을 광 검출기(114)로 통과시키도록 동작한다.
광 파이프 공동(124)의 높은 종횡비(H/W)는 공동(124)을 충전하는 광학 필터 재료(134)를 기하학적으로 형상화한다. 따라서, 광 파이프 공동(124)의 높은 종횡비는 광학 필터 재료(134)에 적절한 높이(H)를 제공하는 것을 돕는데, 이는 광학 필터 재료(134)로 하여금 여기 광(156)의 상당한 부분이 통과하는 것을 차단할 수 있게 한다.
광 파이프 공동(124)의 높은 종횡비(H/W)는, 또한, 광 파이프 공동(124)의 저부 폭(W')에 비해 상당히 더 넓은 상부 폭(W)을 제공한다. 이와 같이, 광 파이프 공동(124)은, 광 검출기들(114) 사이의 피치가 예를 들어 약 0.6 내지 0.5 마이크로미터 이하만큼 작을 때에도, 방출 광(158)을 효율적으로 수집할 수 있다.
광 파이프 공동(124)의 높은 종횡비(H/W)는 약 2.5 대 1, 약 5 대 1, 약 10 대 1, 약 20 대 1 또는 그 초과만큼 높을 수 있다. 추가적으로, 측벽 각도(θ)는 광 파이프 공동(124)에서 높은 종횡비를 허용하기에 충분히 작으면서도, 광 파이프 공동의 제조를 신뢰할 수 없게 그리고/또는 과도하게 고가이게 할 정도로 크지는 않다. 광 파이프 공동(124)의 측벽 각도(θ)는 약 11도 내지 약 1.2도의 범위 내에, 약 10도 내지 약 1.5도의 범위 내에, 약 6도 내지 약 1.2도의 범위 내에, 약 3도 내지 약 1.2도의 범위 내에 그리고 약 3도 내지 약 1.5도의 범위 내에 있을 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 광 파이프 공동(124)이 중간 층(160) 내로 에칭되고, 금속 도광체 층(162)이 광 파이프 공동(124)의 측벽(130) 상에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 다른 이미지 센서 구조물(200)의 일례의 단면도가 도시되어 있다. 도광체 층(162)은 알루미늄, 금 또는 구리와 같은 금속을 포함하거나 그것일 수 있다. 그러나, 광 파이프 공동들(124) 사이의 금속 도광체 층(162)의 두께가 너무 크면, 금속은 광 검출기(114)에 도달하기 전에 방출 광(158)의 너무 많은 부분을 흡수할 수 있다. 너무 많은 방출 광(158)을 흡수하지 않기 위해, 광 파이프 공동들(124) 사이의 금속 도광체 층(162)의 두께는, 예를 들어, 약 100 나노미터 이하, 약 50 나노미터 이하, 또는 약 40 나노미터 이하일 수 있다.
중간 층(160)은 이미지 스택(102) 위에 배치되고, 비교적 얇은 금속 도광체 층(162)에 대한 기계적 지지를 제공한다. 도광체 층(162)은 광 파이프 공동(124)의 측벽(130) 상에서 중간 층(160) 위에 배치된다. 하나의 구현예에서, 금속 층은 측벽 상에 직접 배치된다.
금속 도광체 층(162)은 광 파이프 공동(124)의 저부 표면(164) 상에 배치되지 않을 수 있다. 이는 금속 도광체 층(162)이, 심지어 100 나노미터 이하만큼 얇더라도, 그가 광 파이프 공동(124)의 저부 표면(164) 상에 배치되는 경우, 방출 광(158)의 상당한 부분이 이미지 스택(102) 내로 투과하지 못하게 할 수 있기 때문이다.
중간 층(160)은, 예를 들어, 중합체 재료, 반도체 재료 또는 유전체 재료를 포함하거나 그것일 수 있다. 중간 층이 중합체를 포함하는 경우, 중합체는 SU-8 포토레지스트 재료, 벤조사이클로부텐(BCB), 폴리아미드, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 또는 다른 염료 착색 필름을 포함하거나 그것일 수 있다. 도광체 층이 유전체를 포함하는 경우, 유전체는 SiO2, SiN, SiC 또는 다른 유전체를 포함하거나 그것일 수 있다. 그가 반도체 재료인 경우, 그는 실리콘 또는 다른 반도체 재료를 포함하거나 그것일 수 있다. 광 파이프 공동(124)은 중간 층(160) 내로 이방성으로 에칭되고/되거나 리소그래피 방식으로 패턴화될 수 있다.
중간 층(160)은, 도광체 층으로서 기능하기에는 너무 투명하지만 본 명세서에서 앞서 논의된 높은 종횡비로 쉽고 신뢰성 있게 에칭될 수 있는 재료로 구성될 수 있다. 그러한 경우에, 중간 층(160)을 사용하여, 그러한 높은 종횡비의 광 파이프 공동(124)의 제조를 가능하게 하고, 이어서 얇은 금속 도광체 층(162)으로 공동 측벽(130)을 코팅하는 것이 유리할 수 있다.
금속 도광체 층(162)은, 예를 들어 블랭크 침착 공정, 원자 층 침착, 무전해 도금 또는 전기도금을 이용하여, 광 파이프 공동(124)의 측벽(130) 상에 코팅될 수 있다. 광 파이프 공동(124)의 저부 표면(164) 상에 우발적으로 배치되는 임의의 금속 도광체 층(162)은, 예를 들어 (반응성 이온 에칭 공정과 같은) 이방성 에칭 공정에 의해 제거될 수 있다. 이방성 에칭 공정은 광 파이프 공동(124)의 측벽(130) 상에 금속 도광체 층(162)을 남긴다.
도 9를 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 광학 필터 재료(134)가 광 파이프 공동(124) 내에 배치되고, 중간 층(160), 도광체 층(162), 복수의 광 파이프 공동(124) 및 광학 필터 재료(134)가 제1 광학 필터 스택(136)을 형성하는, 중간 제조 단계에서의 도 8의 이미지 센서 구조물(200)의 일례의 단면도가 도시되어 있다.
광학 필터 재료(134)는 그가 광 파이프 공동(124)의 측벽(130)에서 도광체 층(162)과 직접 접촉하도록 광 파이프 공동(124) 내에 배치된다. 광학 필터 재료(134)를 광 파이프 공동(124)의 측벽(130)에서 도광체 층(162)과 직접 접촉하게 하는 것은 상당한 양의 여기 광(156)이 광학 필터 재료(134)와 도광체 층(162) 사이에서 우발적으로 투과하여 아래의 광 검출기(114)에 도달할 수 없는 것을 보장한다.
광학 필터 재료(134)는 염료 기반 중합체일 수 있다. 재료(134)는 광 파이프 공동(124) 내로 스핀 코팅되거나 분무되어 베이킹되고/되거나 경화될 수 있다. 임의의 초과의 광학 필터 재료(134)는 중간 층(160)의 상부 표면(128)의 레벨까지 평탄화될 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 나노웰(148)을 갖는 나노웰 층(146)이 제1 광학 필터 스택(136) 위에 배치되는, 완료된 제조 단계에서의 도 9의 이미지 센서 구조물(200)의 일례의 단면도가 도시되어 있다. 이미지 센서 구조물(200)의 모든 태양은, 금속이 도광체 층(162)이 광 파이프 가이드(124)의 측벽(130) 상에 배치되고 중간 층(160)이 도광체 층(162)을 기계적으로 지지하고 있다는 것을 제외하고는, 앞서 논의된 이미지 센서 구조물(100)의 태양과 실질적으로 동일하거나 유사하다.
동작 동안, (DNA 세그먼트들의 클러스터 등과 같은) 소정 분석물(152)이 형광 표지된 분자(154)로 태깅되고 나노웰(148) 내에 배치될 수 있다. 이어서, 다양한 유형의 여기 광(156)이 나노웰(148) 내의 분석물(152) 상으로 방사되어, 표지된 분자(154)가 방출 광(158)을 형광 발광하게 할 수 있다. 방출 광(158)의 광자들의 대부분은 패시베이션 스택(150)을 통해 투과되고 그의 연관된 광 파이프 공동(124)으로 들어갈 수 있다. 광 파이프 공동(124)은 그의 광학 필터 재료(134)와 함께, 여기 광(156)의 대부분을 걸러 내고 방출 광(158)의 상당한 부분을 도광체 바로 아래에 위치된 연관된 광 검출기(114)로 지향시킬 수 있는 도광체로서 작용한다.
광 검출기(114)는 방출 광 광자(158)를 검출한다. 이어서, 디바이스 스택(104) 내의 디바이스 회로부(112)는 방출 광(158)의 그들 검출된 광자에 기초하여 데이터 신호를 처리하고 전송한다. 이어서, 데이터 신호는 분석되어 분석물(152)의 특성을 드러낼 수 있다.
이미지 센서 구조물(200)은 후면 조명식(BSI) 이미지 센서 구조물인데, 그 이유는 나노웰(148)이 이미지 센서 구조물(200)의 후면 상에 배치되고, 디바이스 스택(104)이 나노웰 층(146)과 복수의 광 검출기(114) 사이에 배치되지 않기 때문이다. 따라서, 나노웰(148)은 이미지 센서 구조물(200)의 후면으로부터 여기 광(156)에 의해 조명된다.
그러나, 디바이스 스택(104)의 위치 때문에, 디바이스 회로부(112)는 나노웰(148)로부터 연관되지 않은 광 검출기(114) 상으로 나오는 방출 광 광자(158)의 크로스토크의 감소를 돕는 데 이용가능하지 않을 수 있다. 디바이스 스택(104)의 결여를 보상하기 위해, 도광체 층(162)은 중간 층(160) 위에 배치되고, 여기 광(156) 및 방출 광(158)의 대부분이 하나의 광 파이프 공동(124)으로부터 다른 광 파이프 공동으로 투과하는 것을 차단하는 데 이용된다.
추가적으로, 도광체 층(162)은 광 파이프 공동(124)의 측벽(130)에서 광학 필터 재료(134)와 직접 접촉한다. 이와 같이, 광학 필터 재료(134)를 통과하지 않고서 광 파이프 공동(124)을 통해 투과할 수 있는 여기 광(156)은 거의 또는 전혀 없다. 광학 필터 재료(134)는 여기 광(156)을 차단하도록 그리고 방출 광(158)을 광 검출기(114)로 통과시키도록 동작한다.
광 파이프 공동(124)의 높은 종횡비(H/W)는 공동(124)을 충전하는 광학 필터 재료(134)를 기하학적으로 형상화한다. 따라서, 광 파이프 공동(124)의 높은 종횡비는 광학 필터 재료(134)에 적절한 높이(H)를 제공하는 것을 돕는데, 이는 광학 필터 재료(134)로 하여금 여기 광(156)의 상당한 부분이 통과하는 것을 차단할 수 있게 한다.
광 파이프 공동(124)의 높은 종횡비(H/W)는, 또한, 광 파이프 공동(124)의 저부 폭(W')에 비해 상당히 더 넓은 상부 폭(W)을 제공한다. 이와 같이, 광 파이프 공동(124)은, 광 검출기들(114) 사이의 피치가 예를 들어 약 0.6 내지 0.5 마이크로미터 이하만큼 작을 때에도, 방출 광(158)을 효율적으로 수집할 수 있다.
광 파이프 공동(124)의 높은 종횡비(H/W)는 약 2.5 대 1, 약 5 대 1, 약 10 대 1, 약 20 대 1 또는 그 초과만큼 높을 수 있다. 추가적으로, 측벽 각도(θ)는 광 파이프 공동(124)에서 높은 종횡비를 허용하기에 충분히 작으면서도, 광 파이프 공동의 제조를 신뢰할 수 없게 그리고/또는 과도하게 고가이게 할 정도로 크지는 않다. 광 파이프 공동(124)의 측벽 각도(θ)는 약 11도 내지 약 1.2도의 범위 내에, 약 10도 내지 약 1.5도의 범위 내에, 약 6도 내지 약 1.2도의 범위 내에, 약 3도 내지 약 1.2도의 범위 내에 그리고 약 3도 내지 약 1.5도의 범위 내에 있을 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 중간 제조 단계에서의 이미지 센서 구조물(300)의 일례의 단면도가 도시되어 있다. 구조물(300)에서, 중간 층(166)이 이미지 스택(102)의 기판 층(116) 위에 배치된다. 중간 층(166) 및 기판 층(116)은 동일한 재료로 구성된다. 중간 층(166) 및 기판 층(116)은 실리콘, 실리콘 게르마늄, 갈륨 비소 또는 다른 반도체 재료를 포함하거나 그것일 수 있다.
초기 제조 단계 동안, 조합된 층(168)이 적어도 조합된 이미지 스택(102) 및 제1 광학 필터 스택(136)의 높이만큼 높은 높이에서 디바이스 스택(104) 위에 배치될 수 있다. 이어서, 조합된 층(168)은 이미지 스택(102) 및 제1 광학 필터 스택(136)의 조합된 높이와 실질적으로 동일한 사전결정된 높이(170)까지 평탄화될 수 있다. 그러한 제조 단계에서, 중간 층(166)은 조합된 층(168)의 상부 부분을 포함하고, 기판 층(116)은 조합된 층(168)의 하부 부분을 포함한다.
복수의 광 파이프 공동(124)이 중간 층(166) 내로 이방성으로 에칭될 수 있다. 이는, 예를 들어, 반응성 이온 에칭 공정에 의해 행해질 수 있다. 중간 층(166)이 반도체 재료이기 때문에, 높은 종횡비로 에칭하는 것이 더 쉽다. 그러나, 중간 층(166)은 도광체 층으로서 기능하기에는 너무 투명하다.
도 12를 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 금속 도광체 층(172)이 광 파이프 공동(124)의 측벽(130) 상에 배치되는, 중간 제조 단계에서의 도 11의 이미지 센서 구조물(300)의 일례의 단면도가 도시되어 있다. 이미지 센서 구조물(200)과 매우 유사하게, 금속 도광체 층(172)이 광 파이프 공동(124)의 측벽(130) 상에 배치되는데, 그 이유는 중간 층(166)이 도광체 층으로서 기능하기에는 너무 투명하기 때문이다.
도광체 층(172)은 알루미늄, 금 또는 구리와 같은 금속을 포함하거나 그것일 수 있다. 그러나, 광 파이프 공동들(124) 사이의 금속 도광체 층(172)의 두께가 너무 크면, 금속은 광 검출기(114)에 도달하기 전에 방출 광(158)의 너무 많은 부분을 흡수할 수 있다. 너무 많은 방출 광(158)을 흡수하지 않기 위해, 광 파이프 공동들(124) 사이의 금속 도광체 층(172)의 두께는, 예를 들어, 약 100 나노미터 이하, 약 50 나노미터 이하, 또는 약 40 나노미터 이하일 수 있다.
중간 층(166)은 이미지 스택(102) 위에 배치되고, 비교적 얇은 금속 도광체 층(172)에 대한 기계적 지지를 제공한다. 도광체 층(172)은 광 파이프 공동(124)의 측벽(130) 상에서 중간 층(166) 위에 배치된다.
금속 도광체 층(172)은 광 파이프 공동(124)의 저부 표면(174) 상에 배치되지 않을 수 있다. 이는 금속 도광체 층(162)이, 심지어 100 나노미터 이하만큼 얇더라도, 그가 광 파이프 공동(124)의 저부 표면(174) 상에 배치되는 경우, 방출 광(158)의 상당한 부분이 이미지 스택(102) 내로 투과하는 것을 감소시키고 일부 경우에 심지어 투과하지 못하게 할 수 있기 때문이다.
금속 도광체 층(172)은, 예를 들어 블랭크 침착 공정, 원자 층 침착, 무전해 도금 또는 전기도금을 이용하여, 광 파이프 공동(124)의 측벽(130) 상에 코팅될 수 있다. 광 파이프 공동(124)의 저부 표면(174) 상에 우발적으로 배치되는 임의의 금속 도광체 층(172)은, 예를 들어 (반응성 이온 에칭 공정과 같은) 이방성 에칭 공정에 의해 제거될 수 있다. 이방성 에칭 공정은 광 파이프 공동(124)의 측벽(130) 상에 금속 도광체 층(172)을 남긴다.
도 13을 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 광학 필터 재료(134)가 광 파이프 공동(124) 내에 배치되고, 중간 층(166), 도광체 층(172), 복수의 광 파이프 공동(124) 및 광학 필터 재료(134)가 제1 광학 필터 스택(136)을 형성하는, 중간 제조 단계에서의 도 12의 이미지 센서 구조물(300)의 일례의 단면도가 도시되어 있다.
광학 필터 재료(134)는 그가 광 파이프 공동(124)의 측벽(130)에서 도광체 층(172)과 직접 접촉하도록 광 파이프 공동(124) 내에 배치된다. 광학 필터 재료(134)를 광 파이프 공동(124)의 측벽(130)에서 도광체 층(172)과 직접 접촉하게 하는 것은 상당한 양의 여기 광(156)이 광학 필터 재료(134)와 도광체 층(172) 사이에서 우발적으로 투과하여 아래의 광 검출기(114)에 도달할 수 없는 것을 보장한다.
광학 필터 재료(134)는 염료 기반 중합체일 수 있다. 재료(134)는 광 파이프 공동(124) 내로 스핀 코팅되거나 분무되어 베이킹되고/되거나 경화될 수 있다. 임의의 초과의 광학 필터 재료(134)는 중간 층(166)의 상부 표면(128)의 레벨까지 평탄화될 수 있다.
도 14를 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 복수의 나노웰(148)을 갖는 나노웰 층(146)이 제1 광학 필터 스택(136) 위에 배치되는, 완료된 제조 단계에서의 도 13의 이미지 센서 구조물(300)의 일례의 단면도가 도시되어 있다. 이미지 센서 구조물(300)의 모든 태양은, 중간 층(166) 및 기판 층(116)이 동일한 재료라는 것을 제외하고는, 앞서 논의된 이미지 센서 구조물(200)의 태양과 실질적으로 동일하거나 유사하다.
동작 동안, (DNA 세그먼트들의 클러스터 등과 같은) 소정 분석물(152)이 형광 표지된 분자(154)로 태깅되고 나노웰(148) 내에 배치될 수 있다. 이어서, 다양한 유형의 여기 광(156)이 나노웰(148) 내의 분석물(152) 상으로 방사되어, 표지된 분자(154)가 방출 광(158)을 형광 발광하게 할 수 있다. 방출 광(158)의 광자들의 대부분은 패시베이션 스택(150)을 통해 투과되고 그의 연관된 광 파이프 공동(124)으로 들어갈 수 있다. 광 파이프 공동(124)은 그의 광학 필터 재료(134)와 함께, 여기 광(156)의 대부분을 걸러 내고 방출 광(158)의 상당한 부분을 도광체 바로 아래에 위치된 연관된 광 검출기(114)로 지향시킬 수 있는 도광체로서 작용한다.
광 검출기(114)는 방출 광 광자(158)를 검출한다. 이어서, 디바이스 스택(104) 내의 디바이스 회로부(112)는 방출 광(158)의 그들 검출된 광자에 기초하여 데이터 신호를 처리하고 전송한다. 이어서, 데이터 신호는 분석되어 분석물(152)의 특성을 드러낼 수 있다.
이미지 센서 구조물(300)은 후면 조명식(BSI) 이미지 센서 구조물인데, 그 이유는 나노웰(148)이 이미지 센서 구조물(300)의 후면 상에 배치되고, 디바이스 스택(104)이 나노웰 층(146)과 복수의 광 검출기(114) 사이에 배치되지 않기 때문이다. 따라서, 나노웰(148)은 이미지 센서 구조물(300)의 후면으로부터 여기 광(156)에 의해 조명된다.
그러나, 디바이스 스택(104)의 위치 때문에, 디바이스 회로부(112)는 나노웰(148)로부터 연관되지 않은 광 검출기(114) 상으로 나오는 방출 광 광자(158)의 크로스토크의 감소를 돕는 데 이용가능하지 않을 수 있다. 디바이스 스택(104)의 결여를 보상하기 위해, 도광체 층(172)은 중간 층(166) 위에 배치되고, 여기 광(156) 및 방출 광(158)의 대부분이 하나의 광 파이프 공동(124)으로부터 다른 광 파이프 공동으로 투과하는 것을 차단하는 데 이용된다.
추가적으로, 도광체 층(172)은 광 파이프 공동(124)의 측벽(130)에서 광학 필터 재료(134)와 직접 접촉한다. 이와 같이, 광학 필터 재료(134)를 통과하지 않고서 광 파이프 공동(124)을 통해 투과할 수 있는 여기 광(156)은 거의 또는 전혀 없다. 광학 필터 재료(134)는 여기 광(156)을 차단하도록 그리고 방출 광(158)을 광 검출기(114)로 통과시키도록 동작한다.
광 파이프 공동(124)의 높은 종횡비(H/W)는 공동(124)을 충전하는 광학 필터 재료(134)를 기하학적으로 형상화한다. 따라서, 광 파이프 공동(124)의 높은 종횡비는 광학 필터 재료(134)에 적절한 높이(H)를 제공하는 것을 돕는데, 이는 광학 필터 재료(134)로 하여금 여기 광(156)의 상당한 부분이 통과하는 것을 차단할 수 있게 한다.
광 파이프 공동(124)의 높은 종횡비(H/W)는, 또한, 광 파이프 공동(124)의 저부 폭(W')에 비해 상당히 더 넓은 상부 폭(W)을 제공한다. 이와 같이, 광 파이프 공동(124)은, 광 검출기들(114) 사이의 피치가 예를 들어 약 0.6 내지 0.5 마이크로미터 이하만큼 작을 때에도, 방출 광(158)을 효율적으로 수집할 수 있다.
광 파이프 공동(124)의 높은 종횡비(H/W)는 약 2.5 대 1, 약 5 대 1, 약 10 대 1, 약 20 대 1 또는 그 초과만큼 높을 수 있다. 추가적으로, 측벽 각도(θ)는 광 파이프 공동(124)에서 높은 종횡비를 허용하기에 충분히 작으면서도, 광 파이프 공동의 제조를 신뢰할 수 없게 그리고/또는 과도하게 고가이게 할 정도로 크지는 않다. 광 파이프 공동(124)의 측벽 각도(θ)는 약 11도 내지 약 1.2도의 범위 내에, 약 10도 내지 약 1.5도의 범위 내에, 약 6도 내지 약 1.2도의 범위 내에, 약 3도 내지 약 1.2도의 범위 내에 그리고 약 3도 내지 약 1.5도의 범위 내에 있을 수 있다.
도 15를 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 완료된 제조 단계에서의 다른 이미지 센서 구조물(400)의 일례의 단면도가 도시되어 있다. 이미지 센서 구조물(400)은 크로스토크 차단 층(180) 및 확산 층(182)의 추가를 제외하고는 이미지 센서 구조물(200)과 유사하다.
크로스토크 층(180)은, 하나 이상의 광 파이프 공동들(124) 사이에서, 광학 필터 스택(136)의 상부 표면 위에 배치될 수 있다. 크로스토크 층(180)은 광 파이프 공동들(124) 사이의 크로스토크를 감소시키는 것을 돕는다.
크로스토크 층(180)은 금속 재료로 구성될 수 있다. 크로스토크 층(180)은 W, Al, AlSi, Cu 또는 Ta로 구성될 수 있다. 크로스토크 층 재료는 CMOS 재료를 형성할 수 있는 금속 재료를 포함할 수 있다. 층(180)의 두께는 약 20 nm 내지 150 nm의 범위 내에 있을 수 있다.
크로스토크 층(180)이 이미지 센서 구조물(400)의 이러한 예에 예시되어 있지만, 크로스토크 층(180)은 다른 이미지 센서 구조물에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 크로스토크 층(180)은 이미지 센서 구조물(100, 200, 300 또는 500(도 16 참조))의 예 중 임의의 것에 사용될 수 있다.
확산 층(182)은 광학 필터 스택(136)과 이미지 스택(102) 사이에 배치될 수 있다. 확산 층(182)은 확산 장벽으로서 사용될 수 있다. 확산 층(182)은 광학 필터 재료(134)로부터의 또는 패키징 또는 습기와 같은 다른 불순물로부터의 자유 이온의 유동을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 확산 층(182)은, 또한, 기판 층(116)의 표면을 평탄화하기 위한 평탄화 층으로서 사용될 수 있다.
확산 층(182)은 유전체 금속 산화물 재료 또는 질화물 재료로 구성될 수 있다. 확산 층(182)은, 예를 들어, SiO2, TaOx, SiN 또는 SiON으로 구성될 수 있다. 확산 층(182)의 두께는 약 50 nm 내지 약 350 nm의 범위 내에 있을 수 있다.
확산 층(182)이 이미지 센서 구조물(400)의 이러한 예에 예시되어 있지만, 확산 층(182)은 다른 이미지 센서 구조물에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 확산 층(182)은 이미지 센서 구조물(100, 200, 300 또는 500(도 16 참조))의 예들 중 임의의 것에 사용될 수 있다.
도 16을 참조하면, 본 명세서에서 설명되는 태양에 따른, 완료된 제조 단계에서의 다른 이미지 센서 구조물(500)의 일례의 단면도가 도시되어 있다. 이미지 센서 구조물(500)은 주로 그의 광학 필터 스택(136)이 이전 이미지 센서 구조물(100 내지 400)과는 상이하다.
이미지 센서 구조물(500)의 광학 필터 스택(136)에서, 도광체 층(184)은 광학 흡수성 재료로 구성된다. 광학 흡수성 재료는, 예를 들어, 이미지 센서 구조물(100 내지 400) 내의 광 파이프 공동(124)을 충전하는 데 사용되는 광학 필터 재료(134)의 재료와 동일한 재료일 수 있다. 광학 흡수성 재료는, 예를 들어, 약 1.5 내지 1.8의 범위 내의 굴절률을 가질 수 있다.
광학 필터 재료(184)는, 예를 들어, 염료가 낮은 형광을 가질 수 있는 염료-중합체 블렌드를 포함하거나 그것일 수 있다. 예를 들어, 염료는 Orasol Orange 유형 염료, Orasol Yellow 유형 염료, Solvent Yellow 유형 염료, Solvent Orange 유형 염료 또는 Solvent Red 유형 염료와 같은, 금속화된 아조 염료 복합체 등급의 구성원을 포함하거나 그것일 수 있다. 중합체는, 예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트를 포함하거나 그것일 수 있다.
추가로, 광 파이프 공동(124) 내에 배치된 광학 필터 재료(134)를 갖는 이전 이미지 센서 구조물(100 내지 400)과는 달리, 광학적으로 투명한 재료(186)가 이미지 센서 구조물(500)의 광 파이프 공동(124) 내에 배치된다. 투명 재료(186)는, 예를 들어, 오산화 탄탈륨(Ta2O5), 이산화 티타늄(TiO2) 또는 질화 실리콘(SiN)으로 구성될 수 있다.
광학적으로 투명한 재료(186)는 광학 흡수성 재료(184)의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는다. 투명 재료(186)의 굴절률은 약 1.8 내지 2.7의 범위 내의 굴절률을 가질 수 있다.
도광체 층(184)을 포함하는 광학 흡수성 재료와 광 파이프 공동(124) 내에 배치된 광학적으로 투명한 재료(186) 사이의 굴절률의 차이는 광 파이프 공동들(124) 사이의 크로스토크를 상당히 감소시키고, 광 파이프 공동을 통해 그리고 이미지 스택(102) 내의 광 검출기(114) 상으로 방출 광(158)을 안내하는 것을 돕는다. 동시에, 광학 흡수성 재료는 여기 광(156)의 대부분을 흡수하고, 여기 광(156)이 광 검출기(114)에 도달하는 것을 상당히 감소시키거나 방지하는 기능을 한다.
광 파이프 공동(124)의 높이(H) 대 광 파이프 공동의 최대 폭(W)의 비(즉, 광 파이프 공동의 실제 종횡비(AR))가 클수록, 도광체 층(184) 내의 광학 흡수성 재료에 의해 흡수될 수 있는 여기 광(156)의 양이 많아진다. 따라서, 종횡비는 높을 수 있다. 예를 들어, 광 파이프 공동의 종횡비는 여기 광(156)의 흡수를 최적화하기 위해 약 2.5 대 1 이상; 5 대 1 이상; 10 대 1 이상; 15 대 1 이상; 또는 20 대 1 이상일 수 있다.
그러나, 본 명세서에서 앞서 논의된 바와 같이, 측벽 각도(θ)는 광 파이프 공동이 합리적으로 제조가능할 수 있게 하는 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 측벽 각도는 약 1.2도 내지 약 11도, 약 1.2도 내지 약 6도, 약 1.2도 내지 약 3도, 약 1.5도 내지 약 11도, 약 1.5도 내지 약 6도 또는 약 1.5도 내지 약 3도의 범위 내에 있을 수 있다.
게다가, 도광체 층(184)을 포함하는 광학 흡수성 재료가 광 파이프 공동의 측벽(130)에서 광 파이프 공동(124) 내에 배치된 광학적으로 투명한 재료(186)와 직접 접촉하는 것이 중요하다. 직접 접촉함으로써, 맞닿는 광학 흡수성 재료와 광학적으로 투명한 재료(186) 사이의 굴절의 차이는 방출 광(158)을 광 검출기(114)로 아래로 안내하는 것을 돕는다. 추가적으로, 광학 흡수성 재료와 광학적으로 투명한 재료가 직접 접촉함으로써, 2개의 재료들 사이에서 방사되어 우발적으로 광 검출기(114)에 도달하는 여기 광(156)이 더 적을 수 있다.
필터 스택(136)은, 또한, 광 파이프 공동들(124) 사이의 도광체 층(184) 내에 배치되는 금속 크로스토크 커튼(188)을 포함한다. 크로스토크 커튼(188)은 광학 필터 스택(136)의 상부 표면으로부터 그리고 도광체 층(184) 내로 하향으로 연장된다. 크로스토크 커튼(188)은 광 파이프 공동들(124) 사이의 크로스토크를 추가로 감소시키는 기능을 한다. 크로스토크 커튼(188)은 광 파이프 공동들(124) 사이의 임의의 크로스토크를 미미한 레벨로 감소시키는 것을 돕기 위해 크로스토크 층(180)과 함께 작용할 수 있다.
또한, 크로스토크 층(180)과 마찬가지로, 크로스토크 커튼(188)은 임의의 이미지 센서 구조물 상에 사용될 수 있다. 예를 들어, 크로스토크 커튼은 이미지 센서 구조물(100 내지 400) 상에 사용될 수 있다.
크로스토크 커튼(188)은 금속 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 크로스토크 커튼(188)은 W, Al, AlSi, Cu, Ta 또는 다른 CMOS 호환성 금속으로 구성될 수 있다.
크로스토크 커튼(188)이 이미지 센서 구조물(500)의 이러한 예에 예시되어 있지만, 크로스토크 커튼(188)은 다른 이미지 센서 구조물에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 크로스토크 커튼(188)은 이미지 센서 구조물(100, 200, 300 또는 400)의 예들 중 임의의 것에 사용될 수 있다.
이미지 센서 구조물(500)의 필터 스택(136)은, 또한, 광 파이프 공동(124)의 저부에 배치될 수 있고 확산 층(182)을 관통할 수 있는 광 파이프 연장부(190)를 포함할 수 있다. 광 파이프 연장부(190)는 약 1.7 내지 2.1의 굴절률을 갖는, 질화 실리콘(SiN)과 같은 질화물로 구성될 수 있다.
광 파이프 연장부(190)는 확산 층(182)의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는다. 예를 들어, 확산 층(182)은 약 1.4 내지 1.55의 굴절률을 갖는 SiO2로 구성될 수 있다. 그렇다면, 질화 실리콘(SiN)을 포함하는 광 파이프 연장부(190)가 적절할 수 있는데, 그 이유는 SiN이 약 1.7 내지 2.1의 굴절률을 갖기 때문이다. 광 파이프 연장부(190)의 굴절률이 확산 층(182)의 굴절률보다 큰 것은 방출 광(158)을 방출 광이 광 파이프 연장부(190)보다는 확산 층(182)을 통과하는 경우보다 더 잘 광 검출기(114) 상에 집속시키는 것을 돕는다.
광 파이프 연장부(190)가 이미지 센서 구조물(500)의 이러한 예에 예시되어 있지만, 광 파이프 연장부(190)는 다른 이미지 센서 구조물에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 광 파이프 연장부(190)는 이미지 센서 구조물(100, 200, 300 또는 400)의 예들 중 임의의 것에 사용될 수 있다.
본 명세서에서 더 상세히 논의되는 전술한 개념들 및 추가의 개념들의 모든 조합은 (그러한 개념들이 상호 불일치하지 않는다면) 본 명세서에 개시된 발명 요지의 일부인 것으로 그리고 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 이익 및 이점을 달성하기 위해 고려됨이 이해되어야 한다. 특히, 본 명세서의 끝부분에 나타나는 청구된 발명 요지의 모든 조합은 본 명세서에 개시된 발명 요지의 일부인 것으로 고려된다.
본 발명이 특정 예들을 참조하여 설명되었지만, 설명된 본 발명의 개념의 사상 및 범주 내에서 많은 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 설명된 예들로 제한되지 않고, 그는 하기의 청구범위의 언어에 의해 정의되는 전체 범주를 갖는 것으로 의도된다.
Claims (50)
- 이미지 센서 구조물로서,
디바이스 스택 위에 배치되는 이미지 스택 - 상기 이미지 스택은 복수의 광 검출기를 포함함 -;
상기 이미지 스택 위에 배치되는 제1 광학 필터 스택 - 상기 제1 광학 필터 스택은:
도광체 층, 및
상기 도광체 층 내에 배치되는 광 파이프 공동으로서, 각각의 광 파이프 공동은 상기 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관되고, 각각의 광 파이프 공동은 약 2.5 대 약 1 초과인 종횡비를 갖는, 상기 광 파이프 공동을 포함함 -;
상기 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는 나노웰 층(nanowell layer); 및
상기 나노웰 층 내에 배치되는 복수의 나노웰 - 각각의 나노웰은 상기 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관됨 - 을 포함하는, 이미지 센서 구조물. - 제1항에 있어서, 상기 광 파이프 공동은 약 11도 내지 약 1.2도의 범위 내에 있는 측벽 각도를 갖는, 이미지 센서 구조물.
- 제1항에 있어서, 상기 광 파이프 공동 내에 배치되는 광학 필터 재료를 포함하고, 상기 광학 필터 재료는 상기 광 파이프 공동의 측벽에서 상기 도광체 층과 직접 접촉하는, 이미지 센서 구조물.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는 제2 광학 필터 스택을 포함하고;
상기 제1 광학 필터 스택 및 상기 제2 광학 필터 스택은 상기 제1 필터 스택 및 상기 제2 필터 스택 중 어느 하나보다 큰 전체 종횡비를 갖는, 이미지 센서 구조물. - 제1항에 있어서, 상기 도광체 층은 중합체 재료, 반도체 재료 및 유전체 재료 중 하나로 구성되는, 이미지 센서 구조물.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 광학 필터 스택은:
상기 이미지 스택 위에 배치되는 중간 층; 및
상기 중간층 위에 배치되는 상기 도광체 층을 포함하고;
상기 도광체 층은, 상기 광 파이프 공동의 측벽 상에 배치되고 상기 광 파이프 공동의 저부 표면 상에 배치되지 않는 금속 층이며;
상기 도광체 층은 약 100 나노미터 이하의 두께를 갖는, 이미지 센서 구조물. - 제6항에 있어서, 상기 이미지 스택은:
상기 복수의 광 검출기 위에 배치되는 기판 층 - 상기 기판 층은 방출 광 및 여기 광을 통과시키도록 동작함 -;
상기 기판 층 내에 배치되는 복수의 격리 트렌치(isolation trench) - 각각의 격리 트렌치는 상기 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기에 인접하게 배치됨 -; 및
각각의 격리 트렌치 내에 배치되는 유전체 재료 - 상기 유전체 재료는 상기 복수의 광 검출기들 중 각각의 광 검출기를 전기적으로 격리시키도록 동작함 - 를 포함하는, 이미지 센서 구조물. - 제7항에 있어서, 상기 제1 광학 필터 스택 내에 배치된 상기 중간 층 및 상기 이미지 스택의 기판 층은 동일한 재료로 구성되는, 이미지 센서 구조물.
- 제8항에 있어서, 상기 중간 층 및 상기 기판 층은 실리콘으로 구성되는, 이미지 센서 구조물.
- 제1항에 있어서,
광학 흡수성 재료로 구성되는 상기 도광체 층; 및
상기 광 파이프 공동 내에 배치되는 광학적으로 투명한 재료 - 상기 광학적으로 투명한 재료는 상기 광학 흡수성 재료의 굴절률보다 큰 굴절률을 가짐 - 를 포함하는, 이미지 센서 구조물. - 제1항에 있어서,
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 상기 광학 필터 스택의 상부 표면 위에 배치되는 크로스토크 층(crosstalk layer);
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 상기 광학 필터 스택의 상부 표면으로부터 아래로 연장되는 크로스토크 커튼(crosstalk curtain);
상기 광학 필터 스택과 상기 이미지 스택 사이에 배치되는 확산 층; 및
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동의 저부에 배치되는 광 파이프 연장부 - 상기 광 파이프 연장부는 상기 확산 층을 통해 연장됨 - 를 포함하는, 이미지 센서 구조물. - 제3항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 파이프 공동은 약 11도 내지 약 1.2도의 범위 내에 있는 측벽 각도를 갖는, 이미지 센서 구조물.
- 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 파이프 공동 내에 배치되는 광학 필터 재료를 포함하고, 상기 광학 필터 재료는 상기 광 파이프 공동의 측벽에서 상기 도광체 층과 직접 접촉하는, 이미지 센서 구조물.
- 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는 제2 광학 필터 스택을 포함하고;
상기 제1 광학 필터 스택 및 상기 제2 광학 필터 스택은 상기 제1 필터 스택 및 상기 제2 필터 스택 중 어느 하나보다 큰 전체 종횡비를 갖는, 이미지 센서 구조물. - 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도광체 층은 중합체 재료, 반도체 재료 및 유전체 재료 중 하나로 구성되는, 이미지 센서 구조물.
- 제7항에 있어서, 상기 중간 층 및 상기 기판 층은 실리콘으로 구성되는, 이미지 센서 구조물.
- 제11항에 있어서,
광학 흡수성 재료로 구성되는 상기 도광체 층; 및
상기 광 파이프 공동 내에 배치되는 광학적으로 투명한 재료 - 상기 광학적으로 투명한 재료는 상기 광학 흡수성 재료의 굴절률보다 큰 굴절률을 가짐 - 를 포함하는, 이미지 센서 구조물. - 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 상기 광학 필터 스택의 상부 표면 위에 배치되는 크로스토크 층;
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 상기 광학 필터 스택의 상부 표면으로부터 아래로 연장되는 크로스토크 커튼;
상기 광학 필터 스택과 상기 이미지 스택 사이에 배치되는 확산 층; 및
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동의 저부에 배치되는 광 파이프 연장부 - 상기 광 파이프 연장부는 상기 확산 층을 통해 연장됨 - 를 포함하는, 이미지 센서 구조물. - 이미지 센서 구조물로서,
디바이스 스택 위에 배치되는 이미지 스택 - 상기 이미지 스택은 복수의 광 검출기를 포함함 -;
상기 이미지 스택 위에 배치되는 제1 광학 필터 스택 - 상기 제1 광학 필터 스택은:
도광체 층,
상기 도광체 층 내에 배치되는 광 파이프 공동으로서, 각각의 광 파이프 공동은 상기 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관되는, 상기 광 파이프 공동, 및
상기 광 파이프 공동 내에 배치되는 광학 필터 재료로서, 상기 광학 필터 재료는 상기 광 파이프 공동의 측벽에서 상기 도광체 층과 직접 접촉하는, 상기 광학 필터 재료를 포함함 -;
상기 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는 나노웰 층; 및
상기 나노웰 층 내에 배치되는 복수의 나노웰 - 각각의 나노웰은 상기 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관됨 - 을 포함하는, 이미지 센서 구조물. - 제19항에 있어서, 상기 광 파이프 공동은 약 2.5 대 약 1 초과인 종횡비를 갖는, 이미지 센서 구조물.
- 제20항에 있어서, 상기 광 파이프 공동은 약 11도 내지 약 1.2도의 범위 내에 있는 측벽 각도를 갖는, 이미지 센서 구조물.
- 제19항에 있어서, 상기 도광체 층은 중합체 재료, 반도체 재료 및 유전체 재료 중 하나를 포함하는, 이미지 센서 구조물.
- 제19항에 있어서, 상기 제1 광학 필터 스택은:
상기 이미지 스택 위에 배치되는 중간 층; 및
상기 중간층 위에 배치되는 상기 도광체 층을 포함하고;
상기 도광체 층은, 상기 광 파이프 공동의 측벽 상에 배치되고 상기 광 파이프 공동의 저부 표면 상에 배치되지 않는 금속 층이며;
상기 도광체 층은 약 100 나노미터 이하의 두께를 갖는, 이미지 센서 구조물. - 제23항에 있어서, 상기 이미지 스택은:
상기 복수의 광 검출기 위에 배치되는 기판 층 - 상기 기판 층은 방출 광 및 여기 광을 통과시키도록 동작함 -;
상기 기판 층 내에 배치되는 복수의 격리 트렌치 - 각각의 격리 트렌치는 상기 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기에 인접하게 배치됨 -; 및
각각의 격리 트렌치 내에 배치되는 유전체 재료 - 상기 유전체 재료는 상기 복수의 광 검출기들 중 각각의 광 검출기를 전기적으로 격리시키도록 동작함 - 를 포함하는, 이미지 센서 구조물. - 제24항에 있어서, 상기 제1 광학 필터 스택 내에 배치된 상기 중간 층 및 상기 이미지 스택 내에 배치된 상기 기판 층은 동일한 재료로 구성되는, 이미지 센서 구조물.
- 제19항에 있어서,
상기 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는 제2 광학 필터 스택을 포함하고;
상기 제1 광학 필터 스택 및 상기 제2 광학 필터 스택은 상기 제1 필터 스택 및 상기 제2 필터 스택 중 어느 하나보다 큰 전체 종횡비를 갖는, 이미지 센서 구조물. - 제19항에 있어서,
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 상기 광학 필터 스택의 상부 표면 위에 배치되는 크로스토크 층;
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 상기 광학 필터 스택의 상부 표면으로부터 아래로 연장되는 크로스토크 커튼;
상기 광학 필터 스택과 상기 이미지 스택 사이에 배치되는 확산 층; 및
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동의 저부에 배치되는 광 파이프 연장부 - 상기 광 파이프 연장부는 상기 확산 층을 통해 연장됨 - 를 포함하는, 이미지 센서 구조물. - 제21항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 파이프 공동은 약 2.5 대 약 1 초과인 종횡비를 갖는, 이미지 센서 구조물.
- 제22항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 파이프 공동은 약 11도 내지 약 1.2도의 범위 내에 있는 측벽 각도를 갖는, 이미지 센서 구조물.
- 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 도광체 층은 중합체 재료, 반도체 재료 및 유전체 재료 중 하나를 포함하는, 이미지 센서 구조물.
- 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 제1 광학 필터 스택은:
상기 이미지 스택 위에 배치되는 중간 층; 및
상기 중간층 위에 배치되는 상기 도광체 층을 포함하고;
상기 도광체 층은, 상기 광 파이프 공동의 측벽 상에 배치되고 상기 광 파이프 공동의 저부 표면 상에 배치되지 않는 금속 층이며;
상기 도광체 층은 약 100 나노미터 이하의 두께를 갖는, 이미지 센서 구조물. - 제22항, 제23항, 제26항 또는 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이미지 스택은:
상기 복수의 광 검출기 위에 배치되는 기판 층 - 상기 기판 층은 방출 광 및 여기 광을 통과시키도록 동작함 -;
상기 기판 층 내에 배치되는 복수의 격리 트렌치 - 각각의 격리 트렌치는 상기 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기에 인접하게 배치됨 -; 및
각각의 격리 트렌치 내에 배치되는 유전체 재료 - 상기 유전체 재료는 상기 복수의 광 검출기들 중 각각의 광 검출기를 전기적으로 격리시키도록 동작함 - 를 포함하는, 이미지 센서 구조물. - 제25항 또는 제27항에 있어서,
상기 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는 제2 광학 필터 스택을 포함하고;
상기 제1 광학 필터 스택 및 상기 제2 광학 필터 스택은 상기 제1 필터 스택 및 상기 제2 필터 스택 중 어느 하나보다 큰 전체 종횡비를 갖는, 이미지 센서 구조물. - 제25항에 있어서,
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 상기 광학 필터 스택의 상부 표면 위에 배치되는 크로스토크 층;
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 상기 광학 필터 스택의 상부 표면으로부터 아래로 연장되는 크로스토크 커튼;
상기 광학 필터 스택과 상기 이미지 스택 사이에 배치되는 확산 층; 및
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동의 저부에 배치되는 광 파이프 연장부 - 상기 광 파이프 연장부는 상기 확산 층을 통해 연장됨 - 를 포함하는, 이미지 센서 구조물. - 이미지 센서 구조물로서,
디바이스 스택 위에 배치되는 이미지 스택 - 상기 이미지 스택은 복수의 광 검출기를 포함함 -;
상기 이미지 스택 위에 배치되는 제1 광학 필터 스택 - 상기 제1 광학 필터 스택은:
광학 흡수성 재료로 구성되는 도광체 층,
상기 도광체 층 내에 배치되는 광 파이프 공동으로서, 각각의 광 파이프 공동은 상기 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관되는, 상기 광 파이프 공동, 및
상기 광 파이프 공동 내에 배치되는 광학적으로 투명한 재료로서, 상기 광학적으로 투명한 재료는 상기 광학 흡수성 재료의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는, 상기 광학적으로 투명한 재료를 포함함 -;
상기 제1 광학 필터 스택 위에 배치되는 나노웰 층; 및
상기 나노웰 층 내에 배치되는 복수의 나노웰 - 각각의 나노웰은 상기 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관됨 - 을 포함하는, 이미지 센서 구조물. - 제35항에 있어서, 상기 광 파이프 공동은 약 11도 내지 약 1.2도의 범위 내에 있는 측벽 각도 및 약 2.5 대 약 1 초과인 종횡비를 갖는, 이미지 센서 구조물.
- 제35항에 있어서, 상기 광학 흡수성 재료는 상기 광 파이프 공동의 측벽에서 상기 광학적으로 투명한 재료와 직접 접촉하는, 이미지 센서 구조물.
- 제35항에 있어서,
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 상기 광학 필터 스택의 상부 표면 위에 배치되는 크로스토크 층;
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 상기 광학 필터 스택의 상부 표면으로부터 아래로 연장되는 크로스토크 커튼;
상기 광학 필터 스택과 상기 이미지 스택 사이에 배치되는 확산 층; 및
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동의 저부에 배치되는 광 파이프 연장부 - 상기 광 파이프 연장부는 상기 확산 층을 통해 연장됨 - 를 포함하는, 이미지 센서 구조물. - 제37항 또는 제38항에 있어서, 상기 광 파이프 공동은 약 11도 내지 약 1.2도의 범위 내에 있는 측벽 각도 및 약 2.5 대 약 1 초과인 종횡비를 갖는, 이미지 센서 구조물.
- 제36항 또는 제38항에 있어서, 상기 광학 흡수성 재료는 상기 광 파이프 공동의 측벽에서 상기 광학적으로 투명한 재료와 직접 접촉하는, 이미지 센서 구조물.
- 제36항 또는 제37항에 있어서,
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 상기 광학 필터 스택의 상부 표면 위에 배치되는 크로스토크 층;
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동들 사이에서, 상기 광학 필터 스택의 상부 표면으로부터 아래로 연장되는 크로스토크 커튼;
상기 광학 필터 스택과 상기 이미지 스택 사이에 배치되는 확산 층; 및
상기 광 파이프 공동들 중 하나 이상의 광 파이프 공동의 저부에 배치되는 광 파이프 연장부 - 상기 광 파이프 연장부는 상기 확산 층을 통해 연장됨 - 를 포함하는, 이미지 센서 구조물. - 이미지 센서 구조물을 형성하는 방법으로서,
디바이스 스택 위에 이미지 스택을 배치하는 단계 - 상기 이미지 스택은 복수의 광 검출기를 포함함 -;
상기 이미지 스택 위에 도광체 층을 배치하는 단계;
상기 도광체 층 내에 복수의 광 파이프 공동을 에칭하는 단계 - 각각의 광 파이프 공동은 상기 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관되고, 상기 광 파이프 공동은 약 2.5 대 약 1 초과인 종횡비 및 약 11도 내지 약 1.2도의 범위 내에 있는 측벽 각도를 가짐 -;
상기 도광체 층 위에 나노웰 층을 배치하는 단계; 및
상기 나노웰 층 내에 복수의 나노웰을 배치하는 단계 - 각각의 나노웰은 상기 복수의 광 검출기들 중 하나의 광 검출기와 연관됨 - 를 포함하고;
상기 도광체 층 및 상기 복수의 광 파이프 공동은 상기 이미지 스택 위에 배치되는 제1 광학 필터 스택을 포함하는, 방법. - 제42항에 있어서,
상기 이미지 스택 위에 중간 층을 배치하는 단계; 및
상기 중간 층 위에 상기 도광체 층을 배치하는 단계를 포함하고;
상기 도광체 층은, 상기 광 파이프 공동의 측벽 상에 배치되고 상기 광 파이프 공동의 저부 표면 상에 배치되지 않는 금속 층이며;
상기 도광체 층은 약 100 나노미터 이하의 두께를 갖는, 방법. - 제42항에 있어서,
상기 광 파이프 공동 내에 광학 필터 재료를 배치하는 단계 - 상기 광학 필터 재료는 상기 광 파이프 공동의 측벽에서 상기 도광체 층과 직접 접촉함 - 를 포함하는, 방법. - 제42항에 있어서,
상기 제1 광학 필터 스택 위에 제2 광학 필터 스택을 배치하는 단계를 포함하고;
상기 제1 광학 필터 스택 및 상기 제2 광학 필터 스택은 상기 제1 필터 스택 및 상기 제2 필터 스택 중 어느 하나보다 큰 전체 종횡비를 갖는, 방법. - 제42항에 있어서,
상기 도광체 층은 광학 흡수성 재료로 구성되고;
상기 광 파이프 공동 내에 광학적으로 투명한 재료를 배치하는 단계 - 상기 광학적으로 투명한 재료는 상기 광학 흡수성 재료의 굴절률보다 큰 굴절률을 가짐 - 를 포함하는, 방법. - 제44항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이미지 스택 위에 중간 층을 배치하는 단계; 및
상기 중간 층 위에 상기 도광체 층을 배치하는 단계를 포함하고;
상기 도광체 층은, 상기 광 파이프 공동의 측벽 상에 배치되고 상기 광 파이프 공동의 저부 표면 상에 배치되지 않는 금속 층이며;
상기 도광체 층은 약 100 나노미터 이하의 두께를 갖는, 방법. - 제43항, 제45항 또는 제46항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 파이프 공동 내에 광학 필터 재료를 배치하는 단계 - 상기 광학 필터 재료는 상기 광 파이프 공동의 측벽에서 상기 도광체 층과 직접 접촉함 - 를 포함하는, 방법. - 제43항, 제44항 또는 제46항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 광학 필터 스택 위에 제2 광학 필터 스택을 배치하는 단계를 포함하고;
상기 제1 광학 필터 스택 및 상기 제2 광학 필터 스택은 상기 제1 필터 스택 및 상기 제2 필터 스택 중 어느 하나보다 큰 전체 종횡비를 갖는, 방법. - 제43항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도광체 층은 광학 흡수성 재료로 구성되고;
상기 광 파이프 공동 내에 광학적으로 투명한 재료를 배치하는 단계 - 상기 광학적으로 투명한 재료는 상기 광학 흡수성 재료의 굴절률보다 큰 굴절률을 가짐 - 를 포함하는, 방법.
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