KR20220098655A - 이미지 감지 기술을 위한 향상된 설계 - Google Patents

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Abstract

본 개시물은 집적 칩에 관한 것이다. 집적 칩은 기판 내에 배치되는 이미지 감지 엘리먼트를 포함한다. 게이트 구조물이 기판의 전면을 따라 배치된다. 기판의 후면은 이미지 감지 엘리먼트 위에 배치된 중앙 확산기를 규정하는 하나 이상의 제1 각진 표면(angled surface)을 포함한다. 기판의 후면은 중앙 확산기를 측방향으로 둘러싸는 복수의 주변 확산기들을 규정하는 제2 각진 표면들을 더 포함한다. 복수의 주변 확산기들은 중앙 확산기보다 작은 크기이다.

Description

이미지 감지 기술을 위한 향상된 설계{ENHANCED DESIGN FOR IMAGE SENSING TECHNOLOGY}
이미지 센서가 있는 집적 칩(IC, Integrated chip)들은 다양한 현대 전자 디바이스들에 사용된다. 최근 몇 년 동안 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS, Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 이미지 센서들이 널리 사용되기 시작하여 전하 결합 디바이스(CCD, Charge-coupled Device) 이미지 센서들을 대체하였다. CCD 이미지 센서들에 비해 CMOS 이미지 센서들은 낮은 전력 소비, 작은 크기, 빠른 데이터 프로세싱, 데이터 직접 출력, 및 낮은 제조 비용으로 인해 점점 더 선호되고 있다. 몇몇 타입의 CMOS 이미지 센서들은 전면 조명(FSI, front-side illuminated) 이미지 센서들 및 후면 조명(BSI, back-side illuminated) 이미지 센서들을 포함한다.
본 개시물의 양상들은 첨부 도면들과 함께 판독될 때 아래의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 업계의 표준 관행에 따라, 다양한 피처들은 실척도로 작도되지 않았다는 것을 알아야 한다. 실제로, 다양한 피처들의 치수들은 논의의 명료성을 위해 임의적으로 증가되거나 또는 감소될 수 있다.
도 1은 이미지 센서에 우수한 양자 효율을 제공하도록 구성된 상이한 크기의 확산기들을 갖는 이미지 센서 집적 칩(IC)의 몇몇 실시예들의 단면도를 예시한다.
도 2a 내지 도 2b는 상이한 입사각들에서 입사 복사선을 수신하는 개시된 이미지 센서 IC들의 몇몇 실시예들의 단면도들을 예시한다.
도 2c는 입사각의 함수로서 개시된 이미지 센서 IC의 예시적인 양자 효율의 몇몇 실시예들을 보여주는 그래프를 예시한다.
도 3a 내지 도 3b는 상이한 f 수(f-number)들을 갖는 마이크로 렌즈들을 갖는 개시된 이미지 센서 IC들의 몇몇 실시예들의 단면도들을 예시한다.
도 3c는 상이한 f 수들을 갖는 마이크로 렌즈들의 예시적인 양자 효율들의 몇몇 실시예들을 보여주는 그래프를 예시한다.
도 4a 내지 도 4b는 이미지 센서에 우수한 양자 효율을 제공하도록 구성된 상이한 크기의 확산기들을 갖는 이미지 센서 IC의 몇몇 추가 실시예들을 예시한다.
도 5a 내지 도 5b는 이미지 센서에 우수한 양자 효율을 제공하도록 구성된 상이한 크기의 확산기들을 갖는 이미지 센서 IC의 몇몇 더욱 상세한 실시예들을 예시한다.
도 6 내지 도 7은 이미지 센서에 우수한 양자 효율을 제공하도록 구성된 상이한 크기의 확산기들을 갖는 이미지 센서 IC들의 몇몇 추가 실시예들의 평면도들을 예시한다.
도 8a 내지 도 8b는 이미지 센서에 우수한 양자 효율을 제공하도록 구성된 상이한 크기의 확산기들을 갖는 이미지 센서 IC의 몇몇 추가 실시예들을 예시한다.
도 9 내지 도 20은 상이한 크기의 확산기들을 갖는 이미지 센서 IC를 형성하는 방법의 몇몇 실시예들의 단면도들을 예시한다.
도 21은 상이한 크기의 확산기들을 갖는 이미지 센서 IC를 형성하는 방법의 몇몇 실시예들의 흐름도를 예시한다.
아래의 개시내용은 제공된 주제의 상이한 피처들을 구현하기 위한 많은 상이한 실시예들 또는 예시들을 제공한다. 본 개시내용을 간략히 하기 위해 컴포넌트들 및 배열(arrangement)들의 특정 예시들이 아래에 설명된다. 물론, 이것들은 단지 예시들에 불과하며, 한정하는 것으로 의도된 것은 아니다. 예를 들어, 이후의 상세설명에서 제2 피처 상의 또는 제2 피처 위의 제1 피처의 형성은 제1 피처 및 제2 피처가 직접적으로 접촉하여 형성되는 실시예를 포함할 수 있으며, 또한 제1 피처 및 제2 피처가 직접적으로 접촉하지 않을 수 있도록 추가적인 피처들이 제1 피처와 제2 피처 사이에서 형성될 수 있는 실시예를 포함할 수 있다. 또한, 본 개시물은 상이한 예들에서 도면 번호들 및/또는 문자들을 반복할 수 있다. 이러한 반복은 간략화 및 명료화를 위한 것이지, 그러한 반복 그 자체가 개시된 다양한 실시예들 및/또는 구성 사이의 관계를 설명하는 것은 아니다.
또한, "밑에", "아래에", "하부에", "위에", "상부에" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에 예시되는 다른 엘리먼트(들) 또는 피처(들)에 대한 하나의 엘리먼트 또는 피처의 관계를 설명하기 위하여 설명의 용이성을 위해 본 명세서에서 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에 도시된 배향에 부가하여 사용시 또는 동작시 디바이스의 상이한 배향들을 포함하도록 의도된다. 장치는 다른 방식으로 배향될 수 있거나(90도 또는 다른 배향으로 회전될 수 있음), 본 명세서에서 사용된 공간적으로 상대적인 디스크립터는 그에 따라 유사하게 해석될 수 있다.
최근 몇 년 동안 근적외선(NIR, near-infrared radiation)(예를 들어, 약 900 nm 내지 약 2,500 nm의 파장을 갖는 복사선)을 검출할 수 있는 능력을 갖춘 이미지 센서 집적 칩(IC)들이 점점 보편화되고 있다. 그 이유 중 하나는 근적외선을 검출할 수 있는 이미지 센서 IC들이 가시 광선이 거의 또는 전혀 없이 효과적으로 동작할 수 있어, 이러한 이미지 센서 IC들이 기계 및/또는 야간 투시경 카메라에 이상적이기 때문이다. 또한 밤하늘은 가시 광자들보다 NIR 광자들을 더 많이 포함하기 때문에 NIR 복사선을 검출하는 이미지 센서 IC의 능력은 추가 조명(예를 들어, LED들)을 사용하지 않고도 우수한 이미지 캡처를 가능하게 하여, 이미지 센서 IC의 전력 소비를 줄이고 배터리 수명을 증가시킨다.
이미지 센서 IC들은 일반적으로 실리콘 기판 내에 배치된 이미지 감지 엘리먼트(예를 들어, 포토다이오드)를 포함한다. 그러나 실리콘의 흡수 계수는 복사선의 파장이 증가함에 따라 감소한다. 따라서 이미지 센서 IC들은 일반적으로 상대적으로 낮은 양자 효율 (예를 들어 픽셀 영역 내의 이미지 감지 엘리먼트에 의해 발생된 전기 신호에 기여하는 광자들의 수 대 픽셀 영역 상에 입사하는 광자들의 수의 비율)로 NIR 복사선을 검출할 수 있다.
후면 조명(BSI) 이미지 센서들의 양자 효율은 실리콘 기판의 후면을 따라 하나 이상의 확산기를 규정하는 각진 표면들을 형성하기 위해 실리콘 기판을 에칭함으로써 향상될 수 있다는 것이 인식되었다. 확산기들의 각진 표면들은 실리콘 기판의 후면으로부터 멀어지는 입사 복사선의 반사를 감소시키고 또한 실리콘 기판으로 들어가는 입사 복사선의 각도를 변경하도록 구성된다. 실리콘 기판으로 들어가는 입사 복사선의 각도를 변경함으로써, 복사선은 실리콘 기판 내에서 더 긴 경로를 이동하여 흡수 및 양자 효율을 증가시킬 것이다.
또한, 이미지 센서의 양자 효율은 소형 확산기들에 의한 것보다 큰 확산기들에 의해 더 많이 향상될 것이라는 점이 인식되었다. 예를 들어, 픽셀 영역의 중앙에 큰 확산기(예를 들어, NIR 복사선의 파장과 유사한 폭을 갖는 확산기)를 배치하면 동일한 면적을 커버하는 여러 개의 작은 확산기들(예를 들어, NIR 복사선의 파장보다 실질적으로 작은 폭을 갖는 확산기들)보다 더 나은 양자 효율을 제공할 것이다. 그러나, 픽셀 영역들의 크기는 종종 상대적으로 작기 때문에(예를 들어, 약 2 μm 내지 약 3 μm), 큰 확산기들이 배치될 수 있는 픽셀 영역의 면적은 제한된다. 예를 들어, 픽셀 영역의 중앙에 큰 확산기를 배치해도 픽셀 영역 내에 추가의 큰 확산기들을 위한 공간이 생기지 않는 경우가 많다. 더욱이, 픽셀 영역의 중앙에 배치된 큰 확산기는 작은 입사각에 대해 우수한 양자 효율을 제공할 것이지만, 큰 확산기는 더 큰 입사각들에 대해 우수한 양자 효율을 제공하지 않을 것이다. 이는 입사 복사선의 각도가 증가함에 따라 입사 복사선의 초점이 중앙 집중형 큰 확산기로부터 멀어지고 픽셀 영역의 주변 쪽으로 이동하기 때문이다.
몇몇 실시예들에서, 본 개시내용은 픽셀 영역 내에 각진 표면들을 포함하는 후면을 갖는 기판을 포함하는 이미지 센서 집적 칩(IC)에 관한 것이다. 각진 표면들은 복수의 주변 확산기들에 의해 둘러싸인 중앙 확산기를 규정한다. 중앙 확산기는 복수의 주변 확산기들다 더 큰 크기(예를 들어, 깊이 및/또는 폭)를 가지므로, 중앙 확산기는 작은 입사각(예를 들어, 대략 -10 ° 내지 대략 10 °)에서 우수한 양자 효율을 이미지 센서 IC에 제공할 수 있다. 또한, 복수의 주변 확산기들은 더 큰 입사각들(예를 들어, 약 -10 ° 미만 그리고 약 10 ° 초과)에서 우수한 양자 효율을 이미지 센서 IC에 제공할 수 있다. 따라서, 중앙 확산기와 복수의 주변 확산기들의 조합은 광범위한 입사각에 걸쳐 우수한 양자 효율을 갖는 이미지 센서 IC를 집합적으로 제공한다.
도 1a는 이미지 센서에 우수한 양자 효율을 제공하도록 구성된 상이한 크기의 확산기들을 갖는 이미지 센서 집적 칩(IC)(100)의 몇몇 실시예들을 예시한다.
이미지 센서 IC(100)는 하나 이상의 격리 영역(106)에 의해 둘러싸인 픽셀 영역(104)을 갖는 기판(102)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 기판(102)은 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비화물, 또는 다른 반도체 재료를 포함할 수 있다. 이미지 감지 엘리먼트(108)는 픽셀 영역(104) 내의 기판(102)에 배치된다. 이미지 감지 엘리먼트(108)는 입사 복사선(예를 들어, 광자)을 전기 신호로 (즉, 입사 방사선으로부터 전자-정공 쌍을 생성하기 위해) 변환하도록 구성된다. 다양한 실시예들에서, 이미지 감지 엘리먼트(108)는 포토다이오드, 광 검출기 등을 포함할 수 있다.
기판(102)은 전면(102f) 및 후면(102b)을 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 게이트 구조물(110)은 기판(102)의 전면(102f)을 따라 그리고 픽셀 영역(104) 내에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 게이트 구조물(110)은 전송 트랜지스터, 소스-팔로워 트랜지스터, 행 선택 트랜지스터 및/또는 리셋 트랜지스터에 대응할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 유전체 구조물(112)은 또한 기판(102)의 전면(102f)을 따라 그리고 하나 이상의 게이트 구조물(110) 상에 배열된다. 유전체 구조물(112)은 복수의 도전성 상호연결 층들(114)을 둘러싼다.
기판(102)의 후면(102b)은 픽셀 영역(104) 내에 복수의 각진 표면들(103a-103b)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 격리 영역(106)은 기판(102)의 후면(102b) 내에 배열되고 픽셀 영역(104)을 측방향으로 둘러싸는 하나 이상의 격리 트렌치(107)를 포함할 수 있다. 반사 방지 재료(120)는 기판(102)의 후면(102b)을 따라 배치된다. 반사 방지 재료(120)는 복수의 각진 표면들(103a-103b)을 라이닝하고 하나 이상의 격리 트렌치(107)로 연장된다. 하나 이상의 유전체 재료(122)가 반사 방지 재료(120) 상에 배치된다. 하나 이상의 유전체 재료(122)는 또한 하나 이상의 격리 트렌치(107) 내로 그리고 복수의 각진 표면들(103a-103b) 사이에서 직접 연장될 수 있다.
컬러 필터(124)는 하나 이상의 유전체 재료(122) 상에 배열된다. 컬러 필터(124)는 특정 파장의 입사 복사선을 투과시키도록 구성된다. 예를 들어, 컬러 필터(124)는 제1 범위(예를 들어, 녹색 광에 대응) 내의 파장을 갖는 복사선을 투과시키는 반면, 제1 범위와 상이한 제2 범위(예를 들어, 적색 광에 대응) 내의 파장을 갖는 복사선을 반사하는 등의 동작을 하도록 구성될 수 있다. 마이크로 렌즈(126)는 컬러 필터(124) 상에 배치된다. 몇몇 실시예들에서, 마이크로 렌즈(126)는 컬러 필터(124)와 측방향로 정렬될 수 있고 픽셀 영역(104) 위에 실질적으로 중앙에 위치할 수 있다.
복수의 각진 표면들(103a-103b)은 상이한 크기를 갖는 복수의 테이퍼드 캐비티들을 규정한다. 복수의 테이퍼드 캐비티들은 광 확산기들 및/또는 공진 캐비티들로서 작용하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 제1 각진 표면들(103a)은 중앙 확산기(116)를 규정하는 제1 테이퍼드 캐비티를 형성하고, 제2 각진 표면들(103b)은 중앙 확산기(116)를 측방향으로 둘러싸는 복수의 주변 확산기들(118)을 규정하는 제2 테이퍼드 캐비티들을 형성한다. 중앙 확산기(116)는 복수의 주변 확산기들(118)의 각각의 주변 확산기보다 큰 크기(예를 들어, 깊이 및/또는 폭)를 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 중앙 확산기(116)는 이미지 감지 엘리먼트(108) 바로 위에 배열될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 중앙 확산기(116)는 복수의 주변 확산기들(118)의 각각의 주변 확산기보다 마이크로 렌즈(126)의 중심에 더 가깝다. 몇몇 실시예들에서, 중앙 확산기(116)는 마이크로 렌즈(126)의 중앙 바로 아래에 배치된다.
작동 중에, 마이크로 렌즈(126)는 입사 복사선(128)(예를 들어, 근적외선 복사선)을 이미지 감지 엘리먼트(108)를 향해 초점을 맞추도록 구성된다. 임계각보다 큰 각도로 기판(102)을 타격하는 입사 복사선(128)의 경우, 복수의 각진 표면들(103a-103b)은 입사 복사선(128)을 중앙 확산기(116) 내로 또는 복수의 주변 확산기들(118) 내로 반사하도록 작용할 수 있으며, 여기서 입사 복사선(128)의 일부는 기판(102)의 다른 표면을 타격하고 후속하여 기판(102) 내로 들어갈 수 있다. 입사 복사선(128)이 기판(102)의 다수의 각진 표면들로부터 반사되기 때문에, 입사 복사선(128)은 상이한 각도로 기판(102)에 들어갈 것이다(예를 들어, 입사 복사선(128)이 확산될 것이다). 상이한 각도들은 입사 복사선(128)의 일부가 기판(102)에서 입사 복사선(128)의 경로 길이를 증가시키는 각도들을 따라 기판(102)에 진입하는 것을 허용한다. 기판(102)에서 입사 복사선(128)의 경로 길이를 증가시킴으로써, 기판(102)에 의한 입사 복사선(128)의 흡수가 증가된다.
입사 복사선(128)의 초점은 입사 복사선(128)의 입사각(θ)에 따라 변화(예를 들어, 측방향으로 이동)할 것이다. 예를 들어, 작은 입사각(θ)에서 마이크로 렌즈(126)는 입사 복사선(128)을 중앙 확산기(116)를 향해 초점을 맞추는 반면, 더 큰 입사각(θ)에서 마이크로 렌즈(126)는 입사 복사선(128)을 복수의 주변 확산기들(118) 중 하나 이상을 향해 초점을 맞출 수 있다. 중앙 확산기(116)는 기판(102)이 작은 입사각에서 입사 복사선(128)을 효과적으로 흡수하는 것을 허용하는 반면, 복수의 주변 확산기들(118)은 기판(102)이 중앙 확산기(116)보다 큰 입사각에서 복사선을 효과적으로 흡수할 수 있게 한다. 따라서, 중앙 확산기(116)를 복수의 주변 확산기들(118)로 둘러싸는 것은 광범위한 입사각에 걸쳐 우수한 양자 효율을 이미지 감지 엘리먼트(108)에 제공한다.
도 2a 내지 도 2c는 입사각 범위에 걸쳐 입사 복사선을 수신하는 개시된 이미지 센서 IC의 예시적인 동작의 몇몇 실시예들을 예시한다. 도 2a 내지 도 2b에 도시된 입사 복사선은 단순화된 광선 다이어그램으로 예시되고 상이한 각도들로 배향된 입사 복사선에 대한 마이크로 렌즈의 효과를 나타내기 위한 것임을 알 수 있을 것이다. 입사 복사선은 입사 복사선에서 발생할 수 있는 다른 변화들(예를 들어, 기판(102)에서의 입사 복사선의 반사, 기판(102)에서의 입사 복사선의 굴절 등)을 예시하지 않는다.
도 2a는 제1 입사각에서 입사 복사선을 수신하는 개시된 이미지 센서 IC의 몇몇 실시예들의 단면도(200)를 예시한다.
단면도(200)에 도시된 바와 같이, 이미지 센서 IC는 기판(102)의 픽셀 영역(104) 내에 배치되는 이미지 감지 엘리먼트(108)를 포함한다. 중앙 확산기(116) 및 복수의 주변 확산기들(118)은 기판(102)의 후면(102b)을 따라 배치된다. 마이크로 렌즈(126)는 또한 기판(102)의 후면(102b) 상에 배치된다.
마이크로 렌즈(126)는 (광축(203)에 대해 측정되는) 제1 입사각(θ1)에서 입사 복사선(202)을 수신하고 픽셀 영역(104)의 중앙 부분 내의 제1 포인트(204)를 향해 입사 복사선(202)의 초점을 맞춘다. 제1 입사각(θ1)이 0 °보다 큰 경우(즉, 입사 복사선(202)이 광축(203)에 평행하지 않은 경우), 제1 포인트(204)는 광축(203)으로부터 측방향으로 분리되는 포인트에서 초점 평(205) 상에 배치될 것이다. 제1 포인트(204)가 픽셀 영역(104)의 중앙 부분 내에 있기 때문에, 많은 양의 입사 복사선(202)이 중앙 확산기(116)에 의해 수신된다. 따라서, 중앙 확산기(116)는 입사 복사선(202)이 제1 입사각(θ1)에서 수신될 때 우수한 양자 효율을 이미지 감지 엘리먼트(108)에 제공할 수 있다.
도 2b는 제1 입사각보다 큰 제2 입사각에서 입사 복사선을 수신하는 개시된 이미지 센서 IC의 몇몇 실시예들의 단면도(206)를 예시한다.
단면도(206)에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈(126)는 제1 입사각(도 2a의 θ1)보다 큰 제2 입사각(θ2)에서 입사 복사선(208)을 수신한다. 마이크로 렌즈(126)는 제2 포인트(210)를 향해 입사 복사선(208)의 초점을 맞춘다. 제2 입사각(θ2)이 제1 입사각(θ1)보다 크기 때문에, 제2 포인트(210)는 제1 포인트(도 2a의 204)보다 광축(203)으로부터 더 먼 거리에서 초점 평면(205) 상에 배치되어, 제1 포인트(도 2a의 204)보다 픽셀 영역(104)의 에지에 더 가까운 제2 포인트(210)를 초래한다. 제2 포인트(210)가 제1 포인트(도 2a의 204)보다 픽셀 영역(104)의 에지에 더 가깝기 때문에, 중앙 확산기(116)에 의한 것보다 복수의 주변 확산기들(118)에 의해 더 많은 입사 복사선(208)이 수신된다. 따라서, 복수의 주변 확산기들(118)은 입사 복사선(208)이 제1 입사각(θ1)보다 큰 제2 입사각(θ2)에서 수신될 때 우수한 양자 효율을 이미지 감지 엘리먼트(108)에 제공할 수 있다.
도 2c는 입사 복사선의 입사각의 함수로서 개시된 이미지 센서 IC의 예시적인 양자 효율의 몇몇 실시예들을 보여주는 그래프(212)를 예시한다.
그래프(212)에 도시된 바와 같이, 픽셀 영역의 중앙에 큰 중앙 확산기를 갖는 이미지 센서 IC는 제1 라인에 의해 도시된 양자 효율(214)을 가질 것인 반면, 픽셀 영역 위에 더 작은 확산기들의 어레이를 갖는 이미지 센서 IC는 제2 라인에 의해 도시된 양자 효율(216)을 가질 것이다. 약 -10 ° 내지 약 10 °의 입사각 내에서, 큰 중앙 확산기에 의해 제공되는 양자 효율(214)은 더 작은 확산기들의 어레이에 의해 제공되는 양자 효율(216)보다 큰 반면, 약 10 °보다는 크고 약 -10 °보다는 작은 입사각에서, 더 작은 확산기들의 어레이에 의해 제공되는 양자 효율(216)은 큰 중앙 확산기에 의해 제공되는 양자 효율(216)보다 크다.
라인(218)은 (예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이) 복수의 주변 확산기들에 의해 둘러싸인 큰 중앙 확산기를 갖는 픽셀 영역을 가진 이미지 센서 IC의 양자 효율을 도시한다. 큰 중앙 확산기는 이미지 센서 IC가 우수한 양자 효율로 작은 입사각에서 입사 복사선을 흡수하게 한다. 몇몇 실시예들에서, 이미지 센서 IC의 양자 효율은 대략 -10 ° 내지 대략 10 ° 범위의 입사각에서 대략 50 %보다 큰 최대 값을 갖는다. 뿐만 아니라, 복수의 주변 확산기들은 이미지 센서 IC가 우수한 양자 효율로 큰 입사각에서 입사 복사선을 흡수하게 한다. 예를 들어, 라인(218)에 도시된 바와 같이, 이미지 센서 IC는 대략 -20 ° 내지 대략 20 °인 입사각을 갖는 입사 복사선에 대해 대략 45 %보다 큰 양자 효율을 가질 수 있다. 따라서, 개시된 이미지 센서 IC는 광범위한 입사각에 걸쳐 우수한 양자 효율을 제공할 수 있다.
광범위한 입사각에 걸쳐 우수한 양자 효율을 제공하는 것 외에도, 개시된 상이한 크기의 확산기들은 또한 상이한 f 수들(즉, 마이크로 렌즈의 직경에 대한 마이크로 렌즈의 초점 거리의 비율)을 갖는 마이크로 렌즈들을 가진 이미지 센서 IC들에 및/또는 조정가능한 f 수를 가진 마이크로 렌즈들에 우수한 양자 효율을 제공할 수 있음을 이해할 것이다. 이는 마이크로 렌즈의 f 수가 입사 복사선이 반도체 구조물의 픽셀 영역에 초점을 맞추는 방식에 영향을 미치기 때문이다.
도 3a 내지 도 3b는 상이한 f 수들(f 비율들)들을 갖는 마이크로 렌즈들을 갖는 개시된 이미지 센서 IC들의 몇몇 실시예들의 단면도들을 예시한다. 도 3a 내지 도 3b에 도시된 입사 복사선은 단순화된 광선 다이어그램으로 예시되고, 입사 복사선 상에 상이한 f 수들을 가진 마이크로 렌즈들의 효과를 나타내기 위한 것임을 알 수 있을 것이다. 입사 복사선은 입사 복사선에서 발생할 수 있는 다른 변화들(예를 들어, 기판(102)에서의 입사 복사선의 반사, 기판(102)에서의 입사 복사선의 굴절 등)을 예시하지 않는다.
도 3a의 단면도(300)에 도시된 바와 같이, 제1 f 수를 가진 제1 마이크로 렌즈(302)는 이미지 감지 엘리먼트(108)를 가진 기판(102)의 후면(102b)을 따라 배치된다. 제1 f 수는 제1 마이크로 렌즈(302)의 제1 초점 거리 및 제1 직경에 의해 정의된다. 제1 마이크로 렌즈(302)는 입사 복사선(304)을 수신하고 픽셀 영역(104)의 중앙 부분 내의 제1 초점(306)을 향해 입사 복사선(304)의 초점을 맞춘다.
마이크로 렌즈(126)의 곡면은 입사 복사선(304)의 방향을 마이크로 렌즈(126)의 중심으로부터 측방향 거리에 비례하는 각도로 변경할 것이다. 따라서, 제1 f 수를 갖는 제1 마이크로 렌즈(302)는 다량의 입사 복사선(202)이 중앙 확산기(116)에 의해 수신되도록 하는 제1 영역(308)으로 입사 복사선(304)이 수렴하게 하는 제1 각도 범위에 걸쳐 입사 복사선(304)이 초점이 맞춰지게 할 것이다. 따라서, 중앙 확산기(116)는 제1 마이크로 렌즈(302)가 제1 f 수를 가질 때 우수한 양자 효율을 이미지 감지 엘리먼트(108)에 제공할 수 있다.
도 3b의 단면도(310)에 도시된 바와 같이, 제2 마이크로 렌즈(312)는 제1 f 수보다 작은 제2 f 수를 갖는다. 제2 마이크로 렌즈(312)는 입사 복사선(314)을 수신하고 픽셀 영역(104)의 중앙 부분 내의 제2 초점(316)을 향해 입사 복사선(314)의 초점을 맞춘다. 제2 f 수가 제1 f 수보다 작기 때문에, 입사 복사선(314)은 제1 영역(도 3a의 308)보다 큰 제2 영역(318)으로 입사 복사선(314)이 수렴하게 하는 제2 각도 범위에 걸쳐 초점이 맞춰질 것이다. 제2 영역(318)이 제1 영역보다 크기 때문에, 많은 양의 입사 복사선(202)이 복수의 주변 확산기들(118)에 의해 수신된다. 따라서, 복수의 주변 확산기들(118)은 제2 마이크로 렌즈(312)가 제1 f 수보다 작은 제2 f 수를 가질 때 우수한 양자 효율을 이미지 감지 요소(108)에 제공할 수 있다.
도 3c는 입사각의 함수로서 양자 효율을 보여주는 그래프(320)를 예시한다. 그래프(320)에 도시된 바와 같이, 픽셀 영역의 중앙에 큰 중앙 확산기를 갖는 이미지 센서 IC는 제1 라인에 의해 도시된 양자 효율(214)을 가질 것인 반면, 픽셀 영역 위에 더 작은 확산기들의 어레이를 갖는 이미지 센서 IC는 제2 라인에 의해 도시된 양자 효율(216)을 가질 것이다. 라인(218)은 (예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이) 복수의 주변 확산기들에 의해 둘러싸인 큰 중앙 확산기를 갖는 픽셀 영역을 가진 이미지 센서 IC의 양자 효율을 도시한다.
그래프(320)에 의해 또한 도시된 바와 같이, 제1 마이크로 렌즈(예를 들어, 302)에 의해 제1 영역(예를 들어, 308)에 초점이 맞춰진 입사 복사선은 제1 입사각 범위(322)에 걸쳐있는 반면, 제2 마이크로 렌즈(예를 들어, 312)에 의해 제2 영역(예를 들어, 318)에 초점이 맞춰진 입사 복사선은 제1 입사각 범위(322)보다 큰 제2 입사각 범위(324)에 걸쳐있을 것이다. 몇몇 실시예들에서, 제1 입사각 범위(322)는 대략 -10 ° 내지 대략 10 ° 일 수 있는 반면, 제2 입사각 범위(324)는 대략 -30 ° 내지 대략 30 ° 일 수 있다. 중앙 확산기는 약 -10 ° 내지 약 10 ° 의 입사각에서 우수한 양자 효율을 제공할 수 있기 때문에, 개시된 이미지 센서 IC는 큰 f 수(예를 들어, 대략 f/3 이상의 f 수)를 갖는 마이크로 렌즈들에 대해 우수한 양자 효율을 제공할 수 있다. 더욱이, 복수의 주변 확산기들(118)이 더 큰 입사각들에서 우수한 양자 효율을 제공할 수 있기 때문에, 개시된 이미지 센서 IC는 또한 더 작은 f 수(예를 들어, 대략 f/0.9 이상의 f 수)를 갖는 마이크로 렌즈들에 대해 우수한 양자 효율을 제공할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 상이한 크기의 확산기들은 대략 f/0.9보다 큰 f 수를 갖는 마이크로 렌즈들을 갖는 근적외선 복사선에 대해 대략 35 %보다 큰 양자 효율을 이미지 센서 IC에 제공할 수 있다.
도 4a는 상이한 크기의 확산기들을 갖는 이미지 센서 IC(400)의 몇몇 추가 실시예들의 단면도를 예시한다.
이미지 센서 IC(400)는 기판(102)의 픽셀 영역(104) 내에 배치되는 이미지 감지 엘리먼트(108)를 포함한다. 복수의 도전성 상호연결 층들(114)은 기판(102)의 전면(102f)을 따라 배열된 유전체 구조물(112) 내에 배치된다. 몇몇 실시예들에서, 유전체 구조물(112)은 복수의 적층된 레벨 간 유전체(ILD, inter-level dielectric) 층(402a-402c)을 포함한다. 복수의 도전성 상호연결 층들(114)은 복수의 적층된 ILD 층들(402a-402c) 내에 배열되고 복수의 게이트 구조물들(110)에 전기적으로 커플링되는, 도전성 비아들 및 도전성 와이어들의 교번 층들을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 에칭 스탑 층들(404a-404b)은 복수의 적층된 ILD 층들(402a-402c) 중 인접한 층들 사이에 배열될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 복수의 적층된 ILD 층들(402a-402c)은 실리콘 이산화물, 도핑된 실리콘 이산화물(예를 들어, 탄소 도핑된 실리콘 이산화물), 실리콘 옥시질화물, 보로실리케이트 유리(BSG, borosilicate glass), 인산 실리케이트 유리(PSG, phosphoric silicate glass), 보로포스포실리케이트 유리(BPSG, borophosphosilicate glass), 불소화 실리케이트 유리(FSG, fluorinated silicate glass) 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 에칭 스탑 층들(404a-404b)은 실리콘 탄화물, 실리콘 질화물, 티타늄 질화물, 탄탈룸 질화물 등을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 도전성 상호연결 층들(114)은 텅스텐, 구리, 알루미늄 등을 포함할 수 있다.
기판(102)의 후면(102b)은 픽셀 영역(104) 내에 각진 표면들(103)을 포함한다. 각진 표면들(103)은 복수의 주변 확산기들(118)에 의해 둘러싸인 중앙 확산기(116)를 규정한다. 몇몇 실시예들에서, 중앙 확산기(116)는 제1 최대 깊이(406)를 갖고 복수의 주변 확산기들(118)은 제1 최대 깊이(406)보다 작은 하나 이상의 제2 최대 깊이(408)를 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 기판(102)은 중앙 확산기(116)와 복수의 주변 확산기(118)들 사이에서 실질적으로 평평한 표면(101)을 포함한다. 다른 실시예들에서, 중앙 확산기(116)는 복수의 주변 확산기들(118)과 직접 접촉할 수 있어, 중앙 확산기(116)와 복수의 주변 확산기들(118)을 분리시키는 거리는 존재하지 않는다.
몇몇 실시예들에서, 제1 최대 깊이(406)는 하나 이상의 제2 최대 깊이(408)의 대략 100 % 내지 대략 250 %일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 최대 깊이(406)는 대략 0.5 μm 내지 대략 0.7 μm, 대략 0.7 μm 내지 대략 1.2 μm의 범위, 또는 다른 적합한 값들일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 제2 최대 깊이(408)는 대략 0.3 μm 내지 대략 0.5 μm, 대략 0.5 μm 내지 대략 1 μm의 범위, 또는 다른 적합한 값들일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 중앙 확산기(116)를 규정하는 기판(102)의 각진 표면들(103)은 기판(102)의 후면(102b)에 대해 제1 각도(α)를 형성할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 주변 확산기들(118)을 규정하는 기판(102)의 각진 표면들(103)은 기판(102)의 후면(102b)에 대해 제2 각도(β)를 형성할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 각도(α)는 제2 각도(β)와 실질적으로 동일하다. 몇몇 실시예들에서, 제1 각도(α) 및 제2 각도(β)는 약 135 ° 내지 약 145 °의 범위에 있을 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 각도(α)는 제2 각도(β)와 상이할 수 있다.
하나 이상의 격리 트렌치(107)는 기판(102)의 후면(102b)으로부터 기판(102) 내로 연장된다. 하나 이상의 격리 트렌치(107)는 제1 최대 깊이(406) 및 하나 이상의 제2 최대 깊이(408) 모두보다 큰 제3 최대 깊이까지 기판(102) 내로 연장된다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 격리 트렌치(107)는 기판(102)을 완전히 관통하여 연장될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 격리 트렌치(107)는 각진 표면들(103)보다 기판(102)의 후면(102b)에 대해 더 작은 측벽 각도로 각진 측벽들을 갖는다. 이러한 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 격리 트렌치(107)는 단면도를 따라 볼 때, 사다리꼴 형상을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 실질적으로 평평한 표면은 복수의 주변 확산기들(118)과 하나 이상의 격리 트렌치(107) 사이에서 연장될 수 있다.
반사 방지 재료(120)는 기판(102)의 후면(102b)을 따라 배치되고 하나 이상의 격리 트렌치(107) 내로 더 연장될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 반사 방지 재료(120)는 하이-k 유전체 재료를 포함할 수 있다. 반사 방지 재료(120) 위에 제1 유전체 층(410)이 배열된다. 제1 유전체 층(410)은 픽셀 영역(104)의 양측 상의 격리 구조물들(예를 들어, 후면 깊은 트렌치 격리 구조물)을 규정하기 위해 하나 이상의 격리 트렌치(107) 내에서 연장된다. 몇몇 실시예들에서, 제1 유전체 층(410)은 산화물(예를 들어, 실리콘 산화물), 질화물 (예를 들어, 실리콘 질화물) 등을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 격자 엘리먼트(412)가 제1 유전체 층(410) 위에 매치된다. 하나 이상의 격자 엘리먼트(412)는 복사선의 측방향 전파를 차단함으로써 인접한 픽셀 영역들 사이의 혼선을 감소시키도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 격자 엘리먼트(412)는 금속(예를 들어, 알루미늄, 코발트, 구리, 은, 금, 텅스텐 등) 및/또는 유전체 재료(예를 들어, SiO2, SiN 등)를 포함할 수 있다.
제2 유전체 층(414)은 제1 유전체 층(410) 및 하나 이상의 격자 엘리먼트(412) 위에 배치된다. 몇몇 실시예들에서, 제2 유전체 층(414)은 산화물(예를 들어, 실리콘 산화물), 질화물 (예를 들어, 실리콘 질화물) 등을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 유전체 층(410) 및 제2 유전체 층(414)은 동일한 재료이다. 다른 실시예들에서, 제1 유전체 층(410) 및 제2 유전체 층(414)은 상이한 재료들을 포함할 수 있다. 컬러 필터(124)는 제2 유전체 층(414) 상에 배열되고, 마이크로 렌즈(126)는 컬러 필터(124) 상에 배열된다. 몇몇 실시예들에서, 마이크로 렌즈(126)는 대략 2 μm 내지 대략 3 μm, 대략 1.5 μm 내지 대략 2 μm의 범위, 또는 다른 적합한 값들인 길이 및 폭(416)을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 마이크로 렌즈(126)는 대략 1 μm 내지 대략 1.5 μm, 대략 0.5 μm 내지 대략 1 μm의 범위, 또는 다른 적합한 값들인 높이(418)를 가질 수 있다.
도 4b는 도 4a의 이미지 센서 IC(400)의 평면도(420)를 예시한다. 도 4a의 단면도는 도 4b의 단면 A-A'를 따라 취해진다.
평면도(420)에 도시된 바와 같이, 복수의 주변 확산기들(118)은 중앙 확산기(116)와 픽셀 영역(104)의 둘레 사이에 배열되어, 중앙 확산기(116)는 복수의 주변 확산기들(118)보다 픽셀 영역(104)의 중앙에 더 가깝다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 주변 확산기들(118)은 제1 방향(422)을 따라 그리고/또는 제1 방향(422)에 수직인 제2 방향(424)을 따라 중앙 확산기(116)의 양측을 따라서 배열될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 주변 확산기들(118)은 중앙 확산기(116)의 중앙 주위에서 실질적으로 대칭일 수 있다. 다른 실시예들(미도시)에서, 복수의 주변 확산기들(118)은 중앙 확산기(116)의 중앙 주위에서 비대칭일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 중앙 확산기(116)는 제1 방향(422)을 따라 복수의 주변 확산기들(118) 중 제1 주변 확산기(118)의 양측을 지나 측방향으로 연장되고, 제2 방향(424)을 따라 복수의 주변 확산기들(118) 중 제2 주변 확산기(118)의 양측을 지나 측방향으로 연장된다.
몇몇 실시예들에서, 중앙 확산기(116)는 픽셀 영역(104)의 중앙 위에 배열된다. 몇몇 추가적인 실시예들에서, 중앙 확산기(116)는 픽셀 영역(104) 위에 실질적으로 중앙에 위치할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 중앙 확산기(116) 및 복수의 주변 확산기들(118)은 피라미드 형상 캐비티들(예를 들어, 정사각형 피라미드, 직사각형 피라미드, 삼각형 피라미드)을 포함할 수 있다. 다른 실시예들(미도시)에서, 중앙 확산기(116) 및 복수의 주변 확산기들(118)은 원뿔 형상 캐비티, 보울 형상 캐비티 등을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 중앙 확산기(116)는 중앙 확산기(116)의 하단에 있는 포인트에서 만나는 하나 이상의 제1 각진 표면에 의해 규정되고, 복수의 주변 확산기들(118)은 복수의 주변 확산기들(118)의 하단에 있는 포인트에서 만나는 하나 이상의 제2 각진 표면에 의해 규정된다.
중앙 확산기(116)는 제1 최대 폭(426)을 갖는다. 복수의 주변 확산기들(118)은 제1 최대 폭(426)보다 작은 제2 최대 폭(428)을 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 제1 최대 폭(426)은 제2 최대 깊이(428)의 100 % 내지 대략 250 %일 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 제1 최대 폭(426)은 대략 1 μm 내지 대략 1.5 μm, 대략 1.5 μm 내지 대략 2.5 μm의 범위, 또는 다른 적합한 값들일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제2 최대 폭(428)은 대략 0.5 μm 내지 대략 1 μm, 대략 1 μm 내지 대략 2 μm의 범위, 또는 다른 적합한 값들인 깊이를 가질 수 있다.
도 4a 내지 도 4b는 단일 픽셀 영역을 예시하지만, 도 4a 내지 도 4b에 도시된 픽셀 영역은 복수의 픽셀 영역들을 포함하는 어레이의 일부일 수 있음을 이해할 것이다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 픽셀들의 어레이는 동일한 f 수를 갖는 마이크로 렌즈들을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 픽셀들의 어레이는 상이한 f 수들을 갖는 마이크로 렌즈들을 가질 수 있다.
도 5a는 상이한 크기의 확산기들을 갖는 이미지 센서 IC(500)의 단면도의 몇몇 추가 실시예들을 예시한다.
이미지 센서 IC(500)는 기판(102) 내에 배치되는 이미지 감지 엘리먼트(108)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 기판(102)은 제1 도핑 타입(예를 들어, p-타입 도핑)을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이미지 감지 엘리먼트(108)는 제2 도핑 타입(예를 들어, n-타입 도핑)을 갖는 도핑된 영역(502)을 가진 포토다이오드를 포함한다. 이미지 감지 엘리먼트(108)는 기판(102) 내에 배열된 플로팅 확산 영역(504)으로부터 측방향으로 분리된다. 몇몇 실시예들에서, 플로팅 확산 영역(504)은 제2 도핑 타입(예를 들어, n-타입도핑)을 가질 수 있다.
게이트 구조물(110)은 이미지 감지 엘리먼트(108)와 플로팅 확산 영역(504) 사이의 위치에서 기판(102) 위에 배치된다. 게이트 구조물(110)은 게이트 유전체(508)에 의해 기판(102)으로부터 분리된 도전성 게이트 전극(506)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 측벽 스페이서(510)는 도전성 게이트 전극(506)의 양측을 따라 배열된다.
몇몇 실시예들에서, 도전성 게이트 전극(506)은 폴리실리콘을 포함한다. 그러한 실시예들에서, 게이트 유전체(508)는 산화물(예를 들어, 실리콘 산화물), 질화물(예를 들어, 실리콘 질화물) 등과 같은 유전체 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 도전성 게이트 전극(506)은 알루미늄, 구리, 티타늄, 탄탈룸, 텅스텐, 몰리브덴, 코발트 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 게이트 유전체(508)는 하프늄 산화물, 하프늄 실리콘 산화물, 하프늄 탄탈룸 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물 등과 같은 하이-k 유전체 재료를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 측벽 스페이서(510)는 산화물, 질화물, 탄화물 등을 포함할 수 있다.
작동 중에, 이미지 감지 엘리먼트(108)에 부딪히는 전자기 복사선(예를 들어, 광자들)은 전하 캐리어(512)를 생성하며, 이는 도핑된 영역(502)에서 수집된다. 게이트 구조물(110)(전송 트랜지스터로 작동하도록 구성됨)가 턴온되면, 도핑된 영역(502)의 전하 캐리어들(512)은 도핑된 영역(502)과 플로팅 확산 영역(504) 사이에 존재하는 전위차의 결과로 플로팅 확산 영역(504)으로 전송된다. 전하들은 소스 팔로워 트랜지스터(516)에 의해 전압 신호들로 변환된다. 행 선택 트랜지스터(518)는 어드레싱을 위해 사용된다. 전하 전달 이전에, 플로팅 확산 영역(504)은 리셋 트랜지스터(514)를 턴온시킴으로써 미리 결정된 저 전하 상태로 설정되고, 이는 플로팅 확산 영역(504)의 전자들이 전압 소스(VDD)로 흐르게 한다. 도 5a의 픽셀 영역이 기판(102) 내에 배치된 전송 트랜지스터를 갖는 것으로 설명되었지만, 리셋 트랜지스터(514), 소스-팔로워 트랜지스터(516) 및 행 선택 트랜지스터(518)가 또한 기판(102) 내에 배열될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 5b는 도 5a의 이미지 센서 IC(500)의 몇몇 실시예들의 평면도(520)를 예시한다. 평면도(520)는 이미지 센서 IC(500)의 선택된 컴포넌트들을 도시하는 한편 도면을 명확하게 하기 위해 다른 컴포넌트들을 제외함을 이해할 것이다.
평면도(520)에 도시된 바와 같이, 격리 영역(106)은 연속적인 구조물로서 픽셀 영역(104) 주위로 연장된다. 픽셀 영역(104)은 전송 트랜지스터와 연관된 제1 게이트 구조물(522), 리셋 트랜지스터와 연관된 제2 게이트 구조물(524), 소스 팔로워 트랜지스터와 연관된 제3 게이트 구조물(526), 및 행 선택 트랜지스터와 연관된 제4 게이트 구조물(528)을 포함한다. 이미지 감지 엘리먼트(108)는 픽셀 영역(104)의 중앙 위로 연장된다. 중앙 확산기(116)는 이미지 감지 엘리먼트(108) 위에 배치된다. 복수의 주변 확산기들(118) 중 하나 이상이 또한 이미지 감지 엘리먼트(108) 위에 배열된다.
도 6은 상이한 크기의 확산기들을 갖는 이미지 센서 IC(600)의 몇몇 추가 실시예들의 평면도를 예시한다.
이미지 센서 IC(600)는 복수의 주변 확산기들(118)에 의해 측방향으로 둘러싸인 중앙 확산기(116)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 중앙 확산기(116)는 픽셀 영역(104) 내에 실질적으로 중앙에 위치한다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 주변 확산기들(118) 중 하나 이상은 중앙 확산기(116)를 양분하는 제1 라인(602)을 따라 배열되고, 복수의 주변 확산기들(118) 중 하나 이상은 제1 라인(602)에 수직이고 중앙 확산기(116)를 양분하는 제2 라인(604)을 따라 배열된다. 몇몇 실시예들에서, 제1 라인(602)은 중앙 확산기(116)의 양측의 제1 쌍을 양분하고, 제2 라인(604)은 중앙 확산기(116)의 양측의 제1 쌍과 상이한 중앙 확산기(116)의 양측의 제2 쌍을 양분한다.
도 7은 상이한 확산기들을 갖는 이미지 센서 IC(700)의 몇몇 추가 실시예들의 평면도를 예시한다.
이미지 센서 IC(700)는 복수의 주변 확산기들(118)에 의해 측방향으로 둘러싸인 중앙 확산기(116)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 중앙 확산기(116)는 픽셀 영역(104) 내에 실질적으로 중앙에 위치한다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 주변 확산기들(118) 중 하나 이상은 중앙 확산기(116)를 양분하는 제3 라인(702)을 따라 배열되고, 복수의 주변 확산기들(118) 중 하나 이상은 제3 라인(702)에 수직이고 중앙 확산기(116)를 양분하는 제4 라인(704)을 따라 배열된다. 몇몇 실시예들에서, 제3 라인(702)은 중앙 확산기(116)의 코너들의 제1 쌍을 통해 연장되고, 제4 라인(704)은 중앙 확산기(116)의 코너들의 제1 쌍과 상이한 중앙 확산기(116)의 코너들의 제2 쌍을 양분한다.
도 6 내지 도 7은 픽셀 영역 내에 하나의 큰 캐비티를 갖는 반도체 구조물들을 예시하나, 몇몇 대안적인 실시예들에서 개시된 반도체 구조물은 픽셀 영역 내에 다수의 큰 캐비티들을 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 도 8a는 상이한 크기의 확산기들을 갖는 이미지 센서 IC(800)의 몇몇 추가 실시예들의 단면도를 예시한다.
이미지 센서 IC(800)는 격리 영역(106)에 의해 둘러싸인 픽셀 영역(104)을 포함한다. 복수의 중앙 확산기들(802)은 픽셀 영역(104)의 중앙 섹션 내에 배치된다. 복수의 중앙 확산기들(802)은 픽셀 영역(104)의 주변 섹션 내에 배치된 복수의 주변 확산기들(118)에 의해 둘러싸인다. 복수의 중앙 확산기들(802)은 각각 제1 최대 깊이 및 제1 최대 폭을 갖는다. 복수의 주변 확산기들(118)은 각각 제1 최대 깊이보다 작은 제2 최대 깊이 및 제1 최대 폭보다 작은 제2 최대 폭을 갖는다.
도 8b는 도 8a의 이미지 센서 IC(800)의 평면도(804)의 몇몇 실시예들을 예시한다. 도 8a의 단면도는 도 8b의 단면 A-A'를 따라 취해진다.
도 9 내지 도 20은 개시물의 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서 IC를 형성하는 방법의 몇몇 실시예들의 단면도들(900-1900)을 예시한다. 도 9 내지 도 20은 방법과 관련하여 설명되었지만, 도 9 내지 도 20에 도시된 구조물들은 방법으로 제한되지 않고, 대신에 방법과는 별도로 독립적일 수 있음을 이해할 것이다.
도 9의 단면도(900)에 도시된 바와 같이, 기판(102)이 제공된다. 기판(102)은 전면(102f) 및 후면(102b)을 포함한다. 기판(102)은 반도체 웨이퍼 및/또는 웨이퍼 상의 하나 이상의 다이와 같은 임의의 유형의 반도체 바디(예를 들어, 실리콘, SiGe, SOI 등) 뿐만이 아니라, 이와 연관된 임의의 다른 유형의 반도체 및/또는 에피택셜 층들일 수 있다.
하나 이상의 게이트 구조물(110)은 픽셀 영역(104) 내에 기판(102)의 전면(102f)을 따라 형성된다. 다양한 실시예들에서, 하나 이상의 게이트 구조물(110)은 전송 트랜지스터, 소스-팔로워 트랜지스터, 행 선택 트랜지스터 및/또는 리셋 트랜지스터에 대응할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 게이트 구조물(110)은 기판(102)의 전면(102f) 상에 게이트 유전체 막 및 게이트 전극 막을 성막함으로써 형성될 수 있다. 게이트 유전체 막 및 게이트 전극 막은 후속적으로 패터닝되어 게이트 유전체(508) 및 게이트 유전체(508) 위의 도전성 게이트 전극(506)을 형성한다. 하나 이상의 측벽 스페이서(510)가 도전성 게이트 전극(506)의 대향 측벽들을 따라 형성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 측벽 스페이서들(510)은 스페이서 층(예를 들어, 질화물, 산화물 등)을 기판(102)의 전면(102f) 상에 성막하고 하나 이상의 측벽 스페이서(510)를 형성하도록 스페이서 층을 선택적으로 에칭함으로써 형성될 수 있다.
도 10의 단면도(1000)에 도시된 바와 같이, 이미지 감지 엘리먼트(108)는 기판(102)의 픽셀 영역(104) 내에 형성된다. 몇몇 실시예들에서, 이미지 감지 엘리먼트(108)는 하나 이상의 도펀트 종(1002)을 기판(102)의 전면(102f)에 선택적으로 주입함으로써 형성된 포토다이오드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 포토다이오드는 제1 마스킹 층(1004)에 따라 하나 이상의 도펀트 종(1002)을 기판(102)에 주입하는 제1 주입 프로세스를 수행하여 제1 도핑 타입(예를 들어, n-타입)을 갖는 제1 영역을 형성함으로써 형성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 영역에 접하고 제1 도핑 타입과 상이한 제2 도핑 타입(예를 들어, p-타입)을 갖는 제2 영역을 형성하기 위해 제2 주입 프로세스가 후속적으로 수행될 수 있다. 몇몇 실시예들에서 플로팅 확산 웰(미도시)은 또한 제1 또는 제2 주입 프로세스 중 하나를 사용하여 형성될 수 있다.
도 11의 단면도(1100)에 도시된 바와 같이, 복수의 도전성 상호연결 층들(114)이 기판(102)의 전면(102f)을 따라 형성된 유전체 구조물(112) 내에 형성된다. 몇몇 실시예들에서, 유전체 구조물(112)은 에칭 스탑 층들(404a-404b)에 의해 서로 수직으로 분리된 복수의 적층된 ILD 층들(402a-402c)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 도전성 상호연결 층들(114)은 각각 다마신 프로세스(예를 들어, 단일 다마신 프로세스 또는 이중 다마신 프로세스)를 사용하여 형성될 수 있다. 다마신 프로세스는 기판(102) 상에 복수의 적층된 ILD 층들(402a-402c) 중 하나를 형성하고, ILD 층을 에칭하여 비아 홀 및/또는 금속 트렌치를 형성하고, 비아 홀 및/또는 금속 트렌치를 도전성 재료로 채움으로써 수행된다. 몇몇 실시예들에서, ILD 층은 물리 기상 증착 기법(예를 들어, PVD, CVD, PE-CVD, ALD 등)에 의해 성막될 수 있고, 도전성 재료(예를 들어, 텅스텐, 구리, 알루미늄 등)는 성막 프로세스 및/또는 도금 프로세스(예를 들어, 전기 도금, 무전해 도금 등)를 사용하여 형성될 수 있다.
도 12의 단면도(1200)에 도시된 바와 같이, 유전체 구조물(112)은 캐리어 기판(1202)에 본딩된다. 몇몇 실시예들에서, 본딩 프로세스는 유전체 구조물(112)과 캐리어 기판(1202) 사이에 배열된 중간 본딩 산화물 층(미도시)을 사용할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 본딩 프로세스는 용융 본딩(fusion bonding) 프로세스를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 캐리어 기판(1202)은 실리콘 기판을 포함할 수 있다.
도 13의 단면도(1300)에 도시된 바와 같이, 기판(102)은 기판(102)의 두께를 감소시키기 위해 씨닝될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 기판(102)은 기판(102)의 두께를 제1 두께(t1)에서 제2 두께(t2)로 감소시키기 위해 기판(102)의 후면(102b)을 에칭 및/또는 기계적 연마함으로써 씨닝될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 두께(t1)는 대략 700 ㎛ 내지 대략 800 ㎛의 범위일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제2 두께(t2)는 대략 20 ㎛ 내지 대략 80 ㎛의 범위일 수 있다.
도 14의 단면도(1400)에 도시된 바와 같이, 중앙 확산기(116) 및 복수의 주변 확산기들(118)이 기판(102)의 후면(102b)을 따라 형성된다. 복수의 주변 확산기들(118)은 중앙 확산기(116)를 측방향으로 둘러싸도록 형성된다. 중앙 확산기(116)는 제1 크기(예를 들어, 제1 폭 및 제1 깊이)를 갖는다. 복수의 주변 확산기들(118)은 각각 제1 크기보다 큰 제2 크기(예를 들어, 제2 폭 및 제2 깊이)를 갖는다.
몇몇 실시예들에서, 중앙 확산기(116) 및 복수의 주변 확산기들(118)은 제2 마스킹 층(1404)에 따라 기판(102)의 후면(102b)을 제1 에천트(1402)에 선택적으로 노출시킴으로써 형성될 수 있다. 제2 마스킹 층(1404)은 제1 폭(w1)을 갖는 제1 개구(1406) 및 제1 폭(w1)보다 작은 제2 폭(w2)을 각각 갖는 복수의 제2 개구들(1408)을 포함한다. 제1 에천트(1402)는 기판(102)의 마스킹되지 않은 부분들을 제거하여 중앙 확산기(116) 및 복수의 주변 확산기들(118)을 동시에 규정하는 각진 표면들(103)을 형성한다. 몇몇 실시예들에서, 제1 에천트(1402)는 습식 에천트(예를 들어, 불화 수소산, 수산화 칼륨 등)를 포함할 수 있다. 제1 개구(1406)의 제1 폭(w1)이 복수의 제2 개구들(1408)의 제2 폭(w2)보다 더 크기 때문에, 제2 개구(1408) 내에서보다 제1 개구(1406) 내에서 더 많은 제1 에천트(1402)가 기판(102)을 에칭할 수 있다. 이는 복수의 주변 확산기들(118)의 하나 이상의 제2 최대 깊이(408)보다 큰 제1 최대 깊이(406)로 형성되는 중앙 확산기(116)를 초래한다. 다른 실시예들에서, 제1 에천트(1402)는 건식 에천트를 포함할 수 있다. 몇몇 대안적인 실시예들(미도시)에서, 중앙 확산기(116)는 복수의 주변 확산기들(118)과는 별개의 에칭 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
도 15의 단면도(1500)에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 격리 트렌치(107)가 픽셀 영역(104)의 양측을 따라 배치된 격리 영역들(106) 내에 형성된다. 하나 이상의 격리 트렌치(107)는 중앙 확산기(116)의 제1 최대 깊이(406) 및 복수의 주변 확산기들(118)의 하나 이상의 제2 최대 깊이(408) 모두보다 큰 제3 최대 깊이까지 기판(102)의 후면(102b) 내로 연장된다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 격리 트렌치(107)는 제3 마스킹 층(1504)에 따라 기판(102)의 후면(102b)을 제2 에천트(1502)에 선택적으로 노출시킴으로써 형성될 수 있다. 제2 에천트(1502)는 하나 이상의 격리 트렌치(107)를 규정하기 위해 기판(102)의 마스킹되지 않은 부분들을 제거한다. 몇몇 실시예들에서, 제2 에천트(1502)는 건식 에천트를 포함할 수 있다.
도 16의 단면도(1600)에 도시된 바와 같이, 반사 방지 재료(120)가 기판(102)의 후면(102b)을 따라 형성된다. 반사 방지 재료(120)는 중앙 확산기(116) 및 복수의 주변 확산기(118)들을 규정하는 각진 표면들(103)을 라이닝한다. 몇몇 실시예들에서, 반사 방지 재료(120)는 또한 하나 이상의 격리 트렌치(107) 내로 연장될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 반사 방지 재료(120)는 하프늄 산화물, 티타늄 산화물, 하프늄 지르코늄 산화물, 탄탈룸 산화물, 하프늄 실리콘 산화물, 지르코늄 산화물, 지르코늄 실리콘 산화물 등을 포함하는 하이-k 유전체 재료를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 반사 방지 재료(120)는 성막 기법(예를 들어, PVD, CVD, PE-CVD, ALD 등)에 의해 성막될 수 있다.
도 17의 단면도(1700)에 도시된 바와 같이, 제1 유전체 층(410)은 반사 방지 재료(120) 상에 형성된다. 제1 유전체 층(410)은 중앙 확산기(116) 및 복수의 주변 확산기들(118)을 채운다. 몇몇 실시예들에서, 제1 유전체 층(410)은 하나 이상의 격리 트렌치(107)를 추가로 채울 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 유전체 층(410)은 산화물(예를 들어, 실리콘 산화물), 질화물 (예를 들어, 실리콘 질화물) 등을 포함할 수 있다. 제1 유전체 층(410)은 실질적으로 평탄한 표면을 형성하기 위해 후속 평탄화 프로세스(예를 들어, 화학 기계적 평탄화 프로세스)를 거칠 수 있다.
도 18의 단면도(1800)에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 격자 엘리먼트(412)는 제1 유전체 층(410) 위에 형성된다. 하나 이상의 격자 엘리먼트(412)는 금속(예를 들어, 알루미늄, 코발트, 구리, 은, 금, 텅스텐 등) 및/또는 유전체 재료(예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 격자 엘리먼트(412)는 성막 기법(예를 들어, PVD, CVD, PE-CVD, ALD 등) 및/또는 도금 법을 사용하여 제1 유전체 층(410) 위에 금속을 성막함으로써 형성될 수 있다. 금속은 후속하여 하나 이상의 격자 엘리먼트(412)를 규정하기 위해 패터닝된다.
도 19의 단면도(1900)에 도시된 바와 같이, 제2 유전체 층(414)은 제1 유전체 층(410) 및 하나 이상의 격자 엘리먼트(412) 위에 형성된다. 몇몇 실시예들에서, 제2 유전체 층(414)은 산화물(예를 들어, 실리콘 산화물), 질화물 등을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제2 유전체 층(414)은 실질적으로 평탄한 표면을 형성하기 위해 후속 평탄화 프로세스(예를 들어, 화학 기계적 평탄화 프로세스)를 거칠 수 있다.
도 20의 단면도(2000)에 도시된 바와 같이, 컬러 필터(124)는 제2 유전체 층(414) 위에 형성된다. 마이크로 렌즈(126)는 후속하여 컬러 필터(124) 위에 형성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 컬러 필터(124)는 특정 범위의 파장을 갖는 복사선(예를 들어, 광)의 투과를 허용하면서 특정 범위를 벗어난 파장의 광을 차단하는 재료로 형성된다. 몇몇 실시예들에서, 마이크로 렌즈(126)는 컬러 필터(124) 위에 마이크로 렌즈 재료를 성막함으로써(예를 들어, 스핀-온 방법 또는 성막 프로세스에 의해) 형성될 수 있다. 곡면 상부면을 갖는 마이크로 렌즈 템플릿(미도시)이 마이크로 렌즈 재료 위에 패터닝된다. 몇몇 실시예들에서, 마이크로 렌즈 템플릿은 분산 노출 광량(light dose)을 사용하여 노출된 포토레지스트 재료를 포함할 수 있으며(예를 들어, 네거티브 포토레지스트의 경우 곡률의 하단에서 더 많은 광이 노출되고 곡률의 상단에서 더 적은 광이 노출됨) , 현상되고 베이킹되어 둥근 모양을 형성할 수 있다. 마이크로 렌즈(126)는 마이크로 렌즈 템플릿에 따라 마이크로 렌즈 재료를 선택적으로 에칭함으로써 형성될 수 있다.
도 21은 상이한 크기의 확산기들을 갖는 이미지 센서 IC를 형성하는 방법(2100)의 몇몇 실시예들의 흐름도를 예시한다.
본 명세서에서 방법(2100)은 일련의 동작들 또는 이벤트들로서 도시되고 설명되지만, 이러한 동작들 또는 이벤트들의 나타난 순서는 제한적인 의미로서 해석되어서는 안된다는 것을 알 것이다. 예를 들어, 몇몇의 동작들은 아래에 예시된 그리고/또는 설명된 것들 이외에도 이와 다른 순서로 발생할 수 있고 그리고/또는 다른 동작들 또는 이벤트들과 동시적으로 발생할 수 있다. 또한, 여기서의 설명의 하나 이상의 양태들 또는 실시예들을 구현하기 위해 도시된 동작들 모두가 필요한 것은 아닐 수 있다. 더 나아가, 여기서 도시된 동작들 중 하나 이상은 하나 이상의 별개의 동작들 및/또는 단계들로 수행될 수 있다.
2102에서, 하나 이상의 게이트 구조물들이 전면을 따라 기판의 픽셀 영역 내에 형성된다. 도 9는 동작(2102)에 대응하는 몇몇 실시예들의 단면도(900)를 예시한다.
2104에서, 이미지 감지 엘리먼트가 기판의 픽셀 영역 내에 형성된다. 도 10는 동작(2104)에 대응하는 몇몇 실시예들의 단면도(1000)를 예시한다.
2106에서, 복수의 도전성 상호연결 층들이 기판의 전면을 따라 유전체 구조물 내에 형성된다. 도 11는 동작(2106)에 대응하는 몇몇 실시예들의 단면도(1100)를 예시한다.
2108에서, 유전체 구조물은 캐리어 기판에 본딩된다. 도 12는 동작(2108)에 대응하는 몇몇 실시예들의 단면도(1200)를 예시한다.
2110에서, 기판은 기판의 두께를 감소시키기 위해 씨닝된다. 도 13는 동작(2110)에 대응하는 몇몇 실시예들의 단면도(1300)를 예시한다.
2112에서, 제1 크기를 갖는 중앙 확산기가 기판의 후면을 따라 픽셀 영역 내에 형성된다. 도 14는 동작(2112)에 대응하는 몇몇 실시예들의 단면도(1400)를 예시한다.
2114에서, 제1 크기보다 작은 하나 이상의 제2 크기를 갖는 복수의 주변 확산기들이 기판의 후면을 따라 그리고 중앙 확산기와 픽셀 영역의 둘레 사이에 형성된다. 도 15는 동작(2114)에 대응하는 몇몇 실시예들의 단면도(1500)를 예시한다.
2116에서, 하나 이상의 격리 트렌치가 기판의 후면 내에 그리고 픽셀 영역의 양측을 따라 형성된다. 도 16는 동작(2116)에 대응하는 몇몇 실시예들의 단면도(1600)를 예시한다.
2118에서, 제1 유전체 층이 기판의 후면을 따라 그리고 하나 이상의 격리 트렌치 내에 형성된다. 도 17는 동작(2118)에 대응하는 몇몇 실시예들의 단면도(1700)를 예시한다.
2120에서, 하나 이상의 격자 엘리먼트가 제1 유전체 층 상에 형성된다. 도 18는 동작(2120)에 대응하는 몇몇 실시예들의 단면도(1800)를 예시한다.
2122에서, 제2 유전체 층이 하나 이상의 그리드 엘리먼트 및 제1 유전체 층 상에 형성된다. 도 19는 동작(2122)에 대응하는 몇몇 실시예들의 단면도(1900)를 예시한다.
2124에서, 컬러 필터가 제2 유전체 층 상에 형성된다. 도 20는 동작(2124)에 대응하는 몇몇 실시예들의 단면도(2000)를 예시한다.
2126에서, 마이크로 렌즈가 컬러 필터 상에 형성된다. 도 20는 동작(2126)에 대응하는 몇몇 실시예들의 단면도(2000)를 예시한다.
따라서, 본 개시물은 기판의 후면을 따라 배치되고 이미지 센서의 양자 효율을 향상시키도록 구성되는, 상이한 크기의 확산기들(예를 들어, 복수의 더 작은 주변 확산기들에 의해 둘러싸인 큰 중앙 확산기)을 갖는 이미지 센서 집적 칩에 관한 것이다.
몇몇 실시예들에서, 본 개시물은 집적 칩에 관한 것이다. 집적 칩은 기판 내에 배치되는 이미지 감지 엘리먼트; 및 기판의 전면을 따라 배치되는 게이트 구조물을 포함하며, 기판의 후면은 이미지 감지 엘리먼트 위에 배치되는 중앙 확산기를 정의하는 하나 이상의 제1 각진 표면을 포함하고, 기판의 후면은 중앙 확산기를 측방향으로 둘러싸는 복수의 주변 확산기들을 정의하는 제2 각진 표면을 더 포함하고, 복수의 주변 확산기들은 중앙 확산기보다 작은 크기이다. 몇몇 실시예들에서, 중앙 확산기는 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 큰 최대 폭을 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 중앙 확산기는 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 큰 최대 깊이를 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 주변 확산기들은 제1 방향을 따라 그리고 제1 방향에 직각인 제2 방향을 따라 중앙 확산기를 둘러싼다. 몇몇 실시예들에서, 집적 칩은 복수의 주변 확산기들에 의해 측방향으로 둘러싸인 제2 중앙 확산기를 더 포함하며, 제2 중앙 확산기는 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 크다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 제1 각진 표면은 중앙 확산기의 하단에 있는 제1 포인트에서 만나고, 제2 각진 표면들 중 하나 이상은 복수의 주변 확산기들 중 하나의 주변 확산기의 하단에 있는 제2 포인트에서 만난다. 몇몇 실시예들에서, 이미지 감지 엘리먼트는 픽셀 영역 내에 배치되고, 중앙 확산기는 복수의 주변 확산기들보다 픽셀 영역의 중앙에 더 가깝다. 몇몇 실시예들에서, 집적 칩은 기판의 후면을 따라 배치되는 마이크로 렌즈를 더 포함하고, 중앙 확산기는 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 마이크로 렌즈의 중앙에 더 가깝다. 몇몇 실시예들에서, 마이크로 렌즈는 대략 f/3보다 큰 f 수(f-number)를 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 기판의 후면은 중앙 확산기와 복수의 주변 확산기들 사이에서 실질적으로 평평하다.
다른 실시예들에서, 본 개시물은 집적 칩에 관한 것이다. 집적 칩은, 반도체 기판의 픽셀 영역 내에 배치되는 이미지 감지 엘리먼트; 및 반도체 기판의 전면을 따라 유전체 구조물 내에 배치되는 복수의 상호연결 층들을 포함하며, 반도체 기판은 반도체 기판의 후면을 따라 그리고 픽셀 영역 내에 배치되는 제1 테이퍼드(tapered) 캐비티를 규정하고, 반도체 기판은 반도체 기판의 후면을 따라 그리고 제1 테이퍼드 캐비티와 픽셀 영역의 둘레 사이에 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들을 추가로 규정하고, 제1 테이퍼드 캐비티는 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들의 최대 폭보다 큰 제1 최대 폭을 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 제1 테이퍼드 캐비티는 위에 놓인 마이크로 렌즈의 중앙 바로 아래에 배치되도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 제1 테이퍼드 캐비티는 제1 방향을 따라 그리고 제1 방향에 직각인 제2 방향을 따라 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들에 의해 둘러싸인다. 몇몇 실시예들에서, 이미지 감지 엘리먼트는 대략 -20° 내지 대략 20°의 각도에서 반도체 기판의 후면에 직각인 라인과 교차하는 입사 복사선에 대해 대략 45%보다 큰 양자 효율을 갖도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 이미지 감지 엘리먼트의 양자 효율은 대략 -10° 내지 대략 10°의 각도에서 반도체 기판의 후면에 직각인 라인과 교차하는 입사 복사선에 대해 최대 값을 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들은 제1 테이퍼드 캐비티의 평면도에서 볼 때 제1 테이퍼드 캐비티의 중앙에 대해 실질적으로 대칭이다. 몇몇 실시예들에서, 집적 칩은 픽셀 영역의 양측을 따라 반도체 기판 내에 배열된 하나 이상의 격리 트렌치 내에 배치되는 하나 이상의 유전체 재료를 더 포함하며, 제1 테이퍼드 캐비티 및 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들은 하나 이상의 격리 트렌치에 의해 측방향으로 둘러싸인다. 몇몇 실시예들에서, 제1 테이퍼드 캐비티는 제1 방향을 따라 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들 중 첫번째 제2 테이퍼드 캐비티의 양측을 지나 측방향으로 연장되고, 제1 방향에 직각인 제2 방향을 따라 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들 중 두번째 제2 테이퍼드 캐비티의 양측을 지나 측방향으로 연장된다.
또 다른 실시예들에서, 본 개시물은 집적 칩을 형성하는 방법에 관한 것이다. 방법은, 기판의 픽셀 영역 내에 이미지 감지 엘리먼트를 형성하는 단계; 기판의 전면을 따라 유전체 구조물 내에 복수의 상호연결 층들을 형성하는 단계; 기판의 후면을 따라 마스킹 층을 형성하는 단계 ― 마스킹 층은 제1 폭을 갖는 제1 개구 및 제1 폭보다 각각 작은 하나 이상의 제2 폭을 갖는 복수의 제2 개구들을 포함함 ― ; 및 복수의 주변 확산기들에 의해 둘러싸인 중앙 확산기를 규정하기 위해 마스킹 층에 따라 기판의 후면을 선택적으로 에칭하는 에칭 프로세스를 수행하는 단계를 포함하며, 중앙 확산기는 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 큰 폭 및 깊이를 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 주변 확산기들은 중앙 확산기와 픽셀 영역의 둘레 사이에 있다.
전술한 내용은 본 기술분야의 당업자들이 본 개시물의 양상들을 더 잘 이해할 수 있도록 몇몇 실시예들의 피처들을 약술하였다. 본 기술분야의 당업자들은 본 명세서에서 소개한 실시예들의 동일한 목적들을 수행하고 그리고/또는 동일한 장점들을 달성하기 위한 다른 프로세스들 및 구조들을 설계하거나 또는 수정하기 위한 기초로서 본 개시내용을 자신들이 손쉽게 이용할 수 있다는 것을 인식해야 한다. 본 기술분야의 당업자들은 또한 이와 같은 등가적 구성들은 본 개시물의 사상과 범위를 벗어나지 않으며, 본 개시물의 사상과 범위를 벗어나지 않고 당업자들이 다양한 변경들, 대체들, 및 개조들을 본 발명에서 행할 수 있음을 알아야 한다.
실시예들
실시예 1. 집적 칩에 있어서,
기판 내에 배치되는 이미지 감지 엘리먼트; 및
상기 기판의 전면을 따라 배치되는 게이트 구조물
을 포함하며,
상기 기판의 후면은 상기 이미지 감지 엘리먼트 위에 배치되는 중앙 확산기를 규정하는 하나 이상의 제1 각진 표면을 포함하고,
상기 기판의 후면은 상기 중앙 확산기를 측방향으로 둘러싸는 복수의 주변 확산기들을 규정하는 제2 각진 표면을 더 포함하고, 상기 복수의 주변 확산기들은 상기 중앙 확산기보다 작은 크기인 것인, 집적 칩.
실시예 2. 실시예 1에 있어서,
상기 중앙 확산기는 상기 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 큰 최대 폭을 갖는 것인, 집적 칩.
실시예 3. 실시예 1에 있어서,
상기 중앙 확산기는 상기 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 큰 최대 깊이를 갖는 것인, 집적 칩.
실시예 4. 실시예 1에 있어서,
상기 복수의 주변 확산기들은 제1 방향을 따라 그리고 상기 제1 방향에 직각인 제2 방향을 따라 상기 중앙 확산기를 둘러싸는 것인, 집적 칩.
실시예 5. 실시예 1에 있어서,
상기 복수의 주변 확산기들에 의해 측방향으로 둘러싸인 제2 중앙 확산기를 더 포함하며, 상기 제2 중앙 확산기는 상기 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 큰 것인, 집적 칩.
실시예 6. 실시예 1에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 각진 표면은 상기 중앙 확산기의 하단에 있는 제1 포인트에서 만나고,
상기 제2 각진 표면들 중 하나 이상은 상기 복수의 주변 확산기들 중 하나의 주변 확산기의 하단에 있는 제2 포인트에서 만나는 것인, 집적 칩.
실시예 7. 실시예 1에 있어서,
상기 이미지 감지 엘리먼트는 픽셀 영역 내에 배치되고,
상기 중앙 확산기는 상기 복수의 주변 확산기들보다 상기 픽셀 영역의 중앙에 더 가까운 것인, 집적 칩.
실시예 8. 실시예 1에 있어서,
상기 기판의 후면을 따라 배치되는 마이크로 렌즈를 더 포함하고, 상기 중앙 확산기는 상기 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 상기 마이크로 렌즈의 중앙에 더 가까운 것인, 집적 칩.
실시예 9. 실시예 8에 있어서,
상기 마이크로 렌즈는 대략 f/3보다 큰 f 수(f-number)를 갖는 것인, 집적 칩.
실시예 10. 실시예 1에 있어서,
상기 기판의 후면은 상기 중앙 확산기와 상기 복수의 주변 확산기들 사이에서 실질적으로 평평한 것인, 집적 칩.
실시예 11. 집적 칩에 있어서,
반도체 기판의 픽셀 영역 내에 배치되는 이미지 감지 엘리먼트; 및
상기 반도체 기판의 전면을 따라 유전체 구조물 내에 배치되는 복수의 상호연결 층들
을 포함하며,
상기 반도체 기판은 상기 반도체 기판의 후면을 따라 그리고 상기 픽셀 영역 내에 배치되는 제1 테이퍼드(tapered) 캐비티를 규정하고,
상기 반도체 기판은 상기 반도체 기판의 후면을 따라 그리고 상기 제1 테이퍼드 캐비티와 상기 픽셀 영역의 둘레 사이에 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들을 추가로 규정하고,
상기 제1 테이퍼드 캐비티는 상기 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들의 최대 폭보다 큰 제1 최대 폭을 갖는 것인, 집적 칩.
실시예 12. 실시예 11에 있어서,
상기 제1 테이퍼드 캐비티는 위에 놓인 마이크로 렌즈의 중앙 바로 아래에 배치되도록 구성되는 것인, 집적 칩.
실시예 13. 실시예 11에 있어서,
상기 제1 테이퍼드 캐비티는 제1 방향을 따라 그리고 상기 제1 방향에 직각인 제2 방향을 따라 상기 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들에 의해 둘러싸이는 것인, 집적 칩.
실시예 14. 실시예 11에 있어서,
상기 이미지 감지 엘리먼트는 대략 -20° 내지 대략 20°의 각도에서 상기 반도체 기판의 후면에 직각인 라인과 교차하는 입사 복사선에 대해 대략 45%보다 큰 양자 효율을 갖도록 구성되는 것인, 집적 칩.
실시예 15. 실시예 11에 있어서,
상기 이미지 감지 엘리먼트의 양자 효율은 대략 -10° 내지 대략 10°의 각도에서 상기 반도체 기판의 후면에 직각인 라인과 교차하는 입사 복사선에 대해 최대 값을 갖는 것인, 집적 칩.
실시예 16. 실시예 11에 있어서,
상기 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들은 상기 제1 테이퍼드 캐비티의 평면도에서 볼 때 상기 제1 테이퍼드 캐비티의 중앙에 대해 실질적으로 대칭인 것인, 집적 칩.
실시예 17. 실시예 11에 있어서,
상기 픽셀 영역의 양측을 따라 상기 반도체 기판 내에 배열된 하나 이상의 격리 트렌치 내에 배치되는 하나 이상의 유전체 재료를 더 포함하며,
상기 제1 테이퍼드 캐비티 및 상기 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들은 상기 하나 이상의 격리 트렌치에 의해 측방향으로 둘러싸이는 것인, 집적 칩.
실시예 18. 실시예 11에 있어서,
상기 제1 테이퍼드 캐비티는 제1 방향을 따라 상기 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들 중 첫번째 제2 테이퍼드 캐비티의 양측을 지나 측방향으로 연장되고, 상기 제1 방향에 직각인 제2 방향을 따라 상기 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들 중 두번째 제2 테이퍼드 캐비티의 양측을 지나 측방향으로 연장되는 것인, 집적 칩.
실시예 19. 집적 칩을 형성하는 방법에 있어서,
기판의 픽셀 영역 내에 이미지 감지 엘리먼트를 형성하는 단계;
상기 기판의 전면을 따라 유전체 구조물 내에 복수의 상호연결 층들을 형성하는 단계;
상기 기판의 후면을 따라 마스킹 층을 형성하는 단계 ― 상기 마스킹 층은 제1 폭을 갖는 제1 개구 및 상기 제1 폭보다 각각 작은 하나 이상의 제2 폭을 갖는 복수의 제2 개구들을 포함함 ― ; 및
복수의 주변 확산기들에 의해 둘러싸인 중앙 확산기를 규정하기 위해 상기 마스킹 층에 따라 상기 기판의 후면을 선택적으로 에칭하도록 에칭 프로세스를 수행하는 단계
를 포함하며,
상기 중앙 확산기는 상기 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 큰 폭 및 깊이를 갖는 것인, 집적 칩을 형성하는 방법.
실시예 20. 실시예 19에 있어서,
상기 복수의 주변 확산기들은 상기 중앙 확산기와 상기 픽셀 영역의 둘레 사이에 있는 것인, 집적 칩을 형성하는 방법.

Claims (10)

  1. 집적 칩에 있어서,
    기판 내에 배치되는 이미지 감지 엘리먼트; 및
    상기 기판의 전면을 따라 배치되는 게이트 구조물
    을 포함하며,
    상기 기판의 후면은 상기 이미지 감지 엘리먼트 위에 배치되는 중앙 확산기를 규정하는 하나 이상의 제1 각진 표면(angled surface)을 포함하고,
    상기 기판의 후면은 상기 중앙 확산기를 측방향으로 둘러싸는 복수의 주변 확산기들을 규정하는 제2 각진 표면을 더 포함하고, 상기 복수의 주변 확산기들은 상기 중앙 확산기보다 작은 크기인 것인, 집적 칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 확산기는 상기 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 큰 최대 폭을 갖는 것인, 집적 칩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 확산기는 상기 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 큰 최대 깊이를 갖는 것인, 집적 칩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 주변 확산기들은 제1 방향을 따라 그리고 상기 제1 방향에 직각인 제2 방향을 따라 상기 중앙 확산기를 둘러싸는 것인, 집적 칩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 주변 확산기들에 의해 측방향으로 둘러싸인 제2 중앙 확산기를 더 포함하며, 상기 제2 중앙 확산기는 상기 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 큰 것인, 집적 칩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제1 각진 표면은 상기 중앙 확산기의 하단에 있는 제1 포인트에서 만나고,
    상기 제2 각진 표면들 중 하나 이상은 상기 복수의 주변 확산기들 중 하나의 주변 확산기의 하단에 있는 제2 포인트에서 만나는 것인, 집적 칩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 감지 엘리먼트는 픽셀 영역 내에 배치되고,
    상기 중앙 확산기는 상기 복수의 주변 확산기들보다 상기 픽셀 영역의 중앙에 더 가까운 것인, 집적 칩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 후면을 따라 배치되는 마이크로 렌즈를 더 포함하고, 상기 중앙 확산기는 상기 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 상기 마이크로 렌즈의 중앙에 더 가까운 것인, 집적 칩.
  9. 집적 칩에 있어서,
    반도체 기판의 픽셀 영역 내에 배치되는 이미지 감지 엘리먼트; 및
    상기 반도체 기판의 전면을 따라 유전체 구조물 내에 배치되는 복수의 상호연결 층들
    을 포함하며,
    상기 반도체 기판은 상기 반도체 기판의 후면을 따라 그리고 상기 픽셀 영역 내에 배치되는 제1 테이퍼드(tapered) 캐비티를 규정하고,
    상기 반도체 기판은 상기 반도체 기판의 후면을 따라 그리고 상기 제1 테이퍼드 캐비티와 상기 픽셀 영역의 둘레 사이에 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들을 추가로 규정하고,
    상기 제1 테이퍼드 캐비티는 상기 복수의 제2 테이퍼드 캐비티들의 최대 폭보다 큰 제1 최대 폭을 갖는 것인, 집적 칩.
  10. 집적 칩을 형성하는 방법에 있어서,
    기판의 픽셀 영역 내에 이미지 감지 엘리먼트를 형성하는 단계;
    상기 기판의 전면을 따라 유전체 구조물 내에 복수의 상호연결 층들을 형성하는 단계;
    상기 기판의 후면을 따라 마스킹 층을 형성하는 단계 ― 상기 마스킹 층은 제1 폭을 갖는 제1 개구 및 상기 제1 폭보다 각각 작은 하나 이상의 제2 폭을 갖는 복수의 제2 개구들을 포함함 ― ; 및
    복수의 주변 확산기들에 의해 둘러싸인 중앙 확산기를 규정하기 위해 상기 마스킹 층에 따라 상기 기판의 후면을 선택적으로 에칭하는 에칭 프로세스를 수행하는 단계
    를 포함하며,
    상기 중앙 확산기는 상기 복수의 주변 확산기들의 각각의 주변 확산기보다 큰 폭 및 깊이를 갖는 것인, 집적 칩을 형성하는 방법.
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