KR100892719B1 - 로직 임베디드 ｃｉｓ칩을 사용하기 적합한 이미지 센싱소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

이미지 센싱 소자가 제공된다. 기판은 기판상에서 형성된 광센서 구역을 가진다. 상호 접속구조체는 기판 위에서 형성되고, 상호 접속구조체(IMD) 층에서 형성된 금속 라인을 포함한다.
적어도 하나의 IMD레벨 마이크로 렌즈가 광센서 구역 위의 적어도 하나의 IMD층에서 형성된다. 방벽층은 IMD층 사이에 위치하는 것이 좋다. 각각의 레벨에 있는 각각의 방벽층은 IMD레벨 마이크로 렌즈가 있는 장소를 제외한 광센서구역에 위치한 100옹스트롱 이하의 제한된 순 두께를 가진다.
IMD레벨 마이크로 렌즈와 부식 방지층은 IMD층의 굴절률보다 더 큰 굴절률을 가지는 것이 바람직하다. 캡층은 특히 금속 라인이 구리를 포함할 때 금속 라인 위에 형성되는 것이 바람직하다.
inter-level dielectric(ILD), logic embedded chip, system-on-chip, IMD(inter-metal dielectric), 고체촬상소자

Description

로직 임베디드 ＣＩＳ칩을 사용하기 적합한 이미지 센싱 소자 및 이의 제조 방법{Image Sensor Device Suitable For Use With Logic-Embedded CIS Chips and Method For Making The Same}
도 1a와 도 1b는 종래의 이미지 센싱 소자를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 첫번째 실시예에 따른 이미지 센싱 소자의 일부를 도시한 횡단면도,
도 3은 본 발명의 두번째 실시예에 따른 이미지 센싱 소자의 부분을 도시한 횡단면도,
도 4는 본 발명의 세번째 실시예에 따른 이미지 센싱 소자의 부분을 도시한 횡단면도,
도 5는 본 발명의 네번째 실시예에 따른 이미지 센싱 소자의 부분을 도시한 횡단면도,
도 6은 발명의 다섯번째 실시예에 따른 이미지 센싱 소자의 부분을 도시한 횡단면도,
도 7 내지 도 12는 도 6의 이미지 센싱 소자의 제조 방법을 설명하는 단계들을 도시한 도면,
도 13 내지 도 18은 본 실시예들에 적용가능한 마이크로 렌즈 모양과 구조의 일 예를 설명하기 위한 실시예에 따른 이미지 센싱 소자의 일부 횡단면도, 그리고,
도 19a와 19b는 예로든 두가지 방벽층 물질들에 따른 서로 다른 순 두께(net thick)의 방벽층들에 대한 실험적인 데이터를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 고체촬상소자(solid state imaging device)에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 로직임베디드칩(logic-embedded chip)이나 시스템온칩(system-on-chip)의 사용에 적합한 마이크로 렌즈를 장착한 이미지 센싱 소자(image sensor device)에 관한 것이다.
일반적으로, 고체촬상소자는 기판위에 또는 기판안에 형성된 광다이오드, 감광소자에 형성된 색필터, 그리고 색필터에 형성된 마이크로 렌즈 어레이와 같은 광센서를 포함한다. 광센서는 광다이오드, CMOS(complimentary metal oxide semiconductor)센서 또는 CCD(charge-coupled device)일 수 있다. N+타입의 광센서(NPS's)가 주로 사용된다. 광센서와 색필터 사이에는 다소 두꺼운 금속간 유전체(Inter-Metal Device : IMD)가 있어서, 고체촬상소자의 주변기기의 상호 접속 매체로 사용되는 다중레벨의 금속화를 도모한다.
영상장치의 감도, 다시 말하면 광센서에 도달하는 빛의 양을 최대화시키는 것이 매우 바람직하다. 영상장치의 단점은 광센서의 감도가 픽셀 구역에 대한 광센서 구역의 비율로서 정의되는 fill factor에 비례한다는 것이다. 두꺼운 금속간의 유전체(IMD)는 렌즈와 광센서가 렌즈를 통해 지나가고 광센서에 도달하는 빛과 일렬로 되기 어렵게 만든다. 광센서에 유도되지 않은 빛의 양은 IMD가 두꺼워짐에 따라 증가한다. 게다가 IMD안에 있는 상호접속 금속(Interconnect Metal)은 입사광을 반사시켜 광신호와 광센서의 감도를 더 감소시킬 수 있다.
도 1a에 종래기술에 따른 고체 이미지 센싱 소자(20)의 일예가 도시되어 있다. 고체 이미지 센싱 소자(20)는 기판(24)에 형성된 광센서들(22)을 포함한다. 이미지 센싱 소자(20)는 또한 여러 레벨들의 금속 상호 접속 라인(32)을 가진 IMD층들(26)을 포함한다. 금속 라인(32)은 광선들(light rays)(28)이 광센서(22)들에 도달하기 위한 광로들(light pathways)이 통과하는 광센서(22)들 사이에 위치해 있다. 부동화 레벨(passivation level)(30)은 상호접속구조체(34)의 위에 자리잡고 있다. 부동화 레벨(30)은 질화규소필름(silicon nitride film)과 고밀도 플라즈마(plasma)의 화학적 증기 침전물에 의해 형성된 것과 같은 다른 유전체 층에 의해 형성된 것을 포함할 수 있다. 또한 이 이미지 센싱 소자는 플레인층(plain layer)(35), 색필터(color filter)(36), 마이크로스페이서(microspacer)(37), 그리고 광센서(22) 위에 정렬된 최상위 마이크로렌즈(38)를 포함한다. 부가적 외피(optional overcoat)(39)는 최상위 마이크로렌즈(38)를 덮고 있고 아크릴(acrylate), 메타아크릴(methacrylate), 에폭시아크릴(epoxy-acrylate), 또는 폴리이미드(polyimide)와 같은 적합한 물질로 형성되어있을 수 있으며, 두께가 0.3-3.0 μm 가량일 수 있다. 플레인레이어(35)는 1.4-1.7의 굴절률(refractive index)을 가질 수 있고, 아크릴(acrylate), 메타아크릴(methacrylate), 에폭시아크 릴(epoxy-acrylate), 또는 폴리이미드(polyimide)와 같은 적합한 물질의 형태로 되어있을 수 있고, 두께가 0.3-3.0μm 가량일 수 있다. 마이크로스페이서(37)는 1.4-1.7의 굴절률을 가질 수 있고, 아크릴, 메타아크릴, 에폭시아크릴, 또는 폴리이미드로 구성될 수 있고, 예로들면 0.3-3.0 μm의 두께일 수 있다. 색필터(36)는 1.4-1.7의 굴절률을 가질수 있고, 아크릴(acrylate), 메타아크릴(methacrylate), 또는 에폭시아크릴(epoxy-acrylate)로 구성될 수 있으며 이 예에서 두께가 0.3-2.5 μm 일 수 있다. 여러 층의 금속상호접속 라인들(32)을 구비하여야 하는 상호접속구조(34)의 두께 (40)로 인해 최상위 마이크로렌즈들(38)이 대응하는 광센서들(22)로부터 멀리 떨어진 곳에 위치하게 되어, 광센서(22)에 도달하는 빛(28)의 양이 감소하게 된다.
도 1b는 앞서 기술된 것을 더 자세히 보여주기 위한 도 1a의 상호접속구조체(34)의 확대도이다. 구리는 현재 금속라인(32)에 이용될 수 있는 금속이다. 구리를 사용하면 전형적으로 방벽층(barrier layer)을 필요로 한다. 또한 구리다마신(damascene) 또는 듀얼다마신(dual damascene)방식을 사용한 금속라인(32)을 형성할 때, 전형적으로 구리 확산 방벽(copper diffusion barrier)을 위한 방벽층(42)을 사용하게 된다. 또한, IMD층(26)과 부식방지층으로 존재하는 방벽층(42)에 대해 low-k 유전물질을 사용하는 것이 선호된다. 도 1b에 설명된 것처럼 전형적인 방벽층(42)은 너무 두껍고, 빛의 일부분이(도 1b의 광선(28)을 참조) 방벽층(42)에 의해 반사된다. 그리고 새로운 칩(이미지 센싱 소자와 같은 칩에 있는 시스템온칩이나 SoC 구조, 로직임베디드 또는 논리회로)이 개발됨에 따라 증가하는 금속화 라인과 레벨의 수로 인해 빛(28)이 충분한 에너지를 가지고 광센서(22)에 도달하는 것이 어려워진다. 게다가 칩당 픽셀수를 늘리기 위해(주어진 사이즈의 칩에 대한 해상도를 증가시키기 위해) 광센서와 마이크로렌즈를 계속 줄일수록, 이러한 문제는 더 현저해진다(왜냐하면 광센서구역(22) 또한 감소하기 때문이다).
따라서 광센서에 더 많은 빛이 도달하게 하여 영상소자의 감도를 증가시키는 개량된 구조에 대한 필요성이 존재한다. 게다가 두꺼운 상호접속구조체(더 금속화된 레벨)와 조화되고 픽셀구역(평방 밀리미터당 더 많은 수의 픽셀)을 줄일 수 있는 이미지 센싱 소자에 대한 개량된 구조에 대한 필요성이 있다. 그러나 현재 제조방법, 현재 설계법과 너무 동떨어지지 않는 것이 바람직하다. 제조사들이 이미 공작법에 대한 자본투자와 근로 교육을 많이 하고 지적재산, 설계블록을 많이 가지고 있기 때문이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 시스템온칩 구조, 로직임베디드 구조, 그리고 상호접속구조체에서 셋 이상의 금속화 레벨을 갖는 다른 구조체와 함께 사용 가능하고, 픽셀들 사이에서의 빛의 투과도가 더 높아지며, 빛의 누화(closs-talk)를 줄일 수 있음은 물로 두꺼운 소자에서도, 광센서 구역에 도달하는 입사광을 증가시키는 이미지 센싱 소자를 제공함에 있다. 또한 픽셀 구역 밀도 및/또는 고도의 집적된 다마신(damascene) 구조체(예를 들면 세개이상의 층)에 대한 어떠한 HDP gap filling도 문제되지 않고 광센서 구역에 있는 방벽층을 제거하는 것에 대한 추가적인 단계도 필요 없으며,광센 서 구역에 빛이 집중되도록 하는 다중레벨의 마이크로 렌즈를 사용케 하는 구조 설계가 가능하게 하는 이미지 센싱 소자를 제공함에 있다.
위에 언급한 문제들과 필요성은 본 발명의 구현에 의해 해결될 것이다. 본 발명의 일특징에 따르면 광센서 구역과 상호접속구조체, 그리고 최소한 하나의 IMD레벨 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센싱 소자가 제공된다. 기판은 그곳에서 형성된 광센서 구역을 가지고 있다. 상호접속구조체는 기판에서 형성된다. 금속라인을 포함하는 상호접속구조체는 IMD(inter-metal dielectric)층에서 형성된다. IMD레벨의 마이크로렌즈는 광센서구역에 있는 최소한 하나의 IMD층 안에 형성된다. 방벽층은 IMD층 사이에 위치하는 것이 좋다. 각각의 레벨에 있는 각각의 방벽층들은 IMD레벨의 마이크로렌즈가 위치한 구역을 제외한 광센서 구역에서 가급적 100옹스트롱 이하로 제한된 순 두께를 가지는 것이 좋다.
이 단락에서는 바로 전술한 단락에서 설명한 본 발명의 모습의 다양한 실시예에 대해 설명한다. IMD레벨 마이크로 렌즈는 가급적 IMD레벨 마이크로 렌즈가 형성된 IMD층의 반사율보다 더 큰 반사율을 가지는 것이 좋다. 캡층은 가급적 구리를 포함한 금속라인으로 형성되는 것이 좋다. 캡층은 전도성 물질, 질화금속(metal nitride), CoWP, CoWB, 금속실리콘(metal silicon), 이와 같은 것들의 조합등으로 된 적합한 캡층 물질을 포함할 수 있다. 상호접속구조체는 금속라인의 최소한 세 레벨을 가지고 있을 수 있다. 방벽층은 IMD레벨 마이크로 렌즈의 물질과 다른 물질을 포함할 수 있다. IMD레벨 마이크로 렌즈는 동일한 물질로 형성될 수 있고, 방벽 층의 물질과 동일한 초기 층으로 형성될 수 있다. IMD레벨 마이크로 렌즈는 금속 산화물, 알루미늄 산화물, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물, 금속함유질소, 금속함유탄소, 그리고 이러한 것들의 조합등과 같은 적합한 렌즈 물질을 포함할 수 있다. 방벽층은 금속 산화물, 알루미늄 산화물, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물, 금속함유질소, 금속함유탄소, 그리고 이러한 것들의 조합등과 같은 적합한 방벽층 물질을 포함할 수 있다. IMD레벨 마이크로렌즈는 광센서구역과 색필터 사이에 위치할 수 있다. IMD레벨 마이크로렌즈는 예를 들면, 볼록모양, 프레스널렌즈모양, 양쪽볼록모양, 한면만 볼록한 모양, 위로 볼록한 모양, 아래로 볼록한 모양, 그리고 이러한 것들의 조합등과 같은 적합한 모양을 가질 수 있다. 최상위 마이크로렌즈는 광센서구역에 위치할 수 있고, 상호접속구조체 위의 레벨에 위치할 수 있다. 색필터는 광센서 구역에 위치할 수 있고, 최상위 마이크로렌즈는 색필터와 IMD레벨 마이크로렌즈 사이에 위치할 수 있다. 색필터는 광센서구역에 위치할 수 있고, 최상위 마이크로렌즈와 IMD레벨 마이크로 렌즈 사이에 위치할 수 있다. 이미지 센싱 소자의 최소한의 부분에 전기적으로 연결된 논리회로를 포함하는 시스템온칩 반도체의 구조는 본 발명의 이미지 센싱 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 이미지 센싱 소자는 기판, 상호접속구조체, 상위레벨 마이크로 렌즈, 그리고 캡층을 포함한다. 기판은 기판에서 형성된 광센서구역을 가진다. 상호접속구조체는 기판에서 형성된다. 상호접속구조체는 IMD층에서 형성된 금속라인을 포함한다. 금속라인의 최소한의 일부는 구리를 포함한다. 상위레벨 마이크로 렌즈는 광센서구역에 위치하고, 상호접속구조체에 있는 레벨에 위치 한다. 캡층은 구리를 포함하는 금속라인에서 형성된다.
본 발명의 또 하나의 특징에 따르면, 이미지 센싱 소자는 광센서구역, 상호접속구조체, 최소한 한 개의 IMD레벨 마이크로렌즈, 방벽층, 캡층을 포함한다. 기판은 거기서 형성된 광센서구역을 가진다. 상호접속구조체는 기판에서 형성된다. 상호접속구조체는 IMD층에서 형성된 금속라인을 포함한다. 금속라인의 최소한의 일부는 구리를 포함한다. 최소한 하나의 IMD레벨 마이크로 렌즈는 광센서구역에 있는 최소한 한 개의 IMD층에 형성되어 있다. 각각의 IMD레벨 마이크로 렌즈는 그 안에서 형성된 IMD층의 최소한 한 개의 것보다 더 큰 굴절률을 가지고 있다. 방벽층은 IMD층 사이에 위치해 있다. 각각의 레벨에 있는 각각의 방벽층은, 최소한 IMD레벨 마이크로렌즈가 위치한 장소를 제외한 광센서구역에서 100옹스트롱 이하로 제한된 순 두께를 가지고 있다. 캡층은 구리를 포함한 금속라인으로 형성되어 있다. 이미지 센싱 소자는 광센서구역에 위치하고 상호접속구조체(색필터 위 또는 아래)위의 레벨에 위치한 상위레벨 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 광센서구역, 상호접속구조체, 상위레벨 마이크로 렌즈, 방벽층, 캡층을 포함한 이미지 센싱 소자가 제공된다. 기판은 기판에서 형성된 광센서 구역을 가지고 있다. 상호접속구조체는 기판에서 형성된다. 상호접속구조체는 IMD층에서 형성된 금속라인을 포함한다. 최소한 금속라인의 일부는 구리를 포함한다. 상위레벨 마이크로 렌즈는 광센서구역에 위치하고, 상호접속구조체 위의 레벨에 위치한다. 방벽층은 IMD층 사이에 위치한다. 각각의 레벨에 있는 각각의 방벽층은 광센서구역(마이크로 렌즈가 있을 구역은 고려하지 않고)에서 100 옹스트롱 이하로 제한된 순 두께를 가진다. 상위레벨 마이크로 렌즈는 표면(최상위), 부동화층 안, 색필터 위, 색필터 아래, 또는 그것들이 적당히 조합된 곳에 위치할 수 있다. 이미지 센싱 소자는 광센서 구역에 있는 최소한 하나의 IMD층에서 형성된 최소한 하나의 IMD레벨 마이크로렌즈를 더 포함할 수 있다. 이러한 경우, 각각의 방벽층의 두께는 최소한 하나의 IMD마이크로 렌즈가 위치한 구역을 제외한 광센서 구역에서 100옹스트롱 이하로 제한된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 이미지 센싱 소자를 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다. 이 단계의 순서는 다른 말이 없다면, 수정될 수 있고, 순차적일 수 있고, 중복될 수 있고, 병렬적일 수 있으며, 이런것들의 조합일 수 있다. 기판에서 형성된 광센서구역을 가진 기판이 제공된다. 첫번째 IMD(inter-metal dielectric)층은 기판에서 형성된다. 금속라인은 첫번째 IMD층에서 형성된다. 방벽층 물질의 초기 층은 첫번째 IMD층과 금속라인에서 형성된다. 감광체층은 방벽층 물질의 초기층위에서, 광센서 구역에서, 그리고 금속라인에 인접하여 감광체층의 일반적인 렌즈 모양 부분을 형성하기 위해 무늬가 새겨지고 부식된다. 방벽층 물질의 초기층이 에칭(etching)되고, IMD레벨 마이크로 렌즈가 방벽층 물질의 초기층이 에칭되는 동안 감광체층의 렌즈모양의 부분이 위치한 곳 아래인 방벽층 물질의 초기층에서 직접 형성되고, 방벽층은 IMD레벨 마이크로 렌즈에 인접한 금속라인에서 방벽층 물질의 초기층으로부터 형성되며 여기서 방벽층은 100옹스트롱 이하의 순 두께를 갖는다. 두번째 IMD층은 IMD레벨 마이크로 렌즈와 방벽층에서 형성되고, 방벽층 물질은 첫번째 그리고 두번째 IMD층의 유전 물 질 보다 더 큰 굴절률을 가진다. 금속라인은 구리를 포함할 수 있고, 그러한 경우 방벽층 물질의 초기층을 형성하는 데 앞서서 캡층이 금속라인에서 형성된다. 상기 방법은 추가적인 IMD층과 상호접속구조체를 형성하기 위한 두번째 IMD층에서의 추가적인 금속 라인을 형성하는 단계와 광센서 구역에 위치하고 상호접속구조체 위의 레벨에 위치한 최상위 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 방법은 이미지 센싱 소자의 최소한의 부분에 전기적으로 연결된 논리 회로를 형성하는 단계와 상호접속구조체를 형성하기 위해 두번째 IMD층에 추가적인 IMD층과 추가적인 금속라인을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 내용은 본 발명의 특징을 다소 넓게 기술하였지만 이하에서의 상세한 설명은 본 발명을 더 잘 이해하는데 도움이 될 것이다. 발명의 청구항의 주제를 이루는 추가적인 특징과 장점들은 이후에 설명될 것이다. 이 개념과 발표된 구체적 실시예가 본 발명의 목적을 수행하는 것에 대해 다른 구조와 과정들을 수정하고 설계하는 기초로서 기꺼이 이용될 것이라는 것은 당업자에게 자명하다. 또한 그러한 동등한 구조들은 첨부된 청구항에서 설명된 발명의 사상과 범위로부터 자명하다는 것이 당업자에 의해 인식될 것이다.
도면을 보면, 본 발명의 실시예가 도시되고 설명된 다양한 곳에서 같거나 비슷한 소자를 설명하기 위해 참고 번호가 사용되었다. 특징들은 모두 필수적으로 도시한 것은 아니고 오직 설명 목적을 위해 과장하거나 간소화하여 도시한 것도 있다. 당업자라면 본 발명의 실시예들에 기초하여 본 발명의 많은 응용예와 변형예를 도출해 낼 수 있을 것이다.
먼저 본 발명의 실시예로 이미지 센싱 소자의 구조와 이의 제조 방법에 대해 설명한다. 전술한 바와 같이 도 1a와 1b는 종래의 이미지 센싱 소자(20)를 도시한 도면이다. 그리고 본 발명의 다양한 실시예들이 설명될 것이다.
도2는 본 발명의 첫번째 실시예에 따른 이미지 센싱 소자(50)의 일부분을 보여주는 횡단면도이다. 먼저, 도2에서 도시된 구성요소들을 살펴보고, 그리고 나서 각각의 구성요소를 보다 상세하게 설명할 것이다. 도2에는 세 개의 광센서 구역(22)(일렬로 배열된 많은 것 중에서)이 도시되어 있다. 본 실시예에서 광센서 구역 또는 광센서(22)는 기판(24)에 형성된다. ILD(Inter-level dielectric)층(52)은 기판(24)위에 형성된다. 상호접속구조체(interconnection structure)(34)는 ILD층(52)위에 형성된다. 상호접속구조체(34)는 IMD(inter-metal dielectric)(26)층들과 금속 라인들(32)을 포함한다. 방벽(barrier)층들(54)은 IMD층들(26)사이에서 형성된다. 첫번째 실시예에서 IMD레벨 마이크로 렌즈들(56)은 예를 들면, 상호접속구조체(34)의 두번째 금속화 레벨에 형성된다. IMD레벨 마이크로 렌즈들(56)은 광센서구역들(22)위와 금속라인들(32)사이에서 형성된다.
도2 내지 도6 및 도13 내지 도18에 도시된 바와 같이, 색필터들, 다른 렌즈들, 그리고 부동화 층들이 포함될 수 있는 이미지 센싱 소자(50)위의 부분들은 도면을 간단히 하기 위해 도시하지 않았다. 또한 광센서 구역들(22)에 인접한 아래쪽 기판(24)의 다른 부분도 도면을 간단히 하기 위해 도시하지 않았다. 본 실시예에 따른 이미지 센싱 소자(50)에는 현재 알려진 응용기기(예를 들면, 휴대전화, mp3플레이어, 랩탑컴퓨터) 또는 후에 개량될 많은 다른 응용기기에 대한 많은 다른 칩 (예를 들면 SoC, 로직임베디드칩)에 합쳐질 수 있기 때문에 본 실시예의 이미지 센싱 소자(50)를 포함하는 집적 회로 칩은 는 도2 내지 도6 및 도13 내지 도18에서 보여지지 않은 다른 회로와 구조체를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 광센서 구역(22)은 부분적으로는 기판 안에서 형성된 채 기판위에서 형성되거나 부분적으로 기판 위에서 형성된 채 기판 안에서 형성되거나 이러한 것들의 조합일 수 있다. 도면에서 광센서구역(22)은 간단한 방식으로 도시되었다. 본 발명의 실시예에서 광센서 구역(22)은 현재 사용되는 것일 수 있고, 후에 개량된 광센서 또는 픽셀 구역일 수 있다. 각각의 광센서 구역(22)은 종종 하나의 픽셀로서 언급된다. 전형적인 이미지 센싱 소자에서 픽셀들은 평면 시계(plan view)로 나열된 사각격자배열을 가질 수 있다. 현재의 또는 미래의 개량된 평면 시계의 픽셀 배열은 본 발명의 실시예 구현을 위해 사용될 수 있다. 광센서 구역들(22)은 CMOS 이미지 센서(CIS), CCD(Charge-Coupled Device), 3T(three transistor CIS), 4T(four transistor CIS), 광다이오드, N+ 타입광센서(NPS), 이들을 적절히 결합한 것등을 포함하는 적합한 광센서를 포함할 수 있다.
본 실시예의 ILD층(52)은 산화물(oxide), 산화 실리콘(silicon oxide), low-k 유전 물질, BPSG, TEOS, SiOC, 그리고 이것의 결합물을 포함하는(하지만 이것들로 제한되지는 않음) 적합한 유전 물질(층 및/또는 레벨의 수가 한정되지 않음)일 수 있다. 본 실시예의 IMD층들(26)은 산화물(oxide), 산화 실리콘(silicon oxide) , low-k 유전 물질, FSG, PSG, Black Diamond, TEOS, SiOC, 그리고 이들의 조합물등을 포함하는(하지만 이것들로 제한되지는 않음) 적합한 유전 물질(층 및/ 또는 레벨의 수가 한정되지 않음)을 포함할 수 있다. 본 실시예의 상호접속구조체(34)의 금속 라인들(32)은 금속(metal), 불순물이 함유된 반도체(doped semiconductor), 불순물이 함유된 폴리 실리콘(doped polysilicon), 구리(copper), 알루미늄(aluminum), AlCu, 텅스텐(tungsten), 금(gold), 은(silver), 그리고 이들의 조합물등을 포함 하는(반드시 이런 것들로 제한되지는 않지만) 적합한 전도성 물질(전부 금속이거나 일부 금속)(몇 개의 물질이 결합되었든)(몇 개의 층 및/또는 레벨이 있든)로 구성될 수 있다. 본 실시예의 방벽층들(54)은 탄화규소(silicon carbide), 질화규소(silicon nitride), Al2O3, ZrO2, 산화하프늄(hafnium oxide), 질소함유물, 탄소함유물, 그리고 이런 것들의 조합등을 포함하는(이런 것들로 제한되지는 않음) 적합한 방벽물질로 구성될 수 있다. 본 실시예의 마이크로렌즈들(38,56,58)은 탄화규소(silicon carbide), 질화규소(silicon nitride), Al2O3, ZrO2, 산화하프늄(hafnium oxide), 질소함유물, 탄소함유물, 그리고 이들의 조합물등을 포함하는(이런 것들로 제한되지는 않지만) 적합한 렌즈 물질로 이루어 질 수 있다.
다시, 도2와 첫번째 실시예를 참조하면, IMD레벨 마이크로 렌즈는 같은 물질로 형성되고 그 레벨에 있는 방벽층과 같은 초기 층으로부터 형성된다. 이러한 방식으로 IMD레벨 마이크로 렌즈(56)를 형성하는 방법에 대해, 도8 및 도9를 참조하여 상세하게 후술한다.
본 발명의 다른 실시예보다도 첫번째 실시예에서 각 레벨에 있는 방벽층(54) 은 IMD레벨 마이크로 렌즈들(56)이 위치한 장소들의 경로를 제외하고, 광센서 구역(22)의 위치에서 100옹스트롱 이하로 제한된 순 두께를 가지고 있다. 100옹스트롱 이하에서 방벽층(54)의 순 두께를 유지하면서(주어진 레벨에서 각각의 방벽층을 가지고 있는지에 관계없이) 각각의 방벽층(54)은 광센서 구역(22)위를 통과하는 빛의 이동을 더 늘리고 빛의 반사를 더 줄게 한다. 100옹스트롱 이하 순 두께의 방벽층은 그곳을 통과하는 빛의 양자효율에 영향이 없다는 것이 실험에서 보여주었다. 이것은 아래의 도 19a와 19b에서 더 자세히 설명된다. 각각의 방벽층(54)의 순 두께를 줄임으로서, 본 발명의 이미지 센싱 소자(50)의 구조체들은 3개 이상의 금속화 레벨을 가지는 칩에 적용할 수 있다(예를 들면, 시스템온칩의 이용, 로직임베디드 CIS 장치). 상호접속구조체(34)에 대한 금속화 레벨의 수에 대한 현재 추세는 증가하고 있고, 특히 이미지 센싱 소자(50)는 복잡한 논리 칩 및/또는 다른 소자나 칩의 모든 시스템에 통합된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예보다도, 첫번째 실시예에서 각 레벨에 있는 방벽층(54)은 인접한 IMD층(26)의 굴절률보다 더 큰 굴절률을 가지고 있다. 그리고 본 발명의 다른 실시예보다도 첫번째 실시예의 IMD레벨 마이크로 렌즈(56) 또한 렌즈가 포함된 IMD층(26)의 굴절률 보다 더 큰 굴절률을 가지고 있다.
첫번째 실시예에서 금속라인들(32)은 다마신(damascene)(또는 듀얼다마신(dual damascene)) 공정을 사용하여 형성한 구리인 것이 바람직하다. 도2에 도시된 상호접속구조체(34)의 각각의 구리 금속 라인(32)은 그 위해 캡(cap)층(62)을 가지고 있다. 금속라인(32) 위의 캡층(62)은 구리 라인에 대한 확산장벽(diffusion barrier)을 제공한다. 또한 플러그를 통해 금속라인(32)이 있는 IMD층(26)에 형성된 홀(hole)들과 트랜치(trench)들이 확산방벽층(도면의 간략화를 위해 도시하지 않음)에 배열된다. 캡층(62)은 패터닝되고 에칭되어 금속라인(32)위에 위치하고 다른 곳에는 위치하지 않는다(다시 말하면 광센서구역(22)위에 위치하지 않고, 라인(32)사이에서 쇼트를 일으키지 않는다). 본 실시예의 캡층(62)은 CoWP, CoWB, 규화 금속(metal silicide), 질화 금속(metal nitride), 전도성 확산 방벽 물질, 그리고 이들의 조합물등으로 이루어진 적합한 캡층 물질(한 개의 층 또는 여러 개의 쌓여진 층)을 포함할 수 있다. 캡층(62)은 일부 실시예에서는 캡층을 필요로 하지 않았던 것에서 알 수 있듯이, 캡층(62)은 본 실시예를 위한 부가적인 특징이다. 본 발명의 첫번째 실시예에서 캡층(62)과 IMD레벨 마이크로 렌즈(56)를 사용하는 경우, 캡층(62)이 구리 확산 방벽으로서 존재할 수 있기 때문에, 방벽층(54)은 부가적인 특징에 해당한다. 다른 실시예에서 캡층(62)과 IMD레벨 마이크로 렌즈(56)를 사용하는 경우, 광센서 구역(22)위에 위치한 어떤 방벽층(54)도 없다. 다른 실시예에서 캡층(62)과 IMD레벨 마이크로 렌즈(56)를 사용하는 경우 각각의 레벨에 있는 방벽층(54)은 IMD레벨 마이크로렌즈(56)가 위치한 장소의 경로를 제외한 광센서 구역(22)의 위치에서 100옹스트롱 이하로 제한된 순 두께를 가진다.
도3은 본 발명의 두번째 실시예에 따른 이미지 센싱 소자(50)의 일부분을 보여주는 횡단면도이다. 두번째 실시예는 다중 레벨의 IMD레벨 마이크로 렌즈(56)로 구현된 것을 제외하면 본질적으로 도2에 도시된 첫번째 실시예와 같다. 이것은 실시예에서 몇 레벨의 IMD레벨 마이크로 렌즈일 수 있다는 것을 설명한다.
도4는 본 발명의 세번째 실시예에 따라 이미지 센싱 소자(50)의 일부분을 보여주는 횡단면도이다. 세번째 실시예에서 마이크로 렌즈(58)는 상호접속구조체(34)와 광센서구역(22)위에 있는 레벨에 형성된다(도4 참조). 세번째 실시예에서 마이크로 렌즈(58)는 상호접속구조체(34)와 색필터들(색필터들은 도4에 도시하지 않았지만, 도 1a 및 도5 등에 있는 색필터들(36)을 참조)사이에 있는 레벨에 위치할 수 있다. 게다가, 비록 도 2 내지 도 5에는 도시하지 않았지만, 본 발명의 어떤 본 실시예도 도 1a 및 도 6 등에 있는 상위레벨에 도시된 색필터들 및/또는 최상위 마이크로 렌즈들(38)을 포함할 수 있다. 도 4의 마이크로 렌즈들(58)은 IMD층, 부동화층(passivation layer) 또는 상호접속구조체(34) 위에 있는 다른 어떤 층에 형성될 수 있다.
도5는 본 발명의 네번째 실시예에 따라 이미지 센싱 소자(50)의 일부분을 보여준 횡단면도이다. 네번째 실시예는 이미지 센싱 소자(50)가 IMD레벨 마이크로렌즈(56)와 상호접속구조체(34) 위의 레벨에 있는 마이크로 렌즈(58)를 가지고 있다는 점에서 본질적으로 첫번째(또는 두번째)와 세번째 실시예의 조합이라고 할 수 있다.
도6은 본 발명의 다섯번째 실시예에 따라 이미지 센싱 소자(50)의 일부분을 보여주는 횡단면도이다. 다섯번째 실시예는 다중 레벨의 마이크로렌즈들(38, 56, 58)을 가지고 있다. 금속화 레벨의 수가 늘어날수록(예를 들면, 3레벨 이상의 금속화로 된 구조) 본 발명의 실시예에 따른 다중레벨의 마이크로 렌즈들을 갖는 것이 이상적이거나 필수적일 수 있다. 예를 들면 로직 임베디드 장치(예를 들면 SOC)와 함께 사용 가능하고, 픽셀 크기를 줄이고 어레이 밀도를 증가시키는 것을 허용하기 위함이다. 도6에 도시된 다섯번째 실시예에서 세가지 레벨의 IMD레벨 마이크로 렌즈들(56)과 상호접속구조체 위에 한 레벨의 마이크로 렌즈들(58), 그리고 최상위 레벨의 마이크로 렌즈들(38)이 있다. 또한 색필터(36)들은 최상위 마이크로렌즈(38)와 다른 마이크로 렌즈들(56,58) 사이에 위치한다. 이것이 현재 셋 이상의 금속화 레벨을 가지는 실시예에 대한 바람직한 설계들 중 하나이다.
도6 내지 도12를 참조하여, 여섯번째 실시예에 따른 이미지 센싱 소자(50) 제조 방법을 상세히 설명한다. 이 방법 또는 이 방법의 관련 부분은 또한 본 발명의 다른 실시예를 제조하는 데 적용수 있다. 전술하였듯이 도6에는 이미 제조된 이미지 센싱 소자(50)가 도시되어 있다. 도7 내지 도12는 도6에서 도시된 구조체을 제조하는 일련의 과정에 대한 설명에 제공되는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이 광센서 구역(22)을 가지는 기판(24)이 형성된다. ILD층(52)는 기판(24)위에서 형성된다. 방벽층(54)과 첫번째 레벨의 IMD레벨 마이크로 렌즈들(56)이 ILD층(52)위에 형성된다. 도8 및 도9는 그 레벨에서 방벽층(54)을 형성하기 위해 사용된 방벽층 물질과 동일한 물질 그리고 동일한 초기층(64)로부터 마이크로렌즈들(56 및/또는58)을 형성하는 방법을 설명한다. 도8에서 방벽층 물질의 초기층(64)은 기초가 되는 층(이 예에서ILD층(52)이지만 어떤 층 레벨도 될 수 있다)위에 형성된다. 감광체층은 초기층(64)위에서 형성된다. 감광체는 그 후 도8에서 도시한 것처럼 초기층(64)위에 렌즈 모양의 감광체 부분(66)을 형성하기 위해 패터닝되고 에칭된다. 렌즈 모양의 감광체 부분(66)이 형성되면서 이방성 에 치(예를 들면 RIE etch 및/또는 dry etch)가 형성된다. 에칭 후에 렌즈모양의 감광체 부분(66)이 도9에서 도시한 계층구조를 제공하기 위해 렌즈모양 구역의 외곽에 있는 초기층(64)의 대부분을 따라 에칭된다. 초기층(64)의 두께, 렌즈 모양 감광체 부분(66)의 크기, 그리고 에칭 특징(에칭 화학물, 에칭 시간, 및/또는 에칭 정지 제어)들은 제어될 수 있어서 방벽층(54)은 마이크로렌즈(56) 구조체들의 외곽에서 100옹스트롱 이하의 순 두께(68)를 가진다. 비록 도8, 9에 관하여 기술된 것처럼 방벽층(54)과 일체로 형성된 마이크로렌즈들(56 및/또는58)을 갖는 것이 바람직하지만, 본 발명의 다른 실시예에서 처럼 마이크로렌즈들이 다른 물질로 형성되거나 같은 물질로 형성되어도 방벽층의 물질과 일체로 형성되지 않을 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, IMD층(26)은 IMD레벨 마이크로렌즈(56)의 첫번째 레벨 위에서 형성되었다. 다마신(damascene) 공정이 구리 금속 라인(32)을 형성하기 위해 사용된다. 확산방벽층을 제공하기 위해 캡층(62)이 금속 라인(32)위에서 형성되고 패터닝되며 에칭된다. 다음으로 IMD레벨 마이크로 렌즈들(56)과 일체의 또 다른 방벽층(54)이 도 10에서 도시된 바와 같이 IMD층(26)과 금속라인(32) 위에서 형성된다. 도 11에서, 금속라인에 확산방벽층을 제공하기 위한 캡층(62)이 더 많아, 더 많은 금속 라인(32)이 듀얼다마신(dual damascene) 공정을 사용하면서 형성되었다. 도 12에서 IMD레벨 마이크로렌즈(56)와 일체의 또 다른 방벽층이 IMD층(26)과 금속라인(32) 위에서 형성된다. 이러한 것은 상호접속구조체(34)의 모든 금속화 레벨이 형성될 때까지 계속된다. 모든 레벨이 다른 실시예에서는 모든 레벨이 마이크로 렌즈(56 또는 58)의 레벨을 갖도록 할 필요는 없다는 것을 유의해야 한다. 제조 결과는 도 6에 도시된 이미지 센싱 소자(50)이다.
공개번호 US 2005/0274968(출원인 : 태국 반도체 제조 회사 등)에서 본 것처럼, 마이크로 렌즈(56 및/또는 58)는 다양한 모양을 가질 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 대해 어떤 레벨에 있는 마이크로 렌즈도 적합한 마이크로 렌즈 모양(현재 알려진 것 또는 후에 개량될 것)을 가질 수 있다. 도 13 내지 도18은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센싱 소자(50)의 부분적 횡단면도들이다. 이러한 실시예는 바람직한 마이크로 렌즈 모양과 구조를 예시하기 때문에 본 발명의 실시예와 통합될 수 있다. 도 13에서 IMD레벨 마이크로 렌즈(56)는 양쪽볼록 모양이, 방벽층들(54) 사이에서(그리고 광센서 구역(22) 위에서) IMD층(26)에 끼워져 있다. 도 14에 도시된 IMD레벨 마이크로 렌즈(56)는 아래로 볼록한 모양을 가진다. 도 15에 도시된 IMD레벨 마이크로 렌즈(56)는 부분적인 프레넬(fresnel) 렌즈 모양을 가지면서 아래로 볼록한 모양을 가진다. 도 16에 도시된 IMD레벨 마이크로 렌즈(56)는 프레넬 렌즈 모양을 가진다(아래로 볼록). 도 17에 도시된 IMD레벨 마이크로 렌즈(56)는 프레넬 렌즈 모양을 가진다.(위로 볼록) 도 18에 도시된 IMD레벨 마이크로 렌즈(56)는 부분적인 프레넬 렌즈 모양을 가지면서 위로 볼록한 모양을 가진다. 모양을 어떻게 조합하든, 다른 모양이 몇 개든 간에 본 발명의 범주에 포함된다(예를 들면 다른 레벨에 있는 다른 마이크로 렌즈). 게다가 마이크로 렌즈의 크기와 초점은 이미지 센싱 소자(50)에 들어가는 광선의 광학 초점 또는 진행 경로를 제공하기 위해 다양한 레벨로 변화할 수 있다.
도 19a와 19b는 예로든 두 개의 방벽층 물질, SiC(도 19a)와 Al2O3(도 19b)에 대한 서로 다른 순 두께의 방벽층에 대한 실험데이터를 보여주는 그래프이다. 도 19a와 19b의 각각의 그래프에서 세로축은 상대적인 투과도를 보여주고 가로축은 방벽층의 순 두께를 보여준다. 이러한 방벽층 물질에 대한 두개의 그래프에서 상대적인 투과도는 3개의 실험 빛의 파장(즉, 400-500 nm, 500-600 nm, 및 600-700 nm)에 대해 100옹스트롱의 순 두께 이후에서 떨어지기 시작한다. 그러므로 실험 데이터는, SiC 또는 Al2O3등으로 만들어진 방벽층이 순 두께가 약 100옹스트롱 이하일 때, 이러한 파장에서 양자효율이나 빛의 상대적 투과도에 영향이 없을 것이라는 것을 보여준다.
본 발명의 실시예는 다음과 같은 장점과 이점을 갖는다.
시스템온칩 구조, 로직임베디드 구조, 그리고 상호접속구조체에서 셋 이상의 금속화 레벨을 갖는 다른 구조체와 함께 사용 가능하다.
픽셀들 사이에서의 빛의 투과도가 더 높아지고, 빛의 누화(closs-talk)가 줄어든다.
두꺼운 소자에서도, 광센서 구역에 도달하는 입사광을 증가시킨다.
선행 기술의 구조와 비교하여 픽셀 구역 밀도 및/또는 고도의 집적된 다마신(damascene) 구조체(예를 들면 세개이상의 층)에 대한 어떠한 HDP gap filling도 문제되지 않고 광센서 구역에 있는 방벽층을 제거하는 것에 대한 추가적인 단계도 필요 없다.
광센서 구역에 빛이 집중되도록 하는 다중레벨의 마이크로 렌즈를 사용케 하는 구조 설계가 가능하다.
구리라인과 캡층을 사용하는 구조 설계가 가능하다.
low-k 유전물질을 사용하는 구조 설계가 가능하다.
거의 모든 타입의 광센서들로 구조 설계가 가능하다.
더 높은 픽셀 밀도를 허용하는 구조 설계가 가능하다.
이미 존재한 제조 방법과 이미 사용된 공작법으로 쉽고 효과적으로 통합될 수 있다.
같은 칩(SoC와 친화적인)에 다른 소자들을 형성하는 것에 사용되었거나 사용되기 원했던 제조 과정과 쉽게 통합할 수 있다.
비록 본 발명의 실시예와 그 장점 중 최소한의 일부만이 상세하게 설명되었지만, 다양하게 변화시키고 치환시키며 변경시킨 것들이 첨부된 청구항에 의해 설명된 것에 의해 발명의 사상이나 영역에서 벗어나지 않고 이 틀 안에서 만들어질 수 있다. 게다가 본 발명의 영역은 공정, 기구, 제품, 물질의 구성, 수단, 방법, 그리고 명세서에 기술된 과정의 부분적 실시예에 제한되지 않는다. 기술 내용이 현재 존재하거나 후에 개량될 본 발명의 공개, 과정, 기구, 제품, 물질의 조합, 수단, 방법, 또는 과정이 공개되어 쉽게 이해됨으로서 실질적으로 같은 기능을 하거나 여기 설명된 것과 상응하는 실시예로서 실질적으로 같은 결과를 얻을 수 있는 것들이 발명에 의해 이용될 것이다. 따라서 첨부된 청구항은 그러한 공정, 장치, 제품, 물질의 조합, 수단, 방법, 또는 과정과 같은 영역을 포함 한다.

Claims (10)

  1. 광센서 구역이 마련된 기판;
    상기 기판 위에 형성되며 IMD(inter-metal dielectric)층에 형성된 금속라인들을 포함하는 상호접속구조체;
    상기 광센서 구역 위의 적어도 하나의 IMD(inter-metal dielectric)층 내에 형성된 적어도 하나의 IMD레벨 마이크로 렌즈; 및
    상기 IMD층들 사이에 위치하여 0옹스트롱을 초과하고 100옹스트롱 이하로 제한된 순 두께를 가지는 방벽층;을 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 IMD레벨 마이크로 렌즈는 상기 방벽층의 물질과 같은 초기층의 물질을 가지고 상기 방벽층과 같은 초기층으로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 소자.
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  8. 기판 위, 상기 기판 안과 위의 일부에, 또는 상기 기판 안에 형성된 광센서 구역이 마련된 기판;
    상기 기판에 형성된 상호접속구조체;
    상기 광센서구역 위에 위치하고 상기 상호접속구조체 위의 레벨에 위치한 상위 레벨 마이크로 렌즈들;
    구리를 포함하는 금속 라인 위에 형성된 캡층;
    상기 광센서구역의 적어도 하나의 IMD(inter-metal dielectric)층 내에 형성된 적어도 하나의 IMD레벨 마이크로 렌즈; 및
    상기 적어도 하나의 IMD레벨 마이크로 렌즈가 위치한 곳을 제외한 광센서 구역에 있는 IMD층들 사이에 마련된 방벽층;을 포함하며,
    상기 상호접속구조체는 IMD층에 형성된 금속라인들을 포함하고, 상기 금속 라인들의 적어도 하나는 구리를 포함하고,
    상기 방벽층의 두께는 상기 광센서 구역에서 O옹스트롱을 초과하고 100옹스트롱 이하로 제한된 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 소자.
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