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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023152720
(43)【公開日】2023-10-17
(54)【発明の名称】イメージセンサ中の分離構造
(51)【国際特許分類】
H01L 27/146 20060101AFI20231010BHJP
H01L 27/144 20060101ALI20231010BHJP
【ＦＩ】
H01L27/146 A
H01L27/144 K
H01L27/146 D
【審査請求】有
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023020398
(22)【出願日】2023-02-14
(31)【優先権主張番号】63/327,018
(32)【優先日】2022-04-04
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/879,556
(32)【優先日】2022-08-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】500262038
【氏名又は名称】台湾積體電路製造股▲ふん▼有限公司
【氏名又は名称原語表記】Ｔａｉｗａｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．８， Ｌｉ－Ｈｓｉｎ Ｒｄ．６， Ｈｓｉｎｃｈｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｋ， Ｈｓｉｎｃｈｕ， ＴＡＩＷＡＮ
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100164448
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 雄輔
(72)【発明者】
【氏名】何 承穎
(72)【発明者】
【氏名】林 冠華
(72)【発明者】
【氏名】周 耕宇
(72)【発明者】
【氏名】許 凱鈞
(72)【発明者】
【氏名】林 頌恩
(72)【発明者】
【氏名】王 文徳
(72)【発明者】
【氏名】劉 人誠
【テーマコード（参考）】
4M118
【Ｆターム（参考）】
4M118AA01
4M118AA05
4M118AB01
4M118BA09
4M118CA02
4M118CA34
4M118EA14
4M118FA27
4M118FA28
4M118GA02
4M118GA08
4M118GB03
4M118GB07
4M118GB09
4M118GB11
4M118GC07
4M118GD04
4M118GD15
4M118HA25
4M118HA26
(57)【要約】 （修正有）
【課題】隣接する画素構造間のクロストークを実質的に最少化又は排除し、ＢＳＩイメージセンサの量子効率を向上させる光学デバイス及び方法を提供する。
【解決手段】光学デバイス１００は、基板１０２と、基板に設けられた第１放射線感知素子１０６Ａ及び第２放射線感知素子１０６Ｂと、基板に設けられたシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）構造１０８と、を含む。基板は、表側表面１０２Ｆと、表側表面と反対の裏側表面１０２Ｂとを有する。光学デバイスはさらに、基板にてＳＴＩ構造上に設けられたディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）構造１１０を含む。ＤＴＩ構造は、金属充填層１１０Ａと、金属構造を囲む誘電体層１１０Ｂ、１１０Ｃと、を含む。ＤＴＩ構造は、基板の表側表面の上方に垂直に延伸する。
【選択図】図１
【解決手段】光学デバイス１００は、基板１０２と、基板に設けられた第１放射線感知素子１０６Ａ及び第２放射線感知素子１０６Ｂと、基板に設けられたシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）構造１０８と、を含む。基板は、表側表面１０２Ｆと、表側表面と反対の裏側表面１０２Ｂとを有する。光学デバイスはさらに、基板にてＳＴＩ構造上に設けられたディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）構造１１０を含む。ＤＴＩ構造は、金属充填層１１０Ａと、金属構造を囲む誘電体層１１０Ｂ、１１０Ｃと、を含む。ＤＴＩ構造は、基板の表側表面の上方に垂直に延伸する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１表面と、前記第１表面と反対の第２表面とを含む基板と、
前記基板に設けられた第１放射線感知素子と第２放射線感知素子と、
前記基板にて前記第１放射線感知素子と前記第２放射線感知素子との間に設けられ、第１表面と、前記第１表面と反対の第２表面とを有する、第１分離構造と、
金属構造と、
前記金属構造を囲む誘電体層と
を含み、
前記基板にて前記第１分離構造の前記第１表面上に設けられた第２分離構造と
を含み、
前記第２分離構造が、前記基板の前記第１表面の上方に垂直に延伸する、
光学デバイス。
前記基板に設けられた第１放射線感知素子と第２放射線感知素子と、
前記基板にて前記第１放射線感知素子と前記第２放射線感知素子との間に設けられ、第１表面と、前記第１表面と反対の第２表面とを有する、第１分離構造と、
金属構造と、
前記金属構造を囲む誘電体層と
を含み、
前記基板にて前記第１分離構造の前記第１表面上に設けられた第２分離構造と
を含み、
前記第２分離構造が、前記基板の前記第１表面の上方に垂直に延伸する、
光学デバイス。
【請求項2】
前記第１分離構造の前記第２表面が、前記基板の前記第２表面と同一平面上にある、
請求項１に記載の光学デバイス。
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項3】
前記第２分離構造の高さが前記第１分離構造の高さよりも高い、
請求項１に記載の光学デバイス。
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項4】
前記第１分離構造の幅が前記第２分離構造の幅よりも広い、
請求項１に記載の光学デバイス。
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項5】
前記第２分離構造が、前記基板の前記第１表面の上方に８０ｎｍ～１３０ｎｍの距離を垂直に延伸する、
請求項１に記載の光学デバイス。
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項6】
前記誘電体層が、前記第１分離構造の前記第１表面と物理的に接触している、
請求項１に記載の光学デバイス。
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項7】
前記誘電体層が、
前記金属構造を囲む酸化物層と、
前記酸化物層を囲むｈｉｇｈ－ｋ誘電体層と
を含み、
前記酸化物層及び前記ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層の材料が互いに異なる、
請求項１に記載の光学デバイス。
前記金属構造を囲む酸化物層と、
前記酸化物層を囲むｈｉｇｈ－ｋ誘電体層と
を含み、
前記酸化物層及び前記ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層の材料が互いに異なる、
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項8】
前記誘電体層が、
前記金属構造を囲む酸化ケイ素層と、
前記酸化ケイ素層を囲む、酸化ハフニウムと酸化アルミニウムを含むｈｉｇｈ－ｋ誘電体層と
を含む、
請求項１に記載の光学デバイス。
前記金属構造を囲む酸化ケイ素層と、
前記酸化ケイ素層を囲む、酸化ハフニウムと酸化アルミニウムを含むｈｉｇｈ－ｋ誘電体層と
を含む、
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項9】
前記金属構造がタングステン又はアルミニウムを含む、
請求項１に記載の光学デバイス。
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項10】
前記基板の前記第１表面が、前記第１放射線感知素子及び前記第２放射線感知素子と整列した溝領域を含む、
請求項１に記載の光学デバイス。
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項11】
前記溝領域が三角形状の断面を有する、
請求項１０に記載の光学デバイス。
請求項１０に記載の光学デバイス。
【請求項12】
前記第２分離構造上にバッファ層を更に含む、
請求項１に記載の光学デバイス。
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項13】
表側表面と裏側表面とを含む基板と、
前記基板に設けられた第１画素構造と第２画素構造と、
前記第１画素構造と前記第２画素構造との間に設けられたシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）構造と、
金属構造と、
前記金属構造の側壁に沿って、そして前記ＳＴＩ構造上に設けられた誘電体ライナーと
を含み、
前記ＳＴＩ構造上に設けられたディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）構造と、
前記基板の前記裏側表面上に設けられて前記ＤＴＩ構造と整列したグリッド構造と
を含む、
光学デバイス。
前記基板に設けられた第１画素構造と第２画素構造と、
前記第１画素構造と前記第２画素構造との間に設けられたシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）構造と、
金属構造と、
前記金属構造の側壁に沿って、そして前記ＳＴＩ構造上に設けられた誘電体ライナーと
を含み、
前記ＳＴＩ構造上に設けられたディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）構造と、
前記基板の前記裏側表面上に設けられて前記ＤＴＩ構造と整列したグリッド構造と
を含む、
光学デバイス。
【請求項14】
前記誘電体ライナーが、
前記金属構造を囲む酸化ケイ素層と、
前記酸化ケイ素層を囲む、酸化ハフニウムと酸化アルミニウムを含むｈｉｇｈ－ｋ誘電体層と
を含む、
請求項１３に記載の光学デバイス。
前記金属構造を囲む酸化ケイ素層と、
前記酸化ケイ素層を囲む、酸化ハフニウムと酸化アルミニウムを含むｈｉｇｈ－ｋ誘電体層と
を含む、
請求項１３に記載の光学デバイス。
【請求項15】
前記金属構造がタングステン又はアルミニウムを含む、
請求項１３に記載の光学デバイス。
請求項１３に記載の光学デバイス。
【請求項16】
前記金属構造と前記グリッド構造との間にバッファ層を更に含む、
請求項１３に記載の光学デバイス。
請求項１３に記載の光学デバイス。
【請求項17】
基板の第１表面を通して第１放射線感知素子と第２放射線感知素子を形成することと、
前記基板の前記第１表面を通して前記第１放射線感知素子と前記第２放射線感知素子との間に第１分離構造を形成することと、
前記基板の前記第１表面と反対の前記基板の第２表面上に溝領域を形成することと、
前記基板の前記第２表面を通じて前記第１分離構造上に分離トレンチを形成することと、
前記分離トレンチに誘電体層を形成することであって、前記誘電体層が前記基板の前記第２表面の上方に垂直に延伸することと、
前記誘電体層上に金属層を形成すること
とを含む、
方法。
前記基板の前記第１表面を通して前記第１放射線感知素子と前記第２放射線感知素子との間に第１分離構造を形成することと、
前記基板の前記第１表面と反対の前記基板の第２表面上に溝領域を形成することと、
前記基板の前記第２表面を通じて前記第１分離構造上に分離トレンチを形成することと、
前記分離トレンチに誘電体層を形成することであって、前記誘電体層が前記基板の前記第２表面の上方に垂直に延伸することと、
前記誘電体層上に金属層を形成すること
とを含む、
方法。
【請求項18】
前記誘電体層を形成することが、
前記分離トレンチの側壁に沿って、そして前記第１分離構造上に、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層を堆積することと、
前記ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層上に酸化物層を堆積することと
を含み、
前記酸化物層及び前記ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層の材料が互いに異なる、
請求項１７に記載の方法。
前記分離トレンチの側壁に沿って、そして前記第１分離構造上に、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層を堆積することと、
前記ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層上に酸化物層を堆積することと
を含み、
前記酸化物層及び前記ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層の材料が互いに異なる、
請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記金属層上にグリッド構造を形成することを更に含む、
請求項１７に記載の方法。
請求項１７に記載の方法。
【請求項20】
前記金属層と前記グリッド構造との間にバッファ層を形成することを更に含む、
請求項１９に記載の方法。
請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
イメージセンサは、可視光や赤外光といった入射する可視又は不可視放射線を感知するために用いられる。相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサ及び電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサが、デジタルスチルカメラ、携帯電話、タブレット、ゴーグルといった様々な応用に用いられる。これらイメージセンサは、入射放射線を吸収（例えば感知）して電気信号に変換する画素のアレイを利用する。イメージセンサの１つの例は裏面照射型（ＢＳＩ）イメージセンサをであり、これはＢＳＩイメージセンサの基板の「裏側」からの放射線を検出する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0002】
ＢＳＩイメージセンサは、基板（例えば半導体基板）中の画素構造（フォトダイオード、トランジスタ、他の部品を含む）のアレイを含む。画素構造は、基板に向かい投射された電磁放射線（例えば赤外線放射線）を受け取り（又は吸収し）、受け取った放射線からの光子を電気信号へ変換するよう構成される。電気信号は、続いてＢＳＩイメージセンサに取り付けられた処理コンポーネントへ分配される。画素構造は、画素構造内で生成された電気信号を適切な処理コンポーネントへ分配するよう構成された相互接続構造を覆う。
【0003】
ＢＳＩイメージセンサにおいて、相互接続構造は基板の表側表面に結合され、相互接続構造及び／又は画素構造の構成要素から、最小限の障害で、又は障害なしに、光を収集するため、カラーフィルタ及びマイクロレンズが基板の裏側に結合される。その結果、ＢＳＩイメージセンサは表側照射型イメージセンサよりも、低照度条件下での向上された性能及び高い量子効率（ＱＥ）（例えば光子から電子への変換率）を有する。
【0004】
ＢＳＩイメージセンサに伴う課題は、隣接する画素構造間のクロストークの減少又は排除である。互いに隣接した画素構造は、互いの動作に互いに干渉する可能性がある。このクロストークは、画素構造からの光が隣接する画素構造中へ進入するときに発生する可能性があり、これにより隣接する画素構造に光を感知させてしまう。そのようなクロストークは、ＢＳＩイメージセンサの精度及び量子効率を低下させる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、いくつかの実施形態において、基板と、第１放射線感知素子及び第２放射線感知素子と、第１分離構造及び第２分離構造とを含む光学デバイスを提供する。基板は、第１表面と、第１表面と反対の第２表面とを含む。第１及び第２放射線感知素子は、基板に設けられる。第１分離構造は、基板にて第１放射線感知素子と第２放射線感知素子との間に設けられる。第１分離構造は、第１表面と、第１表面と反対の第２表面とを含む。第２分離構造は、基板中、そして第１分離構造の第１表面上に設けられる。第２分離構造は、金属構造と、金属構造を囲む誘電体層とを含む。第２分離構造は、基板の第１表面の上方に垂直に延伸する。
【0006】
本発明は、いくつかの実施形態において、基板と、第１画素構造及び第２画素構造と、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）構造と、ディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）構造と、グリッド構造とを含む光学デバイスも提供する。基板は、表側表面と裏側表面とを含む。第１及び第２画素構造は、基板に設けられる。ＳＴＩ構造は、第１画素構造と第２画素構造との間に設けられる。ＤＴＩ構造は、ＳＴＩ構造上に設けられる。ＤＴＩ構造は、金属構造と、金属構造の側壁に沿って、そしてＳＴＩ構造上に設けられた誘電体ライナーとを含む。グリッド構造は、基板の裏側表面上に設けられ、ＤＴＩ構造と実質的に整列している。
【0007】
本発明は、いくつかの実施形態において、方法を更に提供する。第１放射線感知素子と第２放射線感知素子が基板の第１表面を通って形成される。第１分離構造が、基板の第１表面を通って、第１放射線感知素子と第２放射線感知素子との間に形成される。溝領域が、基板の第１表面と反対の基板の第２表面上に形成される。分離トレンチが、基板の第２表面を通って、第１分離構造上に形成される。誘電体層が分離トレンチ内に形成される。誘電体層は、基板の第２表面の上方に垂直に延伸する。金属層が誘電体層上に形成される。
【発明の効果】
【0008】
本発明によると、隣接する画素構造間のクロストークが実質的に最少化又は排除され、ＢＳＩイメージセンサの量子効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【0009】
本発明の態様は、添付図面と共に以下の詳細な説明を読むことで最もよく理解される。
【0010】
例示的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。図面において、同様の参照符号は一般的に、同一の、機能的に類似する、及び／又は構造的に類似する要素を示す。同一の符号を持つ要素の説明は、特記しない限り、相互に適用される。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下の実施形態は、提供される主題の異なる特徴を実装するための多くの異なる実施形態又は実施例を提供する。本発明を単純化するため、要素及び配置の特定の実施例を以下に説明する。当然ながら、これらは例示であり、限定することを意図していない。例えば、説明における、第２の特徴の上方の第１の特徴の形成は、第１及び第２の特徴が直接的に接触して形成される実施形態を含んでよく、また第１及び第２の特徴が直接的に接触しないように、第１と第２の特徴の間に追加的な特徴が形成された実施形態を含んでもよい。ここで用いられるとき、第２の特徴上の第１の特徴の形成は、第１の特徴が第２の特徴と直接的に接触して形成されることを意味する。加えて、本発明は様々な実施例において参照符号及び／又は文字を繰り返す可能性がある。この繰り返しは、それ自体は言及される様々な実施形態及び／又は構成の間の関係性を規定するものではない。
【0012】
「下」、「下方」、「低い」、「上方」、「上部」等といった空間的相対語は、図に表される１つの要素又は特徴の別の要素又は特徴に対する関係性を説明するための記述を容易にするためにここで用いられ得る。空間的相対語は、図示された方向に加え、使用中又は操作中の装置の異なる方向を包含することを意図している。装置は他に方向付けられてもよく（９０度又は他の方向に回転）、ここで使用される空間的相対記述語は同様にそのように解釈されてよい。
【0013】
本明細書における「１つの実施形態」、「実施形態」、「例示的な実施形態」、「例示」等の参照は、説明される実施形態が特定の特徴、構造、又は特性を含むことができることを示すが、各実施形態が必ずしも該特定の機能、構造、又は特徴を含むとは限らないことに注意されたい。更に、そのような句は必ずしも同一の実施形態を指すわけではない。更に、特定の機能、構造、又は特性が１つの実施形態に関連して説明されている場合、明示的に説明されているかに関わらず、他の実施形態に関連してそのような機能、構造、又は特性をもたらすことは当業者の知識の範囲内である。
【0014】
本明細書の用語又は語法は、ここでの教示に照らして関連技術の当業者により解釈されるように、限定ではなく説明目的であることを理解されたい。
【0015】
いくつかの実施形態において、用語「約」及び「実質的に」は、値の５％以内で変化する所与の量の値を示すことができる（例えば、値の±１％、±２％、±３％、±４％、±５％）。これら値は単なる例であり、限定することを意図していない。用語「約」及び「実質的に」は、ここでの教示に照らして関連分野の当業者により解釈される値の割合を指すことができる。
【0016】
本発明は、隣接する画素構造間の分離構造を備えた例示的なＢＳＩイメージセンサ及び該ＢＳＩイメージセンサを製造する方法を提供する。いくつかの実施形態において、該ＢＳＩイメージセンサは、隣接する画素構造を互いに光学的に分離するため、隣接する画素構造間に設けられた分離構造のスタックを含んでよい。いくつかの実施形態において、分離構造のスタックは、ＢＳＩイメージセンサの基板の表側表面に設けられたシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）構造と、ＳＴＩ構造上に設けられてＳＴＩ構造と物理的に接触するディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）構造とを含んでよい。
【0017】
いくつかの実施形態において、ＤＴＩ構造は、ＢＳＩイメージセンサの基板の裏側表面の上方に約８０ｎｍ～約１３０ｎｍを延伸可能である。いくつかの実施形態において、ＳＴＩ構造は、１つ以上の誘電体層を含んでよく、ＤＴＩ構造は、金属充填層と、金属充填層を囲む誘電体ライナーを含んでよい。ＤＴＩ構造にそのような金属充填層を含み、ＤＴＩ構造が基板の裏側表面の上方に延伸することにより、隣接する画素構造間のクロストークを実質的に最少化又は排除することができ、ＢＳＩイメージセンサの量子効率を向上させる。
【0018】
いくつかの実施形態において、ＢＳＩイメージセンサの量子効率は、基板の裏側表面の上方に画素構造と実質的に整列した溝領域を含むことにより、更に向上させることができる。いくつかの実施形態において、ＤＴＩ構造と共に溝領域を用いることで、近赤外領域（例えば、約８００ｎｍの波長～約１０００ｎｍの波長の間）の光を検出するためのＢＳＩイメージセンサの量子効率は、溝領域及び／又はＤＴＩ構造を備えないＢＳＩイメージセンサと比較して約０．５倍～約１．５倍を向上可能である。
【0019】
図１は、いくつかの実施形態による、ＢＳＩイメージセンサ１００（「光学デバイス１００」とも呼称される）の断面図を表す。いくつかの実施形態において、ＢＳＩイメージセンサは、（ｉ）裏側表面１０２Ｂと表側表面１０２Ｆとを有する基板１０２と、（ｉｉ）基板１０２の表側表面１０２Ｆ上に設けられた相互接続構造１０４と、（ｉｉｉ）基板１０２に設けられた画素構造１０６Ａ、１０６Ｂと、（ｉｖ）基板１０２に設けられたＳＴＩ構造１０８と、（ｖ）ＳＴＩ構造１０８上に設けられたＤＴＩ構造１１０と、（ｖｉ）裏側表面１０２Ｂ上に設けられた反射防止コーティング（ＡＲＣ）１１２と、（ｖｉｉ）ＡＲＣ１１２上に設けられたパッシベーション層１１４と、（ｖｉｉｉ）パッシベーション層１１４上に設けられた誘電体層１１６と、（ｉｘ）誘電体層１１６上に設けられたカラーフィルタ１１８Ａ、１１８Ｂと、（ｘ）誘電体層１１６上に設けられたマイクロレンズ１２０Ａ、１２０Ｂと、（ｘｉ）金属遮蔽層１２２とを含む。
【0020】
いくつかの実施形態において、基板１０２は、シリコン、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構造、及びそれらの組合せといった半導体材料であってよい。更に、基板１０２はｐ型ドーパント（例えば、ホウ素、インジウム、アルミニウム、又はガリウム）又はｎ型ドーパント（例えば、リン又はヒ素）でドープされてよい。
【0021】
いくつかの実施形態において、裏側表面１０２Ｂは、周期性の溝領域１０２Ｇａの第１のアレイと、周期性の溝領域１０２Ｇｂの第２のアレイを含んでよい。周期性の溝領域１０２Ｇａの第１のアレイは画素構造１０６Ａと実質的に整列してよく、周期性の溝領域１０２Ｇｂの第２のアレイは画素構造１０６Ｂと実質的に整列してよい。これら周期性の溝領域１０２Ｇａ及び１０２Ｇｂのアレイは、平坦な裏側表面を有して基板の裏側表面に周期性の溝領域を有さないＢＳＩイメージセンサと比較し、各画素構造１０６Ａと１０６Ｂに入射する放射ビーム１２４のためのより広い入射表面積を提供することができる。より広い入射表面積は、ＢＳＩイメージセンサ１００の画素構造１０６Ａと１０６Ｂの量子効率を向上させることができる。
【0022】
いくつかの実施形態において、溝領域１０２Ｇａと１０２Ｇｂは、図１に示すように、三角形状の断面形状を有してよい。いくつかの実施形態において、溝領域１０２Ｇａと１０２Ｇｂは矩形状又は半楕円形状といった他の断面形状を有してよい。いくつかの実施形態において、溝領域１０２Ｇａと１０２Ｇｂは、溝領域１０２Ｇａと１０２Ｇｂの内側壁で溝領域１０２Ｇａと１０２Ｇｂを離脱しない入射放射ビーム１２４の複数の反射を可能とすることができる。そのような入射放射ビーム１２４の複数の反射は、入射放射ビーム１２４が画素構造１０６Ａ及び１０６Ｂにより吸収及び処理される可能性、及び画素構造１０６Ａと１０６Ｂにより吸収及び処理される入射放射ビーム１２４の量を増加させることができ、このためＢＳＩイメージセンサ１００の量子効率を向上させる。いくつかの実施形態において、溝領域１０２Ｇａ～１０２Ｇｂの第１及び第２のアレイの各溝領域は、溝領域１０２Ｇａと１０２Ｇｂの内側壁での入射放射ビーム１２４の複数の反射を可能とするため、溝領域の内側壁間で約６０°～約９０°の角度Ａを有してよい。
【0023】
いくつかの実施形態において、相互接続構造１０４は、金属間誘電体（ＩＭＤ）層１０４Ａと、金属線１０４Ｂと、金属ビア１０４Ｃと、ＩＭＤ層１０４Ａに設けられた感知素子１０４Ｄとを含んでよい。金属線１０４Ｂと金属ビア１０４Ｃは、画素構造１０６Ａ及び１０６Ｂと他の部材（図１では未図示）との間の相互接続（例えば配線）を形成する。いくつかの実施形態において、金属線１０４Ｂと金属ビア１０４Ｃは、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、コバルト（Ｃｏ）、Ｃｕ合金（例えば、Ｃｕ－Ｒｕ、Ｃｕ－Ａｌ、又は銅－マンガン（ＣｕＭｎ））及び任意の他の適切な導電性材料といった導電性材料を含んでよい。金属線１０４Ｂと金属ビア１０４Ｃのレイアウトは例示であり、限定するものではなく、金属線１０４Ｂと金属ビア１０４Ｃの他のレイアウトのバリエーションは本発明の範囲内にある。金属線１０４Ｂと金属ビア１０４Ｃの数及び配置は、図１に示すものとは異なってよい。
【0024】
いくつかの実施形態において、感知素子１０４Ｄは、それぞれの画素構造１０６Ａ及び１０６Ｂに電気接続されて、光－電荷変換プロセスの結果としてこれら領域で生成された電気信号を読み取るよう構成された、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）及び／又はメモリセルのアレイであってよい。いくつかの実施形態において、相互接続構造１０４は、バッファ層（図１では未図示）を介して、その上に製造された構造（例えば、相互接続構造１０４、基板１０２等）への支持を提供可能であるキャリア基板（図１では未図示）に取り付けられてよい。キャリア基板は、シリコンウェハ、ガラス基板、又は他の適切な材料であってよい。
【0025】
いくつかの実施形態において、画素構造１０６Ａと１０６Ｂ（「放射線感知領域１０６Ａと１０６Ｂ」又は「放射線感知素子１０６Ａと１０６Ｂ」とも呼称される）は、基板１０２に設けられてよい。例示目的のため、２つの画素構造１０６Ａと１０６Ｂを図１に示しているが、追加的な画素構造１０６Ａと１０６Ｂが基板１０２に実装されてよい。画素構造１０６Ａと１０６Ｂは、画素領域１０５Ａと１０５Ｂのそれぞれに進入して異なる入射角で裏側表面１０２Ｂに衝突する放射ビーム１２４といった放射線を感知する。いくつかの実施形態において、各画素構造１０６Ａと１０６Ｂは、放射ビーム１２４の光子を電荷に変換可能であるフォトダイオードを含んでよい。いくつかの実施形態において、画素構造１０６Ａと１０６Ｂは、フォトダイオード、トランジスタ、増幅器、他の類似のデバイス、又はそれらの組合せを含んでよい。
【0026】
いくつかの実施形態において、画素構造１０６Ａと１０６Ｂは分離構造１０７のスタックで互いに電気的及び光学的に分離されてよい。いくつかの実施形態において、分離構造１０７の各スタックは、ＳＴＩ構造１０８とＤＴＩ構造１１０とを含んでよい。ＳＴＩ構造１０８は基板１０２に設けられてよく、相互接続構造１０４を向くＳＴＩ構造１０８の表面は表側表面１０２Ｆと実質的に同一平面上にあってよい。いくつかの実施形態において、ＳＴＩ構造１０８は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、フッ素でドープされたケイ酸塩ガラス（ＦＳＧ）、ｌоｗ－ｋ誘電体材料 （例えば、３．９未満のｋ値を有する材料）、及び任意の他の適切な誘電体材料といった誘電体材料を含んでよい。
【0027】
いくつかの実施形態において、ＤＴＩ構造１１０はＳＴＩ構造１０８上に設けられてＳＴＩ構造１０８と物理的に接触してよい。ＤＴＩ構造１１０は、画素領域１０５Ａと１０５Ｂとの間の及び／又は画素構造１０６Ａと１０６Ｂとの間の光漏れを実質的に最少化又は防止するため、ＤＴＩ構造１１０とＳＴＩ構造１０８との間の界面での実質的な間隙なしにＳＴＩ構造１０８上に形成されてよく、よって画素構造１０６Ａと１０６Ｂの量子効率を向上させる。ＤＴＩ構造１１０とＳＴＩ構造１０８との間の界面で間隙が存在すると、画素領域１０５Ａに進入する放射ビーム１２４（例えば光子）が間隙を通って画素領域１０５Ｂへ移動する、又はその逆に移動する可能性がある。
【0028】
いくつかの実施形態において、ＤＴＩ構造１１０は裏側表面１０２Ｂの上方にＺ軸に沿って距離Ｄ１を延伸してよい。基板１０２の上方でのＤＴＩ構造１１０のそのような延伸は、０°より大きな入射角で画素領域１０５Ａに進入する放射ビーム１２４（例えば光子）が画素領域１０５Ｂへ逸脱する、又はその逆に逸脱することを実質的に最少化又は防止することができる。その結果、基板１０２の上方にＤＴＩ構造１１０を延伸させることにより、より多量の光子が画素構造１０６Ａ及び１０６Ｂにより捕捉されて処理されることができ、よって、ＢＳＩイメージセンサ１００の量子効率を向上させる。いくつかの実施形態において、距離Ｄ１は約８０ｎｍ～約１３０ｎｍの範囲であってよい。距離Ｄ１がこの範囲内にあることで、ＤＴＩ構造１１０はＢＳＩイメージセンサ１００のサイズ及び製造コストを妥協することなくＢＳＩイメージセンサ１００の量子効率を向上させることができる。
【0029】
いくつかの実施形態において、各ＤＴＩ構造１１０は、金属充填層１１０Ａと、金属充填層１１０Ａを囲む誘電体層１１０Ｂと、誘電体層１１０Ｂを囲むｈｉｇｈ－ｋ誘電体層１１０Ｃとを含んでよい。誘電体層１１０Ｂとｈｉｇｈ－ｋ誘電体層１１０Ｃは、基板１０２及び／又は画素構造１０６Ａと１０６Ｂから金属充填層１１０Ａを電気的に分離することができる。金属充填層１１０Ａは、画素領域１０５Ａ内の光子が誘電体材料を通って画素領域１０５Ｂへ逸脱する、又はその逆に逸脱することを阻止することができる。更に、金属充填層１１０Ａは、画素領域１０５Ａ及び１０５Ｂを離れない画素領域１０５Ａ及び１０５Ｂにおける放射ビーム１２４（例えば光子）の複数の反射を可能とすることができる。放射ビーム１２４のそのような複数の反射は、画素構造１０６Ａ及び１０６Ｂにより吸収されて処理される放射ビーム１２４の量を増加させることができ、よってＢＳＩイメージセンサ１００の量子効率を向上させる。いくつかの実施形態において、実質的に等しい厚さであれば誘電体層よりも金属層のほうが放射ビームをより効果的に阻止することができるため、金属充填層１１０Ａを使用するＤＴＩ構造１１０は、誘電体層で形成されて金属充填層を有さないＤＴＩ構造の幅よりも狭いＸ軸に沿った幅で形成されることができる。その結果、量子効率を損なうことなく、より小さくよりコンパクトなＢＳＩイメージセンサ１００をＤＴＩ構造１１０を用いて形成することができる。
【0030】
いくつかの実施形態において、金属充填層１１０Ａは、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及び他の適切な金属材料といった金属材料を含んでよい。いくつかの実施形態において、誘電体層１１０Ｂは、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、又は他の適切な絶縁酸化物及び／又は窒化物材料を含んでよい。いくつかの実施形態において、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層１１０Ｃは、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、任意の他の適切なｈｉｇｈ－ｋ誘電体材料、及びそれらの組合せといったｈｉｇｈ－ｋ材料を含んでよい。
【0031】
いくつかの実施形態において、ＳＴＩ構造１０８は、Ｚ軸に沿った約１５０ｎｍ～約２５０ｎｍの高さＨ１と、Ｘ軸に沿った約３００ｎｍ～約５００ｎｍの幅Ｗ１を有してよい。いくつかの実施形態において、ＤＴＩ構造１１０は、Ｚ軸に沿った約５μｍ～約１０μｍの高さＨ２と、Ｘ軸に沿った約３００ｎｍ～約４００ｎｍの幅Ｗ２を有してよい。いくつかの実施形態において、高さＨ２は、画素構造１０６Ａと１０６Ｂとの間のクロストークを十分に防止するため、高さＨ１よりも高くてよい。いくつかの実施形態において、ＳＴＩ構造１０８はＤＴＩ構造１１０とは異なり金属層を有さない可能性があるため、光子が隣接する画素構造へ逸脱することを十分に阻止するため、ＳＴＩ構造１０８の幅Ｗ１はＤＴＩ構造１１０の幅Ｗ２よりも広くてよい。上述したように、実質的に等しい厚さであれば誘電体層よりも金属層のほうが光子をより効果的に阻止することができる。いくつかの実施形態において、金属充填層１１０ＡはＸ軸に沿った約７０ｎｍ～約１５０ｎｍの厚さＴ１を有してよく、誘電体層１１０ＢはＸ軸に沿った約１００ｎｍ～約１５０ｎｍの厚さＴ２を有してよく、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層１１０ＣはＸ軸に沿った約１０ｎｍ～約２０ｎｍの厚さＴ３を有してよい。厚さＴ２及びＴ３が上述した範囲内にあることで、誘電体層１１０Ｂとｈｉｇｈ－ｋ誘電体層１１０Ｃは、ＢＳＩイメージセンサ１００のサイズ及び製造コストを妥協することなく、金属充填層１１０Ａを基板１０２及び／又は画素構造１０６Ａと１０６Ｂから十分に電気的に分離することができる。高さＨ１とＨ２、幅Ｗ１とＷ２、厚さＴ１が上述した範囲内にあることで、ＳＴＩ構造１０８とＤＴＩ構造１１０は、ＢＳＩイメージセンサ１００のサイズ及び製造コストを妥協することなく、画素構造１０６Ａと１０６Ｂとの間のクロストークを実質的に最少化又は防止することができる。
【0032】
ＡＲＣ１１２は、入射放射ビーム１２４が画素構造１０６Ａ及び１０６Ｂから反射することを防止するため、裏側表面１０２Ｂ上に設けられてよい。いくつかの実施形態において、ＡＲＣ１１２は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、及び任意の他の適切なｈｉｇｈ－ｋ誘電体材料といったｈｉｇｈ－ｋ誘電体材料を含んでよい。いくつかの実施形態において、ＡＲＣ１１２は約１ｎｍ～約５０ｎｍの厚さＴ４を有してよい。厚さＴ４がこの範囲内にあることで、ＡＲＣ１１２は、ＢＳＩイメージセンサ１００のサイズ及び製造コストを妥協することなく、画素構造１０６Ａ及び１０６Ｂ上に入射した放射ビーム１２４が画素領域１０５Ａ及び１０５Ｂを離れることを十分に防止することができる。いくつかの実施形態において、ＡＲＣ１１２および高ｋ誘電体層１１０Ｃは、同じ材料を含んでよい。いくつかの実施形態において、パッシベーション層１１４がＡＲＣ１１２上に設けられてよく、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、又は任意の他の適切な誘電体材料といった誘電体材料を含んでよい。いくつかの実施形態において、誘電体層１１６は酸化物層を含んでよい。
【0033】
いくつかの実施形態において、カラーフィルタ１１８Ａと１１８Ｂが誘電体層１１６に設けられてよく、カラーフィルタ１１８Ａ及び１１８Ｂの頂面は誘電体層１１６の頂面と実質的に同一平面上であってよい。カラーフィルタ１１８Ａ及び１１８Ｂは、それぞれ画素構造１０６Ａ及び１０６Ｂと実質的に整列してよい。いくつかの実施形態において、カラーフィルタ１１８Ａ及び１１８Ｂは高分子材料を含んでよい。いくつかの実施形態において、マイクロレンズ１２０Ａ及び１２０Ｂが、それぞれカラーフィルタ１１８Ａ及び１１８Ｂ上に設けられてよい。
【0034】
いくつかの実施形態において、金属遮蔽層１２２（「黒レベル補正層１２２」とも呼称される）が裏側表面１０２Ｂ上、及び誘電体層１１６、パッシベーション層１１４、ＡＲＣ１１２に設けられてよい。金属遮蔽層１２２は、放射ビーム１２４からＢＳＩイメージセンサ１００の黒基準センサ（未図示）を遮蔽する。黒基準センサは、ＢＳＩ画像センサ１００において基準黒レベル信号を生成するために使用することができる。黒基準センサを遮蔽する結果、黒基準センサはＢＳＩイメージセンサ１００におけるイメージ処理のための黒基準信号を提供することができる。
【0035】
図２は、いくつかの実施形態によるＢＳＩイメージセンサ２００（「光学デバイス２００」とも呼称される）の断面図を表す。ＢＳＩイメージセンサ１００の説明は、特記しない限りＢＳＩイメージセンサ２００にも適用される。
【0036】
いくつかの実施形態において、ＢＳＩイメージセンサ２００はＢＳＩイメージセンサ１００の構成要素に加えて金属グリッド構造２２６を含んでよい。金属グリッド構造２２６は誘電体層１１６に設けられてよく、ＤＴＩ構造１１０と実質的に整列してよい。いくつかの実施形態において、金属グリッド構造２２６は、製造を容易にするため、Ｚ軸に沿った約１００ｎｍ～約３００ｎｍの距離Ｄ２によりＤＴＩ構造１１０から分離されてよい。いくつかの実施形態において、グリッド構造はＸ軸に沿った約１００ｎｍ～約３００ｎｍの幅Ｗ３を有してよい。幅Ｗ３がこの範囲内にあることで、金属グリッド構造２２６は、ＢＳＩイメージセンサ２００のサイズ及び製造コストを妥協することなく、画素構造１０６Ａと１０６Ｂとの間のクロストークを実質的に最少化又は防止することができる。いくつかの実施形態において、幅Ｗ３はＷ２よりも広くても狭くてもよい。
【0037】
図３は、いくつかの実施形態による、図１に示したＢＳＩイメージセンサ１００を製造するための例示的な方法３００のフロー図である。例示目的のため、図３に表した動作は図４～１８に表すようなＢＳＩイメージセンサ１００を製造するための例示的な製造プロセスを参照して説明する。図４～１８は、いくつかの実施形態による、製造の様々な段階でのＢＳＩイメージセンサ１００の断面図である。動作は、異なる順序で実行されてよく、或いは特定の応用によっては実行されなくてよい。方法３００は完全なＢＳＩイメージセンサ１００を提供しなくてもよいことに注意されたい。従って、方法３００の前、間、後に追加的なプロセスが提供されてよく、他のプロセスはここでは簡述されるのみであり得ることを理解されたい。図１の要素と同一の符号を有する図４～１８における要素は上記に説明されている。
【0038】
図３を参照し、動作３０５にて、画素構造とＳＴＩ構造が基板の表側表面を通って形成される。例えば、図４に示すように、画素構造１０６Ａ及び１０６Ｂ、ＳＴＩ構造１０８が基板１０２の表側表面１０２Ｆを通って形成される。いくつかの実施形態において、ＳＴＩ構造１０８の形成の後に、相互接続構造１０４が表側表面１０２Ｆ上に形成されてよい。
【0039】
図３を参照し、動作３１０にて、溝領域が基板の裏側表面上に形成される。例えば、図５に示すように、溝領域１０２Ｇａと１０２Ｇｂが基板１０２の裏側表面１０２Ｂ上に設けられる。いくつかの実施形態において、溝領域１０２Ｇａ及び１０２Ｇｂは、裏側表面１０２Ｂ上でフォトリソグラフィプロセスとエッチングプロセスを実行することにより形成されてよい。いくつかの実施形態において、溝領域１０２Ｇａと１０２Ｇｂの三角断面形状は、裏側表面１０２Ｂ上に形成されたパターン化したマスキング層（未図示）を介した異方性ドライエッチングプロセスとそれに続くウェットエッチングプロセスを実行することにより形成されてよい。
【0040】
図３を参照し、動作３１５にて、ＡＲＣとパッシベーション層が溝領域上に形成される。例えば、図６に示すように、ＡＲＣ１１２とパッシベーション層１１４が溝領域１０２Ｇａ及び１０２Ｇｂ上に形成される。いくつかの実施形態において、ＡＲＣ１１２の形成は、原子層蒸着（ＡＬＤ）プロセス、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセス、又は任意の他の適切なｈｉｇｈ－ｋ誘電体材料堆積プロセスを用いて図５の構造上にｈｉｇｈ－ｋ誘電体材料を堆積することを含んでよい。いくつかの実施形態において、パッシベーション層１１４の形成は、ＡＬＤプロセス、ＣＶＤプロセス、又は任意の他の適切な酸化物材料堆積プロセスを用いてＡＲＣ１１２上に酸化物材料を堆積することを含んでよい。図７に示すように、パッシベーション層１１４上の酸化ケイ素層７１６の形成がパッシベーション層１１４の形成に続いてよい。酸化ケイ素層７１６の形成は、ＣＶＤプロセスを用いて、図６の構造上に約１００ｎｍ～約２００ｎｍの厚さＴ５を有する酸化ケイ素層７１６を堆積することを含んでよい。
【0041】
図３を参照し、動作３２０にて、ＤＴＩ構造が基板の裏側表面を通って形成される。例えば、図８～１３を参照して説明するように、ＤＴＩ構造１１０が裏側表面１０２Ｂを通って形成される。いくつかの実施形態において、ＤＴＩ構造１１０の形成は、（ｉ）図８に示すように、ＳＴＩ構造１０８上に幅Ｗ２を有する分離トレンチ８１０を形成することと、（ｉｉ）図９の構造を形成するため、図８の構造上にｈｉｇｈ－ｋ誘電体層９１０を形成することと、（ｉｉｉ）図１０の構造を形成するため、図９の構造上に酸化物層１０１０を形成することと、（ｉｖ）図１１の構造を形成するため、エッチングプロセスを用いて分離トレンチ８１０の外側のｈｉｇｈ－ｋ誘電体層９１０及び酸化物層１０１０の部分を除去することと、（ｖ）分離トレンチ８１０を充填して図１２の構造を形成するため、図１１の構造上に金属層１２１０を堆積することと、（ｖｉ）図１３の構造を形成するため、エッチングプロセスを用いて分離トレンチ８１０の外側の金属層１２１０の部分を除去することという、順次動作を含んでよい。
【0042】
いくつかの実施形態において、分離トレンチ８１０の形成は、（ｉ）図７の構造上でフォトリソグラフィプロセスを用いて、パターン化したフォトレジスト層（未図示）を形成することと、（ｉｉ）図８に示すように、ＳＴＩ構造１０８の裏側表面を露出するため、パターン化したフォトレジスト層を介して酸化ケイ素層７１６、パッシベーション層１１４、ＡＲＣ１１２、及び基板１０２上でエッチングプロセスを実行することとを含んでよい。
【0043】
いくつかの実施形態において、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層９１０の形成は、図９に示すように、ＡＬＤプロセスを用いて、酸化ケイ素層７１６の頂面上、分離トレンチ８１０の側壁、及びＳＴＩ構造１０８の露出された表面に沿って、ＨｆＯ２及びＡｌ２Ｏ３の実質的にコンフォーマルな層を堆積することを含んでよい。いくつかの実施形態において、酸化物層１０１０の形成は、図１０に示すように、ＡＬＤプロセスを用いて、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層９１０上に酸化ケイ素の実質的にコンフォーマルな層を堆積することを含んでよい。
【0044】
図１４の構造を形成するため、図１３の構造上の酸化ケイ素層１４１６の形成がＤＴＩ構造１１０の形成に続いてよい。酸化ケイ素層１４１６の形成は、ＣＶＤプロセスを用いて図１３の構造上に酸化ケイ素層（未図示）を堆積することと、ＤＴＩ構造１１０上に約８０ｎｍ～約１３０ｎｍの厚さＴ６を有する酸化ケイ素層１４１６を形成するため、堆積された酸化ケイ素層上で化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスを実行することとを含んでよい。酸化ケイ素層１４１６は、ＤＴＩ構造１１０をＢＳＩイメージセンサ１００の後続のプロセスの間にエッチングされることから保護するバッファ層としての役割を果たすことができる。厚さＴ６が上述した範囲内にあることで、酸化ケイ素層１４１６は、ＢＳＩイメージセンサ１００のサイズ及び製造コストを妥協することなく、後続の処理の間にＤＴＩ構造１１０のエッチングを十分に防止することができる。
【0045】
図３を参照し、動作３２５にて、金属遮蔽層が基板の裏側表面上に形成される。例えば、図１５と１６を参照して説明するように、金属遮蔽層１２２が裏側表面１０２Ｂ上に形成される。いくつかの実施形態において、金属遮蔽層１２２の形成は、（ｉ）図１４の構造上にフォトリソグラフィプロセスを用いて、パターン化したフォトレジスト層（未図示）を形成することと、（ｉｉ）図１５に示すように、開口１５２２を形成するため、パターン化したフォトレジスト層を介して酸化ケイ素層７１６及び１４１６、パッシベーション層１１４、及びＡＲＣ１１２上でエッチングプロセスを実行することと、（ｉｉｉ）酸化ケイ素層１４１６の頂面上、開口１５２２の側壁、及び開口１５２２における露出された裏側表面１０２Ｂに沿って、金属（未図示）の実質的にコンフォーマルな層を堆積することと、（ｉｖ）堆積された金属の実質的にコンフォーマルな層上に、パターン化したマスキング層（未図示）を形成することと、（ｖ）図１６の構造を形成するため、パターン化したマスキング層を介して、堆積された金属の実質的にコンフォーマルな層をエッチングすることという、順次動作を含んでよい。
【0046】
図１７に示すように、酸化ケイ素層１７１６の形成が金属遮蔽層１２２の形成に続いてよい。いくつかの実施形態において、酸化ケイ素層１７１６の形成は、図１６の構造上に酸化ケイ素の層（未図示）を堆積することと、図１７に示すように、酸化ケイ素層１７１６の頂面を金属遮蔽層１２２の頂面とを実質的に同一平面とするため、堆積された酸化ケイ素の層上でＣＭＰプロセスを実行することとを含んでよい。酸化ケイ素層７１６、１４１６、１７１６は誘電体層１１６を形成してよい。
【0047】
図３を参照し、動作３３０にて、カラーフィルタとマイクロレンズが基板の裏側表面上に形成される。例えば、図１８に示すように、カラーフィルタ１１８Ａ及び１１８Ｂが誘電体層１１６に形成されてよく、マイクロレンズ１２０Ａ及び１２０Ｂがそれぞれカラーフィルタ１１８Ａ及び１１８Ｂ上に形成されてよい。
【0048】
図１９は、いくつかの実施形態による、図２に示したＢＳＩイメージセンサ２００を製造するための例示的な方法１９００のフロー図である。例示目的のため、図１９に表した動作は図２０～２４に表すようなＢＳＩイメージセンサ２００を製造するための例示的な製造プロセスを参照して説明する。図２０～２４は、いくつかの実施形態による、製造の様々な段階でのＢＳＩイメージセンサ２００の断面図である。動作は、異なる順序で実行されてよく、或いは特定の応用によっては実行されなくてよい。方法１９００は完全なＢＳＩイメージセンサ２００を提供しなくてもよいことに注意されたい。従って、方法１９００の前、間、後に追加的なプロセスが提供されてよく、他のプロセスはここでは簡述されるのみであり得ることを理解されたい。図１～２の要素と同一の符号を有する図２０～２４における要素は上記に説明されている。
【0049】
図１９を参照し、動作１９０５～１９２０は図３の動作３０５～３２０に類似している。動作１９２０の後、図１４の構造に類似した構造が形成される。動作１９２５～１９３０における図１４の構造上での後続の処理を、図２０～２４を参照して説明する。
【0050】
図１９を参照し、動作１９２５にて、金属グリッド構造と金属遮蔽層が基板の裏側表面上に形成される。例えば、図２０～２２を参照して説明するように、金属グリッド構造２２６と金属遮蔽層１２２が裏側表面１０２Ｂ上に形成される。いくつかの実施形態において、金属グリッド構造２２６と金属遮蔽層１２２の形成は、（ｉ）図１４の構造に類似した構造上にフォトリソグラフィプロセスを用いて、パターン化したフォトレジスト層（未図示）を形成することと、（ｉｉ）図２０に示すように、開口２０２２を形成するため、パターン化したフォトレジスト層を介して酸化ケイ素層７１６及び１４１６、パッシベーション層１１４、及びＡＲＣ１１２上でエッチングプロセスを実行することと、（ｉｉｉ）図２１に示すように、酸化ケイ素層１４１６の頂面上、開口２０２２の側壁、及び開口１５２２における露出された裏側表面１０２Ｂに沿って、実質的にコンフォーマルな金属層２１２２を堆積することと、（ｉｖ）金属層２１２２上にパターン化したマスキング層（未図示）を形成することと、（ｖ）図２２の構造を形成するため、パターン化したマスキング層を介して金属層２１２２をエッチングすることという、順次動作を含んでよい。いくつかの実施形態において、金属グリッド構造２２６は動作１９２５において金属遮蔽層１２２を形成することなく形成されてよい。即ち、金属遮蔽層１２２は動作１９２５にて形成さてなくてよい。
【0051】
図２３に示すように、酸化ケイ素層１７１６の形成が金属グリッド構造２２６及び金属遮蔽層１２２の形成に続いてよい。いくつかの実施形態において、酸化ケイ素層１７１６の形成は、図２２の構造上に酸化ケイ素の層（未図示）を堆積することと、図２３に示すように、酸化ケイ素層１７１６の頂面を金属グリッド構造２２６及び金属遮蔽層１２２の頂面と実質的に同一平面とするため、堆積された酸化ケイ素の層上でＣＭＰプロセスを実行することとを含んでよい。酸化ケイ素層７１６、１４１６、１７１６は、誘電体層１１６を形成してよい。
【0052】
図１９を参照し、動作１９３０にて、カラーフィルタとマイクロレンズが基板の裏側表面上に形成される。例えば、図２４に示すように、カラーフィルタ１１８Ａ及び１１８Ｂが誘電体層１１６に形成されてよく、マイクロレンズ１２０Ａ及び１２０Ｂがそれぞれカラーフィルタ１１８Ａ及び１１８Ｂ上に形成されてよい。
【0053】
本発明は、隣接した画素構造（例えば画素構造１０６Ａと１０６Ｂ）間の分離構造（例えば、ＤＴＩ構造１１０とＳＴＩ構造１０８）を有する例示的なＢＳＩイメージセンサ（例えばＢＳＩイメージセンサ１００と２００）、及び該ＢＳＩイメージセンサを形成する例示的な方法（例えば方法３００と１９００）を提供する。いくつかの実施形態において、該ＢＳＩイメージセンサは、隣接した画素構造を互いに光学的に分離するため、隣接した画素構造間に設けられた分離構造のスタックを含んでよい。いくつかの実施形態において、分離構造のスタックは、ＢＳＩイメージセンサの基板（例えば基板１０２）の表側表面（例えば表側表面１０２Ｆ）上に設けられたシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）構造と、ＳＴＩ構造上に設けられてＳＴＩ構造に物理的に接触するディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）構造とを含んでよい。
【0054】
いくつかの実施形態において、ＤＴＩ構造は、ＢＳＩイメージセンサの基板の裏側表面（例えば裏側表面１０２Ｂ）の上方に約８０ｎｍ～約１３０ｎｍ延伸してよい。いくつかの実施形態において、ＳＴＩ構造は１つ以上の誘電体層を含んでよく、ＤＴＩ構造は、金属充填層（例えば金属充填層１１０Ａ）と、金属充填層を囲む誘電体ライナー（例えば誘電体層１１０Ｂと１１０Ｃ）とを含んでよい。ＤＴＩ構造にそのような金属充填層を含み、ＤＴＩ構造が基板の裏側表面の上方に延伸することにより、隣接した画素構造（例えば画素構造１０６Ａと１０６Ｂ）間のクロストークを実質的に最少化又は防止することができ、ＢＳＩイメージセンサの量子効率を向上させる。
【0055】
いくつかの実施形態において、ＢＳＩイメージセンサの量子効率は、基板の裏側表面上に画素構造と実質的に整列した溝領域（例えば溝領域１０２Ｇａと１０２Ｇｂ）を含むことにより、更に向上させることができる。いくつかの実施形態において、ＤＴＩ構造と共に溝領域を用いることで、近赤外領域（例えば、約８００ｎｍの波長～約１０００ｎｍの波長の間）における光を検出するためのＢＳＩイメージセンサの量子効率は、溝領域及び／又はＤＴＩ構造のないＢＳＩイメージセンサと比較して約０．５倍から約１．５倍を向上可能である。
【0056】
いくつかの実施形態において、光学デバイスは、第１表面と、第１表面と反対の第２表面とを有する基板と、基板に設けられた第１及び第２放射線感知素子と、基板にて第１放射線感知素子と第２放射線感知素子との間に設けられ、第１表面と、第１表面と反対の第２表面とを有する第１分離構造と、基板にて第１分離構造の第１表面上に設けられた第２分離構造とを含む。第２分離構造は、金属構造と、金属構造を囲む誘電体層とを含む。第２分離構造は、基板の第１表面の上方に垂直に延伸する。
【0057】
本発明のいくつかの実施形態によると、第１分離構造の第２表面は、基板の第２表面と実質的に同一平面上にある。
【0058】
本発明のいくつかの実施形態によると、第２分離構造の高さは第１分離構造の高さよりも高い。
【0059】
本発明のいくつかの実施形態によると、第１分離構造の幅は第２分離構造の幅よりも広い。
【0060】
本発明のいくつかの実施形態によると、第２分離構造は基板の第１表面の上方に約８０ｎｍ～約１３０ｎｍの距離を垂直に延伸する。
【0061】
本発明のいくつかの実施形態によると、誘電体層は第１分離構造の第１表面と物理的に接触している。
【0062】
本発明のいくつかの実施形態によると、誘電体層は、金属構造を囲む酸化物層と、酸化物層を囲むｈｉｇｈ－ｋ誘電体層とを含む。酸化物層及びｈｉｇｈ－ｋ誘電体層の材料は、互いに異なる。
【0063】
本発明のいくつかの実施形態によると、誘電体層は、金属構造を囲む酸化ケイ素層と、酸化ケイ素層を囲む酸化ハフニウムと酸化アルミニウムを含むｈｉｇｈ－ｋ誘電体層とを含む。
【0064】
本発明のいくつかの実施形態によると、金属構造はタングステン又はアルミニウムを含む。
【0065】
本発明のいくつかの実施形態によると、基板の第１表面は、第１及び第２放射線感知素子と実質的に整列した溝領域を含む。
【0066】
本発明のいくつかの実施形態によると、溝領域は三角形状の断面を有する。
【0067】
本発明のいくつかの実施形態によると、光学デバイスは、第２分離構造上にバッファ層を更に含む。
【0068】
いくつかの実施形態において、光学デバイスは、表側表面と裏側表面とを含む基板と、基板に設けられた第１及び第２画素構造と、第１画素構造と第２画素構造との間に設けられたＳＴＩ構造と、ＳＴＩ構造上に設けられたＤＴＩ構造と、基板の裏側表面上に設けられてＤＴＩ構造と実質的に整列したグリッド構造とを含む。ＤＴＩ構造は、金属構造と、金属構造の側壁に沿って、そしてＳＴＩ構造上に設けられた誘電体ライナーとを含む。
【0069】
本発明のいくつかの実施形態によると、誘電体ライナーは、金属構造を囲む酸化ケイ素層と、酸化ケイ素層を囲む酸化ハフニウムと酸化アルミニウムを含むｈｉｇｈ－ｋ誘電体層とを含む。
【0070】
本発明のいくつかの実施形態によると、金属構造はタングステン又はアルミニウムを含む。
【0071】
本発明のいくつかの実施形態によると、光学デバイスは、金属構造とグリッド構造との間にバッファ層を更に含む。
【0072】
いくつかの実施形態において、方法は、基板の第１表面を通して第１及び第２放射線感知素子を形成することと、基板の第１表面を通して第１放射線感知素子と第２放射線感知素子との間に第１分離構造を形成することと、基板の第１表面と反対の基板の第２表面上に溝領域を形成することと、基板の第２表面を通じて第１分離構造上に分離トレンチを形成することと、分離トレンチに誘電体層を形成することと、誘電体層上に金属層を形成することとを含む。誘電体層は、基板の第２表面の上方に垂直に延伸する。
【0073】
本発明のいくつかの実施形態によると、誘電体層を形成することは、分離トレンチの側壁に沿って、そして第１分離構造上に、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層を堆積することと、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層上に酸化物層を堆積することとを含む。酸化物層及びｈｉｇｈ－ｋ誘電体層の材料は、互いに異なる。
【0074】
本発明のいくつかの実施形態によると、方法は、金属層上にグリッド構造を形成することを更に含む。
【0075】
本発明のいくつかの実施形態によると、方法は、金属層とグリッド構造との間にバッファ層を形成することを更に含む。
【0076】
上記は、当業者が本発明の態様をより好ましく理解できるように、いくつかの実施形態の特徴を概説している。当業者は、ここで紹介した実施形態と同一の目的を実行するため、及び／又は同一の利点を達成するため、他の処理及び構造を設計又は改変するための基礎として、本開示を容易に用いることができることを理解すべきである。当業者はまた、そのような均等な構造は本発明の精神及び範囲から逸脱せず、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な改変、置き換え、及び変更を行うことができることを理解すべきである。
【産業上の利用可能性】
【0077】
本発明は、向上された量子効率有する、より小さくよりコンパクトなＢＳＩイメージセンサを提供する。
【符号の説明】
【0078】
１００、２００：ＢＳＩイメージセンサ、光学デバイス
１０２：基板
１０２Ｂ：裏側表面
１０２Ｆ：表側表面
１０２Ｇａ：周期性の溝領域の第１のアレイ
１０２Ｇｂ：周期性の溝領域の第２のアレイ
１０４：相互接続構造
１０４Ａ：金属間誘電体（ＩＭＤ）層
１０４Ｂ：金属線
１０４Ｃ：金属ビア
１０４Ｄ：感知素子
１０５Ａ、１０５Ｂ：画素領域
１０６Ａ、１０６Ｂ：画素構造
１０７：分離構造のスタック
１０８：ＳＴＩ構造
１１０：ＤＴＩ構造
１１０Ａ：金属充填層
１１０Ｂ：誘電体層
１１０Ｃ、９１０：ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層
１１２：反射防止コーティング（ＡＲＣ）
１１４：パッシベーション層
１１６：誘電体層
１１８Ａ、１１８Ｂ：カラーフィルタ
１２０Ａ、１２０Ｂ：マイクロレンズ
１２２：金属遮蔽層
１２４：放射ビーム
２２６：金属グリッド構造
３００、１９００：方法
３０５、３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、１９０５、１９１０、１９１５、１９２０、１９２５、１９３０：動作
７１６、１４１６：１７１６：酸化ケイ素層
８１０：分離トレンチ
１０１０：酸化物層
１２１０、２１２２：金属層
１５２２、２０２２：開口
Ａ：角度
Ｄ１、Ｄ２：距離
Ｈ１、Ｈ２：高さ
Ｗ１、Ｗ２：幅
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６：厚さ
Ｘ、Ｙ、Ｚ：軸
１０２：基板
１０２Ｂ：裏側表面
１０２Ｆ：表側表面
１０２Ｇａ：周期性の溝領域の第１のアレイ
１０２Ｇｂ：周期性の溝領域の第２のアレイ
１０４：相互接続構造
１０４Ａ：金属間誘電体（ＩＭＤ）層
１０４Ｂ：金属線
１０４Ｃ：金属ビア
１０４Ｄ：感知素子
１０５Ａ、１０５Ｂ：画素領域
１０６Ａ、１０６Ｂ：画素構造
１０７：分離構造のスタック
１０８：ＳＴＩ構造
１１０：ＤＴＩ構造
１１０Ａ：金属充填層
１１０Ｂ：誘電体層
１１０Ｃ、９１０：ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層
１１２：反射防止コーティング（ＡＲＣ）
１１４：パッシベーション層
１１６：誘電体層
１１８Ａ、１１８Ｂ：カラーフィルタ
１２０Ａ、１２０Ｂ：マイクロレンズ
１２２：金属遮蔽層
１２４：放射ビーム
２２６：金属グリッド構造
３００、１９００：方法
３０５、３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、１９０５、１９１０、１９１５、１９２０、１９２５、１９３０：動作
７１６、１４１６：１７１６：酸化ケイ素層
８１０：分離トレンチ
１０１０：酸化物層
１２１０、２１２２：金属層
１５２２、２０２２：開口
Ａ：角度
Ｄ１、Ｄ２：距離
Ｈ１、Ｈ２：高さ
Ｗ１、Ｗ２：幅
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６：厚さ
Ｘ、Ｙ、Ｚ：軸
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【手続補正書】
【提出日】2023-02-14
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１表面と、前記第１表面と反対の第２表面とを含む基板と、
前記基板に設けられた第１放射線感知素子と第２放射線感知素子と、
前記基板にて前記第１放射線感知素子と前記第２放射線感知素子との間に設けられ、第１表面と、前記第１表面と反対の第２表面とを有する、第１分離構造と、
金属構造と、
前記金属構造を囲む誘電体層と
を含み、
前記基板にて前記第１分離構造の前記第１表面上に設けられた第２分離構造と
を含み、
前記第２分離構造が、前記基板の前記第１表面の上方に垂直に延伸する、
光学デバイス。
前記基板に設けられた第１放射線感知素子と第２放射線感知素子と、
前記基板にて前記第１放射線感知素子と前記第２放射線感知素子との間に設けられ、第１表面と、前記第１表面と反対の第２表面とを有する、第１分離構造と、
金属構造と、
前記金属構造を囲む誘電体層と
を含み、
前記基板にて前記第１分離構造の前記第１表面上に設けられた第２分離構造と
を含み、
前記第２分離構造が、前記基板の前記第１表面の上方に垂直に延伸する、
光学デバイス。
【請求項2】
前記第１分離構造の前記第２表面が、前記基板の前記第２表面と同一平面上にある、
請求項１に記載の光学デバイス。
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項3】
前記誘電体層が、前記第１分離構造の前記第１表面と物理的に接触している、
請求項１に記載の光学デバイス。
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項4】
前記基板の前記第１表面が、前記第１放射線感知素子及び前記第２放射線感知素子と整列した溝領域を含む、
請求項１に記載の光学デバイス。
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項5】
表側表面と裏側表面とを含む基板と、
前記基板に設けられた第１画素構造と第２画素構造と、
前記第１画素構造と前記第２画素構造との間に設けられたシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）構造と、
金属構造と、
前記金属構造の側壁に沿って、そして前記ＳＴＩ構造上に設けられた誘電体ライナーと
を含み、
前記ＳＴＩ構造上に設けられたディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）構造と、
前記基板の前記裏側表面上に設けられて前記ＤＴＩ構造と整列したグリッド構造と
を含む、
光学デバイス。
前記基板に設けられた第１画素構造と第２画素構造と、
前記第１画素構造と前記第２画素構造との間に設けられたシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）構造と、
金属構造と、
前記金属構造の側壁に沿って、そして前記ＳＴＩ構造上に設けられた誘電体ライナーと
を含み、
前記ＳＴＩ構造上に設けられたディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）構造と、
前記基板の前記裏側表面上に設けられて前記ＤＴＩ構造と整列したグリッド構造と
を含む、
光学デバイス。
【請求項6】
前記誘電体ライナーが、
前記金属構造を囲む酸化ケイ素層と、
前記酸化ケイ素層を囲む、酸化ハフニウムと酸化アルミニウムを含むｈｉｇｈ－ｋ誘電体層と
を含む、
請求項５に記載の光学デバイス。
前記金属構造を囲む酸化ケイ素層と、
前記酸化ケイ素層を囲む、酸化ハフニウムと酸化アルミニウムを含むｈｉｇｈ－ｋ誘電体層と
を含む、
請求項５に記載の光学デバイス。
【請求項7】
前記金属構造がタングステン又はアルミニウムを含む、
請求項５に記載の光学デバイス。
請求項５に記載の光学デバイス。
【請求項8】
基板の第１表面を通して第１放射線感知素子と第２放射線感知素子を形成することと、
前記基板の前記第１表面を通して前記第１放射線感知素子と前記第２放射線感知素子との間に第１分離構造を形成することと、
前記基板の前記第１表面と反対の前記基板の第２表面上に溝領域を形成することと、
前記基板の前記第２表面を通じて前記第１分離構造上に分離トレンチを形成することと、
前記分離トレンチに誘電体層を形成することであって、前記誘電体層が前記基板の前記第２表面の上方に垂直に延伸することと、
前記誘電体層上に金属層を形成すること
とを含む、
方法。
前記基板の前記第１表面を通して前記第１放射線感知素子と前記第２放射線感知素子との間に第１分離構造を形成することと、
前記基板の前記第１表面と反対の前記基板の第２表面上に溝領域を形成することと、
前記基板の前記第２表面を通じて前記第１分離構造上に分離トレンチを形成することと、
前記分離トレンチに誘電体層を形成することであって、前記誘電体層が前記基板の前記第２表面の上方に垂直に延伸することと、
前記誘電体層上に金属層を形成すること
とを含む、
方法。
【請求項9】
前記誘電体層を形成することが、
前記分離トレンチの側壁に沿って、そして前記第１分離構造上に、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層を堆積することと、
前記ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層上に酸化物層を堆積することと
を含み、
前記酸化物層及び前記ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層の材料が互いに異なる、
請求項８に記載の方法。
前記分離トレンチの側壁に沿って、そして前記第１分離構造上に、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層を堆積することと、
前記ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層上に酸化物層を堆積することと
を含み、
前記酸化物層及び前記ｈｉｇｈ－ｋ誘電体層の材料が互いに異なる、
請求項８に記載の方法。
【請求項10】
前記金属層上にグリッド構造を形成することを更に含む、
請求項８に記載の方法。
請求項８に記載の方法。
【外国語明細書】