DE102007051752B4 - Licht blockierende Schichtenfolge und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Licht blockierende Schichtenfolge, die lichtempfindliche Bereiche von Schaltkreisen mit integrierter Optik abschattet, die nicht zu den Empfangsbauelementen der optischen Strahlung gehören, wobei die Reflexion mindestens einer abschattenden Schicht durch eine zusätzliche Schicht mit erhöhter Absorption im Wellenlängenbereich von 180 bis 1200 nm unterdrückt wird und wobei die Licht blockierende Schichtenfolge aus einer oder mehreren dünnen Metallschichten und einer darauf befindlichen Polysiliziumschicht oder amorphen Siliziumschicht besteht und die Oberfläche der Polysiliziumschicht oder amorphen Siliziumschicht mit einer Mottenaugenstruktur versehen ist und die Licht blockierende Schichtenfolge mindestens einseitig von einer elektrischen Isolatorschicht bedeckt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Licht blockierende Schichtenfolge, insbesondere für Bauelemente der integrierten Optik im Wellenlängenbereich von 180 nun bis 1200 nm. Die Herstellung der Licht blockierenden Schichtenfolge ist voll CMOS-kompatibel. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Unterdrückung der Reflexion. Bei Schaltkreisen mit integrierter Optik besteht häufig die Notwendigkeit, lichtempfindliche Bereiche, die nicht zu den Empfangsbauelementen optischer Strahlung gehören, gezielt von der Bestrahlung mit Licht auszunehmen. Dabei geht es nicht allein um den Abschattungseffekt, vielmehr kommt es darauf an, das Licht vollständig zu absorbieren, so dass es zu einer möglichst vollständigen Unterdrückung der Reflexion kommt und optische Systeme in ihrer Leistungsfähigkeit durch reflektiertes oder zurück gestreutes Licht nicht eingeschränkt werden. Wenn z. B. ein Bildsensor, der in Kombination mit einem Objektiv angewendet wird, Reflexionen im genutzten Wellenlängenbereich aufweist, dann führt das zu einer Verringerung des Kontrastumfanges wie bei einem Objektiv, bei dem die verwendeten Linsen nicht hochwertig entspiegelt sind.
  • Dem Stand der Technik entspricht die Anwendung von Metallschichten und Schichten schwarzen Lackes zur Lichtabschirmung. In der Offenlegungsschrift EP 0 590 598 A1 ist ein Halbleiterbauelement beschrieben, das Photodioden, eine diese umgebende integrierte Schaltung mit mehreren Metallisierungsebenen, die gegeneinander durch Isolierschichten elektrisch isoliert sind und Bondstellen auf einen Chip enthält, wobei das Chip in den Bereichen außerhalb der optischen Fenster mit einer oder mehreren Licht abschirmenden Schichten aus Metall versehen ist. In der japanischen Schrift JP 62070 A wird ein Photosensor mit Licht abschirmenden Schichten aus Aluminium beschrieben. Ganz ähnliche Anwendungen von Metallschichten zum Schutz vor Lichteinfall finden sich in den Schriften DE 3705173 C2 , EP 0 450 496 B1 , EP 0 495 503 B1 , JP 02 000 376 A , JP 601 702 55 A . Bei all diesen Veröffentlichungen werden Metallschichten in unterschiedlicher Anordnung zur Lichtabschirmung angewendet.
  • Bei Verwendung von Metallschichten zur Lichtabschirmung z. B. in Verbindung mit der CMOS-Technolgie ist der technologische Eingriff gering, jedoch besteht der erhebliche Nachteil der hohen Reflexion. Ein weiterer Nachteil ist der Verlust einer Verdrahtungsebene für die Verdrahtung im vom Licht abzuschirmenden Bereich.
  • Bei Verwendung von schwarzem Lack, wie beispielsweise in EP 0 816 899 B1 beschrieben, ist die hohe Resttransmission von Nachteil. Lack schirmt nicht 100%-ig ab, lässt noch einen Teil des Lichtes durch. Ein weiterer Nachteil besteht in der Abscheidung des Lackes auf der Oberfläche eines integrierten Bauelementes. Durch den größeren Abstand zum lichtempfindlichen Bereich des Bauelementes können die Kanten nicht so präzise definiert werden. Der große Abstand verschlechtert die Überdeckungsgenauigkeit mit den Strukturen im Bauelement und führt zur Abschattung von optisch aktiven bzw. zur Einstrahlung in zu blockierende Bereiche bei schrägem Lichteinfall. Dieser Effekt wird umso stärker je größer der Abstand des schwarzen Lackes zum lichtempfindlichen Bereich des Bauelementes ist, je kleiner der lichtempfindliche Bereich (Fläche nicht Volumen) des Bauelementes ist und je schräger das Licht eingekoppelt wird. Weiterhin ist es nicht möglich, eine ebene Oberfläche zu erzielen, da der schwarze Lack strukturiert werden muss und dadurch hohe Kanten entstehen. Das direkte Aufbringen weiterer Schichten oder Komponenten auf eine solche Oberfläche ist nicht einfach möglich.
  • Zur Unterdrückung der Reflexion sind auch Antireflexionsschichten gebräuchlich. Eine solche ist als oberste Deckschicht einer diskreten Solarzelle in der Schrift US 2003/0178057 A1 gezeigt. Diese ist auf die Oberfläche der Siliziumzelle aufgebracht, wobei die Oberfläche der Siliziumzelle strukturiert ist, um einen möglichst großen Teil des einfallenden Lichtes in das Volumen (Substrat 1) der Solarzelle zu reflektieren. Dabei wurde die Strukturierung bereits vor der Ausprägung des pn-Übergangs (Diffusion der Schicht 1a) vorgenommen. Die Aufgabe der Abschattung von Gebieten, die nicht von der Strahlung getroffen werden sollen, besteht nicht, da es sich nicht um eine integrierte Schaltung handelt, sondern um eine diskrete Solarzelle. Vielmehr besteht hier die Aufgabe, einen möglichst hohen Strahlungsanteil in das Volumen der Zelle hineinzureflektieren. Diesem Ziel dient die spezielle Art des Strukturierens der Solarzellenoberfläche und die Antireflexionsschicht.
  • CMOS-kompatible integrierte strahlungsempfindliche Bauelemente sind z. B. aus den Schriften US 2003/0234341A1 und EP 1 333 503 A2 bekannt. In ersterer Schrift ist ein mittels CMOS-Technologie integriert aufgebauter mikroelektromechanischer Sonnensensor beschrieben, der eine Matrix von Pixeln (Photodioden) enthält. Das Licht der Sonne wird über ein optisches System auf eine in einem Hohlraum befindliche Pixelmatrix fokussiert, wodurch eine räumliche Orientierung des den Sonnensensor enthaltenden Körpers bezogen auf den Stand der Sonne möglich ist. Über die Abschirmung der Zwischengebiete zwischen den Photodioden ist nichts zu entnehmen. Letzteres gilt auch für die Schrift EP 1 333 503 A2 . Hier wird der Prozess der Herstellung eines monolithisch integrierten Schaltkreises auf CMOS-Basis beschrieben, der einen Infrarotsensor und die dazu gehörige Signalverarbeitungselektronik enthält. Dabei werden Schichtkombinationen von schwarzem Silizium, dielektrischen Materialien (z. B. Si-Oxid) und Metall erzeugt, die Bestandteile der aktiven Bereiche des Sensors sind. Die optisch nicht aktiven Bereiche der Schaltung werden durch das Gehäuse geschützt, in dem sich ein optisches Fenster für den Sensorteil der integrierten Schaltung befindet. Hier geht es darum, dass auf das Sensorelement ein möglichst hoher Anteil der Strahlung fällt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Licht blockierende Schichtenfolge nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5 so zu schaffen, dass die geschilderten Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit den in den Ansprüchen 1 und 5 angegebenen Merkmalen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Gegenstände der Ansprüche 1 und 5 sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Gegenstände der Ansprüche 1 und 5 weisen die Vorteile auf, dass keine Transmission dürch die dünne Metallschicht oder dünnen Metallschichten erfolgt und eine nur sehr geringe Reflexion durch die perfekte Einkopplung des Lichtes in die Siliziumschicht mit Mottenaugenstruktur auftritt, und das Licht in dieser Polysiliziumschicht oder amorphen Siliziumschicht absorbiert wird, wobei die Absorption von den Absorptionseigenschaften der Polysiliziumschicht oder amorphen Siliziumschicht und deren Dicke abhängig ist. Wichtig ist, dass an der Metallschicht ein Teil des Lichtes, das beim einmaligen Durchqueren der Siliziumschicht nicht absorbiert wurde, reflektiert wird und ein zweites Mal durch die Siliziumschicht muss. Nur das Licht, das auch danach nicht absorbiert wurde, wird reflektiert. Auf die Reflexion kann durch Wahl des Metalls, der Art des Siliziums (hoher Absorptionsfaktor) und der Dicke der polykristallinen oder amorphen Siliziumschicht (umso dicker umso mehr wird absorbiert), sowie der Beschaffenheit der Mottenaugenstruktur in der Polysiliziumschicht oder amorphen Schicht direkt Einfluss genommen werden.
  • Die vorgeschlagene Licht blockierende Schichtenfolge kann in andere Stoffe eingebettet werden, somit ist es möglich, eine glatte Oberfläche aus einem anderen Material als dem, welches bei der Licht blockierenden Schichtenfolge verwendet wurde, zu bilden. Das heißt es ist beispielsweise möglich, diese Formation in einen CMOS-Prozess einzubinden und gleichzeitig eine ebene Isolatorfläche darauf zu prozessieren. Da außerdem nur CMOS-kompatible Materialien und Prozessschritte angewendet werden, ist eine vollständige CMOS-Integration möglich.
  • Die Licht blockierende Schichtenfolge kann nicht nur an der Oberfläche, sondern in unterschiedlichen Ebenen eines Integrierten Bauelementes erzeugt werden, z. B. zwischen Metallisierung 3 und Metallisierung 4 des Schaltkreises. Im Bedarfsfall kann die Licht blockierende Schichtenfolge in einem Schaltkreis mehr als nur einmal in unterschiedlichen Ebenen hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Schichtanordnung (Metallschicht; darüberliegender Polysiliziumschicht oder amorphe Siliziumschicht mit Mottenaugenstruktur kann in nahezu jede Isolationsschicht eingebettet werden, vorausgesetzt, die sich dadurch ergebenden geometrischen Bedingungen und möglichen kapazitiven Einflüsse werden entsprechend berücksichtigt.
  • Es ist vorteilhaft die vorgeschlagene Erfindung auf einer ebenen Fläche aufzubringen. Dazu muss die darunterliegende Isolatorschicht durch ein geeignetes Verfahren eingeebnet werden.
  • Zur Erhöhung der Absorption kann zusätzlich oder ausschließlich eine diffraktive und oder eine streuende Struktur in die Oberfläche der Siliziumschicht und oder Metallschicht ein- bzw. aufgebracht werden. Dabei muss allerdings die Wellenlängenabhängigkeit der diffraktiven Struktur berücksichtigt werden.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
  • 1 den Querschnitt der Licht blockierenden Schichtenfolge auf der Oberfläche einer Siliziumscheibe vor der Erzeugung der Mottenaugenstruktur, in Form einer elektronenmikroskopischen Querschnittsaufnahme nach Abscheidung einer Polysiliziumschicht (1), wobei als Licht abschirmendes Metall eine in der CMOS-Technologie ohnehin vorkommende Doppelschicht aus Titan, Titannitrid (3) und Wolfram (2) wirkt, (4) ist eine Isolationsschicht bestehend aus TEOS und BPTEOS,
  • 2 den Querschnitt einer Licht blockierenden Schichtenfolge gemäß 1 mit höherer Vergrößerung nach der Ausprägung der Mottenaugenstruktur,
  • 3 die an der erfindungsgemäßen Licht blockierenden Schichtenfolge gemessene spektrale Reflexion,
  • 4 ein Schema der Verfahrensschrittfolge zur Einbindung der Licht blockierenden Schichtenfolge in den CMOS-Prozess, beginnend mit den Prozessschritten, die sich oberhalb der Siliziumscheibe abspielen, wobei als Licht abschirmende Schicht als Bestandteil der Licht blockierenden Schichtenfolge eine Titanschicht dient und die Licht blockierende Schichtenfolge von einer so dicken isolierenden Siliziumoxidschicht eingehüllt ist, dass eine Glätteng der Oberfläche durch chemisch-mechanische Politur (CMP) nachfolgen kann, und
  • 5 eine vereinfachte Querschnittsdarstellung der vorgeschlagenen Licht blockierenden Schichtfolge und ihrer Anordnung innerhalb eines CMOS-Backends.
  • 3 zeigt die gemessene spektrale Reflexion der erfindungsgemäßen Licht blockierenden Schichtenfolge. Dabei wird zwischen der direkten Reflexion (32) und der gesamten, also die Summe der direkten und gestreuten Reflexion (31) unterschieden. Eingezeichnet ist weiterhin eine Hilfslinie (30). Die den Bereich der vollständigen Lichtabsorption (in diesem Fall < 600 nm Wellenlänge) von dem Bereich der nur teilweisen Absorption (> 600 nm Wellenlänge) trennt. Die nur teilweise erfolgende Absorption für Wellenlängen größer 600 nm kann man sehr gut an den auftretenden Interferenzen erkennen. Die Amplituden der Interferenzen nehmen mit zunehmender Wellenlänge zu, ebenso die absoluten Reflexionswerte. Dies liegt an der geringer werdenden Absorption der verwendeten Polysiliziumschicht für größer werdende Wellenlängen.
  • Der in 4 aufgeführte Prozessablauf der Hauptschritte beginnt mit dem Aufbringen einer elektrischen Isolationsschicht (ILD 1), an die sich die Öffnung der Kontakte (Contact) und die erste Metallisierungschicht (Met 1) anschließt. Es folgt danach die Abscheidung einer Isolationszwischenschicht (ILD 2) und die Öffnung der Kontaktlöcher für die erste Metallisierungsebene (Via 1) und die Abscheidung des Metalls für die zweite Metallisierungsebene (Met 2). Danach wird eine weitere elektrische Isolationsschicht (ILD) erzeugt und auf dieser nachfolgend eine 100 nm dicke Titanschicht und darauf eine 2 μm dicke Polysiliziumschicht abgeschieden. Anschließend wird die Schichtenfolge strukturiert, durch Aufbringen des Photolackes (resist), Belichtung des Photolackes (exposure), Hartung mit UV-Licht (UV hardening), Ätzung des Polysilliziums (polyetch) und des Titan (Ti etch), wonach der Photolack wieder abgelöst wird (resist strip). Mittels Plasmaätzung wird nun in bekannter Weise eine Mottenaugenstruktur erzeugt, wobei der Ätzprozess eine hohe Selektivität zu Oxid aufweist und daher nur im Polysilizium wirksam wird. Die dabei entstehenden nadelförmigen Strukturen dienen der breitbandigen Entspiegelung der Siliziumgrenzfläche zum nachfolgend angrenzenden Medium und bewirken in Kombination mit der absorbierenden Eigenschaft der Siliziumschicht die drastische Reduzierung der Reflexion, im Gegensatz zu den bekannten Verfahren der Lichtabschirmung durch einfache Metallschichten. Eine nachfolgend abgeschiedene Oxidschicht (oxide dep) deckt die Schichtfolge ab, die chemisch-mechanische Politur (CMP) erzeugt eine ebene Isolatoroberfläche in die die Kontaktlöcher für die zweite Metallisierungsebene (Via 2) eingebracht werden. Es folgen die Schritte des Aufbringens der dritten Metallisierungsebene (Met 3), des Aufbringens einer abschließenden Passivierungsschicht (passivation) und die Öffnung der Kontaktierinseln (pad opening).
  • 5 zeigt eine skizzenhafte Darstellung der erfindungsgemäßen Licht blockierenden Schichtenfolge in einer beispielhaften Anordnung innerhalb eines CMOS-Backends. (501) ist das Substrat, (502) die Passivierunggsschicht, (503) ein Bondpad, (504) die erfindungsgemäße Licht blockierende Schichtfolge, (505) ein Kontakt, (506) Via 1, (507) Via 2, (508) Metal 1. (509) Metal 2, (510) Metal 3, (511) ILD 1, (512) ILD 2, (513) ILD 3 und (514) eine die Licht blockierende Schichtfolge einhüllende planarisierte Oxidschicht.
  • Im dargestellten Beispiel ist die Licht blockierende Schichtenfolge in der Isolationsschicht zwischen Metall 2 und Metall 3 eingebracht. Die Isolationsschicht wurde dadurch in zwei Isolationsschichten aufgeteilt, wovon eine vor der Abscheidung der Licht blockierenden Schichfolge und eine nach deren Ausbildung aufgebracht wird. Insgesamt vergrößert sich die Dicke der Isolationsschicht zwischen Metall 2 und Metall 3. Jede Metallisierungsschicht kann vollständig zur Verdrahtung genutzt werden. Lediglich direkt im Bereich der Licht blockierenden Schicht sind Vias zwischen der darunter und der darüber liegenden Metallisierungsebene nicht möglich.
  • 3
    • 30
    Hilfslinie, die den Bereich der vollständigen Lichtabsorption (< 600 nm Wellenlänge) von dem Bereich der nur teilweisen Absorption (> 600 nm Wellenlänge) trennt.
    31
    Summe der direkten und gestreuten Reflexion
    32
    direkte Reflexion
  • 4
    • LD 1
    elektrische Isolationsschicht 1
    Contact
    Öffnung der Kontakte
    Met 1
    erste Metallisierungschicht
    ILD2
    zweite elektrische Isolationsschicht
    Via 1
    Kontaktlöcher der esten Metallisierungsebene
    Met 2
    Metall der zweiten Metallisierungsebene
    ILD 3
    dritte elektrische Isolationsschicht
    Ti dep 100 nm
    Abscheidung einer 100 nm dicken Titanschicht
    polytep 2 μm
    Abscheidung einer 2 μm dicken Polysiliziumschicht
    resist
    Aufbringen des Photolackes
    exposure
    Belichtung des Photolackes
    UV hardening
    Aushärtung des Photolackes mit UV-Licht
    polyetch
    Ätzung des Polysilliziums
    Ti etch
    Ätzung des Titan
    resist strip
    Ablösung des Photolackes
    black Si etch
    Plasmaätzung des Polysiliziums
    Oxid dep
    kurzzeitige Oxidätzung
    CMP
    chemisch-mechanische Politur
    Via 2
    Kontaktlöcher derzweiten Metallisierungsebene
    Met 3
    Metall der dritten Metallisierungsebene
    Passivation
    Abscheiden der Passivierungsschicht
    Pad opening
    Öffnung für die Kontaktierinseln
  • 5
    • 501
    Substrat
    502
    Passivierunggsschicht
    503
    Bondpad
    504
    die erfindungsgemäße Licht blockierende Schichtfolge
    505
    ein Metallkontakt
    506
    Metallpfad Via 1
    507
    Metallpfad Via 2
    508
    Metal 1: Metallisierung 1
    509
    Metal 2: Metallisierung 2
    510
    Metal 3: Metallisierung 3
    511
    ILD 1: elektrische Isolierschicht 1
    512
    ILD 2: elektrische Isolierschicht 2
    513
    ILD 3: elektrische Isolierschicht 3
    514
    eine die Licht blockierende Schichtfolge einhüllende planarisierte Oxidschicht.

Claims (10)

  1. Licht blockierende Schichtenfolge, die lichtempfindliche Bereiche von Schaltkreisen mit integrierter Optik abschattet, die nicht zu den Empfangsbauelementen der optischen Strahlung gehören, wobei die Reflexion mindestens einer abschattenden Schicht durch eine zusätzliche Schicht mit erhöhter Absorption im Wellenlängenbereich von 180 bis 1200 nm unterdrückt wird und wobei die Licht blockierende Schichtenfolge aus einer oder mehreren dünnen Metallschichten und einer darauf befindlichen Polysiliziumschicht oder amorphen Siliziumschicht besteht und die Oberfläche der Polysiliziumschicht oder amorphen Siliziumschicht mit einer Mottenaugenstruktur versehen ist und die Licht blockierende Schichtenfolge mindestens einseitig von einer elektrischen Isolatorschicht bedeckt ist.
  2. Licht blockierende Schichtenfolge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als abschattender Bestandteil der blockierenden Schichtenfolge jeweils eine Schicht bestehend aus den Metallen mit den Mindestschichtdicken: Ag: 100 nm, Al: 30 nm, Cr: 75 nm, Ti: 100 nm, W: 100 nm Cu: 80 nm vorhanden ist.
  3. Licht blockierende Schichtenfolge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als abschattender Bestandteilder Licht blockierenden Schichtenfolge jeweils mehrere Metallschichten, der unter Anspruch 2 genannten Metalle mit entsprechend verringerter Schichtdicke vorhanden sind.
  4. Licht blockierende Schichtenfolge nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der polykristallinen oder amorphen Siliziumschicht mindestens 2 μm beträgt und die darin ausgebildete Mottenaugenstruktur eine Strukturhöhe von 0,5 bis 0,7 μm erreicht.
  5. Verfahren der Herstellung einer Licht blockierenden Schichtenfolge, die bestimmte Bereiche eines CMOS-Bauelementes der integrierten Optik schützt, die nicht von Licht getroffen werden sollen, wirkend im Wellenlängenbereich von 180 nm bis 1200 nm, wobei vor der Abscheidung der die Gesamtschaltung passivierenden Schicht auf einer elektrischen Isolatorschicht eine Metallschicht oder mehrere Metallschichten mit einer Dicke, die eine unter 1%ige Transmission aufweist, und darauf eine mindestens 2 μm dicke Polysiliziumschicht oder amorphe Siliziumschicht abgeschieden werden, wonach mittels eines Photolithographieprozesses diese Schichten strukturiert werden und auf der Oberseite der plykristallinen oder amorphen Siliziumschicht eine Mottenaugenstruktur einer Tiefe von 0,5 bis 0,7 μm ausgebildet wird, worauf die Abscheidung einer weiteren elektrischen Isolatorschicht oder einer solchen mit Passivierungswirkung folgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abscheiden der polykristallinen oder amorphen Siliziumschicht zuerst die Mottenaugenstruktur ausgebildet wird und danach die Strukturierung der Schichten mittels des Photolithographieprozesses erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als abschattender Bestandteil der Licht blockierenden Schichtenfolge jeweils eine Schicht, bestehend aus den Metallen mit den Mindestschichtdicken: Ag: 100 nm, Al: 30 nm, Cr: 75 nm, Ti: 100 nm, W: 100 nm Cu: 80 nm, abgeschieden wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als abschattender Bestandteil der Licht blockierenden Schichtenfolge jeweils mehrere Metallschichten der ausgeweht aus den Metallen Ag, Al, Cr, Ti, W und Cu abgeschieden werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet dass eine Licht blockierende Schichtenfolge entweder an der Oberfläche der Schaltung und der bei mehreren vorkommenden Metallisierungsebenen zwischen einer der Metallisierungsebenen ausgebildet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht blockierenden Schichtenfolge bei mehreren vorkommenden Metallisierungsebenen mehrfach zwischen jeweils einer der Metallisierungsebenen ausgebildet wird.
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