DE102016100020A1 - Verfahren zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante, Bildsensorvorrichtung und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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Horng-Huei Tseng
Hsin-Chieh Huang
Chun-Hao Chou
Kuo-Cheng Lee
Yung-Lung Hsu
Yun-Wei Cheng
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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Abstract

Ein Verfahren zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem κ) auf einem Substrat umfasst das Durchführen eines Vorreinigungsprozesses auf einer Fläche des Substrats. Ein Chlorid-Präkursor wird der Fläche zugeführt. Ein Oxidationsmittel wird der Fläche zugeführt, um die dielektrische Schicht mit hohem κ auf dem Substrat auszubilden. Eine Chloridkonzentration der dielektrischen Schicht mit hohem κ ist niedriger als etwa 8 Atome/cm3.

Description

  • PRIORITÄTSANSPRUCH UND QUERVERWEIS
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Seriennr. 62/158,437, welche am 07. Mai 2015 eingereicht wurde und hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • HINTERGRUND
  • Technologien integrierter Schaltungen (Integrated Circuits, ICs) werden ständig verbessert. Solche Verbesserungen beinhalten häufig das Herunterskalieren von Vorrichtungsgeometrien, um niedrigere Herstellungskosten, eine höhere Integrationsdichte der Bauelemente, höhere Geschwindigkeiten und eine bessere Leistung zu erzielen. Neben den Vorteilen, die durch die Verringerung der geometrischen Größe erzielt werden, werden Verbesserungen direkt an den IC-Vorrichtungen vorgenommen. Eine solche IC-Vorrichtung ist eine Bildsensorvorrichtung. Eine Bildsensorvorrichtung umfasst eine Pixelanordnung (oder ein Pixelgitter) zum Erfassen von Licht und Aufzeichnen einer Intensität (Helligkeit) des erfassten Lichtes. Die Pixelanordnung reagiert auf das Licht durch das Akkumulieren einer Ladung – zum Beispiel ist die in der Pixelanordnung akkumulierte Ladung umso höher, je höher die Intensität des Lichtes ist. Die akkumulierte Ladung wird dann verwendet (zum Beispiel durch andere Schaltungen), um eine Farbe und Helligkeit zur Verwendung in einer geeigneten Anwendung bereitzustellen, wie etwa in einer Digitalkamera.
  • Ein Typ einer Bildsensorvorrichtung ist eine rückwärtig belichtete (Backside Illuminated, BSI) Bildsensorvorrichtung. BSI Bildsensorvorrichtungen werden zum Erfassen eines Volumens von Licht verwendet, das in Richtung einer Rückseitenfläche eines Substrats (welches die Bildsensorschaltungen der BSI Bildsensorvorrichtung trägt) projiziert wird. Das Pixelgitter ist auf einer Vorderseite des Substrats angeordnet, und das Substrat ist genügend dünn, so dass Licht, welches in Richtung der Rückseite des Substrats projiziert wird, das Pixelgitter erreichen kann. BSI Bildsensorvorrichtungen gewährleisten einen hohen Füllfaktor und eine geringere destruktive Interferenz im Vergleich zu frontseitig belichteten (front-side illuminated, FSI) Bildsensorvorrichtungen. Infolge der Bauelementeskalierung werden ständig Verbesserungen der BSI-Technologie vorgenommen, um die Bildqualität von BSI Bildsensorvorrichtungen weiter zu verbessern.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung am besten verständlich, wenn diese zusammen mit den beigefügten Figuren studiert wird. Es ist anzumerken, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Industrie verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zur Klarheit der Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.
  • 1A bis 1F sind Schnittansichten eines Verfahrens zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung in verschiedenen Stadien gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • 2 ist eine graphische Darstellung verschiedener Atomkonzentrationen in Abhängigkeit von der Tiefe des Farbfilters, der dielektrischen Schicht mit hohem κ und dem Substrat der Bildsensorvorrichtung in 1F.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zur Implementierung verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands bereit. Nachfolgend werden spezielle Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele, die nicht einschränkend sein sollen. Zum Beispiel kann die Ausbildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der nachfolgenden Beschreibung Ausführungsformen beinhalten, bei denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt ausgebildet sind, und kann auch Ausführungsformen beinhalten, bei denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal ausgebildet sein können, so dass sich das erste und das zweite Merkmal möglicherweise nicht in direktem Kontakt befinden. Weiterhin können sich in der vorliegenden Offenbarung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und stellt an sich noch keinen Zusammenhang zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen her.
  • Ferner können Begriffe, die räumliche Beziehungen bezeichnen, wie ”unterhalb”, ”unter”, ”untere(r)”, ”oberhalb”, ”obere(r)” usw., hier zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu (einem) anderen Element(en) oder Merkmal(en) zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Die räumliche Beziehungen bezeichnenden Begriffe sollen andere Ausrichtungen der in Verwendung oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung, zusätzlich zu der in den Figuren abgebildeten Ausrichtung, mit einschließen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet (um 90 Grad gedreht oder in eine andere Ausrichtung bewegt) werden, und die hier verwendeten Begriffe zur Beschreibung räumlicher Beziehungen können ebenfalls entsprechend interpretiert werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen des Ausbildens einer rückwärtig belichteten (Backside Illuminated, BSI) Bildsensorvorrichtung wird eine dielektrische Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem κ) auf einem Substrat ausgebildet, das als Schicht der unteren Antireflexbeschichtung (Bottom Anti-Reflective Coating, BARC) der Bildsensorvorrichtung verwendet werden soll. Die BARC Schicht, die von der dielektrischen Schicht mit hohem κ gebildet wird, hat die Fähigkeit, Ladung zu akkumulieren, wobei sie die Qualität im Hinblick auf Dunkelstrom, Weißpixel und Ungleichmäßigkeit des Dunkelsignals (Dark Image Non-Uniformity, DINU) verbessert. Bei einigen Ausführungsformen wird die dielektrische Schicht mit hohem κ durch einen ALD-Prozess und unter Verwendung von Metallchlorid als Präkursor (Vorläufer) gebildet. Die Chloridkonzentration der gebildeten dielektrischen Schicht mit hohem κ hängt mit der Haftung zwischen der dielektrischen Schicht mit hohem κ und dem Substrat zusammen. Um die Haftung zu verbessern und die Probleme der Delaminierung der dielektrischen Schicht mit hohem κ zu vermindern, werden in den folgenden Abschnitten eine Bildsensorvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung derselben bereitgestellt.
  • 1A bis 1F sind Schnittansichten eines Verfahrens zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung in verschiedenen Stadien gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Bildsensorvorrichtung umfasst eine Anordnung von Pixeln P, und die Pixel P können in Spalten und Zeilen angeordnet sein. Der Begriff ”Pixel” bezieht sich auf eine Einheitszelle, welche Merkmale (zum Beispiel einen Photodetektor und verschiedene Schaltungen, welche verschiedene Halbleiterbauelemente umfassen können) zum Umwandeln elektromagnetischer Strahlung in ein elektrisches Signal enthalten. Der Einfachheit halber wird in der vorliegenden Offenbarung eine Bildsensorvorrichtung beschrieben, die ein einziges Pixel P umfasst; typischerweise kann jedoch eine Anordnung solcher Pixel die Bildsensorvorrichtung bilden, die in 1A dargestellt ist.
  • Die Pixel P können Photodioden, komplementäre Metalloxid-Halbleiter-(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)Bildsensorvorrichtungen, auf ladungsgekoppelten Bauelementen (Charged Coupled Devices, CCD) basierende Sensoren, aktive Sensoren, passive Sensoren, sonstige Sensoren oder Kombinationen davon umfassen. Die Pixel P können als verschiedene Sensortypen aufweisend ausgebildet sein. Zum Beispiel kann es sich bei einer Gruppe von Pixeln P um CMOS-Bildsensorvorrichtungen handeln, und eine andere Gruppe von Pixeln P kann aus passiven Sensoren bestehen. Außerdem können die Pixel P Farbbild-Sensorvorrichtungen oder monochromatische Bildsensorvorrichtungen umfassen. In einem Beispiel ist wenigstens eines der Pixel P ein aktiver Pixelsensor, wie etwa eine CMOS-Bildsensorvorrichtung. In 1A kann das Pixel P einen Photodetektor umfassen, wie etwa einen Photodetektor vom Typ eines Photogates, zum Aufzeichnen einer Intensität oder Helligkeit von Licht (Strahlung). Das Pixel P kann auch verschiedene Halbleiterbauelemente umfassen, wie etwa verschiedene Transistoren, etwa einen Transfertransistor, einen Rücksetztransistor, einen Sourcefolgertransistor, einen Auswahltransistor, einen anderen geeigneten Transistor oder Kombinationen davon. Weitere Schaltungen, ein Eingang und/oder ein Ausgang können mit der Pixelanordnung gekoppelt sein, um eine Betriebsumgebung für das Pixel P bereitzustellen und externe Kommunikationen mit dem Pixel P zu unterstützen. Zum Beispiel kann die Pixelanordnung mit Ausleseschaltungen und/oder Steuerschaltungen gekoppelt sein. Die Pixel P können sich, obwohl sie schematisch als identisch dargestellt sind, voneinander unterscheiden, indem sie unterschiedliche Übergangstiefen, Dicken, Breiten usw. aufweisen.
  • In 1A ist die Bildsensorvorrichtung eine BSI Bildsensorvorrichtung. Die Bildsensorvorrichtung kann ein integrierter Schaltungschip (Integrated Circuit Chip, IC-Chip), ein Ein-Chip-System (System on Chip, SoC) oder ein Teil davon sein, der bzw. das verschiedene passive und aktive mikroelektronische Bauelemente umfasst, wie etwa Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Dioden, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors, MOSFETs), CMOS-Transistoren, Bipolartransistoren (Bipolar Junction Transistors, BJTs), lateral diffundierte MOS-(LDMOS)Transistoren, Hochleistungs-MOS-Transistoren, lamellenförmige Feldeffekttransistoren (Fin-like Field Effect Transistors, FinFETs), andere geeignete Komponenten oder Kombinationen davon. 1A wurde um der Klarheit willen vereinfacht, um die erfinderischen Konzepte der vorliegenden Offenbarung besser zu verdeutlichen. Die Bildsensorvorrichtung kann um weitere Merkmale ergänzt werden, und einige der unten beschriebenen Merkmale können ersetzt oder weggelassen werden, um andere Ausführungsformen der Bildsensorvorrichtung zu erhalten.
  • Die Bildsensorvorrichtung umfasst ein Substrat 110 mit einer Vorderseite 112 und einer Rückseite 114. In 1A ist das Substrat 110 ein Halbleitersubstrat, welches Silizium umfasst. Alternativ dazu oder zusätzlich umfasst das Substrat 110 einen anderen elementaren Halbleiter, wie etwa Germanium und/oder Diamant; einen Verbindungshalbleiter, darunter Siliziumkarbid, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Indiumphosphid, Indiumarsenid und/oder Indiumantimonid; einen Legierungshalbleiter, darunter SiGe, GaAsP, AlInAs, AlGaAs, GaInAs, GaInP und/oder GaInAsP; oder Kombinationen davon. Das Substrat 110 kann ein Halbleiter auf einem Isolator (Semiconductor On Insulator, SOI) sein. Das Substrat 110 kann eine Gradienten-Halbleiterschicht sein, und/oder eine Halbleiterschicht, die eine andere Halbleiterschicht eines anderen Typs überlagert, wie etwa eine Siliziumschicht auf einer Silizium-Germanium-Schicht. In 1A kann das Substrat 110 ein Substrat vom p-Typ sein. Zu den Dotierstoffen vom p-Typ, mit denen das Substrat 110 dotiert ist, gehören Bor, Gallium, Indium, andere geeignete Dotierstoffe vom p-Typ oder Kombinationen davon. Alternativ dazu kann das Substrat 110 ein Substrat vom n-Typ sein. Zu den Dotierstoffen vom n-Typ, mit denen das Substrat 110 dotiert sein kann, gehören Phosphor, Arsen, andere geeignete Dotierstoffe vom n-Typ oder Kombinationen davon. Das Substrat 110 kann verschiedene p-dotierte Bereiche und/oder n-dotierte Bereiche umfassen. Eine Dotierung kann unter Anwendung eines Prozesses, wie etwa Ionenimplantation oder Diffusion, in verschiedenen Schritten und mit verschiedenen Verfahren implementiert werden. Die Dicke des Substrats 110 kann im Bereich zwischen etwa 100 Mikrometern (μm) und etwa 3000 μm liegen.
  • Das Substrat 110 weist Isolationsmerkmale 120 auf, wie etwa lokale Oxidation von Silizium (Local Oxidation of Silicon, LOCOS) und/oder Grabenisolation (Shallow Trench Isolation, STI), um verschiedene Bereiche und/oder Bauelemente, die auf oder in dem Substrat 110 ausgebildet sind, zu trennen (oder zu isolieren). Zum Beispiel isolieren die Isolationsmerkmale 120 das Pixel P von benachbarten Pixeln. In 1A sind die Isolationsmerkmale 120 STIs. Die Isolationsmerkmale 120 umfassen Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, ein anderes Isolationsmaterial oder Kombinationen davon. Die Isolationsmerkmale 120 werden durch ein beliebiges geeignetes Verfahren ausgebildet. Beispielsweise beinhaltet das Ausbilden einer STI einen Photolithographieprozess, das Ätzen eines Grabens in dem Substrat (wie etwa durch Anwendung von Trockenätzen, Nassätzen oder Kombinationen davon) und das Füllen des Grabens (zum Beispiel unter Anwendung eines Prozesses der chemischen Gasphasenabscheidung) mit einem oder mehreren dielektrischen Materialien. In einigen Beispielen kann der gefüllte Graben eine mehrschichtige Struktur aufweisen, wie etwa eine thermische Oxidauskleidungsschicht, die mit Siliziumnitrid oder Siliziumoxid gefüllt ist. In einigen anderen Beispielen kann die STI-Struktur unter Anwendung einer Bearbeitungsfolge erzeugt werden, wie etwa: Aufwachsen eines Pufferoxids, Ausbilden einer Nitridschicht mittels chemischer Niederdruck-Gasphasenabscheidung (Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD) über dem Pufferoxid, Strukturieren einer STI-Öffnung in dem Pufferoxid und der Nitridschicht unter Verwendung eines Photoresists und einer Maskierung, Ätzen eines Grabens in dem Substrat in der STI-Öffnung, optionales Aufwachsen einer thermischen Oxid-Grabenauskleidung zum Verbessern der Grabengrenzfläche, Füllen des Grabens mit Oxid, Anwendung einer Bearbeitung durch chemisch-mechanisches Polieren zum Rückätzen und Planarisieren und Anwendung eines Strippverfahrens zum Entfernen der Nitridschicht.
  • Wie oben erwähnt, ist das Pixel P auf dem Substrat 110 ausgebildet. Das Pixel P erfasst eine Intensität (Helligkeit) von Strahlung, die zur Rückseite 114 des Substrats 110 hin gerichtet ist. Die einfallende Strahlung ist sichtbares Licht. Alternativ dazu ist die Strahlung vom Infrarot (IR-), Ultraviolett- (UV-), Röntgen-, Mikrowellen- oder einem anderen geeigneten Strahlungstyp, oder eine Kombination davon. Das Pixel P kann dafür ausgelegt sein, einer speziellen Lichtwellenlänge zu entsprechen, wie etwa einer roten, einer grünen oder einer blauen Lichtwellenlänge. Anders ausgedrückt, das Pixel P kann dafür ausgelegt sein, eine Intensität (Helligkeit) einer bestimmten Wellenlänge von Licht zu erfassen. In 1A umfasst das Pixel P einen Photodetektor, wie etwa eine Photodiode, welche einen Lichterfassungsbereich (oder Photoerfassungsbereich) 102 umfasst. Der Lichterfassungsbereich 102 ist ein dotierter Bereich mit n-Dotierstoffen und/oder p-Dotierstoffen, die in dem Substrat 110 entlang der Vorderseite 112 des Substrats 110 ausgebildet sind, so dass der Lichterfassungsbereich 102 der Vorderseite 112 zugewandt ist. In 1A kann der Lichterfassungsbereich 102 ein n-dotierter Bereich sein. Der Lichterfassungsbereich 102 wird durch ein Verfahren wie etwa Diffusion und/oder Ionenimplantation ausgebildet. Obwohl in 1A nicht dargestellt, umfasst das Pixel P ferner verschiedene Transistoren, wie etwa einen Transfertransistor, der einem Transfer-Gate zugeordnet ist, einen Rücksetztransistor, der einem Rücksetz-Gate (Reset-Gate) zugeordnet ist, einen Sourcefolgertransistor, einen Auswahltransistor, andere geeignete Transistoren oder Kombinationen davon. Der Lichterfassungsbereich 102 und verschiedene Transistoren (welche zusammen als Pixel-Schaltungsanordnung bezeichnet werden können) ermöglichen dem Pixel P, die Intensität der speziellen Lichtwellenlänge zu erfassen. Es können weitere Schaltungen, Eingänge und/oder Ausgänge für das Pixel P vorgesehen sein, um eine Betriebsumgebung für das Pixel P bereitzustellen und/oder die Kommunikation mit dem Pixel P zu unterstützen.
  • Anschließend wird eine Verbindungsstruktur 130 über der Vorderseite 112 des Substrats 110 ausgebildet, einschließlich über dem Pixel P. Die Verbindungsstruktur 130 ist mit verschiedenen Komponenten der BSI Bildsensorvorrichtung gekoppelt, wie etwa dem Pixel P, so dass die verschiedenen Komponenten der BSI Bildsensorvorrichtung in der Lage sind, auf das einfallende Licht (Bildgebungsstrahlung) richtig zu reagieren. Die Verbindungsstruktur 130 kann mehrere strukturierte dielektrische Schichten und leitende Schichten umfassen, welche Verbindungen (z. B. eine Verdrahtung) zwischen den verschiedenen dotierten Merkmalen, Schaltungen und Eingängen/Ausgängen der Bildsensorvorrichtung bereitstellen. Die Verbindungsstruktur 130 kann ferner eine dielektrische Zwischenschicht (Interlayer Dielectric, ILD) und eine Mehrschicht-Verbindungs-(Multilayer Interconnect, MLI)Struktur umfassen. In 1A umfasst die Verbindungsstruktur 130 verschiedene leitende Merkmale, welche vertikale Verbindungen sein können, wie etwa Durchkontaktierungen 132, und/oder horizontale Verbindungen, wie etwa Leitungen 134. Die verschiedenen leitenden Merkmale (d. h. die Durchkontaktierungen 132 und die Leitungen 134) umfassen leitende Materialien, wie etwa Metalle. In einigen Beispielen können Metalle wie Aluminium, Aluminium-Silizium-Kupfer-Legierung, Titan, Titannitrid, Wolfram, Polysilizium, Metallsilicid oder Kombinationen davon verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen können die verschiedenen leitenden Merkmale (d. h. die Durchkontaktierungen 132 und die Leitungen 134) als Aluminiumverbindungen bezeichnet werden. Aluminiumverbindungen können durch einen Prozess gebildet werden, der physikalische Gasphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition, PVD), chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) oder Kombinationen davon umfasst. Weitere Herstellungsverfahren, die angewendet werden, um die verschiedenen leitenden Merkmale (d. h. die Durchkontaktierungen 132 und die Leitungen 134) auszubilden, können photolithographische Bearbeitung und Ätzung zum Strukturieren leitender Materialien umfassen, um die vertikalen und horizontalen Verbindungen auszubilden. Es können noch weitere Herstellungsverfahren implementiert werden, um die Verbindungsstruktur 130 auszubilden, wie etwa ein thermisches Glühen, um ein Metallsilicid auszubilden. Das Metallsilicid, das in Mehrschichtverbindungen verwendet wird, kann Nickelsilicid, Cobaltsilicid, Wolframsilicid, Tantalsilicid, Titansilicid, Platinsilicid, Erbiumsilicid, Palladiumsilicid oder Kombinationen davon umfassen. Alternativ dazu können die verschiedenen leitenden Merkmale (d. h. die Durchkontaktierungen 132 und die Leitungen 134) Kupfer-Mehrschichtverbindungen sein, welche Kupfer, Kupferlegierungen, Titan, Titannitrid, Tantal, Tantalnitrid, Wolfram, Polysilizium, Metallsilicid oder Kombinationen davon umfassen. Die Kupferverbindungen können durch einen Prozess ausgebildet werden, der PVD, CVD oder Kombinationen davon umfasst. Es versteht sich, dass die dargestellten leitenden Merkmale (d. h. die Durchkontaktierungen 132 und die Leitungen 134) nur Beispiele sind und die tatsächliche Positionierung und Gestaltung der leitenden Merkmale (d. h. der Durchkontaktierungen 132 und die Leitungen 134) in Abhängigkeit von Erfordernissen des Entwurfs variieren können.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann eine Pufferschicht 140 auf der Verbindungsstruktur 130 ausgebildet sein. In 1A umfasst die Pufferschicht 140 ein dielektrisches Material wie etwa Siliziumoxid. Alternativ dazu kann die Pufferschicht 140 optional Siliziumnitrid umfassen. Die Pufferschicht 140 wird durch CVD, PVD oder andere geeignete Verfahren ausgebildet. Die Pufferschicht 140 kann durch einen CMP-Prozess planarisiert werden, um eine glatte Oberfläche zu bilden.
  • Anschließend kann ein Trägerwafer 150 durch die Pufferschicht 140 zusätzlich auf das Substrat 110 gebondet werden, so dass eine Bearbeitung der Rückseite 114 des Substrats 110 durchgeführt werden kann. Der Trägerwafer 150 ist bei der vorliegenden Ausführungsform ähnlich dem Substrat 110 und umfasst ein Siliziummaterial.
  • Alternativ dazu kann der Trägerwafer 150 ein Glassubstrat oder ein anderes geeignetes Material umfassen. Der Trägerwafer 150 kann durch Molekularkräfte stoffschlüssig mit dem Substrat 110 verbunden sein, ein Verfahren, das als Direktbonden oder optisches Fusionsbonden bezeichnet wird, oder durch andere in der Technik bekannte Bondingverfahren, wie etwa Metalldiffusion oder anodisches Bonden.
  • Die Pufferschicht 140 gewährleistet eine elektrische Isolation zwischen dem Substrat 110 und dem Trägerwafer 150. Der Trägerwafer 150 gewährleistet den Schutz für die verschiedenen Merkmale, die auf der Vorderseite 112 des Substrats 110 ausgebildet sind, wie etwa das Pixel P. Der Trägerwafer 150 sorgt außerdem für mechanische Festigkeit und Abstützung für die Bearbeitung der Rückseite 114 des Substrats 110, wie unten erläutert. Nach dem Bonden können das Substrat 110 und der Trägerwafer 150 optional geglüht werden, um die Bondfestigkeit zu verbessern.
  • Es wird auf 1B Bezug genommen. Nach Beendigung des CMOS-Prozesses auf der Vorderseite 112 des Substrats 110 wird das Substrat 110 gewendet, und es kann ein Verdünnungsprozess von der Rückseite 114 aus durchgeführt werden, um die Dicke des Substrat 110 zu verringern. Der Verdünnungsprozess kann einen mechanischen Schleifprozess und einen chemischen Verdünnungsprozess umfassen. Zuerst kann eine wesentliche Menge des Substratmaterials während des mechanischen Schleifprozesses von dem Substrat 110 entfernt werden. Danach kann bei dem chemischen Verdünnungsprozess eine Ätzchemikalie auf die Rückseite 114 des Substrats 110 aufgebracht werden, um das Substrat 110 weiter bis zu einer gewünschten Dicke zu verdünnen. Wenn das Substrat 110 vom Typ SOI ist, kann die eingebettete vergrabene Oxidschicht (Buried Oxide Layer, BOX) als eine Ätzstoppschicht wirken. Die Dicke des Substrats 110 in einer BSI Bildsensorvorrichtung beträgt etwa 5–10 μm. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke kleiner als 5 μm sein, sogar bis hinab zu etwa 2–3 μm. Die Dicke des Substrats 110 kann in Abhängigkeit von der Art der Anwendungen der Bildsensorvorrichtung implementiert werden.
  • Anschließend wird eine dielektrische Schicht 160 mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem κ) (siehe 1E) auf der Rückseite 114 des Substrats 110 ausgebildet. Die dielektrische Schicht 160 mit hohem κ kann eine Schicht der unteren Antireflexbeschichtung (Bottom Anti-Reflective Coating, BARC) der Bildsensorvorrichtung sein. Genauer, es kann ein Vorreinigungsprozess der Rückseite 114 des Substrats 110 durchgeführt werden, um ein natives Oxid auf der Rückseite 114 zu entfernen, um eine Wasserstoff-terminierte(OH-)Fläche zu erzeugen. Dies kann unter Anwendung einer Behandlung mit verdünnter Flusssäure (Diluted Hydrofluoric Acid, DHF) oder Behandlung mit Flusssäuredampf (Vapor Hydrofluoric Acid, VHF) für eine geeignete Zeitdauer bewerkstelligt werden.
  • Es wird auf 1C und 1D Bezug genommen. Ein Impuls eines Chlorid-Präkursors 210 wird für eine erste Zeitdauer der Rückseite 114 des Substrats 110 zugeführt. Bei einigen Ausführungsformen ist der Chlorid-Präkursor ein Metallchlorid, wie etwa Lanthanchlorid (LaCl3), Hafniumtetrachlorid (HfCl4) oder Zirconiumtetrachlorid (ZrCl4). Der Chlorid-Präkursor 210 von 1C reagiert mit der OH-Fläche (d. h. der Rückseite 114), um eine Metalloxid-Bonding 162 zu erzeugen, wie in 1D dargestellt. Der nicht umgesetzte Teil des Chlorid-Präkursors 210 wird von der Rückseite 114 entfernt. Bei einigen Ausführungsformen beträgt die erste Zeitdauer etwa 0,5 Sekunden bis etwa 2 Sekunden, in Abhängigkeit von der jeweiligen Situation.
  • Es wird auf 1D und 1E Bezug genommen. Anschließend wird ein Oxidationsmittel 220 für eine zweite Zeitdauer der Rückseite 114 zugeführt. Bei einigen Ausführungsformen ist das Oxidationsmittel 220 Wasser (H2O). Wassermoleküle reagieren mit dem Metalloxid-Bonding 162. Das Chlorid des Metalloxid-Bondings 162 kann durch OH-Ionen des Wassers ersetzt werden, so dass die dielektrische Schicht 160 mit hohem κ ausgebildet wird, wie in 1E dargestellt. Bei einigen Ausführungsformen besteht die dielektrische Schicht 160 mit hohem κ aus Lanthanoxid, Hafniumoxid, Zirconiumoxid oder Kombinationen davon. Eine Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht 160 mit hohem κ ist größer als die Dielektrizitätskonstante von SiO2, d. h. κ ist größer als etwa 3,9. Der Prozesszyklus kann zum Beispiel fortgesetzt werden, indem ein Chlorid-Präkursor zugeführt wird, um mit der OH-terminierten Fläche zu reagieren. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Zeitdauer gleich oder länger als etwa 0,5 Sekunden. Bei einigen anderen Ausführungsformen beträgt die zweite Zeitdauer etwa 0,5 Sekunden bis etwa 1,5 Sekunden, in Abhängigkeit von der jeweiligen Situation.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann, nachdem das Oxidationsmittel 220 zugeführt worden ist, ein weiteres Oxidationsmittel für die zweite Zeitdauer der Rückseite 114 zugeführt werden, um noch weiteres Chlorid des Metalloxid-Bondings 162 zu ersetzen. Das Oxidationsmittel kann Ozon sein. Da das Chlorid wirksam ersetzt wird, wird der Chloridgehalt der dielektrischen Schicht 160 mit hohem κ weiter verringert. Bei einigen Ausführungsformen ist die Chloridkonzentration der dielektrischen Schicht mit hohem κ geringer als etwa 8 Atome/cm3. Bei einigen anderen Ausführungsformen ist die Chloridkonzentration der dielektrischen Schicht mit hohem κ geringer als etwa 5 Atome/cm3.
  • Während des Herstellungsprozesses der Bildsensorvorrichtung wird Wasser verwendet und dissoziiert dann, um Wasserstoffionen zu liefern, welche mit dem Chlorid reagieren, um Salzsäure (HCl) zu bilden. Die Salzsäure korrodiert dann die dielektrische Schicht 160 mit hohem κ, wodurch sie die Haftung zwischen der dielektrischen Schicht 160 mit hohem κ und dem Substrat 110 verringert und eine Delaminierung der dielektrischen Schicht 160 mit hohem κ verursacht. In 1E ist jedoch, da die Chloridkonzentration der dielektrischen Schicht 160 mit hohem κ niedriger als etwa 8 Atome/cm3 ist, die Konzentration der gebildeten Salzsäure relativ niedrig. Somit kann die Haftung verbessert und das Problem der Delaminierung überwunden werden, wie in der folgenden Tabelle 1 angegeben.
  • Tabelle 1 enthält die Versuchsergebnisse zur Dichte der Delaminierungsfehler zwischen der dielektrischen Schicht mit hohem κ und dem Substrat. In Tabelle 1 bestand die dielektrische Schicht mit hohem κ aus HfO2, das Substrat bestand aus Silizium, und der Chlorid-Präkursor war HfCl4. Tabelle 1 zeigt, dass sich die Konzentration von Chlorid (Cl) verringert, wenn die zweite Zeitdauer verlängert wird, und die Fehlerdichte wird verringert, wenn die Chloridkonzentration der dielektrischen Schicht mit hohem κ niedriger ist. Wenn zum Beispiel die zweite Zeitdauer etwa 0,5 Sekunden beträgt, wird die Chloridkonzentration auf etwa 8 Atome/cm3 verringert, und die Fehlerdichte verringert sich von etwa 55 pro mm2 auf etwa 16 pro mm2. Ferner wird, wenn die zweite Zeitdauer etwa 1,5 Sekunden beträgt, die Chloridkonzentration auf etwa 5 Atome/cm3 verringert, und die Fehlerdichte verringert sich weiter auf etwa 0 pro mm2. Tabelle 1
    Cl Konzentration (Atome/cm3) Cl Konzentration Abweichung (%) Druck (Torr) Erste Zeitdauer (s) Zweite Zeitdauer (s) Fehlerdichte (Anzahl/mm2)
    11 +33% 2,5 0,5 0,25 58
    16 +94% 3,5 2,0 0,25 60
    14 +71% 1,5 1,0 0,25 55
    8 0% 2,5 1,0 0,5 16
    7,68 –4% 3,5 0,5 0,5 18
    7,92 –1% 1,5 2,0 0,5 14
    5,52 –31% 2,5 2,0 1,5 0
    4,16 –48% 3,5 1,0 1,5 0
    3,28 –59% 1,5 0,5 1,5 0
  • Es wird auf 1E Bezug genommen. Die dielektrische Schicht 160 mit hohem κ, als die BARC-Schicht, hat am meisten Ladungen akkumuliert (meist negative, aber in manchen Fällen positive). Die Fähigkeit zur Ladungsakkumulation der dielektrischen Schicht 160 mit hohem κ verbessert die Qualität im Hinblick auf den Dunkelstrom, welcher der Strom ist, der in der Bildsensorvorrichtung fließt, wenn kein Licht auf die Bildsensorvorrichtung fällt, auf Weißpixel, was auftritt, wenn eine zu große Menge an Leckstrom ein anormal hohes Signal von den Pixeln verursacht, und auf Ungleichmäßigkeit des Dunkelsignals (Dark Image Non-Uniformity, DINU). Wenn die dielektrische Schicht 160 mit hohem κ negative (positive) Ladungen akkumuliert hat, ziehen diese positive (negative) Ladungen im Substrat 110 an die dielektrische Schicht mit hohem κ/die Substratgrenzfläche an, um elektrische Dipole zu bilden. Das heißt, die negativen (positiven) Ladungen erhöhen die Akkumulation von Löchern (Elektronen) an der Grenzfläche und erzeugen einen Verarmungsbereich an der oder in der Nähe der Grenzfläche. Die elektrischen Dipole spielen die Rolle einer Ladungsbarriere, welche die Störstellen oder Fehler wie etwa freie Bindungen (Dangling Bonds) einfangen.
  • Es wird auf 1F Bezug genommen. Es kann eine zusätzliche Bearbeitung durchgeführt werden, um die Herstellung der Bildsensorvorrichtung zu vervollständigen. Zum Beispiel kann eine Passivierungsschicht zum Schutz (zum Beispiel vor Staub oder Feuchtigkeit) um die Bildsensorvorrichtung herum ausgebildet werden. Ein Farbfilter 170 wird auf der dielektrischen Schicht 160 mit hohem κ ausgebildet und wird bezüglich des Lichterfassungsbereichs 102 des Pixels P ausgerichtet. Das Farbfilter 170 kann so positioniert werden, dass das ankommende Licht darauf und durch es hindurch gelenkt wird. Das Farbfilter 170 kann ein farbstoffbasiertes (oder pigmentbasiertes) Polymer oder Harz zum Filtern eines speziellen Wellenlängenbandes des ankommenden Lichts umfassen, welches einem Farbspektrum entspricht (z. B. Rot, Grün und Blau).
  • Bei einigen Ausführungsformen ist eine Mikrolinse auf dem Farbfilter 170 ausgebildet, um das ankommende Licht in Richtung spezieller Strahlungserfassungsbereiche in dem Substrat 110, wie etwa des Pixels P, zu lenken und zu fokussieren. Die Mikrolinse kann in verschiedenen Anordnungen positioniert sein und verschiedene Formen aufweisen, in Abhängigkeit von einem Brechungsindex des Materials, das für die Mikrolinse verwendet wird, und einem Abstand von einer Sensoroberfläche. Es versteht sich außerdem, dass das Substrat 110 einem optionalen Laserglühprozess vor der Ausbildung des Farbfilters 170 oder der Mikrolinse unterzogen werden kann.
  • 2 ist ein Diagramm, das verschiedene Atomkonzentrationen in Abhängigkeit von der Tiefe des Farbfilters 170, der dielektrischen Schicht 160 mit hohem κ und dem Substrat 110 der Bildsensorvorrichtung in 1F zeigt. In 2 bestand das Farbfilter 170 aus Oxid, die dielektrische Schicht 160 mit hohem κ war aus HfO2 ausgebildet, und das Substrat 110 bestand aus Silizium. Die Linie 202 stellt die Chloridkonzentration dar, die Linie 204 stellt die Fluoridkonzentration dar, und die Linie 206 stellt die Kohlenstoffkonzentration dar. In 2 war die Cl-Konzentration niedriger als 1 Atom/cm3.
  • Gemäß den oben erwähnten Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 160 mit hohem κ unter Anwendung eines ALD-Prozesses ausgebildet werden. Der Chlorid-Präkursor wird verwendet, um die dielektrische Schicht mit hohem κ auszubilden. Da das Oxidationsmittel während des ALD-Prozesses für eine Zeitdauer zugeführt wird, die im Wesentlichen gleich oder länger als etwa 0,5 Sekunden ist, kann das Chlorid des Chlorid-Präkursors wirksam durch die Ionen des Oxidationsmittels ersetzt werden, so dass die Chloridkonzentration der gebildeten dielektrischen Schicht mit hohem κ verringert werden kann und niedriger als etwa 8 Atome/cm3 ist. Die niedrige Chloridkonzentration verringert das Problem der Delaminierung der dielektrischen Schicht mit hohem κ und verbessert die Haftung zwischen der dielektrischen Schicht mit hohem κ und dem Substrat.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Verfahren zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem κ) auf einem Substrat das Zuführen eines Chlorid-Präkursors zu einer Fläche des Substrats. Der Fläche wird ein Oxidationsmittel zugeführt, um die dielektrische Schicht mit hohem κ auf dem Substrat auszubilden. Eine Chloridkonzentration der dielektrischen Schicht mit hohem κ ist niedriger als etwa 8 Atome/cm3.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen einer Bildsensorvorrichtung das Ausbilden eines Lichterfassungsbereichs in einem Substrat. Der Lichterfassungsbereich ist einer Vorderseite des Substrats zugewandt. Eine dielektrische Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem κ) wird auf einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite des Substrats unter Anwendung eines Prozesses der atomaren Schichtabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) ausgebildet. Ein Präkursor des ALD-Prozesses umfasst Chlorid, und ein Oxidationsmittel wird während des ALD-Prozesses für eine Zeitdauer zugeführt, die im Wesentlichen gleich oder länger als etwa 0,5 Sekunden ist.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Bildsensorvorrichtung ein Substrat und eine dielektrische Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem κ). Das Substrat weist eine Vorderseite und eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite auf. Das Substrat weist ferner einen Lichterfassungsbereich auf, welcher der Vorderseite zugewandt ist. Die dielektrische Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem κ) ist auf der Rückseite des Substrats angeordnet. Eine Chloridkonzentration der dielektrischen Schicht mit hohem κ ist niedriger als etwa 8 Atome/cm3.
  • Im Obigen wurden Merkmale verschiedener Ausführungsformen dargelegt, um Fachleuten auf dem Gebiet ein besseres Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Für Fachleute sollte klar sein, dass sie die vorliegende Offenbarung in einfacher Weise als Grundlage zum Entwickeln oder Modifizieren anderer Prozesse und Strukturen zum Bewirken der gleichen Zwecke und/oder Erzielen der gleichen Vorteile der hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Für Fachleute sollte außerdem klar sein, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht von der Grundidee und vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abweichen, und dass sie verschiedene Änderungen, Substitutionen und Modifikationen daran vornehmen können, ohne von der Grundidee und vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem κ) auf einem Substrat, welches umfasst: Zuführen eines Chlorid-Präkursors zu einer Oberfläche des Substrats; und Zuführen eines Oxidationsmittels zu der Oberfläche, um die dielektrische Schicht mit hohem κ auf dem Substrat auszubilden, wobei eine Chloridkonzentration der dielektrischen Schicht mit hohem κ niedriger als etwa 8 Atome/cm3 ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Chlorid-Präkursor ein Metallchlorid ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Chlorid-Präkursor LaCl3, HfCl4 oder ZrCl4 ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat aus Silizium hergestellt ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Oxidationsmittel H2O, Ozon oder eine Kombination davon ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Chloridkonzentration der dielektrischen Schicht mit hohem κ niedriger als etwa 5 Atome/cm3 ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner umfasst: Durchführen eines Vorreinigungsprozesses auf der Oberfläche des Substrats vor dem Zuführen des Chlorid-Präkursors.
  8. Verfahren zum Herstellen einer Bildsensorvorrichtung, welches umfasst: Ausbilden eines Lichterfassungsbereichs in einem Substrat, wobei der Lichterfassungsbereich einer Vorderseite des Substrats zugewandt ist; und Ausbilden einer dielektrischen Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem κ) auf einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite des Substrats unter Anwendung eines Prozesses der atomaren Schichtabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD), wobei ein Präkursor des ALD-Prozesses Chlorid umfasst und ein Oxidationsmittel während des ALD-Prozesses für eine Zeitdauer zugeführt wird, die im Wesentlichen gleich oder länger als etwa 0,5 Sekunden ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Oxidationsmittel während des ALD-Prozesses für etwa 0,5 Sekunden bis etwa 1,5 Sekunden zugeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Präkursor ferner Hafnium (Hf), Zirconium (Zr), Lanthan (La) oder Kombinationen davon umfasst.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der ALD-Prozess umfasst: Entfernen eines nativen Oxids auf einer Fläche des Substrats, auf der die dielektrische Schicht mit hohem κ ausgebildet werden soll.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Entfernen unter Anwendung einer Behandlung mit verdünnter Flusssäure (Diluted Hydrofluoric Acid, DHF) oder Behandlung mit Flusssäuredampf (Vapor Hydrofluoric Acid, VHF) durchgeführt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, welches ferner umfasst: Ausbilden einer Verbindungsstruktur auf oder über der Vorderseite des Substrats.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, welches ferner umfasst: Ausbilden eines Farbfilters auf der dielektrischen Schicht mit hohem κ und über dem Lichterfassungsbereich.
  15. Bildsensorvorrichtung, welche umfasst: ein Substrat, das eine Vorderseite und eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite aufweist, wobei das Substrat ferner einen Lichterfassungsbereich aufweist, welcher der Vorderseite zugewandt ist; und eine dielektrische Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem κ), die auf der Rückseite des Substrats angeordnet ist, wobei eine Chloridkonzentration der dielektrischen Schicht mit hohem κ niedriger als etwa 8 Atome/cm3 ist.
  16. Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Chloridkonzentration der dielektrischen Schicht mit hohem κ niedriger als etwa 5 Atome/cm3 ist.
  17. Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die dielektrische Schicht mit hohem κ aus Lanthanoxid, Hafniumoxid, Zirconiumoxid oder Kombinationen davon hergestellt ist.
  18. Bildsensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei das Substrat aus Silizium hergestellt ist.
  19. Bildsensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die dielektrische Schicht mit hohem κ eine Schicht der unteren Antireflexbeschichtung (Bottom Anti-Reflective Coating, BARC) ist.
  20. Bildsensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, welche ferner umfasst: eine Verbindungsstruktur, die auf oder über der Vorderseite des Substrats angeordnet ist.
DE102016100020.5A 2015-05-07 2016-01-03 Verfahren zum Ausbilden einer dielektrischen Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante, Bildsensorvorrichtung und Herstellungsverfahren dafür Pending DE102016100020A1 (de)

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