DE102016119029A1 - Bildsensorvorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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Chih-Yu Lai
Min-Ying Tsai
Yeur-Luen Tu
Hai-Dang Trinh
Cheng-Yuan Tsai
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Abstract

Es wird eine Bildsensorvorrichtung offenbart. Die Bildsensorvorrichtung umfasst ein Substrat mit einer Vorderfläche und einer Rückfläche; einen strahlungserfassenden Bereich, der in dem Substrat gebildet ist; eine Öffnung, die sich von der Rückfläche des Substrats in das Substrat erstreckt; einen ersten Metalloxidfilm, der ein erstes Metall umfasst, wobei der erste Metalloxidfilm an einer Innenfläche der Öffnung gebildet ist; und einen zweiten Metalloxidfilm, der ein zweites Metall umfasst, wobei der zweite Metalloxidfilm über dem ersten Metalloxidfilm gebildet ist; wobei die Elektronegativität des ersten Metalls größer als die Elektronegativität des zweiten Metalls ist. Es wird auch ein zugehöriges Herstellungsverfahren offenbart.

Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Halbleiter-Bildsensoren werden zum Erfassen von Licht verwendet. Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)-Bildsensoren (CIS) und Ladungskopplungsvorrichtungs(CCD)-Sensoren werden verbreitet in verschiedenen Anwendungen wie etwa digitalen Standbildkameras oder Mobiltelefonkameraanwendungen verwendet. Diese Vorrichtungen benutzen eine Anordnung von Pixeln in einem Substrat, einschließlich Photodioden und Transistoren, die Strahlung, welche zu dem Substrat projiziert wird, absorbieren können und die erfasste Strahlung in elektrische Signale umwandeln.
  • Eine Art von Bildsensorvorrichtung ist eine rückwärtig belichtete (BSI) Bildsensorvorrichtung. Da Transistorvorrichtungsgrößen mit jeder Technologiegeneration schrumpfen, kann es sein, das bestehende BSI-Bildsensoren an Problemen im Zusammenhang mit Quersprechen und Blooming zu leiden beginnen. Diese Probleme können durch eine unzureichende Isolierung zwischen benachbarten Pixeln des BSI-Bildsensors verursacht werden.
  • Obwohl bestehende Verfahren zur Herstellung von BSI-Bildsensorvorrichtungen für ihre beabsichtigten Zwecken im Allgemeinen angemessen waren, waren sie daher nicht in jeder Hinsicht vollständig zufriedenstellend.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Gesichtspunkte der vorliegenden Offenbarung werden am besten aus der folgenden ausführlichen Beschreibung verstanden, wenn diese mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird. Es wird betont, dass verschiedene Merkmale gemäß der Standardpraxis in der Industrie nicht maßstabgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zur Klarheit der Besprechung beliebig vergrößert oder verkleinert sein.
  • 1 bis 7 sind Schnittansichten einer Bildsensorvorrichtung, die bei verschiedenen Tätigkeiten hergestellt wird, nach einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
  • 8 ist eine schematische Ansicht, die die Versuchsergebnisse bei der Untersuchung der Anzahl der weißen Pixel von Vorrichtungen, die gemäß den Prozessen des Stands der Technik und der beispielhaften Ausführungsform von 4A hergestellt wurden, zeigt; und
  • 9 ist eine schematische Ansicht, die die Versuchsergebnisse bei der Untersuchung der Anzahl der weißen Pixel von Vorrichtungen, die gemäß den Prozessen des Stands der Technik und der Ausführungsform von 4B hergestellt wurden, zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenbarung bietet viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele für die Ausführung verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden bestimmte Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Bildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen beinhalten, bei denen das erste und das zweite Merkmal in einem direkten Kontakt gebildet werden, und kann sie auch Ausführungsformen beinhalten, bei denen zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal zusätzliche Merkmale gebildet werden können, so dass das erste und das zweite Merkmal möglicherweise nicht in einem direkten Kontakt stehen. Zudem kann die vorliegende Offenbarung Bezugszeichen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und schreibt selbst keine Beziehung zwischen den verschiedenen besprochenen Ausführungsformen und/oder Gestaltungen vor.
  • Ferner können räumlich bezogene Ausdrücke wie ”unter”, ”unterhalb”, ”darunter”, ”über”, ”oberhalb” und dergleichen hier zur Erleichterung der Beschreibung verwendet sein, um die wie in den Figuren veranschaulichte Beziehung eines Elements oder Merkmals zu (einem) anderen Element(en) oder Merkmal(en) zu beschreiben. Die räumlich bezogenen Ausdrücke sollen zusätzlich zu der Ausrichtung, die in den Figuren dargestellt ist, verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung in Verwendung oder im Betrieb umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet (um 90 Grad oder in andere Ausrichtungen gedreht) sein, und die hier verwendeten räumlich bezogenen Beschreiber können ebenfalls entsprechend interpretiert werden.
  • Ungeachtet dessen, dass die Zahlenbereiche und Parameter, die den breiten Umfang der Offenbarung darlegen, Annäherungen sind, sind die Zahlenwerte, die in den bestimmten Beispielen dargelegt sind, so genau wie möglich angegeben. Jeder Zahlenwert enthält jedoch inhärent Fehler, die sich notwendigerweise aus der Standardabweichung ergeben, welche sich bei den entsprechenden Prüfmessungen findet. Außerdem bedeutet der hier verwendete Ausdruck ”etwa” im Allgemeinen innerhalb von 10%, 5%, 1% oder 0,5% eines gegebenen Werts oder Bereichs. Alternativ bedeutet der Ausdruck ”etwa” innerhalb eines annehmbaren Standardfehlers des Mittelwerts bei Betrachtung durch einen Durchschnittsfachmann. Anders als bei den Betriebs/Arbeitsbeispielen, oder sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, sollten alle Zahlenbereiche, Mengen Werte und Prozentsätze wie etwa jene für die Mengen von Materialien, Zeitdauern, Temperaturen, Betriebsbedingungen, Verhältnisse von Mengen und dergleichen, die hier offenbart sind, in allen Fällen als durch den Ausdruck ”etwa” modifiziert angesehen werden. Entsprechend sind die numerischen Parameter, die in der vorliegenden Offenbarung und den beiliegenden Ansprüchen dargelegt sind, sofern nichts Gegenteiliges angegeben ist, Annäherungen, die wie gewünscht schwanken können.
  • Allerwenigstens sollte jeder numerische Parameter zumindest angesichts der angegebenen signifikanten Stellen und durch Anwenden gewöhnlicher Rundungstechniken interpretiert werden. Bereiche können hier als von einem Endpunkt zu einem anderen Endpunkt oder zwischen zwei Endpunkten ausgedrückt sein. Sofern nichts anderes angegeben ist, enthalten alle hier offenbarten Bereiche die Endpunkte.
  • Die Bildsensorvorrichtung nach der vorliegenden Offenbarung ist eine rückwärtig belichtete (BSI) Bildsensorvorrichtung. Die BSI-Bildsensorvorrichtung umfasst eine Ladungskopplungsvorrichtung (CCD), einen Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)-Bildsensor (CISI), einen aktiven Pixelsensor (APS) oder einen passiven Pixelsensor. Die Bildsensorvorrichtung kann zusätzliche Schaltungen und Eingänge/Ausgänge umfassen, die neben den Raster der Pixel angeordnet sind, um eine Betriebsumgebung der Pixel bereitzustellen und die externe Kommunikation mit den Pixeln zu unterstützen.
  • 1 bis 7 sind Schnittansichten einer Bildsensorvorrichtung, die bei verschiedenen Tätigkeiten hergestellt wird, nach einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Es versteht sich, dass 1 bis 7 zum besseren Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung vereinfacht wurden.
  • Unter Bezugnahme auf 1 umfasst die Bildsensorvorrichtung 100 ein Substrat 102. Das Substrat 102 ist ein Vorrichtungssubstrat. Das Substrat 102 kann ein Halbleitersubstrat sein. Das Substrat 102 kann ein Siliziumsubstrat sein, das mit einem Dotiermittel vom P-Typ wie etwa Bor dotiert ist, in welchem Fall das Substrat ein Substrat vom P-Typ ist. Alternativ könnte das Substrat 102 ein anderes geeignetes Halbleitermaterial sein. Zum Beispiel kann das Substrat 102 ein Siliziumsubstrat sein, das mit einem Dotiermittel vom N-Typ wie etwa Phosphor oder Arsen dotiert ist, in welchem Fall das Substrat ein Substrat vom N-Typ ist. Das Substrat 102 kann andere elementare Halbleitermaterialien wie etwa Germanium oder Diamant umfassen. Das Substrat 102 kann optional einen Verbindungshalbleiter und/oder einen Legierungshalbleiter umfassen. Ferner kann das Substrat 102 eine Epitaxialschicht (epi-Schicht) umfassen, kann es für eine Leistungsverbesserung verspannt sein, und kann es einen Silizium-auf-Isolator(SOI)-Aufbau umfassen.
  • Das Substrat 102 weist eine Vorderfläche 104 (auch als Vorderseite bezeichnet) und eine Rückfläche 106 (auch als Rückseite bezeichnet) auf. Für eine BSI-Bildsensorvorrichtung wie etwa die Bildsensorvorrichtung 100 gelangt einfallende Strahlung durch die Rückfläche 106 in das Substrat 102. Bei einigen Ausführungsformen weist das Substrat 102 eine Dicke in einem Bereich von etwa 500 μm bis etwa 100 μm auf. Das Substrat 102 ist nach einigen Ausführungsformen durch Front-End-Prozesse hergestellt. Zum Beispiel umfasst das Substrat 102 verschiedene Bereiche, die einen Pixelbereich, einen Randbereich, einen Bondpadbereich und einen Ritzlinienbereich umfassen können. Zur Einfachheit ist in 1 bis 7 nur ein Teil des Pixelbereichs gezeigt.
  • Der Pixelbereich umfasst strahlungserfassende Bereiche 108 und dotierte Isolationsbereiche 110. Die strahlungserfassenden Bereiche 108 sind mit einer Dotierpolarität dotiert, die zu jener des Substrats 102 entgegengesetzt ist. Die strahlungserfassenden Bereiche 108 sind durch einen oder mehrere Implantationsprozesse oder Diffusionsprozesse gebildet. Die strahlungserfassenden Bereiche 108/ sind neben oder nahe an der Vorderfläche 104 des Substrats 102 gebildet. Obwohl in 1 nur ein Teil des Pixelbereichs gezeigt ist, kann der Pixelbereich ferner Pinning-Schicht-Photodioden, Photodiodengates, Reset-Transistoren, Sourcefolger-Transistoren und Transfertransistoren umfassen. Zur Einfachheit sind ausführliche Aufbauten der obigen Merkmale in den Figuren der vorliegenden Offenbarung nicht gezeigt.
  • Die strahlungserfassenden Bereiche 108 sind dazu betriebsfähig, einfallende Strahlung, die von der Rückfläche 106 in den Pixelbereich gelangt, zu erfassen. Die einfallende Strahlung kann sichtbares Licht sein. Alternativ kann die einfallende Strahlung Infrarot-(IR), Ultraviolett-(UV), Röntgen-, Mikrowellen-, eine andere geeignete Art von Strahlung, oder eine Kombination davon sein.
  • Die dotierten Isolationsbereiche 110 befinden sich nach einigen Ausführungsformen neben den strahlungserfassenden Bereichen 108. Die dotierten Isolationsbereiche 110 sind neben oder nahe an der Vorderfläche 104 gebildet. Jedes Paar von benachbarten strahlungserfassenden Bereichen 108 ist durch einen der jeweiligen dotierten Isolationsbereiche 110 voneinander getrennt. Die dotierten Isolationsbereiche 110 sind mit der gleichen Dotierpolarität wie jener des Substrats 102 dotiert. Bei einigen Ausführungsformen ist die Dotierungskonzentration der dotierten Isolationsbereiche 110 höher als jene des Substrats 102. Zum Beispiel kann die Dotierungskonzentration der dotierten Isolationsbereiche 110 in einem Bereich von etwa 1E16 pro cm3 bis etwa 1E20 pro cm3 liegen. Die dotierten Isolationsbereiche 110 sind durch einen oder mehrere Implantationsprozesse oder Diffusionsprozesse gebildet.
  • Wie in 1 gezeigt sind nach einigen Ausführungsformen Isolationsmerkmale 112 in den dotierten Isolationsbereichen 110 gebildet. Die Isolationsmerkmale 112 sind neben oder nahe an der Vorderfläche 104 des Substrats 102 gebildet. Bei einigen Ausführungsformen werden die Isolationsbereiche 112 verwendet, um vorherbestimmte Bereiche der strahlungserfassenden Bereiche 108 und der dotierten Isolationsbereiche 110 zu definieren. Daher können die Isolationsmerkmale 112 vor der Bildung der strahlungserfassenden Bereiche 108 und der dotierten Isolationsbereiche 110 gebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen sind die dotierten Isolationsbereiche 110 mit den Isolationsmerkmalen 112 ausgerichtet.
  • Die Isolationsmerkmale 112 umfassen Grabenisolations(STI)-Aufbauten und/oder ”Lokale-Oxidation-von-Silizium”(LOCOS)-Aufbauten. Bei einigen Ausführungsformen sind in den dotierten Isolationsbereichen 110 je nach Gestaltungsnotwendigkeiten und Herstellungsumständen einige aktive oder passive Merkmale wie etwa ein MOSFET oder ein Sperrschichtkondensator gebildet. Die aktiven oder passiven Merkmale in den dotierten Isolationsbereichen 110 sind von den Isolationsmerkmalen 112 umgeben und werden dadurch geschützt. Die Dicke der Isolationsmerkmale 112 ist größer als jene der aktiven oder passiven Merkmale in den dotierten Isolationsbereichen 110. Bei einigen Ausführungsformen liegt die Dicke der Isolationsmerkmale 112 in einem Bereich von etwa 100 Ångström bis etwa 5000 Ångström.
  • Bei einigen Ausführungsformen werden die Isolationsmerkmale 112 durch Bilden von Gräben von der Vorderfläche 104 her in dem Substrat 102 und Füllen eines dielektrischen Materials in die Gräben gebildet. Das dielektrische Material kann Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, ein Low-k-Material, oder ein anderes geeignetes dielektrisches Material umfassen. Ein chemischmechanischer Polierprozess (CMP) kann vorgenommen werden, um die Oberfläche des dielektrischen Materials, das die Gräben füllt, zu planarisieren.
  • Wie in 1 gezeigt kann die Bildsensorvorrichtung 100 ferner einen Zwischenverbindungsaufbau 114 umfassen, der über der Vorderfläche 104 des Substrats 102 gebildet ist. Der Zwischenverbindungsaufbau 114 umfasst eine Anzahl von strukturierten dielektrischen Schichten und leitenden Schichten, die an verschiedene dotierte Merkmale, Schaltungen und den Eingang/Ausgang der Bildsensorvorrichtung 100 gekoppelt sind. Der Zwischenverbindungsaufbau 114 umfasst ein Zwischenschicht-Dielektrikum (ILD) und einen Mehrschichten-Zwischenverbindungs(MLI)-Aufbau. Der MLI-Aufbau umfasst Kontakte, Durchkontaktierungen und Metallleitungen. Zu Erläuterungszwecken ist in 1 eine Anzahl von Leiterbahnen 116 und Durchkontaktierungen/Kontakten 118 gezeigt, wobei sich versteht, dass die Leiterbahnen 116 und Durchkontaktierungen/Kontakte 118 lediglich beispielhaft sind. Die tatsächliche Positionierung und Gestaltung der Leiterbahnen 116 und Durchkontaktierungen/Kontakte 118 kann abhängig von Designanforderungen und Herstellungsumständen unterschiedlich sein.
  • Unter Bezug auf 2 ist nach einigen Ausführungsformen auf dem Zwischenverbindungsaufbau 114 eine Pufferschicht 120 gebildet. Die Pufferschicht 120 kann ein dielektrisches Material wie etwa Siliziumnitrid umfassen. Alternativ kann die Pufferschicht 120 Siliziumnitrid umfassen. Die Pufferschicht 120 kann durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CVP), physikalische Abscheidung aus der Dampfphase (PVD) oder andere geeignete Techniken abgelagert werden. Die Pufferschicht 120 kann durch einen CMP-Prozess planarisiert werden, um eine glatte Oberfläche zu bilden.
  • Danach wird ein Trägersubstrat 122 durch die Pufferschicht 120 an das Substrat gebunden. Daher kann die Bearbeitung der Rückfläche 106 des Substrats 102 durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsformen ist das Trägersubstrat 122 dem Substrat 102 ähnlich und umfasst es ein Siliziummaterial. Alternativ kann das Trägersubstrat 122 ein Glassubstrat oder ein anderes geeignetes Material umfassen. Das Trägersubstrat 122 kann durch Molekularkräfte (direktes Bonden), optisches Fusionsbonden, Metalldiffusionsbonden, anodisches Bonden, oder durch andere geeignete Bondtechniken an das Substrat 102 gebunden werden. Die Pufferschicht 120 stellt eine elektrische Isolation zwischen dem Substrat 102 und dem Trägersubstrat 122 bereit. Das Trägersubstrat 122 stellt einen Schutz für die verschiedenen Merkmale, die an der Vorderfläche 102 des Substrats 102 gebildet sind, bereit. Das Trägersubstrat 122 stellt wie nachstehend besprochen auch mechanische Stärke und eine Stütze zum Schutz der Rückfläche 106 des Substrats 102 bereit.
  • Nach dem Anbinden des Trägersubstrats 122 wird dann ein Verdünnungsprozess vorgenommen, um das Substrat 102 von der Rückfläche 106 her zu verdünnen. Der Verdünnungsprozess kann einen mechanischen Schleifprozess umfassen. Danach kann eine Ätzchemikalie über die Rückfläche 106 des Substrats 102 aufgebracht werden, um das Substrat 102 weiter auf eine Dicke zu verdünnen, die in der Größenordnung von einigen wenigen Mikron liegt. Bei einigen Ausführungsformen liegt die Dicke des Substrats 102 nach dem Verdünnen in einem Bereich von etwa 1 μm bis etwa 100 μm.
  • Häufige Bildsensorvorrichtungsfehler umfassen optisches Quersprechen, elektrisches Quersprechen und Dunkelstrom. Die Fehler werden mit dem anhaltenden Schrumpfen der Bildpixelgrößen und der Beabstandung zwischen benachbarten Bildpixeln schwerwiegender. Optisches Quersprechen bezieht sich auf eine Photoneninterferenz von benachbarten Pixeln, die die Lichterfassungsverlässlichkeit und -genauigkeit der Pixel verschlechtert. Dunkelstrom kann als das Vorhandensein von Pixelstrom, wenn keine tatsächliche Beleuchtung vorhanden ist, definiert werden. Mit anderen Worten ist der Dunkelstrom der Strom, der durch die Photodiode fließt, wenn keine Photonen in die Photodiode gelangen. Weiße Pixel treten auf, wo ein übermäßiges Ausmaß an Leckstrom ein abnorm hohes Signal von den Pixeln verursacht. In der Bildsensorvorrichtung 100, die in 2 gezeigt ist, weisen die dotierten Isolationsbereiche 110 eine Dotierpolarität auf, die zu jener der strahlungserfassenden Bereiche 108 entgegengesetzt ist, um die Fehler des Dunkelstroms und der weißen Pixel zu verringern. Doch die dotierten Isolationsbereiche 110 allein sind möglicherweise nicht wirksam genug, um die Fehler des Dunkelstroms und der weißen Pixel zu verhindern. Zudem könnten die dotierten Isolationsbereiche 110 den Fehler des optischen Quersprechens aufgrund des ähnlichen Brechungsindex der strahlungserfassenden Bereiche 108 und der dotierten Isolationsbereiche 110 nicht auflösen.
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird an der Rückfläche 106 des Substrats 102 ein Ätzprozess vorgenommen, um eine Anzahl von Öffnungen 124 (oder Gräben/Vertiefungen) zu bilden. Der Ätzprozess umfasst einen Trockenätzprozess. Eine Ätzmaske (zum Beispiel eine Hartmaske, die hier nicht veranschaulicht ist) kann gebildet werden, bevor der Ätzprozess vorgenommen wird. Jede der Öffnungen 124 weist eine Breite W1 an der Rückfläche 106 des Substrats 102 auf. Die Breite W1 kann kleiner als jene der dotierten Isolationsbereiche 110 oder ihr im Wesentlichen gleich sein. Die Öffnungen 124 können eine rechteckige Form, eine Trapezform, oder eine andere geeignete Form aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich jede der Öffnungen 124 über die Hälfte der Dicke des Substrats 102, erreicht aber die Isolationsmerkmale 112 nicht. Entsprechend können aktive oder passive Merkmale, die von den Isolationsmerkmalen 112 umgeben sind, durch den Ätzprozess nicht beschädigt werden. Bei einigen Ausführungsformen liegt die von der Rückfläche 106 des Substrats 102 gemessene Tiefe der Öffnungen 124 in einem Bereich von etwa 1 μm bis etwa 10 μm. Die Tiefe der Öffnungen 124 kann durch eine Zeitsteuerung ohne Verwendung einer Ätzstoppschicht reguliert werden. Diese Öffnungen 124 werden zur Bildung von Grabensiolations(STI)-Aufbauten, die nachstehend ausführlicher besprochen werden, verwendet. Am Ende der Bildung der Öffnungen 124 ist eine Innenfläche 124' des DTI-Aufbaus in dem Substrat 102 freigelegt.
  • Unter Bezugnahme auf 4A wird nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung über der Innenfläche 124' des DTI-Aufbaus ein High-k-Film 126 gebildet. Bei einigen Ausführungsformen kann, wie aus dem lokal vergrößerten Teil des High-k-Films 126 ersichtlich ist, zwischen dem Substrat 102 und dem High-k-Film 126 eine Zwischenschicht 125, die z. B. aus SiO2 besteht, als Haftungsverbesserungsschicht aufgebracht werden. Die Dicke der Zwischenschicht 125 kann vorzugsweise geringer als etwa 25 Ångström sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Zwischenschicht 125 etwa 20 Ångström betragen. Der High-k-Film 126 kann ferner die Rückfläche 106 bedecken. Bei der beispielhaften Ausführungsform besitzt der High-k-Film 126 an einer Seite der Innenfläche effektiv eine größere gesamte negative Oberflächenladung als jene von herkömmlichen dielektrischen Filmen. Die effektive negative Oberflächenladung induziert an der anderen Seite der Innenfläche 124' des DTI-Aufbaus effektive positive Oberflächenladungen. Die induzierten effektiven positiven Oberflächenladungen löschen negativ geladene Kristalldefekte, die aufgrund von Beschädigungen, welche während der Bildung der Öffnungen 124 verursacht werden, inhärent in der Nähe der Innenfläche 124' vorhanden sind, aus. Daher verringert eine derartige Anordnung des High-k-Films 126 den Dunkelstrom und/oder weiße Pixel in einer Bildsensorvorrichtung 100.
  • Nach einer oder mehreren Ausführungsformen ist der High-k-Film 126 ein High-k-Metalloxid, das eine XO-High-k-Schicht und eine YO-High-k-Schicht umfasst. X und Y sind zwei Elemente im Periodensystem. O ist Sauerstoff. Insbesondere kann es sich bei der XO-High-k-Schicht und der YO-High-k-Schicht um eine Kombination von zumindest zwei aus Hafniumoxid, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Yttriumoxid, Tantaloxid, Strontiumoxid, Titanoxid, Lanthanooxid, Bariumoxid oder anderen Metalloxiden, die unter Verwendung bestehender Halbleiterablagerungstechnologien einen High-k-Film bilden können, handeln. Zudem wird die sequentielle Anordnung der XO-High-k-Schicht und der YO-High-k-Schicht gemäß den Elektronegativitäten des X und des Y in Bezug auf ihre Oxidform bestimmt. Zum Beispiel wird jenes Element unter X und Y, das eine größere Elektronegativität aufweist, dichter an dem Substrat 102 angeordnet. Andererseits wird jenes Element unter X und Y, das eine geringere Elektronegativität aufweisen, weiter von dem Substrat 102 entfernt angeordnet. In diesem Zusammenhang zeigt der High-k-Film 126 einen Elektronegativitätsgradienten mit dichter an dem Substrat 102 befindlichen Verbindungen mit einer höheren Elektronegativität und weiter von dem Substrat 102 entfernt befindlichen Verbindungen mit einer niedrigeren Elektronegativität.
  • Bei der beispielhaften Ausführungsform besteht der Gradienten-High-k-Film 126 aus einer Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht 126_1 und einer Hafniumoxid(HfO2)-Schicht 126_2. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht 126_1 größer als etwa 30 Ångström sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht 126_1 etwa 60 Ångström betragen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke des Hafniumoxid(HFO2)-Films 126_2 größer als etwa 30 Ångström sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Hafniumoxid(HfO2)-Schicht 126_2 etwa 60 Ångström.
  • Das Aluminium in der Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht 126_1 weist eine stärkere Tendenz auf, Elektronen (oder die Elektronendichte) an sich selbst zu ziehen, als das Hafnium in der Hafniumoxid(HfO2)-Schicht 126_2. Der Gradientenaufbau der High-k-Schichten kann helfen, Kristalldefekte, die Dunkelstrom und weiße Pixel verursachen, abzuschwächen. Insbesondere kann der offenbarte Gradienten-High-k-Film 126, der den Aufbau aus den abwechselnd auf eine sequentiell gestapelte Weise angeordneten High-k-Schichten (d. h., die Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht 1261_1 auf der dünnen Zwischenschicht 125 und ferner die Hafniumoxid(HYO2)-Schicht 126_2 auf der Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht 126_1) aufweist, den Dunkelstrom und weiße Pixel verglichen mit dem bestehenden dielektrischen Einzelschichtfilm dramatisch verringern.
  • 8 ist eine schematische Ansicht, die die Versuchsergebnisse bei der Untersuchung der Anzahl der weißen Pixel von Vorrichtungen, die gemäß den Prozessen des Stands der Technik und der beispielhaften Ausführungsform von 4A hergestellt wurden, zeigt. Aus 8 lässt sich erkennen, dass der Gradienten-High-k-Film 126 aus der Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht 126_1 und der Hafniumoxid(HfO2)-Schicht 126_2 die Anzahl der weißen Pixel verglichen mit dem Stand der Technik, bei dem eine einzelne Schicht aus Hafniumoxid (HfO2) oder Aluminiumoxid (Al2O3) über der Rückfläche der Bildsensorvorrichtung gebildet ist, deutlich verringert und daher die Pixelleistungsfähigkeit der Bildsensorvorrichtung 100 stark verbessert.
  • Das High-k-Metalloxid kann unter Verwendung eines CVD-Prozesses oder eines PVD-Prozesses abgelagert werden. Der CVD-Prozess kann eine plasmaunterstützte chemische Abscheidung aus der Dampfphase (PECVD) einschließlich ICPECVD, eine chemische Abscheidung aus der Dampfphase bei Niederdruck (PLCVD) oder eine Atomlagenabscheidung (ALD) mit oder ohne Plasma sein. Diese Prozesse können durch Verändern der Prozessparameter einschließlich verschiedener Fließmengen und Leistungsparameter feineingestellt werden, um die Ansammlung einer negativen Ladung zu begünstigen, und können einen Behandlungsschritt nach der Filmablagerung umfassen, um die negative Ladung zu vergrößern. Der sich ergebende High-k-Metalloxidfilm kann eine sauerstoffreiche Zusammensetzung mit negativ geladenen Zwischengitter-Sauerstoffatomen und/oder freie/gebrochene Metalloxidbindungen aufweisen, was beides zu einer kumulierten negativen Ladung führt.
  • 4B veranschaulicht die Bildung des Gradienten-High-k-Films 126 über der Rückfläche 106 des Substrats 102 und der Innenfläche 124' des DTI-Aufbaus nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Ähnlich wie bei 4A kann, wie aus dem lokal vergrößerten Teil des Gradienten-High-k-Films 126 ersichtlich ist, die dünne Zwischenschicht 125, die z. B. aus SiO2 besteht, als Haftungsverbesserungsschicht zwischen dem Substrat 102 und dem Gradienten-High-k-Film 126 aufgebracht werden. Die Dicke der Zwischenschicht 125 kann vorzugsweise geringer als etwa 25 Ångström sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Zwischenschicht 125 etwa 20 Ångström betragen. Der Gradienten-High-k-Film 126 kann die Rückfläche 106 oberflächengetreu bedecken, was das Bedecken der Innenflächen 124' der Öffnungen 124 auf eine oberflächengetreue Weise beinhaltet. Der Gradienten-High-k-Film 126 besteht aus der Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht 126_1, der Hafniumoxid(HfO2)-Schicht 126_2 und ferner einer Tantaloxid(Ta2O3)-Schicht 126_3. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht 126_1 größer als etwa 10 bis 30 Ångström sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht 126_1 etwa 31 bis 60 Ångström betragen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Hafniumoxid(HfO2)-Schicht 126_2 etwa 10 bis 30 Ångström betragen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Hafniumoxid(HfO2)-Schicht 126_2 etwa 31 bis 60 Ångström betragen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Tantaloxid(Ta2O3)-Schicht 126_3 größer als etwa 10 bis 30 Ångström sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Tantaloxid(Ta2O3)-Schicht 126_3 etwa 31 bis 60 Ångström betragen.
  • Die Tantaloxid(Ta2O3)-Schicht 126_3 weist einen Brechungsindex von etwa 2,2 auf, was größer als ein Brechungsindex (etwa 2) der Hafniumoxid(HfO2)-Schicht 126_2 ist; und der Brechungsindex der Hafniumoxid(HfO2)-Schicht 126_2 ist auch größer als ein Brechungsindex (etwa 1,6) der Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht 126_1. Überdies ist der Brechungsindex der Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht 126_1 auch größer als ein Brechungsindex (etwa 1,4 bis 1,5) der dünnen Zwischenschicht 125. Die gestapelten Schichten der dünnen Zwischenschicht, der Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht 126_1, der Hafniumoxid(HfO2)-Schicht 126_2 und der Tantaloxid(Ta2O3)-Schicht 126_3 bilden gemeinsam eine Gradienten-Antireflexbeschichtung (ARC), worin Schichten mit einem hohen Brechungsindex und Schichten mit einem niedrigen Brechungsindex abwechselnd auf eine sequentiell gestapelte Weise angeordnet sind. Der Gradienten-High-k--Film 126 vergrößert die Quanteneffizient (QE), die Lichtqualität, und die Lichtmenge in die strahlungserfassenden Bereiche 108 deutlich und verringert das optische Quersprechen zwischen Pixeln.
  • 9 ist eine schematische Ansicht, die die Versuchsergebnisse bei der Untersuchung der Anzahl der weißen Pixel von Vorrichtungen, die gemäß den Prozessen des Stands der Technik und der Ausführungsform von 4B hergestellt wurden, zeigt. Aus 9 lässt sich erkennen, dass der Gradienten-High-k-Film 126, der aus der Tantaloxid(Ta2O3)-Schicht 126_3, der Hafniumoxid(HfO2)-Schicht 126_2 und der Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht 126_1 besteht, den Reflexionsgrad in dem Wellenlängenband von etwa 400 nm bis etwa 600 nm verglichen mit dem Stand der Technik deutlich verringert und dadurch die QE stark erhöht und das optische Quersprechen zwischen Pixeln verringert.
  • Danach wird unter Bezugnahme auf 5 nach einigen Ausführungsformen ein dielektrisches Material 128 über der Rückfläche 106 des Substrats 102 abgelagert. Das dielektrische Material 128 füllt die verbliebenen Räume der Öffnungen 124. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das dielektrische Material 128 Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, Spin-an-Glass (SOG), ein Low-k-Dielektrikum, oder ein anderes geeignetes dielektrisches Material. Das dielektrische Material 128 kann durch CVD, PVD oder eine andere geeignete Ablagerungstechnik abgelagert werden. Bei einigen Ausführungsformen wird ein Teil des dielektrischen Materials 128 außerhalb der Öffnungen 124 verdünnt und planarisiert. In der folgenden Besprechung werden die Öffnungen 124 und Teile des Gradienten-High-k-Films 126 und das dielektrische Material 128 in dem Öffnungen 124 kollektiv als tiefe Grabenisolationsaufbauten 130 bezeichnet.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann über dem Substrat 102 ein reflektierendes Gitter gebildet sein, um zu verhindern, dass sich einfallende Strahlung in die tiefen Grabenisolationsaufbauten bewegt, wodurch der Fehler des optischen Quersprechens verringert wird. Zum Beispiel kann das reflektierende Gitter auf dem dielektrischen Material 128 gebildet sein. Jedes Stück des reflektierenden Gitters kann mit einem der entsprechenden tiefen Grabenisolationsaufbauten 130 ausgerichtet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das reflektierende Gitter aus einem Metallmaterial wie etwa Aluminium, Wolfram, Kupfer, Tantal, Titan, Legierungen davon, oder Kombinationen davon gebildet sein. Jedes Stück des reflektierenden Gitters kann eine rechteckige Form, eine umgekehrte Trapezform, eine umgekehrte Dreieckform, oder eine andere geeignete Form aufweisen. Das reflektierende Gitter kann durch einen geeigneten Ablagerungsprozess gebildet und dann strukturiert werden. Der Ablagerungsprozess beinhaltet Elektroplattieren, Sputtern, CVD, PVD, oder andere geeignete Ablagerungstechniken. Der CVD-Prozess kann eine PECVD einschließlich ICPECVD, eine LPCVD, oder eine ALD mit oder ohne Plasma sein.
  • Danach wird unter Bezugnahme auf 6 nach einigen Ausführungsformen eine transparente Füllschicht 134 über der Rückfläche 106 des Substrats 102 abgelagert. Die transparente Füllschicht 134 kann aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, oder geeigneten Polymeren bestehen, und kann durch geeignete Techniken wie etwa CVD, PVD, oder Kombinationen davon gebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen weist die transparente Füllschicht 134 eine Dicke auf, die von etwa 10 Ångström bis etwa 1000 Ångström reicht. Bei einigen Ausführungsformen wirkt die transparente Füllschicht 134 als Antireflexschicht der Bildsensorvorrichtung 100. Die Antireflexschicht dient zur Verringerung der Reflexion der einfallenden Strahlung, die zu der Rückfläche 106 der Bildsensorvorrichtung 100 projiziert wird.
  • Danach wird unter Bezugnahme auf 7 bei einigen Ausführungsformen eine Farbfilterschicht 136 über der transparenten Füllschicht 134 gebildet. Die Farbfilterschicht 136 unterstützt das Filtern der einfallenden Strahlung, die einen bestimmten Bereich von Wellenlängen aufweist, der einer bestimmten Lichtfarbe, zum Beispiel Rot, Grün oder Blau, entsprechen kann. Die Farbfilterschicht 136 kann verwendet werden, um zu gestatten, dass nur Licht mit einer vorherbestimmten Farbe die strahlungserfassenden Bereiche 108 erreicht. Danach kann über der Farbfilterschicht 136 eine Mikrolinsenschicht 138 gebildet werden, um einfallende Strahlung zu den strahlungserfassenden Bereichen 108 zu richten. Die Mikrolinsenschicht 138 kann abhängig von dem Brechungsindex des Materials, das für die Mikrolinsenschicht 138 verwendet wird, und/oder dem Abstand zwischen der Mikrolinsenschicht 138 und den strahlungserfassenden Bereichen 108 in verschiedenen Anordnungen positioniert sein und verschiedene Formen aufweisen. Alternativ können die Positionen der Farbfilterschicht 136 und der Mikrolinsenschicht 138 umgekehrt werden, so dass die Mikrolinsenschicht 138 zwischen der Rückfläche 106 des Substrats 102 und der Farbfilterschicht 136 angeordnet sein kann.
  • Es wurden Ausführungsformen für Mechanismen zur Bildung einer Bildsensorvorrichtung beschrieben. Der Gradienten-High-k-Film, der aus Materialien mit unterschiedlichen negativen Ladungen und Brechungsindizes, die abwechselnd auf eine sequentiell gestapelte Weise angeordnet sind, besteht, kann die Fehler des Dunkelstroms und der weißen Pixel deutlich verringern und die QE weiter verbessern.
  • Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen eine Bildsensorvorrichtung bereit. Die Bildsensorvorrichtung umfasst ein Substrat mit einer Vorderfläche und einer Rückfläche; einen strahlungserfassenden Bereich, der in dem Substrat gebildet ist; eine Öffnung, die sich von der Rückfläche des Substrats in das Substrat erstreckt; einen ersten Metalloxidfilm, der ein erstes Metall umfasst, wobei der erste Metalloxidfilm an einer Innenfläche der Öffnung gebildet ist; und einen zweiten Metalloxidfilm, der ein zweites Metall umfasst, wobei der zweite Metalloxidfilm über dem ersten Metalloxidfilm gebildet ist; wobei die Elektronegativität des ersten Metalls größer als die Elektronegativität des zweiten Metalls ist.
  • Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen eine Bildsensorvorrichtung bereit. Die Bildsensorvorrichtung umfasst ein Substrat mit einer Vorderfläche und einer Rückfläche; einen strahlungserfassenden Bereich, der in dem Substrat gebildet ist; eine Öffnung, die sich von der Rückfläche des Substrats in das Substrat erstreckt; und einen Film mit Gradienten-Brechungsindizes über einer Innenfläche der Öffnung; wobei der Film mehrere Schichten umfasst, die gemäß den Brechungsindizes abwechselnd in einer sequentiell gestapelten Weise angeordnet sind, und eine Schicht der mehreren Schichten, die sich näher an dem Substrat befindet, einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, als eine Schicht der mehreren Schichten, die sich weiter von dem Substrat entfernt befindet.
  • Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen ein Verfahren zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung bereit. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Substrats mit einer Vorderfläche und einer Rückfläche; das Bilden eines strahlungserfassenden Bereichs neben der Vorderfläche; das Bilden einer Öffnung in dem Substrat von der Rückfläche her; das Bilden eines ersten Metalloxidfilms, der ein erstes Metall umfasst, an einer Innenfläche der Öffnung; und das Bilden eines zweiten Metalloxidfilms, der ein zweites Metall umfasst, über dem ersten Metalloxidfilm; wobei die Elektronegativität des ersten Metalls größer als die Elektronegativität des zweiten Metalls ist.
  • Das Obige umreißt Merkmale mehrerer Ausführungsformen, damit Fachleute die Gesichtspunkte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen können. Fachleute sollten erkennen, dass sie die vorliegende Offenbarung leicht als Basis zur Gestaltung oder Abwandlung anderer Tätigkeiten und Aufbauten zur Erfüllung der gleichen Zwecke und/oder zur Erzielung der gleichen Vorteile wie die hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute sollten auch erkennen, dass derartige gleichwertige Aufbauten nicht von dem Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abweichen, und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Umänderungen vornehmen können, ohne von dem Geist und dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Überdies soll der Umfang der vorliegenden Anmeldung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen des Prozesses, der Maschine, der Herstellung, der Materialzusammensetzung, der Mittel, der Verfahren und der Schritte, die in der Beschreibung beschrieben sind, beschränkt sein. Wie ein Durchschnittsfachmann leicht aus der Offenbarung der vorliegenden Erfindung verstehen wird, können nach der vorliegenden Erfindung Prozesse, Maschinen, Herstellungen, Materialzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte, die gegenwärtig existieren oder später entwickelt werden und im Wesentlichen die gleiche Funktion erfüllen oder im Wesentlichen das gleiche Ergebnis erzielen, wie die hier beschriebenen entsprechenden Ausführungsformen, benutzt werden. Entsprechend sollen die beiliegenden Ansprüche in ihrem Umfang derartige Prozesse, Maschinen, Herstellungen, Materialzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte enthalten.

Claims (19)

  1. Bildsensorvorrichtung, umfassend: ein Substrat mit einer Vorderfläche und einer Rückfläche; einen strahlungserfassenden Bereich, der in dem Substrat gebildet ist; eine Öffnung, die sich von der Rückfläche des Substrats in das Substrat erstreckt; einen ersten Metalloxidfilm, der ein erstes Metall umfasst, wobei der erste Metalloxidfilm an einer Innenfläche der Öffnung gebildet ist; und einen zweiten Metalloxidfilm, der ein zweites Metall umfasst, wobei der zweite Metalloxidfilm über dem ersten Metalloxidfilm gebildet ist; wobei die Elektronegativität des ersten Metalls größer als die Elektronegativität des zweiten Metalls ist.
  2. Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Metalloxidfilm oberflächengetreu an einer Innenfläche der Öffnung gebildet ist.
  3. Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Metall Aluminium umfasst.
  4. Bildsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Metall Hafnium umfasst.
  5. Bildsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnung eine Tiefe aufweist, die größer als etwa 1,5 μm ist.
  6. Bildsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dicke eines jedem aus dem ersten Metalloxidfilm und dem zweiten Metalloxidfilm größer als etwa 30 Ångström ist.
  7. Bildsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Metalloxidfilm ferner oberflächengetreu über der Rückfläche des Substrats angeordnet ist.
  8. Bildsensoraufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Zwischenschicht zwischen dem ersten Metalloxid und der Innenfläche der Öffnung.
  9. Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Zwischenschicht SiO2 umfasst.
  10. Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine Dicke der Zwischenschicht geringer als 25 μm ist.
  11. Bildsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Tantaloxid(Ta2O3)-Schicht, die über dem zweiten Metalloxidfilm gebildet ist. 12 Bildsensorvorrichtung, umfassend: ein Substrat mit einer Vorderfläche und einer Rückfläche; einen strahlungserfassenden Bereich, der in dem Substrat gebildet ist; eine Öffnung, die sich von der Rückfläche des Substrats in das Substrat erstreckt; und einen Film mit Gradienten-Brechungsindizes über einer Innenfläche der Öffnung; wobei der Film mehrere Schichten umfasst, die gemäß den Brechungsindizes abwechselnd in einer sequentiell gestapelten Weise angeordnet sind, und eine Schicht der mehreren Schichten, die sich näher an dem Substrat befindet, einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, als eine Schicht der mehreren Schichten, die sich weiter von dem Substrat entfernt befindet.
  12. Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Schichten Metalloxidschichten sind.
  13. Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Schichten eine Aluminiumoxidschicht, eine Hafniumoxidschicht, und eine Tantaloxidschicht umfassen, wobei sich die Aluminiumoxidschicht näher als die Hafniumoxidschicht und die Tantaloxidschicht an dem Substrat befindet, und sich die Tantaloxidschicht weiter als die Aluminiumoxidschicht und die Hafniumoxidschicht von dem Substrat entfernt befindet.
  14. Bildsensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Öffnung eine Tiefe aufweist, die größer als etwa 1,5 μm ist.
  15. Bildsensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei eine Dicke einer jeden der mehreren Schichten größer als etwa 30 Ångström ist.
  16. Bildsensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der Film oberflächengetreu über der Rückfläche des Substrats gebildet ist.
  17. Bildsensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, ferner umfassend eine Zwischenschicht zwischen dem Film und der Innenfläche der Öffnung.
  18. Verfahren zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung, umfassend: Bereitstellen eines Substrats mit einer Vorderfläche und einer Rückfläche; Bilden eines strahlungserfassenden Bereichs neben der Vorderfläche; Bilden einer Öffnung in dem Substrat von der Rückfläche her; Bilden eines ersten Metalloxidfilms, der ein erstes Metall umfasst, an einer Innenfläche der Öffnung; Bilden eines zweiten Metalloxidfilms, der ein zweites Metall umfasst, über dem ersten Metalloxidfilm; wobei die Elektronegativität des ersten Metalls größer als die Elektronegativität des zweiten Metalls ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bilden des ersten Metalloxidfilms und des zweiten Metalloxidfilms das Bilden einer Aluminiumoxidschicht über der Innenfläche der Öffnung; und das Bilden einer Hafniumoxidschicht über der Aluminiumoxidschicht umfasst.
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