DE102017117948B4

DE102017117948B4 - Cmos-bildsensor mit dual-damascene-gitterdesign mit einer absorptionsverstärkungsstruktur

Info

Publication number: DE102017117948B4
Application number: DE102017117948.8A
Authority: DE
Inventors: Chi-Yuan Wen; Chien Nan Tu; Ming-Chi Wu; Yu-Lung Yeh
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2022-07-21
Anticipated expiration: 2037-08-09
Also published as: DE102017117948A1

Abstract

Integrierter Bildsensor-Chip, der Folgendes umfasst:ein Bildlese-Element, das in einem Substrat angeordnet ist,eine Absorptionsverstärkungsstruktur, die über einer Rückseite des Substrats angeordnet ist, undeine Gitterstruktur, die eine Öffnung definiert, die über dem Bildlese-Element angeordnet ist, wobei die Gitterstruktur sich von oberhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur zu einer Position innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur erstreckt.

Description

HINTERGRUND
Integrierte Schaltkreise (IC) mit Bildsensoren werden in den verschiedensten elektronischen Vorrichtungen unserer Zeit, wie zum Beispiel Kameras und Mobiltelefonen, verwendet. In den vergangenen Jahren haben komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS)-Bildsensoren zunehmende Verbreitung erfahren und haben weitgehend Bildsensoren auf der Basis ladungsgekoppelter Bauelemente (Charge Coupled Device, CCD) verdrängt. Im Vergleich zu CCD-Bildsensoren erfreuen sich CMOS-Bildsensoren aufgrund eines geringen Stromverbrauchs, geringer Größe, schneller Datenverarbeitung, einer direkten Datenausgabe und geringer Herstellungskosten zunehmender Beliebtheit. Zu einigen Arten von CMOS-Bildsensoren gehören vorderseitig beleuchtete (Front Side Illuminated, FSI-) Bildsensoren und rückseitig beleuchtete (Back Side Illuminated, BSI-) Bildsensoren.
US 2010/0006969 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines CMOS-Bildsensors, bei dem eine Substratstruktur gebildet wird, die ein erstes Substrat, ein zweites Substrat und eine Indexanpassungsschicht, die Stickstoff und eine Oxidschicht enthält, zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat umfasst, und bei dem mindestens eine lichtempfindliche Vorrichtung in dem zweiten Substrat gebildet wird. Nach der Bildung der Substratstruktur wird eine Metallverbindungsstruktur auf einer ersten Oberfläche des zweiten Substrats ausgebildet, wobei die erste Oberfläche von dem ersten Substrat abgewandt ist, so dass sich die mindestens eine lichtempfindliche Vorrichtung zwischen der Metallverbindungsstruktur und der Indexanpassungsschicht und der Oxidschicht befindet; wobei die Metallverbindungsstruktur elektrisch mit der mindestens einen lichtempfindlichen Vorrichtung verbunden ist.
JP 2009065098 A offenbart eine Festkörper-Bildgebungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Halbleitersubstrat; eine Vielzahl von Fotodioden, die in einer zweidimensionalen Anordnung auf der Vorderseite der Halbleiterplatte gebildet sind, um Signalladungen zu akkumulieren, die aus der fotoelektrischen Umwandlung von einfallendem Licht resultieren, das von der Rückseite des Halbleitersubstrats durchgelassen wird; und ein optisches Abschirmungselement, das in dem Halbleitersubstrat auf der Rückseite vergraben ist, um das einfallende Licht, das zu jeder Fotodiode kommt, von den benachbarten Fotodioden zu trennen. Auf diese Weise kann durch die Verwendung einer Struktur, bei der das optische Abschirmelement im Halbleitersubstrat selbst vergraben ist, die Länge in Richtung des optischen Einfalls des optischen Abschirmelements verlängert und die Abschirmleistung verbessert werden.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie zusammen mit den beiliegenden Figuren gelesen wird. Es ist anzumerken, dass gemäß der üblichen Praxis in der Industrie verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Die Abmessungen der verschiedenen Merkmale können vielmehr beliebig vergrößert oder verkleinert werden, um die Besprechung besser verständlich zu machen.

1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen eines Integrierten Bildsensor-Chips, der eine Gitterstruktur umfasst, die dafür konfiguriert ist, ein Übersprechen zwischen Pixelregionen zu verringern.
2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einiger weiterer Ausführungsformen eines Integrierten Bildsensor-Chips, der eine Gitterstruktur umfasst, die dafür konfiguriert ist, ein Übersprechen zwischen Pixelregionen zu verringern.
3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensor (CIS)-IC, der eine Gitterstruktur umfasst, die dafür konfiguriert ist, ein Übersprechen zwischen Pixelregionen zu verringern.
4-13 veranschaulichen Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines Integrierten Bildsensor-Chips, der eine Gitterstruktur umfasst, die dafür konfiguriert ist, ein Übersprechen zwischen Pixelregionen zu verringern.
14 veranschaulicht ein Flussdiagramm einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines Integrierten Bildsensor-Chips, der eine Gitterstruktur umfasst, die dafür konfiguriert ist, ein Übersprechen zwischen Pixelregionen zu verringern.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des hier besprochenen Gegenstandes bereit. Im Folgenden werden konkrete Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und dienen nicht der Einschränkung. Zum Beispiel kann die Ausbildung eines ersten Strukturelements über oder auf einem zweiten Strukturelement in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen enthalten, bei denen die ersten und zweiten Strukturelemente in direktem Kontakt ausgebildet sind, und können auch Ausführungsformen enthalten, bei denen zusätzliche Strukturelemente zwischen den ersten und zweiten Strukturelementen ausgebildet sein können, so dass die ersten und zweiten Strukturelemente nicht unbedingt in direktem Kontakt stehen. Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Klarheit und schafft nicht automatisch eine Beziehung zwischen den verschiedenen besprochenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
Des Weiteren können räumlich relative Begriffe, wie zum Beispiel „unterhalb“, „unter“, „unterer“, „oberhalb“, „oberer“ und dergleichen, im vorliegenden Text verwendet werden, um die Beschreibung zu vereinfachen, um die Beziehung eines Elements oder Strukturelements zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturelementen zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Die räumlich relativen Begriffe sollen neben der in den Figuren gezeigten Ausrichtung noch weitere Ausrichtungen der Vorrichtung während des Gebrauchs oder Betriebes umfassen. Die Vorrichtung kann auch anders ausgerichtet (90 Grad gedreht oder anders ausgerichtet) sein, und die im vorliegenden Text verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können gleichermaßen entsprechend interpretiert werden.
CMOS-Bildsensoren umfassen jeweils mehrere Pixelregionen mit einem Bildlese-Element. In vielen modernen Bildsensoren sind Farbfilter über den Bildlese-Elementen eines CMOS-Bildsensors angeordnet. Die Farbfilter sind dafür konfiguriert, einfallendes Licht zu filtern, das zu verschiedenen Bildlese-Elementen in dem CMOS-Bildsensor geleitet wird. Zum Beispiel kann ein CMOS-Bildsensor ein erstes Farbfilter haben, das dafür konfiguriert ist, rotes Licht durchzulassen, und über einem ersten Bildlese-Element angeordnet ist, ein zweites Farbfilter, das dafür konfiguriert ist, blaues Licht durchzulassen, und über einem zweiten Bildlese-Element angeordnet ist, usw.
Im Allgemeinen hat die Anzahl der Pixelregionen in CMOS-Bildsensor (CIS)-ICs im Lauf der Zeit zugenommen. In dem Maße, wie die Anzahl der Pixelregionen in einem CIS-IC zunimmt, nimmt auch die Auflösung eines durch den integrierten Chip aufgenommenen Bildes zu. In dem Maße jedoch, wie die Pixelregionen kleiner werden, rücken die Pixelregionen näher zusammen, und das Übersprechen zwischen benachbarten Pixelregionen nimmt zu. Übersprechen tritt ein, wenn einfallendes Licht, das auf eine bestimmte Pixelregionen gerichtet ist, unerwünschterweise durch eine andere Pixelregion erfasst wird, wodurch die Qualität eines durch einen CIS-IC aufgenommenen Bildes schlechter wird. Es hat sich herausgestellt, dass dazwischenliegende Schichten, die zwischen einem Farbfilter und einem Bildlese-Element angeordnet sind, das Übersprechen zwischen benachbarten Pixelregionen verstärken können. Das liegt daran, dass, wenn benachbarte dazwischenliegende Schichten verschiedene Brechzahlen haben, die Schichten einen einfallenden Lichtstrahl gemäß der Fresnelschen Gleichung brechen können (d. h. die Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle ändern können). Wenn die Grenzfläche nicht planar ist, so kann sich das gebrochene Licht in einer Seitenrichtung ausbreiten und letztendlich durch ein benachbartes Bildlese-Element gelesen werden, was ein verstärktes Übersprechen zur Folge hat.
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Integrierten Bildsensor-Chips, der eine Gitterstruktur umfasst, die dafür konfiguriert ist, ein Übersprechen zwischen Pixelregionen eines Bildsensor-Chips zu verringern. In einigen Ausführungsformen umfasst der integrierte Chip ein Bildlese-Element, das in einem Substrat angeordnet ist. Eine Absorptionsverstärkungsstruktur ist entlang der Rückseite des Substrats angeordnet. Eine Gitterstruktur ist über der Absorptionsverstärkungsstruktur angeordnet. Die Gitterstruktur definiert eine Öffnung, die über dem Bildlese-Element angeordnet ist und sich von oberhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur zu einer Position innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur erstreckt. Indem sich die Gitterstruktur in die Absorptionsverstärkungsstruktur hinein erstreckt, kann die Gitterstruktur das Übersprechen zwischen benachbarten Bildlese-Elementen verringern, indem Strahlung blockiert und/oder reflektiert wird, die von nicht-planaren Flächen der Absorptionsverstärkungsstruktur reflektiert wird, um zu verhindern, dass sich die reflektierte Strahlung zu einer benachbarten Pixelregion ausbreitet.
1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen eines Integrierten Bildsensor-Chips 100, der eine Gitterstruktur umfasst, die dafür konfiguriert ist, ein Übersprechen zwischen Pixelregionen zu verringern.
Der Integrierten Bildsensor-Chips 100 umfasst ein Substrat 102, das mehrere Pixelregionen 103a-103b aufweist. Die mehreren Pixelregionen 103a-103b umfassen jeweils ein Bildlese-Element 104, das dafür konfiguriert ist, einfallende Strahlung (zum Beispiel Photonen) in ein elektrisches Signal umzuwandeln (d. h. Elektron-Loch-Paare anhand der einfallenden Strahlung zu generieren). In einigen Ausführungsformen kann das Bildlese-Element 104 eine Photodiode umfassen. Die mehreren Pixelregionen 103a-103b können innerhalb des Substrats 102 in einer Gruppierung angeordnet sein, die Reihen und/oder Spalten umfasst. In einigen Ausführungsformen können die mehreren Pixelregionen 103a-103b durch Isolierungsstrukturen 106 getrennt sein, die innerhalb des Substrats 102 an Positionen zwischen benachbarten der mehreren Pixelregionen 103a-103b angeordnet sind.
Ein Back-end-of-the-line (BEOL)-Metallisierungsstapel 108 ist entlang einer Vorderseite 102f des Substrats 102 angeordnet. Der BEOL-Metallisierungsstapel 108 umfasst eine dielektrische Struktur 110, die mehrere Metall-Interconnect-Schichten 112 umgibt. Die dielektrische Struktur 110 umfasst mehrere übereinandergelegte Zwischenschichtdielektrikum (ILD)-Schichten, während die mehreren Metall-Interconnect-Schichten 112 abwechselnde Schichten aus leitfähigen Durchkontaktierungen und leitfähigen Drähten umfassen.
Eine Absorptionsverstärkungsstruktur 114 ist entlang einer Rückseite 102b des Substrats 102 angeordnet. Die Absorptionsverstärkungsstruktur 114 ist dafür konfiguriert, eine Quanteneffizienz des darunterliegenden Bildlese-Elements 104 zu erhöhen, indem die Absorption von Photonen durch das Bildlese-Element 104 verbessert wird. In einigen Ausführungsformen kann die Absorptionsverstärkungsstruktur 114 ein Silicon Nano-Pillar Array (NPA) oder eine Gruppierung aus photonischen Kristallen definieren.
Eine Gitterstruktur 116 steht von einer Oberseite der Absorptionsverstärkungsstruktur 114 nach außen hervor. Die Gitterstruktur 116 umfasst Seitenwände, die eine Öffnung 118 definieren, die über dem Bildlese-Element 104 liegt. Die Gitterstruktur 116 erstreckt sich vertikal von oberhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur 114 zu einer Position, die sich innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur 114 befindet. Indem sie sich in die Absorptionsverstärkungsstruktur 114 hinein erstreckt, kann die Gitterstruktur 116 Strahlung blockieren, die sich entlang einer Seitenrichtung (d. h. parallel zur Rückseite 102b des Substrats 102) innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur 114 ausbreitet. Durch Blockieren der seitlichen Ausbreitung von Strahlung innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur 114 kann die Gitterstruktur 116 das Übersprechen zwischen benachbarten Pixelregionen 103-103b reduzieren, wodurch die Leistung des Integrierten Bildsensor-Chips 100 verbessert wird.
2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einiger weiterer Ausführungsformen eines Integrierten Bildsensor-Chips 200, der eine Gitterstruktur umfasst, die dafür konfiguriert ist, ein Übersprechen zwischen Pixelregionen zu verringern.
Der Integrierten Bildsensor-Chips 200 umfasst ein Substrat 102, das mehrere Pixelregionen 103a-103b aufweist, die jeweils ein Bildlese-Element 104 aufweisen, das dafür konfiguriert ist, einfallende Strahlung 220 in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Mehrere Transistorbauelemente 202 sind entlang einer Vorderseite 102f des Substrats 102 angeordnet. Eine dielektrische Struktur 110, die mehrere Metall-Interconnect-Schichten 112 umfasst, ist ebenfalls entlang der Vorderseite 102f des Substrats 102 angeordnet. Die mehreren Metall-Interconnect-Schichten 112 sind elektrisch mit den mehreren Transistorbauelementen 202 gekoppelt. Die dielektrische Struktur 110 umfasst eine oder mehrere übereinandergelegte Zwischenschichtdielektrikum (ILD)-Schichten. In verschiedenen Ausführungsformen können die ILD-Schichten eine dielektrische Schicht mit niedrigem k-Wert (d. h. ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstante von kleiner als etwa 3,9) und/oder eine dielektrische Schicht mit ultra-niedrigem k-Wert und/oder ein Oxid (zum Beispiel Siliziumoxid) umfassen. Die mehreren Metall-Interconnect-Schichten 112 umfassen abwechselnde Schichten aus Metall-Drähten und Metall-Durchkontaktierungen. In verschiedenen Ausführungsformen können die mehreren Metall-Interconnect-Schichten 112 ein leitfähiges Metall, wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium und/oder Wolfram, umfassen.
Eine Absorptionsverstärkungsstruktur 212 ist entlang einer Rückseite 102b des Substrats 102 angeordnet. In einigen Ausführungsformen kann die Rückseite 102b des Substrats 102 eine nicht-planare Fläche umfassen. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die Rückseite 102b des Substrats 102 eine nicht-planare Fläche umfassen, die mehrere Vertiefungen 208 definiert, die in einem periodischen Muster angeordnet sind, während die Absorptionsverstärkungsstruktur 212 mehrere Vorsprünge umfasst, die in einem periodischen Muster angeordnet sind und sich innerhalb der Vertiefungen 208 erstrecken. In anderen Ausführungsformen kann die Rückseite 102b des Substrats 102 eine nicht-planare Fläche umfassen, die mehrere Vorsprünge definiert, die in einem periodischen Muster angeordnet sind, während die Absorptionsverstärkungsstruktur 212 mehrere Vertiefungen umfasst, die in einem periodischen Muster angeordnet sind und die Vorsprünge umgeben.
In einigen Ausführungsformen umfassen die mehreren Vertiefungen 208 verjüngte Vertiefungen (d. h. Vertiefungen, die eine oder mehrere verjüngte Seitenwände haben), die in einem periodischen Muster angeordnet sind, das über dem Bildlese-Element 104 liegt. Zum Beispiel können die mehreren Vertiefungen 208 kegel- oder pyramidenförmige Vertiefungen (die zum Beispiel eine n-seitige Basis haben, wobei n = 3,4,5,6 ...) umfassen, die über dem Bildlese-Element 104 angeordnet sind. In solchen Ausführungsformen können die mehreren Vertiefungen 208 ein sägezahnförmiges Profil haben, das zwischen Spitzen und Tälern wechselt. In anderen Ausführungsformen können die mehreren Vertiefungen 208 andere Formen umfassen, wie zum Beispiel Zylinder. In einigen Ausführungsformen kann das Sägezahnprofil zwischen planaren Absätzen 210 angeordnet sein, die entlang eines Umfangs der Pixelregionen 103a-103b angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen kann die Absorptionsverstärkungsstruktur 212 epitaxiales Silizium und/oder ein anderes Halbleitermaterial umfassen. In anderen Ausführungsformen kann die Absorptionsverstärkungsstruktur 212 ein dielektrisches Material (zum Beispiel SiO2) umfassen.
Die Topografie der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 verstärkt die Absorption von Strahlung durch das Substrat 102. Durch Verstärken der Absorption von Strahlung durch das Substrat 102 kann die Quanteneffizienz (zum Beispiel ein Verhältnis einer Anzahl von Trägern, die durch einen Bildsensor generiert werden, zu der Anzahl von Photonen, die auf den Bildsensor mit einer gegebenen Energie oder Wellenlänge auftreffen) des darunterliegenden Bildlese-Elements 104 verbessert werden. Zum Beispiel kann die Absorptionsverstärkungsstruktur 212 Spitzenquanteneffizienzen um bis zu ungefähr 40% innerhalb des sichtbaren Lichtspektrums verbessern.
In einigen Ausführungsformen können die Absorptionsverstärkungsstrukturen 212 ein Silicon Nano-Pillar Array (Si-NPA) definieren. Im Gegensatz zu kristallinem Silizium, das ein Halbleiter mit indirektem Bandabstand ist, der nicht in der Lage ist, Photonen zu absorbieren, ohne ein Phonon zu generieren oder zu verbrauchen (aufgrund der Momenterhaltung), kann das Silicon Nano-Pillar Array aufgrund des Quanteneinschlusseffekts der Träger in Silizium-Nanokristalliten des Si-NPA ein Halbleiter mit direktem Bandabstand sein. Der Halbleiter mit direktem Bandabstand des Si-NPA kann direkt Photonen absorbieren, wodurch eine Effizienz des Bildlese-Elements erhöht wird. In einigen solchen Ausführungsformen kann sich das Bildlese-Element 104 zu einer Position erstrecken, die das Si-NPA kontaktiert.
In anderen Ausführungsformen kann die Absorptionsverstärkungsstruktur 212 dafür konfiguriert sein, als eine zweidimensionale photonische Kristallgruppierung zu fungieren, die Photonen fängt, die zu dem Substrat 102 übertragen werden. Zum Beispiel blockiert eine Absorptionsverstärkungsstruktur 212, die zweidimensionale photonische Kristalle umfasst, die Übertragung von Photonen in das und aus dem Substrat 102 durch selektives Übertragen von Photonen innerhalb eines bestimmten Energiebereichs (zum Beispiel mit einem bestimmten Bereich von Wellenlängen), während die Übertragung von Photonen außerhalb des Energiebereichs blockiert wird. Der zweidimensionale photonische Kristall kann dafür verwendet werden, Photonen zu dem Substrat 102 zu übertragen und re-emittierte Photonen zu blockieren, wodurch effektiv re-emittierte Photonen im Inneren des Substrats 102 gefangen werden. Die eingefangenen Photonen werden anschließend durch das Substrat 102 reabsorbiert (wenn zum Beispiel ein Phonon generiert oder absorbiert wird), was die Absorption verstärkt.
Eine Gitterstruktur 116 steht von einer Oberseite der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 nach außen hervor. Die Gitterstruktur 116 umfasst Seitenwände, die eine Öffnung 118 definieren, die über dem Bildlese-Element 104 liegt. Die Gitterstruktur 116 erstreckt sich vertikal von einer Oberseite über die Absorptionsverstärkungsstruktur 212 zu einer Unterseite innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur 212. In einigen Ausführungsformen kann die Gitterstruktur 116 eine Unterseite haben, die unter einem obersten Punkt des Substrats 102 liegt (zum Beispiel einer Spitze des Substrats 102). In einigen Ausführungsformen ist die Unterseite der Gitterstruktur 116 im Wesentlichen auf die planaren Absätze 210 ausgerichtet, die entlang des Umfangs der Pixelregionen 103a-103b angeordnet sind.
In einigen Ausführungsformen kann die Gitterstruktur 116 ein leitfähiges Material umfassen, wie zum Beispiel ein Metall (zum Beispiel Aluminium, Kobalt, Kupfer, Silber, Gold, Wolfram usw.). In anderen Ausführungsformen kann die Gitterstruktur 116 ein nichtmetallisches Material umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Gitterstruktur 116 ein Material umfassen, das dafür konfiguriert ist, Strahlung zu reflektieren (zum Beispiel ein Metall wie zum Beispiel Gold, Silber, Kupfer usw.). In solchen Ausführungsformen kann die Gitterstruktur 116 Strahlung, die von der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 gebrochen wurde, zurück zu dem Bildlese-Element 104 reflektieren, wodurch eine Quanteneffizienz im Zusammenhang mit dem Bildlese-Element 104 erhöht wird. In einigen Ausführungsformen kann die Gitterstruktur 116 eine Spitzenquanteneffizienz im Zusammenhang mit einem Bildlese-Element 104 um bis zu ungefähr 5 % in der grünen und/oder der roten Region des elektromagnetischen Spektrums relativ zu einem Integrierten Bildsensor-Chips erhöhen, der eine Gitterstruktur aufweist, die vollständig über einer darunterliegenden Absorptionsverstärkungsstruktur angeordnet ist (oder um bis zu ungefähr 30-40 % relativ zu Integrierten Bildsensor-Chipss ohne eine Absorptionsverstärkungsstruktur). Zum Beispiel kann die offenbarte Gitterstruktur 116 eine Spitzenquanteneffizienz in der grünen Region des elektromagnetischen Spektrums von ungefähr 77 % auf ungefähr 80 % erhöhen. In anderen Ausführungsformen kann die Erhöhung der Spitzenquanteneffizienz größer oder kleiner ausfallen. Es versteht sich, dass die Gitterstruktur 116 auch Spitzenquanteneffizienzen in anderen Regionen des elektromagnetischen Spektrums erhöhen kann, wie zum Beispiel in den Infrarot-nahen (NIR) Regionen des elektromagnetischen Spektrums (d. h. für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen ungefähr 700 nm und ungefähr 1400 nm).
In einigen Ausführungsformen kann eine dielektrische Planarisierungsstruktur 214 über der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 angeordnet sein. Die dielektrische Planarisierungsstruktur 214 hat eine im Wesentlichen planare Oberseite 214u. In verschiedenen Ausführungsformen kann die dielektrische Planarisierungsstruktur 214 eine oder mehrere übereinandergelegte dielektrische Schichten 214a-214b umfassen. Zum Beispiel kann die dielektrische Planarisierungsstruktur 214 in einigen Ausführungsformen eine erste dielektrische Schicht 214a umfassen, die ein erstes Material umfasst, und eine zweite dielektrische Schicht 214b, die auf die erste dielektrische Schicht 214a gelegt ist und umfasst ein zweites Material. In einigen Ausführungsformen können das erste Material und/oder das zweite Material zum Beispiel ein Oxid (zum Beispiel SiO₂) oder ein Nitrid umfassen. In einigen Ausführungsformen kann sich die Gitterstruktur 116 in mindestens eine der einen oder der mehreren übereinandergelegten dielektrischen Schichten 214a-214b erstrecken. In einigen Ausführungsformen kann sich die Gitterstruktur 116 in eine erste dielektrische Schicht 214a erstrecken, aber nicht in die zweite dielektrische Schicht 214b (so dass die Gitterstruktur 116 eine Oberseite hat, die durch die erste dielektrische Schicht 214a bedeckt ist).
Mehrere Farbfilter 216a-216b sind über der Rückseite 102b des Substrats 102 angeordnet. Die mehreren Farbfilter 216a-216b sind jeweils dafür konfiguriert, bestimmte Wellenlängen von einfallender Strahlung 220 durchzulassen. Zum Beispiel kann ein erstes Farbfilter 216a Strahlung mit Wellenlängen in einem ersten Bereich durchlassen, während ein zweites Farbfilter 216b Strahlung mit Wellenlängen in einem zweiten Bereich durchlassen kann, der sich von dem ersten Bereich unterscheidet. Mehrere Mikrolinsen 218 sind über den mehreren Farbfiltern 216a-216b angeordnet. Jeweilige Mikrolinsen 218 sind seitlich auf die Farbfilter 216a-216b ausgerichtet und liegen über den Pixelregionen 103a-103b.
Die mehreren Mikrolinsen 218 sind dafür konfiguriert, die einfallende Strahlung 220 (zum Beispiel Licht) zu den Pixelregionen 103a-103b zu fokussieren. Wenn die einfallende Strahlung 220 auf eine Grenzfläche zwischen der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 und dem Substrat 102 trifft, so wird ein Teil der einfallenden Strahlung 220 als gebrochene Strahlung 222 gebrochen, die sich in einem Winkel ausbreitet, der ein anderer ist als der der einfallenden Strahlung 220. Die Gitterstruktur 116 innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 ist dafür konfiguriert, die gebrochene Strahlung 222 zu blockieren, so dass sie nicht zu einer benachbarten Pixelregion gelangt, wodurch ein Übersprechen zwischen benachbarten Pixelregionen 103a-103b reduziert wird. Zum Beispiel blockiert die Gitterstruktur 116 gebrochene Strahlung 222, die in einer ersten Pixelregion 103a generiert wird, so dass sie nicht zu einer zweiten Pixelregionen 103b gelangen kann.
Durch Blockieren der seitlichen Ausbreitung von gebrochener Strahlung 222 innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 kann die Gitterstruktur 116 ein Übersprechen zwischen benachbarten Pixelregionen 103-103b mindern, wodurch die Leistung des Integrierten Bildsensor-Chips 200 verbessert wird. Zum Beispiel kann die Gitterstruktur 116 in einigen Ausführungsformen den Integrierten Bildsensor-Chips 200 mit einem Übersprechen bereitstellen, das um bis zu ungefähr 50 % innerhalb des sichtbaren Spektrums (d. h. ein Bereich von Wellenlängen zwischen ungefähr 400 nm und ungefähr 700 nm) relativ zu einem Integrierten Bildsensor-Chips reduziert wird, der eine Gitterstruktur aufweist, die vollständig über einer darunterliegenden Absorptionsverstärkungsstruktur angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann die Gitterstruktur 116 den Integrierten Bildsensor-Chips 200 mit einem Grad an Übersprechen bereitstellen, der im Wesentlichen gleich einem Integrierten Bildsensor-Chips ist (zum Beispiel innerhalb von weniger als ungefähr 1 % liegt), der keine Absorptionsverstärkungsstruktur aufweist.
Da Übersprechen einen negativen Effekt auf die Auflösung eines Bildsensors hat, kann die Verringerung des Übersprechens die Auflösung des Integrierten Bildsensor-Chips 200 verbessern. Zum Beispiel kann die Verringerung des Übersprechens eine Modulationstransferfunktion (MTF) des Integrierten Bildsensor-Chips 200 um bis zu ungefähr 40 % verbessern (relativ zu einem Integrierten Bildsensor-Chips mit einer Gitterstruktur, die vollständig über einer darunterliegenden Absorptionsverstärkungsstruktur angeordnet ist). Darum ist die offenbarte Gitterstruktur 116 in der Lage, einen Integrierten Bildsensor-Chips bereitzustellen, der sowohl eine hohe Quanteneffizienz als auch eine MTF besitzt.
3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einiger weiterer Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensor (CIS)-IC 300 mit einer Gitterstruktur, die dafür konfiguriert ist, ein Übersprechen zwischen Pixeln zu verringern.
Der CIS-IC 300 umfasst mehrere Gate-Strukturen 301, die entlang einer Vorderseite 102f eines Substrats 102 angeordnet sind. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 102 jede Art von Halbleiterkörper (zum Beispiel Silizium/CMOS-Volumen, SiGe, SOI usw.) umfassen, wie zum Beispiel einen Halbleiterwafer oder einen oder mehrere Dies auf einem Wafer, sowie sonstige Arten von Halbleiter- und/oder Epitaxialschichten, die darauf ausgebildet und/oder auf sonstige Weise damit verbunden sind.
In einigen Ausführungsformen können die mehreren Gate-Strukturen 301 einem Transfertransistor, einem Source-Follower-Transistor (nicht gezeigt), einem Zeilenauswahltransistor (nicht gezeigten) und/oder einem Rücksetzungstransistor (nicht gezeigt) entsprechen. Die mehreren Gate-Strukturen 301 haben eine Gate-Dielektrikumschicht 302, die entlang der Vorderseite 102f des Substrats 102 angeordnet ist, und eine Gate-Elektrode 304, die auf der Gate-Dielektrikumschicht 302 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen sind Seitenwand-Abstandshalter 306 auf gegenüberliegenden Seiten der Gate-Elektrode 304 angeordnet.
In einigen Ausführungsformen ist eine Gate-Struktur 301, die einem Transfertransistor entspricht, seitlich zwischen einer Photodiode 308 und einer floatenden Diffusionsmulde 310 angeordnet. In solchen Ausführungsformen kann die Photodiode 308 eine erste Region 307 innerhalb des Substrats 102 umfassen, die einen ersten Dotierungstyp (zum Beispiel eine Dotierung vom n-Typ) aufweist, und eine angrenzende zweite Region 309 innerhalb des Substrats 102, die einen zweiten Dotierungstyp (zum Beispiel eine Dotierung vom p-Typ) aufweist, der von dem ersten Dotierungstyp verschieden ist. Die Gate-Struktur 301 ist dafür konfiguriert, den Transfer von Ladung von der Photodiode 308 zu der floatenden Diffusionsmulde 310 zu steuern. Wenn der Ladungspegel in der floatenden Diffusionsmulde 310 ausreichend hoch ist, so wird der Source-Follower-Transistor (nicht gezeigt) aktiviert, und Ladungen werden selektiv gemäß dem Betrieb eines Zeilenauswahltransistors (nicht gezeigt) ausgegeben, der zur Adressierung verwendet wird. Der Rücksetzungstransistor (nicht gezeigt) ist dafür konfiguriert, eine Photodiode 308 zwischen Belichtungszeiträumen zurückzusetzen.
Ein BEOL-Metallisierungsstapel 108 ist ebenfalls entlang der Vorderseite 102f des Substrats 102 angeordnet. Der BEOL-Metallisierungsstapel 108 umfasst einen leitfähigen Kontakt 312, der in elektrischem Kontakt mit der Gate-Elektrode 304 angeordnet ist. Der leitfähige Kontakt 312 ist des Weiteren mit einer oder mehreren zusätzlichen Metall-Interconnect-Schichten 314 gekoppelt, die in einer dielektrischen Struktur 110 angeordnet sind. Die dielektrische Struktur 110 ist mittels einer Kontaktätzstoppschicht 318 von dem Substrat 102 getrennt. In einigen Ausführungsformen ist die dielektrische Struktur 110 mit einem Trägersubstrat 316 gekoppelt. Das Trägersubstrat 316 ist dafür konfiguriert, den CIS-IC 300 strukturell zu stützen. Das Trägersubstrat 316 hat eine Dicke t_c, die größer ist als eine Dicke t_s des Substrats 102. In einigen Ausführungsformen kann das Trägersubstrat 316 Silizium umfassen.
Mehrere Shallow Trench Isolation (STI)-Strukturen 204 sind in einer Vorderseite 102f des Substrats 102 angeordnet, und mehrere Backside Deep Trench Isolation (BDTI)-Strukturen 206 sind in einer Rückseite 102b des Substrats 102 angeordnet. Die mehreren STI-Strukturen 204 sind auf gegenüberliegenden Seiten einer Pixelregion 103a-103b angeordnet und dafür konfiguriert, eine Isolierung zwischen benachbarten Pixelregionen 103a-103b bereitzustellen. Die mehreren STI-Strukturen 204 umfassen ein oder mehrere dielektrische Materialien (zum Beispiel SiO₂), die in Gräben in der Vorderseite 102f des Substrats 102 angeordnet sind. Die mehreren Backside Deep Trench Isolation (BDTI)-Strukturen 206 erstrecken sich von der Rückseite 102b des Substrats 102 zu einer Position, die über den mehreren STI-Strukturen 204 liegt. Die mehreren BDTI-Strukturen 206 umfassen ein oder mehrere dielektrische Materialien (zum Beispiel SiO₂), die in Gräben in der Rückseite 102b des Substrats 102 angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen können jeweilige der mehreren BDTI-Strukturen 206 eine Breite haben, die kleiner ist als eine Breite einer jeweiligen der mehreren STI-Strukturen 204.
Eine oder mehrere Isolierungsmuldenregionen können zwischen benachbarten Pixelregionen 103a-103b angeordnet sein, um eine zusätzliche Isolierung bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Isolierungsmuldenregionen eine Tiefmuldenregion 320 und eine Zellenmuldenregion 322 umfassen. Die Tiefmuldenregion 320 ist in dem Substrat 102 an einer Position angeordnet, die seitlich auf die STI-Struktur 204 und die BDTI-Struktur 206 ausgerichtet ist. Eine Zellenmuldenregion 322 ist in dem Substrat 102 an einer Position vertikal zwischen der Tiefmuldenregion 320 und der STI-Struktur 204 angeordnet. Die Tiefmuldenregion 320 und die Zellenmuldenregion 322 können einen oder mehrere Dotierungstypen haben, die eine weitere Isolierung zwischen benachbarten Pixelregionen 103a-103b mittels einer Grenzschichtisolierung bereitstellen.
Eine Absorptionsverstärkungsstruktur 212 ist entlang einer Rückseite 102b des Substrats 102 angeordnet. Eine Gitterstruktur 324 ist direkt über der BDTI-Struktur 206 angeordnet und erstreckt sich vertikal von innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 bis über die Absorptionsverstärkungsstruktur 212. Die Gitterstruktur 324 umfasst Seitenwände, die Öffnungen 328a-328b definieren, die über den Pixelregionen 103a-103b liegen. In einigen Ausführungsformen kann die Gitterstruktur 324 eine erste Breite W₁ innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 und eine zweite Breite w₂, die größer als die erste Breite W₁ ist, über der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 umfassen. In einigen Ausführungsformen kann eine Differenz zwischen der ersten Breite W₁ und der zweiten Breite w₂ bewirken, dass die Gitterstruktur 324 horizontale Flächen hat, die eine Oberseite der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 kontaktieren.
In einigen Ausführungsformen kann die Gitterstruktur 324 Innenflächen haben, die eine oder mehrere Leerstellen 326 definieren, die über der BDTI-Struktur 206 angeordnet sind. Die Leerstellen 326 sind Regionen, die kein leitfähiges Material der Gitterstruktur 324 aufweisen. In einigen Ausführungsformen sind die eine oder die mehreren Leerstellen 326 zwischen Seitenwänden der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 angeordnet. In einigen Ausführungsformen spreizen sich die eine oder die mehreren Leerstellen 326 vertikal über einen obersten Punkt des Substrats 102.
Eine Erdungsregion 332 ist an einer Position angeordnet, die seitlich von den Pixelregionen 103a-103b versetzt ist. Die Erdungsregion 332 umfasst eine Erdungsstruktur 330, die eine leitfähige Schicht umfasst, die sich durch die Absorptionsverstärkungsstruktur 212 zu dem Substrat 102 erstreckt. Während der Fertigung des CIS-IC 300 können Ionen (zum Beispiel aus einem Trockenätzprozess), die auf die Gitterstruktur 324 prallen, Ladungen generieren, die sich innerhalb des Substrats 102 aufbauen. Die Erdungsregion 332 ist dafür konfiguriert, das Entladen der aufgebauten Ladungen zu ermöglichen, wodurch die Leistung des CIS-IC 300 verbessert wird. In einigen Ausführungsformen hat die leitfähige Schicht der Erdungsstruktur 330 eine Unterseite, die im Wesentlichen auf eine Unterseite der Gitterstruktur 324 entlang einer Linie parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet ist.
4-13 veranschaulichen Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines Integrierten Bildsensor-Chips, der eine Gitterstruktur umfasst, die dafür konfiguriert ist, ein Übersprechen zwischen Pixelregionen zu verringern.
Wie in der Querschnittsansicht 400 von 4 gezeigt, werden Bildlese-Elemente jeweils in der Pixelregionen 103a-103b eines Substrats 402 gebildet. In einigen Ausführungsformen können die Bildlese-Elemente Photodioden 308a-308b umfassen. Die Photodioden 308a-308b können gebildet werden, indem eine oder mehrere Dotandenspezies in eine Vorderseite 402f des Substrats 402 implantiert werden. Zum Beispiel können die Photodioden 308a-308b gebildet werden, indem selektiv ein erster Implantierungsprozess ausgeführt wird, um eine erste Region 307 zu bilden, die einen ersten Dotierungstyp (zum Beispiel n-Typ) aufweist, und anschließend ein zweiter Implantierungsprozess ausgeführt wird, um eine zweite Region 309 zu bilden, die an die erste Region 307 angrenzt und einen zweiten Dotierungstyp (zum Beispiel p-Typ) aufweist, der von dem ersten Dotierungstyp verschieden ist. In einigen Ausführungsformen kann die erste Region 307 vertikal an die zweite Region 309 angrenzen. In einigen Ausführungsformen kann das Substrat 402 selektiv gemäß der Maskierungsschicht (nicht gezeigt) implantiert werden. In einigen Ausführungsformen kann eine floatende Diffusionsmulde 310 auch mittels des ersten oder des zweiten Implantierungsprozesses gebildet werden. In anderen Ausführungsformen kann die floatende Diffusionsmulde 310 durch einen separaten Implantierungsprozess gebildet werden.
Eine oder mehrere Gate-Strukturen 301 werden entlang der Vorderseite 402f des Substrats 402 in den Pixelregionen 103a-103b gebildet. In einigen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Gate-Strukturen 301 einem Transfertransistor, einem Source-Follower-Transistor (nicht gezeigt), einem Zeilenauswahltransistor (nicht gezeigt) und einem Rücksetzungstransistor (nicht gezeigt) entsprechen. In einigen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Gate-Strukturen 301 durch Abscheiden eines Gate-Dielektrikum-Films und eines Gate-Elektroden-Films auf der Vorderseite 402f des Substrats 402 gebildet werden. Der Gate-Dielektrikum-Film und der Gate-Elektroden-Film werden anschließend strukturiert, um eine Gate-Dielektrikumschicht 302 und eine Gate-Elektrode 304 zu bilden. Seitenwand-Abstandshalter 306 können an den äußeren Seitenwänden der Gate-Elektrode 304 gebildet werden. In einigen Ausführungsformen können die Seitenwand-Abstandshalter 306 durch Abscheiden von Nitrid auf die Vorderseite 402f des Substrats 402 und selektives Ätzen des Nitrids gebildet werden, um die Seitenwand-Abstandshalter 306 zu bilden.
In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Shallow Trench Isolation (STI)-Strukturen 204 in der Vorderseite 402f des Substrats 402 auf gegenüberliegenden Seiten der Pixelregionen 103a-103b gebildet werden. Die eine oder die mehreren Isolierungsstrukturen 204 können durch selektives Ätzen der Vorderseite 402f des Substrats 402, um Gräben zu bilden, und anschließendes Ausbilden eines oder mehrerer dielektrischer Materialien in den Gräben gebildet werden. In einigen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Isolierungsstrukturen 204 vor dem Ausbilden der einen oder der mehreren Gate-Strukturen 301, der Photodioden 308a-308b und/oder der floatenden Diffusionsmulde 310 gebildet werden.
Wie in der Querschnittsansicht 500 von 5 gezeigt, werden mehrere Metall-Interconnect-Schichten 112 in einer dielektrischen Struktur 110 gebildet, die entlang der Vorderseite 402f des Substrats 402 gebildet wird. In einigen Ausführungsformen können die mehreren Metall-Interconnect-Schichten 112 durch Bilden einer ILD-Schicht über der Vorderseite 402f des Substrats 402, anschließendes Ätzen der ILD-Schicht, um ein Durchkontaktierungsloch und/oder einen Metallgraben zu bilden, und Ausfüllen des Durchkontaktierungslochs und/oder Metallgrabens mit einem leitfähigen Material gebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Kontaktätzstoppschicht 318 über den Gate-Strukturen 301 und/oder dem Substrat 402 vor dem Bilden der dielektrischen Struktur 110 gebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann die ILD-Schicht durch eine physikalische Aufdampfungstechnik (zum Beispiel PVD, CVD, PE-CVD, ALD usw.) abgeschieden werden, und das leitfähige Material kann mittels eines Abscheidungsprozesses und/oder eines Plattierungsprozess (zum Beispiel Elektroplattieren, chemisches Plattieren usw.) gebildet werden. In verschiedenen Ausführungsformen können die mehreren Metall-Interconnect-Schichten zum Beispiel Wolfram, Kupfer oder Aluminium-Kupfer umfassen.
Wie in der Querschnittsansicht 600 von 6 gezeigt, wird eine Dicke des Substrats 402 reduziert, um das Substrat 602 zu bilden. Das Ausdünnen des Substrats 402 verringert eine Dicke des Substrats 402 von einer ersten Dicke t1auf eine zweite Dicke t2, damit Strahlung durch die Rückseite des Substrats 602 zu den Photodioden 308 hindurchgelassen wird. In einigen Ausführungsformen kann das Substrat 402 durch Ätzen einer Rückseite 402b des Substrats 402 ausgedünnt werden. In anderen Ausführungsformen kann das Substrat 402 durch mechanisches Schleifen der Rückseite 402b des Substrats 402 ausgedünnt werden.
In einigen Ausführungsformen wird die dielektrische Struktur 110 vor dem Ausdünnen des Substrats 402 an ein Trägersubstrat 316 gebondet. In einigen Ausführungsformen kann der Bondungsprozess einen Zwischenbondungsoxidschicht (nicht gezeigt) verwenden, die zwischen der dielektrischen Struktur und dem Handle-Substrat angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann der Bondungsprozess einen Fusionsbondungsprozess umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das Trägersubstrat 316 einen Siliziumwafer umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das Trägersubstrat 316 eine Dicke t_c haben, die größer ist als die zweite Dicke t₂ des Substrats 602 nach dem Ausdünnen.
Wie in der Querschnittsansicht 700 von 7 gezeigt, wird eine nicht-planare Fläche entlang einer Rückseite 702b des Substrats 702 gebildet. Die nicht-planare Fläche hat mehrere Vertiefungen 208 und/oder Vorsprünge, die in einem periodischen Muster angeordnet sind, das über dem Bildlese-Element 104 liegt. In einigen Ausführungsformen können die mehreren Vertiefungen 208 und/oder Vorsprünge durch selektives Ätzen der Rückseite 702b des Substrats 702 gebildet werden. In einigen Ausführungsformen umfassen die mehreren Vertiefungen 208 verjüngte Vertiefungen (d. h. Vertiefungen, die eine oder mehrere verjüngte Seitenwände haben, die sich an einem Punkt treffen), die in einem periodischen Muster angeordnet sind, das über dem Bildlese-Element 104 liegt. In einigen Ausführungsformen können die mehreren Vorsprünge verjüngte Vorsprünge umfassen (d. h. Vorsprünge, die eine oder mehrere verjüngte Seitenwände haben, die sich an einem Punkt treffen), die in einem periodischen Muster angeordnet sind, das über dem Bildlese-Element 104 liegt. In einigen Ausführungsformen können im Wesentlichen planare Flächen 704 entlang der Rückseite 702b des Substrats 702 zwischen benachbarten Pixelregionen 103a-103b gebildet werden. In einigen Ausführungsformen können die im Wesentlichen planaren Flächen 704 unter Oberseiten der Vorsprünge ausgespart werden. In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) können die im Wesentlichen planaren Flächen 704 an oder über den Oberseiten der Vorsprünge liegen (zum Beispiel entlang einer Oberseite einer Erhöhung neben den Vorsprüngen).
Wie in der Querschnittsansicht 800 von 8 gezeigt, werden Backside Deep Trench Isolation (BDTI)-Strukturen 206 in der Rückseite 702b des Substrats 702 gebildet. In einigen Ausführungsformen werden die BDTI-Strukturen 206 durch selektives Ätzen der Rückseite 702b des Substrats 702 gebildet, um tiefe Gräben in der Rückseite 702b des Substrats 702 zu bilden. In einigen Ausführungsformen kann die Rückseite 702b des Substrats 702 geätzt werden, indem die Rückseite 702b des Substrats 702 mit einem Ätzmittel in Regionen in Kontakt gebracht wird, die nicht durch eine Maskierungsschicht bedeckt sind. Die tiefen Gräben werden anschließend mit einem oder mehreren dielektrischen Materialien gefüllt. In einigen Ausführungsformen können die BDTI-Strukturen 206 innerhalb der im Wesentlichen planaren Flächen 704 des Substrats 702 zwischen benachbarten Pixelregionen 103a-103b gebildet werden.
In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Isolierungsmuldenregion innerhalb des Substrats 702 zwischen benachbarten Pixelregionen 103a-103b gebildet werden, um eine zusätzliche Isolierung bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Isolierungsmuldenregionen eine Tiefmuldenregion 320 und eine Zellenmuldenregion 322 umfassen. Die Tiefmuldenregion 320 kann gebildet werden, indem ein erster Isolierungsimplantierungsprozess ausgeführt wird, um selektiv eine Dotandenspezies an einer Position bereitzustellen, die seitlich auf die STI-Struktur 204 und die BDTI-Struktur 206 ausgerichtet ist. Die Zellenmuldenregion 322 kann gebildet werden, indem ein zweiter Isolierungsimplantierungsprozess ausgeführt wird, um selektiv eine Dotandenspezies an einer Position vertikal zwischen der Tiefmuldenregion 320 und der STI-Struktur 204 bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen können der erste und der zweite Isolierungsimplantierungsprozesse Dotandenspezies implantieren, die einen Dotierungstyp haben, der von einem Dotierungstyp einer benachbarten Region des Substrats 102 verschieden ist.
Wie in der Querschnittsansicht 900 von 9 gezeigt, wird eine Absorptionsverstärkungsstruktur 902 über der Rückseite 702b des Substrats 702 gebildet. Die Absorptionsverstärkungsstruktur 902 kann durch Abscheiden eines Halbleiters (zum Beispiel Silizium, Silizium-Germanium, Galliumarsenid usw.) oder eines dielektrischen Material (zum Beispiel Siliziumoxid, TEOS usw.) auf der Rückseite des Substrats 702 gebildet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Absorptionsverstärkungsstruktur 902 mehrere Vorsprünge 904 und/oder Vertiefungen umfassen. Die mehreren Vorsprünge 904 können sich zu den Vertiefungen 208 in der Rückseite 702b des Substrats 702 erstrecken. In einigen Ausführungsformen kann ein Planarisierungsprozess (zum Beispiel ein chemisch-mechanischer Planarisierungsprozess) nach dem Abscheiden des Halbleiters oder des dielektrischen Materials ausgeführt werden, um der Absorptionsverstärkungsstruktur 902 eine im Wesentlichen planare Oberseite zu verleihen.
Wie in der Querschnittsansicht 1000 von 10 gezeigt, wird die Absorptionsverstärkungsstruktur 212 selektiv geätzt, um gleichzeitig mehrere Gitterstrukturöffnungen 1002 und eine Erdungsstrukturöffnung 1004 zu bilden. In einigen Ausführungsformen haben die mehreren Gitterstrukturöffnungen 1002 eine kleinere Größe (zum Beispiel Breite und/oder Fläche) als die Erdungsstrukturöffnung 1004. In einigen Ausführungsformen kann die Absorptionsverstärkungsstruktur 212 mittels einer Gitterstrukturmaske 1006 geätzt werden, die selektiv eine lichtempfindliche Maskierungsschicht 1010 (zum Beispiel eine Photoresistschicht) frei legt, die anschließend als eine Ätzmaske verwendet wird. Die Gitterstrukturmaske 1006 umfasst Maskenstrukturelemente 1008 (zum Beispiel Chrom-Strukturelemente auf einer Glasmaske), die den mehreren Gitterstrukturöffnungen 1002 und einer Erdungsstrukturöffnung 1004 zugeordnet sind. Da sich sowohl die Gitterstrukturöffnungen 1002 als auch die Erdungsstrukturöffnung 1004 durch die Absorptionsverstärkungsstruktur 212 erstrecken, können die mehreren Gitterstrukturöffnungen 1002 und die Erdungsstrukturöffnung 1004 mittels derselben Maske gebildet werden, wodurch eine kosteneffiziente Fertigung einen anschließenden Gitterstruktur ermöglicht wird.
Wie in der Querschnittsansicht 1100 von 11 gezeigt, wird ein leitfähiges Material 1102 über der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 abgeschieden. Das leitfähige Material 1102 erstreckt sich über eine Oberseite der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 und bis in die Gitterstrukturöffnungen (1002 von 10) und die Erdungsstrukturöffnung (1004 von 10) hinein. In einigen Ausführungsformen können aufgrund eines hohen Seitenverhältnisses der Gitterstrukturöffnungen (1002 von 10) eine oder mehrere Leerstellen 326 in dem leitfähigen Material 1102 zwischen Seitenwänden der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 gebildet werden. Das leitfähige Material 1102 definiert eine Vertiefung 1104 in der Erdungsstrukturöffnung (1004 von 10). In einigen Ausführungsformen kann das leitfähige Material 1102 des Weiteren Aussparungen 1106 definieren, die in einer Oberseite des leitfähigen Materials 1102 über den Gitterstrukturöffnungen (1002 von 10) angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen kann das leitfähige Material 1102 ein Metall umfassen, wie zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Wolfram, Kobalt, Silber usw.
Wie in der Querschnittsansicht 1200 von 12 gezeigt, wird das leitfähige Material (1102 von 11) selektiv geätzt, um eine Gitterstruktur 324 und eine Erdungsstruktur 330 in einer Erdungsregion 332 zu bilden. Die Gitterstruktur 324 definiert Öffnungen 328a-328b, die über den Photodioden 308 liegen. In einigen Ausführungsformen kann die Gitterstruktur 324 eine erste Breite W1 innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 und eine zweite Breite w2, die größer ist als die erste Breite w1, über der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das leitfähige Material (1102 von 11) durch Inkontaktbringen des leitfähigen Materials mit einem Ätzmittel gemäß der Maskierungsschicht (nicht gezeigt) selektiv geätzt werden.
Wie in der Querschnittsansicht 1300 von 13 gezeigt, kann eine dielektrische Planarisierungsstruktur 214 über der Absorptionsverstärkungsstruktur 212 gebildet werden. Die dielektrische Planarisierungsstruktur 214 füllt die Öffnungen (Öffnungen 328a-328b von 12), der durch die Gitterstruktur 324 definiert werden, und einen Hohlraum, der in der Erdungsregion 332 definiert wird. Die dielektrische Planarisierungsstruktur 214 kann des Weiteren Oberseiten der Gitterstruktur 324 und der Erdungsstruktur 330 bedecken. In verschiedenen Ausführungsformen kann die dielektrische Planarisierungsstruktur 214 gebildet werden, indem ein oder mehrere Abscheidungsprozesse (zum Beispiel CVD, PE CVD, PVD, ALD usw.) ausgeführt werden, um eine oder mehrere übereinandergelegte dielektrische Schichten 214a-214b zu bilden. Ein Planarisierungsprozess (zum Beispiel ein chemisch-mechanischer Planarisierungsprozess) kann anschließenden nach der Abscheidung einer oberen dielektrischen Schicht 214b ausgeführt werden, um der dielektrischen Planarisierungsstruktur 214 eine im Wesentlichen planare Oberseite 214u zu verleihen. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Planarisierungsstruktur 214 aus der Erdungsregion 332 entfernt werden, während in anderen Ausführungsformen die dielektrische Planarisierungsstruktur 214 in der Erdungsregion 332 verbleiben kann. In einigen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren übereinandergelegten dielektrischen Schichten 214a-214b zum Beispiel ein Oxid (zum Beispiel SiO₂) oder ein Nitrid umfassen.
Mehrere Farbfilter 216a-216b werden auf der dielektrischen Planarisierungsstruktur 214 an Positionen über den Öffnungen 328a-328b in der Gitterstruktur 212 gebildet. In einigen Ausführungsformen können die mehreren Farbfilter 216a-216b durch Bilden einer Farbfilterschicht und Strukturieren der Farbfilterschicht gebildet werden. Die Farbfilterschicht wird aus einem Material gebildet, das Strahlung (zum Beispiel Licht) eines bestimmten Wellenlängenbereichs durchlässt, während es Licht von Wellenlängen außerhalb des spezifizierten Bereichs blockiert.
Mehrere Mikrolinsen 218 werden über den mehreren Farbfiltern 216a-216b gebildet. In einigen Ausführungsformen können die mehreren Mikrolinsen 218 durch Abscheiden eines Mikrolinsenmaterials über den mehreren Farbfiltern (zum Beispiel durch ein Aufschleuderverfahren oder einen Abscheidungsprozess) gebildet werden. Eine Mikrolinsenschablone (nicht gezeigt) mit einer gekrümmten Oberseite wird über dem Mikrolinsenmaterial strukturiert. In einigen Ausführungsformen kann die Mikrolinsenschablone ein Photoresistmaterial umfassen, das unter Verwendung einer verteilenden belichtenden Lichtdosis belichtet wird (zum Beispiel wird für einen negativen Photoresist mehr Licht an einer Unterseite der Krümmung aufgestrahlt, und weniger Licht wird an einer Oberseite der Krümmung aufgestrahlt), entwickelt und gebrannt, um eine Rundungsform zu bilden. Die mehreren Mikrolinsen 218 werden dann durch selektives Ätzen des Mikrolinsenmaterials gemäß der Mikrolinsenschablone gebildet.
14 veranschaulicht ein Flussdiagramm einiger Ausführungsformen eines Verfahrens 1400 zur Bildung eines Integrierten Bildsensor-Chips, der eine Gitterstruktur umfasst, die dafür konfiguriert ist, ein Übersprechen zwischen Pixelregionen zu verringern.
Zwar wird das offenbarte Verfahren 1400 im vorliegenden Text als eine Reihe von Aktionen oder Ereignissen veranschaulicht und beschrieben, doch es versteht sich, dass die veranschaulichte Reihenfolge solcher Aktionen oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden dürfen. Zum Beispiel können einige Funktionen in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Funktionen oder Ereignissen als den im vorliegenden Text veranschaulichten und/oder beschriebenen ausgeführt werden. Darüber hinaus müssen nicht alle veranschaulichten Aktionen erforderlich sein, um einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Beschreibung im vorliegenden Text zu implementieren. Des Weiteren können eine oder mehrere der im vorliegenden Text gezeigten Aktionen in einer oder mehreren separaten Aktionen und/oder Phasen ausgeführt werden.
Bei 1402 wird ein Bildlese-Element in einer Pixelregion eines Substrats gebildet. 4 veranschaulicht eine Querschnittsansicht 400 einiger Ausführungsformen, die Aktion 1402 entsprechen.
Bei 1404 werden mehrere Metall-Interconnect-Schichten in einer dielektrischen Struktur gebildet, die entlang der Vorderseite des Substrats angeordnet ist. 5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht 500 einiger Ausführungsformen, die Aktion 1404 entsprechen.
Bei 1406 werden mehrere Vertiefungen oder Vorsprünge in einer Rückseite des Substrats an einer Position gebildet, die über dem Bildlese-Element liegt. Die mehreren Vertiefungen oder Vorsprünge haben eine Topografie, die die Absorption von Strahlung durch das Substrat verstärkt. In einigen Ausführungsformen können die mehreren Vertiefungen oder Vorsprünge in einem periodischen Muster angeordnet sein, um ein Silicon Nano-Pillar Array (NPA) oder eine Gruppierung von photonischen Kristallen zu definieren. 7 veranschaulicht eine Querschnittsansicht 700 einiger Ausführungsformen, die Aktion 1406 entsprechen.
Bei 1408 werden Backside Deep Trench Isolation (BDTI)-Strukturen in der Rückseite des Substrats gebildet. 8 veranschaulicht eine Querschnittsansicht 800 einiger Ausführungsformen, die Aktion 1408 entsprechen.
Bei 1410 wird eine Absorptionsverstärkungsstruktur über der Rückseite des Substrats gebildet. 9 veranschaulicht eine Querschnittsansicht 900 einiger Ausführungsformen, die Aktion 1410 entsprechen.
Bei 1412 wird eine Metallstrukturmaske gebildet. Die Metall-Strukturmaske umfasst Maskenstrukturelemente, die Öffnungen innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur zugeordnet sind, die eine Erdungsstruktur und zusätzlich eine Gitterstruktur definieren.
Bei 1414 wird die Absorptionsverstärkungsstruktur selektiv auf der Grundlage der Metall-Strukturmaske geätzt, um gleichzeitig mehrere Gitterstrukturöffnungen und eine Erdungsstrukturöffnung innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur zu definieren. 10 veranschaulicht eine Querschnittsansicht 1000 einiger Ausführungsformen, die Aktion 1414 entsprechen.
Bei 1416 werden jeweils eine Gitterstruktur und eine Erdungsstruktur in den mehreren Gitterstrukturöffnungen und der Erdungsstrukturöffnung innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur gebildet.
In einigen Ausführungsformen können bei 1418 die Gitterstruktur und die Erdungsstruktur durch Bilden eines leitfähigen Materials über dem Substrat gebildet werden. Das leitfähige Material erstreckt sich bis in die mehreren Gitterstrukturöffnungen und die Erdungsstrukturöffnung und über eine Oberseite der Absorptionsverstärkungsstruktur. 11 veranschaulicht eine Querschnittsansicht 1100 einiger Ausführungsformen, die Aktion 1418 entsprechen.
Das leitfähige Material wird anschließend bei 1420 geätzt, um die Gitterstruktur und die Erdungsstruktur zu definieren. 12 veranschaulicht eine Querschnittsansicht 1200 einiger Ausführungsformen, die Aktion 1420 entsprechen.
Darum betrifft die vorliegende Offenbarung einen Integrierten Bildsensor-Chips, der eine Gitterstruktur umfasst, die dafür konfiguriert ist, ein Übersprechen zwischen Pixelregionen eines Bildsensor-Chips zu verringern.
In einigen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung einen Integrierten Bildsensor-Chips. Der integrierte Chip umfasst ein Bildlese-Element, das in einem Substrat angeordnet ist. Eine Absorptionsverstärkungsstruktur ist über einer Rückseite des Substrats angeordnet. Eine Gitterstruktur, die eine Öffnung definiert, ist über dem Bildlese-Element angeordnet. Die Gitterstruktur erstreckt sich von oberhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur zu einer Position innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur.
In anderen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung einen Integrierten Bildsensor-Chips. Der integrierte Chip umfasst ein Bildlese-Element, das in einem Substrat angeordnet ist. Eine Rückseite des Substrats umfasst eine nicht-planare Fläche, die mehrere verjüngte Vertiefungen oder Vorsprünge aufweist, die in einem periodischen Muster über dem Bildlese-Element angeordnet sind. Eine Absorptionsverstärkungsstruktur ist entlang der Rückseite des Substrats angeordnet und umfasst eine nicht-planare Fläche, die dem Substrat zugewandt ist. Eine dielektrische Struktur, die mehrere Metall-Interconnect-Schichten umfasst, ist entlang einer Vorderseite des Substrats angeordnet. Eine Gitterstruktur, die eine Öffnung definiert, ist über dem Bildlese-Element angeordnet. Die Gitterstruktur erstreckt sich von oberhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur zu einer Position innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur.
In weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Bilden eines Integrierten Bildsensor-Chips. Das Verfahren umfasst das Bilden eines Bildlese-Elements in einem Substrat und das Bilden einer Absorptionsverstärkungsstruktur über einer Rückseite des Substrats. Das Verfahren umfasst des Weiteren das selektive Ätzen der Absorptionsverstärkungsstruktur, um gleichzeitig mehrere Gitterstrukturöffnungen und eine Erdungsstrukturöffnung innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur zu definieren. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Bilden einer Gitterstruktur und einer Erdungsstruktur in den mehreren Gitterstrukturöffnungen bzw. der Erdungsstrukturöffnung. Die Gitterstruktur erstreckt sich von oberhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur zu einer Position innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur.

Claims

Integrierter Bildsensor-Chip, der Folgendes umfasst: ein Bildlese-Element, das in einem Substrat angeordnet ist, eine Absorptionsverstärkungsstruktur, die über einer Rückseite des Substrats angeordnet ist, und eine Gitterstruktur, die eine Öffnung definiert, die über dem Bildlese-Element angeordnet ist, wobei die Gitterstruktur sich von oberhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur zu einer Position innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur erstreckt.
Integrierter Bildsensor-Chip nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rückseite des Substrats eine nicht-planare Fläche hat, die mehrere verjüngte Vertiefungen oder Vorsprünge umfasst, die in einem periodischen Muster angeordnet sind.
Integrierter Bildsensor-Chip nach einem der vorangehenden Ansprüche, das des Weiteren Folgendes umfasst: eine dielektrische Planarisierungsstruktur, die über der Absorptionsverstärkungsstruktur angeordnet ist, wobei die dielektrische Planarisierungsstruktur Seitenwänden und eine Oberseite der Gitterstruktur umgibt.
Integrierter Bildsensor-Chip nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gitterstruktur eine Oberseite hat, die über der Absorptionsverstärkungsstruktur liegt, und eine Unterseite hat, die innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur an einer Position vertikal unter einem obersten Punkt des Substrats liegt.
Integrierter Bildsensor-Chip nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gitterstruktur ein Metall umfasst.
Integrierter Bildsensor-Chip nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gitterstruktur eine erste Breite innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur und eine zweite Breite, die größer ist als die erste Breite, über der Absorptionsverstärkungsstruktur umfasst.
Integrierter Bildsensor-Chip nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gitterstruktur eine horizontale Fläche umfasst, die eine Oberseite der Absorptionsverstärkungsstruktur kontaktiert.
Integrierter Bildsensor-Chip nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Aussparung entlang einer Oberseite der Gitterstruktur angeordnet ist.
Integrierter Bildsensor-Chip nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gitterstruktur eine Unterseite hat, die im Wesentlichen auf Absätze ausgerichtet ist, die entlang der Rückseite des Substrats angeordnet sind.
Integrierter Bildsensor-Chip nach einem der vorangehenden Ansprüche, der des Weiteren Folgendes umfasst: eine dielektrische Struktur, die mehrere Metall-Interconnect-Schichten umfasst, die entlang einer Vorderseite des Substrats angeordnet sind.
Integrierter Bildsensor-Chip, der Folgendes umfasst: ein Bildlese-Element, das in einem Substrat angeordnet ist, wobei eine Rückseite des Substrats eine nicht-planare Fläche umfasst, die mehrere verjüngte Vertiefungen oder Vorsprünge aufweist, die in einem periodischen Muster über dem Bildlese-Element angeordnet sind, eine Absorptionsverstärkungsstruktur, die entlang der Rückseite des Substrats angeordnet ist und eine nicht-planare Fläche umfasst, die dem Substrat zugewandt ist, eine dielektrische Struktur, die mehrere Metall-Interconnect-Schichten umfasst, die entlang einer Vorderseite des Substrats angeordnet sind, und eine Gitterstruktur, die eine Öffnung definiert, die über dem Bildlese-Element angeordnet ist, wobei die Gitterstruktur sich von oberhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur zu einer Position innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur erstreckt.
Integrierter Bildsensor-Chip nach Anspruch 11, der des Weiteren Folgendes umfasst: eine dielektrische Schicht, die über der Absorptionsverstärkungsstruktur an einer Position zwischen Seitenwänden der Gitterstruktur angeordnet ist.
Integrierter Bildsensor-Chip nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Gitterstruktur eine Oberseite hat, die über der Absorptionsverstärkungsstruktur liegt, und eine Unterseite hat, die innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur an einer Position vertikal unter einem obersten Punkt des Substrats liegt.
Integrierter Bildsensor-Chip nach einem der Ansprüche 11 bis 13, der des Weiteren Folgendes umfasst: mehrere Backside-Deep-Trench-Isolationsstrukturen, die sich von der Rückseite des Substrats bis in das Substrat erstrecken, wobei die Gitterstruktur direkt über den mehreren Backside-Deep-Trench-Isolationsstrukturen angeordnet ist.
Integrierter Bildsensor-Chip nach Anspruch 14, wobei die Rückseite des Substrats Absätze umfasst, die eine planare Fläche aufweisen, die zwischen den Backside Deep Trench-Isolationsstrukturen und der nicht-planaren Fläche angeordnet ist.
Integrierter Bildsensor-Chip nach Anspruch 15, wobei die Gitterstruktur eine Oberseite hat, die über der Absorptionsverstärkungsstruktur liegt, und eine Unterseite hat, die im Wesentlichen auf die Absätze ausgerichtet ist.
Integrierter Chip nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Gitterstruktur eine erste Breite innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur und eine zweite Breite, die größer ist als die erste Breite, über der Absorptionsverstärkungsstruktur umfasst.
Verfahren zum Bilden eines integrierten Bildsensor-Chips, das Folgendes umfasst: Bilden eines Bildlese-Elements in einem Substrat, Bilden einer Absorptionsverstärkungsstruktur über einer Rückseite des Substrats, selektives Ätzen der Absorptionsverstärkungsstruktur, um gleichzeitig mehrere Gitterstrukturöffnungen und eine Erdungsstrukturöffnung innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur zu definieren, und Bilden einer Gitterstruktur und einer Erdungsstruktur in den mehreren Gitterstrukturöffnungen bzw. der Erdungsstrukturöffnung, wobei sich die Gitterstruktur von oberhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur zu einer Position innerhalb der Absorptionsverstärkungsstruktur erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 18, das des Weiteren Folgendes umfasst: Bilden mehrerer verjüngter Vertiefungen in der Rückseite des Substrats, wobei die mehreren verjüngten Vertiefungen in einem periodischen Muster angeordnet sind, das über dem Bildlese-Element liegt.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, das des Weiteren Folgendes umfasst: Bilden mehrerer Metall-Interconnect-Schichten in einer dielektrischen Struktur, die entlang einer Vorderseite des Substrats angeordnet ist.