DE102017119031A1 - Bildsensor mit einer hochabsorbierenden schicht - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Bildsensor mit einer hohen Quantenausbeute bereitgestellt. Bei einigen Ausführungsformen weist ein Halbleitersubstrat eine nicht-poröse Halbleiterschicht entlang einer Vorderseite des Halbleitersubstrats auf. Eine periodische Struktur ist entlang einer Rückseite des Halbleitersubstrats angeordnet. Eine hochabsorbierende Schicht bedeckt die periodische Struktur auf der Rückseite des Halbleitersubstrats. Die hochabsorbierende Schicht ist ein Halbleitermaterial mit einem Energiebandabstand, der kleiner als der der nicht-porösen Halbleiterschicht ist. Ein Fotodetektor ist in dem Halbleitersubstrat und der hochabsorbierenden Schicht angeordnet. Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung des Bildsensors bereitgestellt.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Integrierte Schaltkreise (ICs) mit Bildsensoren werden in einer breiten Palette von modernen elektronischen Geräten verwendet, wie etwa Kameras und Mobiltelefonen. In den letzten Jahren sind zunehmend CMOS-Bildsensoren (CMOS: komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) zum Einsatz gekommen, die CCD-Bildsensoren (CCD: ladungsgekoppeltes Bauelement) weitgehend ersetzen. CMOS-Bildsensoren werden auf Grund ihres niedrigen Stromverbrauchs, ihrer geringen Größe, einer schnellen Datenverarbeitung, einer direkten Datenausgabe und der niedrigen Herstellungskosten gegenüber CCD-Bildsensoren favorisiert. Einige Arten von CMOS-Bildsensoren sind vorderseitig beleuchtete Bildsensoren (front-side illuminated image sensors; FSI-Bildsensoren) und rückseitig beleuchtete Bildsensoren (back-side illuminated image sensors; BSI-Bildsensoren).
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Vielmehr können der Übersichtlichkeit der Erörterung halber die Abmessungen der verschiedenen Elemente beliebig vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1 zeigt eine Schnittansicht einiger Ausführungsformen eines Bildsensors mit einem hochabsorbierenden Pixelsensor.
    • 2A zeigt eine Schnittansicht einiger detaillierterer Ausführungsformen des Bildsensors von 1 mit einer porösen Halbleiterschicht.
    • 2B zeigt eine Schnittansicht einiger detaillierterer Ausführungsformen des Bildsensors von 1 ohne eine poröse Halbleiterschicht.
    • 3 zeigt eine Layout-Darstellung einiger Ausführungsformen des Bildsensors von 1 und/oder 2.
    • 4A zeigt eine Schnittansicht einiger FSI-Ausführungsformen (FSI: vorderseitig beleuchtet) des Bildsensors von 3.
    • 4B zeigt eine Schnittansicht einiger BSI-Ausführungsformen (BSI: rückseitig beleuchtet) des Bildsensors von 3.
    • Die 5 bis 13 zeigen eine Reihe von Schnittansichten einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines FSI-Bildsensors mit hochabsorbierenden Pixelsensoren.
    • 14 zeigt ein Ablaufdiagramm einiger Ausführungsformen des Verfahrens der 5 bis 13.
    • Die 15 bis 23 zeigen eine Reihe von Schnittansichten einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines BSI-Bildsensors mit hochabsorbierenden Pixelsensoren.
    • 24 zeigt ein Ablaufdiagramm einiger Ausführungsformen des Verfahrens der 15 bis 23.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die vorliegende Erfindung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale der Erfindung. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt ausgebildet werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so ausgebildet werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen des in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Bauelements oder Vorrichtung umfassen. Das Bauelement oder die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden. Außerdem sind die Begriffe „erste(r) / erstes“, „zweite(r) / zweites“, „dritte(r) / drittes“, „vierte(r) / viertes“ und dergleichen lediglich allgemeine Bezeichnungen, und sie können daher in verschiedenen Ausführungsformen ausgetauscht werden. Während zum Beispiel ein Element (z. B. eine Ätzung, eine dielektrische Schicht oder ein Substrat) bei einigen Ausführungsformen als ein „erstes“ Element bezeichnet werden kann, kann das Element bei anderen Ausführungsformen als ein „zweites“ Element bezeichnet werden.
  • Einige CMOS-Bildsensoren (CMOS: komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) weisen ein Halbleitersubstrat aus mikrokristallinem Silizium und eine Anordnung von Pixelsensoren auf, die in dem Halbleitersubstrat angeordnet sind. Die Pixelsensoren umfassen jeweilige Fotodetektoren, die in dem Halbleitersubstrat vergraben sind, und jeweilige Pixeltransistoren, die auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet sind. Die Fotodetektoren sind so konfiguriert, dass sie einfallende Strahlung absorbieren und ein elektrisches Signal erzeugen, das der einfallenden Strahlung entspricht.
  • Ein Problem bei den CMOS-Bildsensoren besteht darin, dass mikrokristallines Silizium einen großen Energiebandabstand und somit einen niedrigen Absorptionskoeffizienten für langwellige Strahlung hat. Die langwellige Strahlung umfasst zum Beispiel Strahlung mit Wellenlängen, die größer als etwa 800 µm sind, wie etwa Infrarotstrahlung. Daher haben Fotodetektoren ohne Verbesserung eine schlechte Quantenausbeute (quantum efficiency; QE) für langwellige Strahlung. Die Quantenausbeute ist der Anteil von einfallenden Photonen, die zu dem elektrischen Signal beitragen.
  • Eine Methode zum Verbessern der CMOS-Bildsensoren besteht darin, die Dicke des Halbleitersubstrats und die Tiefe zu vergrößern, bis zu der die Fotodetektoren in das Halbleitersubstrat hinein reichen. Je größer die Wellenlänge der einfallenden Strahlung ist, umso größer ist die Absorptionstiefe. Das ist jedoch bei den bestehenden CMOS-Prozessen schwierig und erhöht die Kosten bei der Herstellung der CMOS-Bildsensoren. Darüber hinaus werden durch Vergrößern der Tiefe, bis zu der die Fotodetektoren in das Halbleitersubstrat hinein reichen, die Kreuzkopplung und die Die-Größe vergrößert.
  • In Anbetracht des Vorstehenden sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung auf einen hochabsorbierenden Bildsensor gerichtet. Bei einigen Ausführungsformen weist ein Halbleitersubstrat eine nicht-poröse Halbleiterschicht auf. Die nicht-poröse Halbleiterschicht verläuft entlang einer Vorderseite des Halbleitersubstrats. Eine periodische Struktur umfasst eine Vielzahl von Vorsprüngen, die von dem Halbleitersubstrat definiert werden. Eine hochabsorbierende Schicht bedeckt die periodische Struktur auf der Rückseite des Halbleitersubstrats. Die hochabsorbierende Schicht besteht aus einem Halbleitermaterial mit einem Energiebandabstand, der kleiner als der der nicht-porösen Halbleiterschicht ist. In dem Halbleitersubstrat und der hochabsorbierenden Schicht ist ein Fotodetektor angeordnet.
  • Durch Anordnen des Fotodetektors in der hochabsorbierenden Schicht profitiert der Fotodetektor von dem kleinen Energiebandabstand der hochabsorbierenden Schicht. Und zwar macht der kleine Energiebandabstand die hochabsorbierende Schicht hoch absorptionsfähig für einfallende Strahlung, sodass der Fotodetektor eine hohe Quantenausbeute hat. Darüber hinaus führt die hohe Quantenausbeute vorteilhafterweise zu niedrigen Kosten, einer geringen Die-Größe, einer geringen Kreuzkopplung oder einer Kombination davon, wenn der hochabsorbierende Bildsensor zum Abtasten von langwelliger Strahlung, wie etwa Infrarotstrahlung, verwendet wird, da langwellige Strahlung auch dann ausreichend abgetastet werden kann, wenn das Halbleitersubstrat keine große Dicke hat.
  • In 1 wird eine Schnittansicht 100 einiger Ausführungsformen eines Bildsensors mit einem hochabsorbierenden Pixelsensor 102 bereitgestellt. Der Bildsensor kann zum Beispiel ein FSI- oder ein BSI-Bildsensor sein. Weiterhin kann der Bildsensor zum Beispiel ein CMOS-Bildsensor und/oder ein IC-Die oder -Chip sein. Wie gezeigt ist, weist ein Halbleitersubstrat 104 eine nicht-poröse Halbleiterschicht 104n und eine poröse Halbleiterschicht 104p auf. Die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n verläuft entlang einer Vorderseite 104f des Halbleitersubstrats 104, und die poröse Halbleiterschicht 104p verläuft entlang einer Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104, die dessen Vorderseite 104f gegenüberliegt. Bei alternativen Ausführungsformen wird die poröse Halbleiterschicht 104p weggelassen, sodass die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n die Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104 definiert.
  • Die poröse Halbleiterschicht 104p ist ein Halbleitermaterial mit einer systematischen Struktur aus Poren. Die Poren können zum Beispiel Mikrometer-große Poren, Nanometer-große Poren, kleinere Poren oder eine Kombination davon sein. Die poröse Halbleiterschicht 104p kann zum Beispiel nanoporöses Silizium oder eine andere Art von porösem Halbleitermaterial sein. Die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n ist ein Halbleitermaterial ohne eine systematische Struktur aus Poren, wobei die Poren wie vorstehend dimensioniert sind. Die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n kann ein Halbleitermaterial ohne eine systematische Struktur aus Mikrometer- und/oder Nanometergroßen Poren sein. Die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n kann zum Beispiel monokristallines Silizium, polykristallines Silizium oder eine andere Art von kristallinem Halbleitermaterial sein. Außerdem kann die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n zum Beispiel einen indirekten Energiebandabstand haben.
  • Bei einigen Ausführungsformen definiert das Halbleitersubstrat 104 eine periodische Struktur 106 entlang der Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104. Die periodische Struktur 106 kann zum Beispiel eine Vielzahl von Vorsprüngen 106p in einer Rasterstruktur oder -anordnung entlang der Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104 aufweisen. Der einfachen Darstellung halber ist nur einer der Vorsprünge 106p mit 106p bezeichnet. Die Vorsprünge 106p können zum Beispiel eine Kegelform, eine Pyramidenform oder eine andere Form haben.
  • Vorteilhafterweise verbessern die poröse Halbleiterschicht 104p und/oder die periodische Struktur 106 die Absorption einer Strahlung 108 (z. B. Licht) durch das Halbleitersubstrat 104. Zum Beispiel kann die poröse Halbleiterschicht 104p auf Grund der periodischen Struktur 106 und/oder der porösen Halbleiterschicht 104p einen direkten Energiebandabstand haben. Der direkte Energiebandabstand ermöglicht es der porösen Halbleiterschicht 104p, Photonen 108p der Strahlung 108 unabhängig von Phononen zu absorbieren, sodass die Absorption durch das Halbleitersubstrat 104 verbessert werden kann. Als ein weiteres Beispiel vergrößern die Vorsprünge 106p und/oder die Poren der porösen Halbleiterschicht 104p die Oberfläche, sodass die Absorption durch das Halbleitersubstrat 104 verbessert werden kann. Als ein noch weiteres Beispiel verringern die Vorsprünge 106p und/oder die Poren der porösen Halbleiterschicht 104p die Reflexion der Strahlung 108 von dem Halbleitersubstrat 104, sodass die Absorption durch das Halbleitersubstrat 104 verbessert werden kann. Der Reflexionsgrad kann zum Beispiel verringert werden, da die Strahlung 108 über die Poren der porösen Halbleiterschicht 104p in das Halbleitersubstrat 104 eintreten kann und in dem Halbleitersubstrat 104 aufgenommen werden kann. Außerdem kann der Reflexionsgrad zum Beispiel deshalb verringert werden, weil geneigte Seitenwände der Vorsprünge 106p die Wahrscheinlichkeit senken können, dass die Strahlung von dem Halbleitersubstrat 104 weg reflektiert wird.
  • Eine hochabsorbierende Schicht 110 bedeckt die Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104 und ist zwischen das Halbleitersubstrat 104 und eine Passivierungsschicht 112 geschichtet. Die hochabsorbierende Schicht 110 ist ein Halbleitermaterial, das einen kleinen Energiebandabstand hat. Der kleine Energiebandabstand kann zum Beispiel ein Energiebandabstand sein, der kleiner als etwa 1 eV ist. Weiterhin kann der kleine Energiebandabstand zum Beispiel ein Energiebandabstand sein, der kleiner als ein Energiebandabstand der nicht-porösen Halbleiterschicht 104n und/oder als ein Energiebandabstand der porösen Halbleiterschicht 104p ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die hochabsorbierende Schicht 110 Siliziumgermanium oder monokristallines Silizium, das mit einem Chalkogen (z. B. Schwefel, Selen oder Tellur) dotiert ist. Die Passivierungsschicht 112 kann zum Beispiel Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, ein anderes Dielektrikum oder eine Kombination davon sein.
  • Ein Fotodetektor 114 ist in dem Halbleitersubstrat 104 und der hochabsorbierenden Schicht 110 angeordnet und ist so konfiguriert, dass er die auf den Fotodetektor 114 auftreffende Strahlung 108 absorbiert, um ein elektrisches Signal zu erzeugen. Das elektrische Signal kann zum Beispiel aus Elektron-Loch-Paaren 116 resultieren, die in Reaktion auf die Absorption der Photonen 108p der Strahlung 108 entstehen. Der Fotodetektor 114 kann zum Beispiel eine Fotodiode sein. Weiterhin kann der Fotodetektor 114 zum Beispiel einen n-leitenden Bereich (nicht dargestellt) und einen p-leitenden Bereich (nicht dargestellt) aufweisen, die einen Fotoübergang (z. B. einen pn- oder pin-Übergang) definieren.
  • Vorteilhafterweise ist durch Anordnen des Fotodetektors 114 in dem Halbleitersubstrat 104 und der hochabsorbierenden Schicht 110 der Fotodetektor 114 hoch absorptionsfähig für die Strahlung 108, die Infrarotstrahlung umfasst (z. B. Strahlung mit Wellenlängen, die größer als etwa 800 µm sind). Und zwar hat die hochabsorbierende Schicht 110 einen kleinen Energiebandabstand und somit einen hohen Absorptionskoeffizienten, sodass die hochabsorbierende Schicht 110, und somit der Fotodetektor 114, hoch absorptionsfähig für die Strahlung 108 sind. Dadurch hat der Fotodetektor 114 vorteilhafterweise eine hohe Quantenausbeute. Die Quantenausbeute des Fotodetektors 114 wird durch die poröse Halbleiterschicht 104p und/oder die periodische Struktur 106 noch weiter verbessert, da die poröse Halbleiterschicht 104p und/oder die periodische Struktur 106 die Absorption der Strahlung 108 durch das Halbleitersubstrat 104 verbessern.
  • In 2A wird eine Schnittansicht 200A einiger detaillierterer Ausführungsformen des Bildsensors von 1 bereitgestellt. Wie gezeigt ist, weist ein Halbleitersubstrat 104 eine nicht-poröse Halbleiterschicht 104n und eine poröse Halbleiterschicht 104p auf. Die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n verläuft entlang einer Vorderseite 104f des Halbleitersubstrats 104, und die poröse Halbleiterschicht 104p verläuft entlang einer Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104, die dessen Vorderseite 104f gegenüberliegt.
  • Bei einigen Ausführungsformen definiert das Halbleitersubstrat 104 eine periodische Struktur 106 entlang der Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104. Die periodische Struktur 106 kann zum Beispiel eine Vielzahl von Vorsprüngen 106p in einer Rasterstruktur oder -anordnung entlang der Rückseite 104b aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen nimmt die Porengröße der porösen Halbleiterschicht 104p von Spitzen der Vorsprünge 106p zu einer Grenzfläche zwischen der nicht-porösen Halbleiterschicht 104n und der porösen Halbleiterschicht 104p allmählich zu oder ab. Zum Beispiel kann die Porengröße von einer mittleren Größe von etwa 40 nm an den Spitzen auf eine mittlere Größe von etwa 8 nm an der Grenzfläche allmählich abnehmen.
  • Bei einigen Ausführungsformen definieren die Vorsprünge 106p ein Sägezahnprofil. Bei einigen Ausführungsformen haben die Vorsprünge 106p einen Rasterabstand P von etwa 0,01 bis 8,0 µm, etwa 0,2 bis 5,0 µm, etwa 1,0 bis 3,0 µm oder eine Kombination davon. Bei einigen Ausführungsformen haben die Vorsprünge 106p eine Höhe H von etwa 0,2 bis 20,0 µm, etwa 1,0 bis 15,0 µm, etwa 5,0 bis 10,0 µm oder eine Kombination davon. Bei einigen Ausführungsformen haben die Vorsprünge 106p sich verjüngende Seitenwände, die an Spitzen zusammenlaufen. Zum Beispiel können einige oder alle der Vorsprünge 106p jeweils kegelförmig oder pyramidenförmig sein (z. B. können sie eine Grundfläche mit n Seiten haben, wobei n = 3, 4, 5, 6 usw. ist). Bei anderen Ausführungsformen haben die Vorsprünge 106p eine andere Form. Zum Beispiel können einige oder alle der Vorsprünge 106p zylinderförmig sein.
  • Vorteilhafterweise können die poröse Halbleiterschicht 104p und/oder die periodische Struktur 106 die Absorption der Strahlung durch das Halbleitersubstrat 104 verbessern. Zum Beispiel kann die poröse Halbleiterschicht 104p einen direkten Energiebandabstand haben, der die Absorption verbessert. Als ein weiteres Beispiel können die poröse Halbleiterschicht 104p und/oder die periodische Struktur 106 die Oberfläche für eine bessere Absorption vergrößern. Als ein noch weiteres Beispiel kann die poröse Halbleiterschicht 104p die Reflexion von dem Halbleitersubstrat 104 für eine bessere Absorption verringern.
  • Eine hochabsorbierende Schicht 110 bedeckt die Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104 und ist zwischen das Halbleitersubstrat 104 und eine Passivierungsschicht 112 geschichtet. Bei einigen Ausführungsformen bedeckt die hochabsorbierende Schicht 110 konform die Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104. Die hochabsorbierende Schicht 110 ist ein Halbleitermaterial, das einen kleinen Energiebandabstand hat. Der kleine Energiebandabstand kann zum Beispiel kleiner als etwa 1,00 eV, 0,80 eV, 0,60 eV oder 0,40 eV sein. Weiterhin kann der kleine Energiebandabstand zum Beispiel kleiner als ein Energiebandabstand der nicht-porösen Halbleiterschicht 104n und/oder als ein Energiebandabstand der porösen Halbleiterschicht 104p sein. Zum Beispiel kann die hochabsorbierende Schicht 110 einen Energiebandabstand haben, der kleiner als etwa 1,0 eV ist, während die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n einen Energiebandabstand haben kann, der größer als etwa 1,1 eV, 1,5 eV, 2,0 eV oder 5,0 eV ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen hat die hochabsorbierende Schicht 110 einen direkten Energiebandabstand, sodass die Absorption der einfallenden Strahlung vorteilhafterweise nicht von Phononen abhängig ist. Bei einigen Ausführungsformen hat die hochabsorbierende Schicht 110 eine Dicke T von etwa 10 bis 5000 Ångström, 100 bis 4000 Å, 1000 bis 3000 Ä oder eine Kombination davon. Die hochabsorbierende Schicht 110 kann zum Beispiel eine Dicke T von etwa 500 Ä oder etwa 3000 Å haben. Bei einigen Ausführungsformen ist die hochabsorbierende Schicht 110 Siliziumgermanium oder monokristallines Silizium und/oder sie ist mit einem Chalkogen dotiert. Die hochabsorbierende Schicht 110 kann zum Beispiel Siliziumgermanium ohne ein Chalkogen sein, oder sie kann monokristallines Silizium sein, das mit einem Chalkogen dotiert ist. Als ein weiteres Beispiel kann die hochabsorbierende Schicht 110 Si0,8Ge0,2 mit eine Dicke T von etwa 500 Å sein. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen die hochabsorbierende Schicht 110 mit einem Chalkogen dotiert wird, wird sie über der Löslichkeitsgrenze des Chalkogens dotiert (d. h. sie wird übersättigt), um vorteilhafterweise eine Teilbandabstand-Absorption der einfallenden Strahlung (z. B. einer Strahlung mit Wellenlängen von etwa 1,0 bis 2,5 µm) zu ermöglichen. Das Chalkogen kann zum Beispiel Schwefel (S), Selen (Se), Tellur (Te) oder eine Kombination davon sein. Bei einigen Ausführungsformen ist die hochabsorbierende Schicht 110 mit dem Halbleitersubstrat 104 verbunden, um einen Heteroübergang an der Grenzfläche zu definieren.
  • Die Passivierungsschicht 112 ist unter der hochabsorbierenden Schicht 110 angeordnet und kann zum Beispiel Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, ein High-k-Dielektrikum, ein anderes Dielektrikum oder eine Kombination davon sein. Ein High-k-Dielektrikum ist ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstante κ, die größer als etwa 3,9, 5, 10 oder 20 ist. Bei einigen Ausführungsformen hat die Passivierungsschicht 112 eine Innenseite 112i (z. B. eine Ober- oder Unterseite), die sich über die hochabsorbierende Schicht 110 an die Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104 anpasst. Weiterhin hat die Passivierungsschicht 112 bei einigen Ausführungsformen eine Außenseite 1120 (z. B. eine Unterseite), die planar ist.
  • Ein hochabsorbierender Pixelsensor 102 ist in dem Halbleitersubstrat 104 und der hochabsorbierenden Schicht 110 angeordnet und weist einen Fotodetektor 114 auf. Der Fotodetektor 114 ist so konfiguriert, dass er eine auf den Fotodetektor 114 auftreffende Strahlung absorbiert und aus der absorbierten Strahlung ein elektrisches Signal erzeugt. Das elektrische Signal kann zum Beispiel aus Elektron-Loch-Paaren resultieren, die in Reaktion auf die Absorption von Photonen der Strahlung entstehen. Der Fotodetektor 114 weist einen Fotoübergang 202 sowie einen Bereich 114a mit einer ersten Dotierungsart und einen Bereich 114b mit einer zweiten Dotierungsart auf. Der Fotoübergang 202 ist zwischen den Bereichen 114a und 114b mit der ersten und der zweiten Dotierungsart angeordnet und wird zumindest teilweise von diesen definiert. Der Fotoübergang 202 kann zum Beispiel ein pn-Übergang, ein pin-Übergang oder eine Kombination davon sein, oder er kann zum Beispiel ein Heteroübergang, ein Homoübergang oder eine Kombination davon sein.
  • Der Bereich 114a mit der ersten Dotierungsart ist in der nicht-porösen Halbleiterschicht 104n und bei einigen Ausführungsformen in der porösen Halbleiterschicht 104p angeordnet. Außerdem grenzt der Bereich 114a mit der ersten Dotierungsart an den Bereich 114b mit der zweiten Dotierungsart an, und er hat eine Dotierungsart, die der des Bereichs 114b mit der zweiten Dotierungsart entgegengesetzt ist. Zum Beispiel kann der Bereich 114a mit der ersten Dotierungsart ein n-Bereich sein, und der Bereich 114b mit der zweiten Dotierungsart kann ein p-Bereich sein, oder umgekehrt. Der Bereich 114a mit der ersten Dotierungsart ist so konfiguriert, dass er Ladung (z. B. Elektronen) aus Elektron-Loch-Paaren speichert, die in Reaktion auf die auf den Fotodetektor 114 auftreffende Strahlung entsteht. Wenn zum Beispiel einen Elektron-Loch-Paar in dem Bereich 114a mit der ersten Dotierungsart oder in dem Bereich 114b mit der zweiten Dotierungsart entsteht, kann auf Grund eines elektrischen Felds, das von dem Fotoübergang 202 erzeugt wird, Ladung (z. B. ein Elektron) des Elektron-Loch-Paars zu dem Bereich 114a mit der ersten Dotierungsart diffundieren und/oder driften.
  • Der Bereich 114b mit der zweiten Dotierungsart befindet sich in der hochabsorbierenden Schicht 110 und bei einigen Ausführungsformen in dem Halbleitersubstrat 104. Darüber hinaus verläuft bei einigen Ausführungsformen der Bereich 114b mit der zweiten Dotierungsart durchgehend mit nur einer Dotierungsart entlang Seitenwänden des Bereichs 114a mit der ersten Dotierungsart und entlang einer Unterseite des Bereichs 114b mit der zweiten Dotierungsart, sodass er den Bereich 114a mit der ersten Dotierungsart umschließt.
  • Vorteilhafterweise ist durch Anordnen des Fotodetektors 114 in dem Halbleitersubstrat 104 und der hochabsorbierenden Schicht 110 der Fotodetektor 114 hoch absorptionsfähig für die einfallende Strahlung, die Infrarotstrahlung umfasst. Und zwar hat die hochabsorbierende Schicht 110 einen kleinen Energiebandabstand und somit einen hohen Absorptionskoeffizienten, sodass die hochabsorbierende Schicht 110, und somit der Fotodetektor 114, hoch absorptionsfähig für die einfallende Strahlung sind. Dadurch hat der Fotodetektor 114 vorteilhafterweise eine hohe Quantenausbeute. Darüber hinaus führt die hohe Quantenausbeute vorteilhafterweise zu niedrigen Kosten, einer geringen Die-Größe, einer geringen Kreuzkopplung oder einer Kombination davon, wenn der Bildsensor zum Abtasten von langwelliger Strahlung, wie etwa Infrarotstrahlung, verwendet wird, da langwellige Strahlung ausreichend abgetastet werden kann, auch wenn das Halbleitersubstrat 104 keine große Dicke hat. Die Quantenausbeute des Fotodetektors 114 wird durch die poröse Halbleiterschicht 104p und/oder die periodische Struktur 106 noch weiter verbessert, da die poröse Halbleiterschicht 104p und/oder die periodische Struktur 106 die Absorption der Strahlung durch das Halbleitersubstrat 104 verbessern.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird die Quantenausbeute des Fotodetektors 114 durch einen Heteroübergang an einer Grenzfläche zwischen dem Halbleitersubstrat 104 und der hochabsorbierenden Schicht 110 weiter verbessert. Wenn zum Beispiel die hochabsorbierende Schicht 110 Siliziumgermanium ist und die poröse Halbleiterschicht 104p poröses Silizium ist, kann ein Heteroübergang zwischen der hochabsorbierenden Schicht 110 und der porösen Halbleiterschicht 104p die Quantenausbeute erhöhen. Ein Heteroübergang erhöht jedoch die Quantenausbeute auf Kosten eines Anstiegs des Dunkelstroms, was zu weißen Pixeln führen kann. Und zwar erhöht eine Fehlanpassung der Gitterkonstanten an dem Heteroübergang die Spannung an dem Heteroübergang, was den Dunkelstrom ansteigen lässt.
  • Um die Spannung, und somit den Dunkelstrom, an dem Heteroübergang zu senken, ist bei einigen Ausführungsformen ein mit Kohlenstoff dotierter Bereich 204 an dem Heteroübergang angeordnet. Der Kohlenstoff-dotierte Bereich 204 dämpft und verringert die Spannung, sodass der Dunkelstrom reduziert wird. Der Kohlenstoff-dotierte Bereich 204 kann zum Beispiel ein Bereich der hochabsorbierenden Schicht 110 sein, der gegenüber der übrigen hochabsorbierenden Schicht 110 eine erhöhte Konzentration von Kohlenstoff hat. Alternativ kann der Kohlenstoff-dotierte Bereich 204 zum Beispiel ein Bereich des Halbleitersubstrats 104 sein, der gegenüber dem übrigen Halbleitersubstrat 104 eine erhöhte Konzentration von Kohlenstoff hat. Bei einigen Ausführungsformen hat der Kohlenstoff-dotierte Bereich 204 eine Dotierungskonzentration, die von der hochabsorbierenden Schicht 110 zu dem Halbleitersubstrat 104 allmählich zu- oder abnimmt.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird die Quantenausbeute des Fotodetektors 114 mit verschiedenen Eigenschaften der hochabsorbierenden Schicht 110 gesteuert. Dabei sollte jedoch dem Kompromiss zwischen dem Dunkelstrom und der Quantenausbeute Beachtung geschenkt werden. Zum Beispiel wird durch Vergrößern der Dicke T der hochabsorbierenden Schicht 110 zwar vorteilhafterweise die Quantenausbeute erhöht, aber das geschieht auf Kosten eines höheren Dunkelstroms. Als ein weiteres Beispiel wird durch Erhöhen der Menge von Germanium und/oder Chalkogenen in der hochabsorbierenden Schicht 110 zwar vorteilhafterweise die Quantenausbeute erhöht, aber das geschieht auf Kosten eines höheren Dunkelstroms.
  • Der hochabsorbierende Pixelsensor 102 weist weiterhin einen oder mehrere Pixeltransistoren auf der Vorderseite 104f des Halbleitersubstrats 104 auf, um das Auslesen des Fotodetektors 114 zu ermöglichen. Der eine oder die mehreren Pixeltransistoren können zum Beispiel einen Übertragungstransistor 206, einen Sourcefolgertransistor (nicht dargestellt), einen Zeilenwähltransistor (nicht dargestellt), einen Rücksetztransistor (nicht dargestellt), einen anderen Pixeltransistor oder eine Kombination davon umfassen. Der Übertragungstransistor 206 ist so konfiguriert, dass er eine Ladung, die in dem Bereich 114a mit der ersten Dotierungsart gespeichert ist, aus dem Bereich 114a mit der ersten Dotierungsart zum Auslesen selektiv überträgt. Bei einigen Ausführungsformen weist der Übertragungstransistor 206 einen ersten Source-/Drain-Bereich, eine Gate-Elektrode 208, eine dielektrische Gate-Schicht 210 und einen zweiten Source-/Drain-Bereich auf. Der erste Source-/Drain-Bereich kann zum Beispiel der Bereich 114a mit der ersten Dotierungsart sein. Der zweite Source-/Drain-Bereich kann zum Beispiel ein Float-Diffusionsknoten (FDN) 212 sein, zu dem der Übertragungstransistor 206 die Ladung aus dem Bereich 114a mit der ersten Dotierungsart überträgt.
  • Die Gate-Elektrode 208 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Source-/Drain-Bereich angeordnet und grenzt an diese an, und sie ist durch die dielektrische Gate-Schicht 210 mit einem Abstand über dem Halbleitersubstrat 104 angeordnet. Die Gate-Elektrode 208 kann zum Beispiel dotiertes Polysilizium, Kupfer, Aluminiumkupfer, ein anderes leitendes Material oder eine Kombination davon sein. Die dielektrische Gate-Schicht 210 kann zum Beispiel Siliziumdioxid, ein High-k-Dielektrikum, ein anderes Dielektrikum oder eine Kombination davon sein. Der erste und der zweite Source-/Drain-Bereich sind dotierte Bereiche des Halbleitersubstrats 104, die Dotierungsarten haben, die denen von umgebenden Bereichen des Halbleitersubstrats 104 entgegengesetzt sind. Der erste und der zweite Source-/Drain-Bereich können zum Beispiel n- oder p-leitend sein.
  • Bei einigen Ausführungsformen reicht eine Isolationsstruktur 214 in die Vorderseite 104f des Halbleitersubstrats 104 hinein, und sie umschließt den hochabsorbierenden Pixelsensor 102 seitlich, um den hochabsorbierenden Pixelsensor 102 gegen umgebende Bauelemente (nicht dargestellt) elektrisch zu isolieren. Diese umgebenden Bauelemente können zum Beispiel andere Pixelsensoren, logische Bauelemente oder Speicher-Bauelemente sein. Darüber hinaus weist bei einigen dieser Ausführungsformen die Isolationsstruktur 214 ein ringförmiges Layout auf. Die Isolationsstruktur 214 kann zum Beispiel ein STI-Bereich (STI: flache Grabenisolation), ein DTI-Bereich (DTI: tiefe Grabenisolation), ein Implantations-Trennbereich oder eine Kombination davon sein.
  • Über dem Halbleitersubstrat 104 und dem einen oder den mehreren Pixeltransistoren (z. B. dem Übertragungstransistor 206) ist eine Verbindungsstruktur 216 angeordnet. Weiterhin ist bei einigen Ausführungsformen die Verbindungsstruktur 216 über der Isolationsstruktur 214 angeordnet. Die Verbindungsstruktur 216 weist eine Zwischenschichtdielektrikum-Schicht (ILD-Schicht) 218, eine Vielzahl von Verdrahtungsschichten 220 und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 222 auf. Der einfachen Darstellung halber ist nur eine der Verdrahtungsschichten 220 mit 220 bezeichnet, und nur eine der Durchkontaktierungen 222 ist mit 222 bezeichnet. Die ILD-Schicht 218 kann zum Beispiel Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, ein Low-k-Dielektrikum [z. B. Fluorsilicatglas (FSG)], ein anderes Dielektrikum oder eine Kombination davon sein. Ein Low-k-Dielektrikum ist ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstante κ, die kleiner als etwa 3,9, 3,0, 2,0 oder 1,0 ist.
  • Die Verdrahtungsschichten 220 sind abwechselnd mit den Durchkontaktierungen 222 in der ILD-Schicht 218 aufeinander gestapelt. Die Durchkontaktierungen 222 verbinden die Verdrahtungsschichten 220 elektrisch miteinander, und außerdem verbinden sie elektrisch eine Verdrahtungsschicht (nicht einzeln bezeichnet), die dem Halbleitersubstrat 104 am nächsten ist, mit Bauelementen (z. B. dem Übertragungstransistor 206) auf der Vorderseite 104f des Halbleitersubstrats 104. Die Verdrahtungsschichten 220 bestehen aus einem leitenden Material, wie etwa Aluminiumkupfer, Kupfer, Aluminium, einem anderen leitenden Material oder einer Kombination davon, und die Durchkontaktierungen 222 bestehen aus einem leitenden Material, zum Beispiel Kupfer, Wolfram, einem anderen leitenden Material oder einer Kombination davon.
  • In 2B wird eine Variante von 2A bereitgestellt, bei der die poröse Halbleiterschicht 104p von 2A weggelassen ist. Bei diesen Ausführungsformen kontaktiert die hochabsorbierende Schicht 110 die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n. Außerdem definiert bei einigen Ausführungsformen die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n die periodische Struktur 106.
  • Die 2A und 2B zeigen zwar eine spezielle Ausführungsform des Fotodetektors 114, aber es dürfte wohlverstanden sein, dass andere Ausführungsformen des Fotodetektors 114 möglich sind. Zum Beispiel kann bei Ausführungsformen, bei denen der Fotoübergang 202 ein pin-Übergang ist oder andernfalls einen solchen aufweist, ein Eigenhalbleiterbereich (nicht dargestellt) zwischen und in Kontakt mit dem Bereich 114a mit der ersten Dotierungsart und dem Bereich 114b mit der zweiten Dotierungsart angeordnet werden. Der Eigenhalbleiterbereich kann zum Beispiel monokristallines Silizium oder Siliziumgermanium sein.
  • In 3 wird eine Layout-Darstellung 300 einiger Ausführungsformen des Bildsensors von 1, 2A oder 2B bereitgestellt. Wie gezeigt ist, umschließt ein Logikbereich 302 seitlich eine Pixelsensor-Matrix 304. Der Logikbereich 302 weist zum Beispiel logische und/oder Speicher-Bauelemente (nicht dargestellt) auf, die so konfiguriert sind, dass sie Daten, die von der Pixelsensor-Matrix 304 in Reaktion auf einfallende Strahlung erzeugt werden, lesen und/oder speichern.
  • Die Pixelsensor-Matrix 304 besteht aus einer Vielzahl von hochabsorbierenden Pixelsensoren 102, die in x Zeilen und y Spalten angeordnet sind. X und y sind ganze Zahlen, die größer als null sind und zum Beispiel gleich oder unterschiedlich sein können. Zum Beispiel können x und y beide 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096 sein, oder x und y können jeweils 768 und 1024, 1024 und 2048, 256 und 1204, 512 und 128 oder 4096 und 1024 sein. Der einfachen Darstellung halber ist nur einer der hochabsorbierenden Pixelsensoren 102 mit 102 bezeichnet. Die hochabsorbierenden Pixelsensoren 102 sind jeweils so konfiguriert, wie es unter Bezugnahme auf 1, 2A oder 2B beschrieben worden ist.
  • Eine Isolationsstruktur 214 umschließt seitlich die Pixelsensor-Matrix 304, um die Pixelsensor-Matrix 304 gegen den Logikbereich 302 elektrisch zu isolieren. Außerdem umschließt die Isolationsstruktur 214 seitlich jeden der hochabsorbierenden Pixelsensoren 102, um die hochabsorbierenden Pixelsensoren 102 elektrisch gegeneinander zu isolieren.
  • In den 4A und 4B werden Schnittansichten 400A und 400B verschiedener Ausführungsformen des Bildsensors von 3 bereitgestellt. Die Schnittansichten 400A und 400B können zum Beispiel entlang der Linie A von 3 erstellt werden.
  • Wie in der Schnittansicht 400A von 4A gezeigt ist, ist der Bildsensor ein FSI-Bildsensor, und er weist eine Vielzahl von hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c auf. Die hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c sind jeweils entsprechend dem hochabsorbierenden Pixelsensor 102 von 1, 2A oder 2B konfiguriert, und sie sind jeweils so konfiguriert, dass sie eine Strahlung 108 über eine Verbindungsstruktur 216 empfangen, die die hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c bedeckt. Die hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c weisen jeweils einen Fotodetektor 114 und bei einigen Ausführungsformen einen oder mehrere Pixeltransistoren auf. Zum Beispiel können die hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c jeweils einen Übertragungstransistor 206 aufweisen. Der einfachen Darstellung halber ist nur einer der Fotodetektoren 114 mit 114 bezeichnet, und nur einer der Übertragungstransistoren 206 ist mit 206 bezeichnet.
  • Die Verbindungsstruktur 216 weist eine ILD-Schicht 218, eine Vielzahl von Verdrahtungsschichten 220 und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 222 auf. Der einfachen Darstellung halber ist nur eine der Verdrahtungsschichten 220 mit 220 bezeichnet, und nur eine der Durchkontaktierungen 222 ist mit 222 bezeichnet. Die Verdrahtungsschichten 220 sind abwechselnd mit den Durchkontaktierungen 222 in der ILD-Schicht 218 aufeinander gestapelt. Bei einigen Ausführungsformen sind die Verdrahtungsschichten 220 und die Durchkontaktierungen 222 auf Seiten der Fotodetektoren 114 begrenzt (d. h., sie befinden sich nicht direkt über den Fotodetektoren 114), sodass Strahlung nicht daran gehindert wird, auf die Fotodetektoren 114 aufzutreffen.
  • Die Fotodetektoren 114 sind in einem Halbleitersubstrat 104 und einer hochabsorbierende Schicht 110 unter der Verbindungsstruktur 216 aufeinander gestapelt. Weiterhin sind bei einigen Ausführungsformen die Fotodetektoren 114 durch eine Isolationsstruktur 214 (z. B. einen STI-Bereich) zwischen den hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c elektrisch isoliert. Die Fotodetektoren 114 weisen jeweils einen Bereich 114a mit einer ersten Dotierungsart in dem Halbleitersubstrat 104, einen Bereich 114b mit einer zweiten Dotierungsart in der hochabsorbierenden Schicht 110 und einen Fotoübergang 202 auf, der zumindest teilweise von den Bereichen 114a und 114b mit der ersten und der zweiten Dotierungsart definiert wird. Der einfachen Darstellung halber ist nur einer der Bereiche 114a mit der ersten Dotierungsart mit 114a bezeichnet, nur einer der Bereiche 114b mit der zweiten Dotierungsart ist mit 114b bezeichnet, und nur einer der Fotoübergänge 202 ist mit 202 bezeichnet.
  • Die Übertragungstransistoren 206 sind auf einer Vorderseite 104f des Halbleitersubstrats 104 zwischen dem Halbleitersubstrat 104 und der Verbindungsstruktur 216 angeordnet. Die Übertragungstransistoren 206 weisen jeweils eine Gate-Elektrode 208 und eine dielektrische Gate-Schicht 210 auf, die die Gate-Elektrode 208 von dem Halbleitersubstrat 104 beabstandet. Außerdem weisen die Übertragungstransistoren 206 jeweils einen ersten Source-/Drain-Bereich und einen zweiten Source-/Drain-Bereich auf, die jeweils an gegenüberliegende Seitenwände der Gate-Elektrode 208 angrenzen. Der erste Source-/Drain-Bereich kann zum Beispiel ein Bereich 114a mit einer ersten Dotierungsart eines jeweiligen Fotodetektors 114 sein, und/oder der zweite Source-/Drain-Bereich kann zum Beispiel ein FDN 212 sein. Der einfachen Darstellung halber ist nur eine der Gate-Elektroden 208 mit 208 bezeichnet, nur einer der FDNs 212 ist mit 212 bezeichnet, und nur eine der dielektrischen Gate-Schichten 210 ist mit 210 bezeichnet.
  • Das Halbleitersubstrat 104 ist über der hochabsorbierenden Schicht 110 angeordnet, sodass sich die hochabsorbierende Schicht 110 auf einer Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104 befindet. Das Halbleitersubstrat 104 weist eine nicht-poröse Halbleiterschicht 104n und eine poröse Halbleiterschicht 104p unter der nicht-porösen Halbleiterschicht 104n auf. Bei alternativen Ausführungsformen wird die poröse Halbleiterschicht 104p weggelassen, sodass die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n den Zwischenraum vollständig füllt, der zu diesem Zeitpunkt von der porösen Halbleiterschicht 104p von 4A eingenommen wird.
  • Bei einigen Ausführungsformen definiert das Halbleitersubstrat 104 eine periodische Struktur 106 entlang der Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104. Die periodische Struktur 106 kann zum Beispiel eine Vielzahl von Vorsprüngen 106p in einer Rasterstruktur oder -anordnung entlang der Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104 aufweisen. Der einfachen Darstellung halber ist nur einer der Vorsprünge 106p mit 106p bezeichnet.
  • Die hochabsorbierende Schicht 110 hat einen kleinen Energiebandabstand. Die hochabsorbierende Schicht 110 kann zum Beispiel einen Energiebandabstand haben, der kleiner als etwa 1,0 eV, 0,8 eV oder 0,5 eV ist. Auf Grund des kleinen Energiebandabstands hat die hochabsorbierende Schicht 110 einen hohen Absorptionskoeffizienten. Außerdem haben die Fotodetektoren 114, die teilweise in der hochabsorbierenden Schicht 110 angeordnet sind, eine hohe Quantenausbeute. Bei einigen Ausführungsformen ist die hochabsorbierende Schicht 110 Siliziumgermanium oder monokristallines Silizium, das mit einem Chalkogen dotiert ist. Weiterhin hat bei einigen Ausführungsformen die hochabsorbierende Schicht 110 eine Dotierungsart, der der der Bereiche 114a mit der ersten Dotierungsart entgegengesetzt ist.
  • Eine Passivierungsschicht 112 ist unter der hochabsorbierenden Schicht 110 angeordnet, und bei einigen Ausführungsformen ist ein Trägersubstrat 402 unter der Passivierungsschicht 112 angeordnet und ist an diese gebondet. Das Trägersubstrat 402 kann zum Beispiel ein massives Halbleitersubstrat und/oder monokristallines Silizium sein. Außerdem kann das Trägersubstrat 402 zum Beispiel ein Halbleiterwafer (z. B. ein 450-mm-Siliziumwafer) sein.
  • Bei einigen Ausführungsformen bedecken Farbfilter 404 jeweils die hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c. Die Farbfilter 404 sind so konfiguriert, dass sie zugewiesene Strahlungswellenlängen durchlassen, während sie nicht-zugewiesene Strahlungswellenlängen blockieren. Zum Beispiel kann ein rotes Farbfilter so konfiguriert sein, dass es rote Strahlungswellenlängen durchlässt, während es blaue Strahlungswellenlängen blockiert. Ein anderes Farbfilter kann so konfiguriert sein, dass es blaue Strahlungswellenlängen durchlässt, während es rote Strahlungswellenlängen blockiert. Bei einigen Ausführungsformen sind die Farbfilter 404 jeweils von Mikrolinsen 406 bedeckt, die so konfiguriert sind, dass sie einfallende Strahlung auf jeweilige Fotodetektoren der hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c fokussieren. Der einfachen Darstellung halber ist nur eines der Farbfilter 404 mit 404 bezeichnet, und nur eine der Mikrolinsen 406 ist mit 406 bezeichnet.
  • Wie in der Schnittansicht 400B von 4B gezeigt ist, wird eine Variante von 4A bereitgestellt, bei der der Bildsensor ein BSI-Bildsensor ist. Im Gegensatz zu 4A sind die hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102C über der Verbindungsstruktur 216 angeordnet. Außerdem sind die hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102C jeweils so konfiguriert, dass sie eine Strahlung 108 über die Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104 empfangen. Bei einigen Ausführungsformen reduzieren die poröse Halbleiterschicht 104P und/oder die periodische Struktur 106 die Reflexion der Strahlung 108 von dem Halbleitersubstrat 104, sodass die Absorption verbessert werden kann. Der Reflexionsgrad kann zum Beispiel deshalb reduziert werden, weil die Strahlung 108 über die Poren in der porösen Halbleiterschicht 104P in das Halbleitersubstrat 104 eintreten kann und in dem Halbleitersubstrat 104 aufgenommen werden kann. Außerdem kann der Reflexionsgrad zum Beispiel deshalb verringert werden, weil geneigte Seitenwände der Vorsprünge 106p der periodischen Struktur 106 die Wahrscheinlichkeit senken können, dass die Strahlung von dem Halbleitersubstrat 104 weg reflektiert wird.
  • In den 5 bis 13 wird eine Reihe von Schnittansichten 500 bis 1300 einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines FSI-Bildsensors mit hochabsorbierenden Pixelsensoren bereitgestellt. Das Verfahren kann zum Beispiel zum Herstellen des Bildsensors von 4A verwendet werden.
  • Wie in der Schnittansicht 500 von 5 gezeigt ist, wird ein Halbleitersubstrat 104 bereitgestellt. Bei einigen Ausführungsformen weist das Halbleitersubstrat 104 eine nicht-poröse Halbleiterschicht 104n und eine poröse Halbleiterschicht 104p auf. Die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n verläuft entlang einer Vorderseite 104f des Halbleitersubstrats 104, und die poröse Halbleiterschicht 104P verläuft entlang einer Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104, die dessen Vorderseite 104f gegenüberliegt. Bei alternativen Ausführungsformen wird die poröse Halbleiterschicht 104p weggelassen. Bei einigen dieser Ausführungsformen verläuft die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n sowohl entlang der Vorderseite 104f des Halbleitersubstrats 104 als auch entlang dessen Rückseite 104b. Außerdem definiert bei einigen dieser Ausführungsformen die nicht-poröse Schicht 104n das gesamte Halbleitersubstrat 104.
  • Die poröse Halbleiterschicht 104P ist ein Halbleitermaterial mit einer systematischen Struktur aus Poren. Die Poren können zum Beispiel Mikrometer-große Poren, Nanometer-große Poren, kleinere Poren oder eine Kombination davon sein. Die poröse Halbleiterschicht 104p kann zum Beispiel nanoporöses Silizium sein. Die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n ist ein Halbleitermaterial ohne eine systematische Struktur aus Poren, wobei die Poren wie vorstehend dargelegt dimensioniert sind. Die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n kann zum Beispiel ein Halbleitermaterial ohne eine systematische Struktur aus Mikrometer- und/oder Nanometer-großen Poren sein. Die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n kann zum Beispiel monokristallines Silizium oder eine andere Art von kristallinem Halbleitermaterial sein.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zum Bereitstellen des Halbleitersubstrats 104 das Durchführen einer Ätzung in die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n, um die poröse Halbleiterschicht 104p aus einem Teil der nicht-porösen Halbleiterschicht 104n herzustellen. Die Ätzung kann zum Beispiel durch Aufbringen einer Lösung 502 von Fluorwasserstoffsäure auf die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n und anschließendes Aktivieren der Fluorwasserstoffsäure erfolgen, während sich die Lösung 502 auf der nicht-porösen Halbleiterschicht 104n befindet. Die Fluorwasserstoffsäure kann zum Beispiel wie folgt aktiviert werden: elektrochemisch durch Anlegen einer ausreichenden Spannung an die Lösung 502 (anodische Ätzung); elektrochemisch durch Zugeben eines Oxidationsmittels mit einem ausreichenden Standardelektrodenpotential zu der Lösung 502 (Beizätzung); oder fotochemisch durch Bestrahlen der Lösung 502 mit einem Laser oder einer Lampe mit ausreichend kurzen Wellenlängen, um Elektronen in der Lösung 502 und/oder in der nicht-porösen Halbleiterschicht 104n in das Leitungsband anzuregen. Bei einigen Ausführungsformen weist die Lösung 502 weiterhin Eisennitrid auf.
  • Wie in der Schnittansicht 600 von 6 gezeigt ist, wird eine periodische Struktur 106 in der Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen die poröse Halbleiterschicht 104P vorhanden ist, wird die periodische Struktur 106 direkt in der porösen Halbleiterschicht 104p hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen die poröse Halbleiterschicht 104P fehlt, wird die periodische Struktur 106 direkt in der nicht-porösen Halbleiterschicht 104n hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen weist die periodische Struktur 106 eine Vielzahl von Vorsprüngen 106p in einer Rasterstruktur auf. Der einfachen Darstellung halber ist nur einer der Vorsprünge 106p mit 106p bezeichnet. Die Rasterstruktur kann zum Beispiel eine zweidimensionale Matrix von Vorsprüngen in einer Vielzahl von Zeilen und einer Vielzahl von Spalten sein.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zur Herstellung der periodischen Struktur 106 das selektive Trockenätzen der Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104. Zum Beispiel kann eine Fotoresistschicht 602 auf der Rückseite 104b hergestellt werden, und sie kann mit der Rasterstruktur der Vorsprünge 106p strukturiert werden. Dann kann ein Trockenätzmittel 604 auf die Rückseite 104b aufgebracht werden, wenn die Fotoresistschicht 602 an der richtigen Stelle ist, um die Vorsprünge 106p herzustellen, und anschließend kann die Fotoresistschicht 602 abgelöst werden. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zur Herstellung der periodischen Struktur 106 weiterhin das Nassätzen der Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104, um Schäden an dem Halbleitersubstrat 104 durch die selektive Trockenätzung zu beheben. Zum Beispiel kann ein Nassätzmittel (nicht dargestellt) auf die Rückseite 104b aufgebracht werden, bevor oder nachdem die Fotoresistschicht 602 abgelöst wird. Das Nassätzmittel kann zum Beispiel Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) sein.
  • Die Schäden an dem Halbleitersubstrat 104 können zu Elektronenfallen entlang der Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104 führen. Die Elektronenfallen können wiederum zu einem Leckstrom, einem Dunkelstrom und weißen Pixeln oder einer Kombination davon führen, da später herzustellende Fotodetektoren in dem Halbleitersubstrat 104 entlang der Rückseite 104b hergestellt werden. Daher werden durch die Nassätzung vorteilhafterweise die Elektronenfallen entfernt.
  • Wie in der Schnittansicht 700 von 7 gezeigt ist, wird eine hochabsorbierende Schicht 110 auf der Rückseite 104b eines Halbleitersubstrats 104 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen die poröse Halbleiterschicht 104p vorhanden ist, wird die hochabsorbierende Schicht 110 in direktem Kontakt mit der porösen Halbleiterschicht 104P hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen die poröse Halbleiterschicht 104P fehlt, wird die hochabsorbierende Schicht 110 in direktem Kontakt mit der nicht-porösen Halbleiterschicht 104n hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen wird die hochabsorbierende Schicht 110 konform hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen wird die hochabsorbierende Schicht 110 mit der gleichen Dotierungsart wie die poröse Halbleiterschicht 104P und/oder die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen besteht die hochabsorbierende Schicht 110 aus einem Halbleitermaterial mit einem direkten Bandabstand, und/oder sie wird mit einem kleinen Bandabstand hergestellt. Der kleine Bandabstand kann zum Beispiel ein Bandabstand sein, der kleiner als etwa 1,0 eV, 0,8 eV oder 0,5 eV ist und/oder kleiner als ein Bandabstand der nicht-porösen Halbleiterschicht 104n ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird die hochabsorbierende Schicht 110 als ein dotierter Bereich des Halbleitersubstrats 104 hergestellt. Bei einigen dieser Ausführungsformen wird die hochabsorbierende Schicht 110 mit einem Chalkogen dotiert, wie etwa S, Se, Te oder einer Kombination davon. Die Dotierung kann z. B. mit einer Ionenimplantation in die Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104 erfolgen. Bei einigen Ausführungsformen, bei denen die hochabsorbierende Schicht 110 mit dem Chalkogen dotiert wird, wird sie über der Löslichkeitsgrenze dotiert (d. h. sie wird übersättigt), um vorteilhafterweise eine Teilbandabstand-Absorption von Photonen zu ermöglichen. Die Übersättigung kann zum Beispiel mit einer Ionenimplantation in die Rückseite 104b und anschließendem Impulslaserschmelzen (z. B. 1 bis 7,2 bis 6,3 bis 5 oder 4 Laserschüsse) durchgeführt werden.
  • Bei anderen Ausführungsformen ist die hochabsorbierende Schicht 110 eine Epitaxialschicht. Bei einigen der epitaxialen Ausführungsformen ist die hochabsorbierende Schicht 110 Siliziumgermanium oder alternativ Silizium (z. B. monokristallines Silizium), das mit einem Chalkogen dotiert ist. Die Epitaxialschicht kann zum Beispiel Silizium sein, das mit S, Se, Te oder einer Kombination davon dotiert ist. Außerdem kann bei einigen der epitaxialen Ausführungsformen die hochabsorbierende Schicht 110 mit einem Chalkogen übersättigt werden, wie vorstehend dargelegt worden ist. Die Epitaxie kann zum Beispiel durch chemische Aufdampfung, physikalische Aufdampfung oder Molekularstrahlepitaxie erfolgen, und/oder die Dotierung kann zum Beispiel durch Ionenimplantation erfolgen.
  • Wie in der Schnittansicht 800 von 8 gezeigt ist, wird eine Passivierungsschicht 112 über der hochabsorbierenden Schicht 110 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen wird die Passivierungsschicht 112 mit einer Innenseite 112i hergestellt, die sich an die Rückseite 104b des Halbleitersubstrats und/oder die hochabsorbierende Schicht 110 anpasst. Die Passivierungsschicht 112 kann zum Beispiel eine Vielzahl von Vertiefungen 112d aufweisen, die jeweils die Vorsprünge 106p der periodischen Struktur 106 aufnehmen. Weiterhin wird bei einigen Ausführungsformen die Passivierungsschicht 112 mit einer Außenseite 1120 hergestellt, die planar ist und die sich wie die hochabsorbierende Schicht 110 auf einer Seite befindet, die der Passivierungsschicht 112 gegenüberliegt.
  • Das Verfahren zur Herstellung der Passivierungsschicht 112 kann zum Beispiel das Abscheiden oder Aufwachsen der Passivierungsschicht 112 umfassen. Das Abscheiden oder Aufwachsen kann zum Beispiel durch thermische Oxidation, chemische oder physikalische Aufdampfung, Sputtern, mit einem anderen Aufwachs- oder Abscheidungsverfahren oder einer Kombination davon erfolgen. Außerdem kann das Verfahren zur Herstellung der Passivierungsschicht 112 zum Beispiel das Durchführen einer Planarisierung der Außenseite 1120 der Passivierungsschicht 112 umfassen. Die Planarisierung kann zum Beispiel mit einer chemisch-mechanischen Polierung (CMP) durchgeführt werden.
  • Wie in der Schnittansicht 900 von 9 gezeigt ist, wird bei einigen Ausführungsformen die Passivierungsschicht 112 an ein Trägersubstrat 402 an der Außenseite 1120 der Passivierungsschicht 112 gebondet. Das Trägersubstrat 402 kann zum Beispiel monokristallines Silizium oder ein anderes Halbleitermaterial sein. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Bondung eine Schmelzbondung.
  • Wie in der Schnittansicht 1000 von 10 gezeigt ist, wird die Struktur von 9 vertikal gekippt, und bei einigen Ausführungsformen wird das Halbleitersubstrat 104 gedünnt, um eine Dicke des Halbleitersubstrats 104 von einer ersten Dicke T1 auf eine zweite Dicke T2 zu reduzieren. Die zweite Dicke T2 kann zum Beispiel kleiner als eine dritte Dicke T3 des Trägersubstrats 402 sein. Bei einigen Ausführungsformen wird das Halbleitersubstrat 104 durch Durchführen einer Ätzung in die Vorderseite 104f des Halbleitersubstrats 104 und/oder durch Durchführen einer Planarisierung der Vorderseite 104f des Halbleitersubstrats 104 gedünnt. Die Planarisierung kann zum Beispiel durch eine CMP erfolgen.
  • Wie in der Schnittansicht 1100 von 11 gezeigt ist, wird eine Vielzahl von hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c auf der Vorderseite 104f des Halbleitersubstrats 104 hergestellt. Die Pixelsensoren 102a bis 102c werden jeweils mit einem Fotodetektor 114 und bei einigen Ausführungsformen mit einem oder mehreren Pixeltransistoren hergestellt. Der eine oder die mehreren Pixeltransistoren für einen Pixelsensor können zum Beispiel einen Übertragungstransistor 206, einen Sourcefolgertransistor (nicht dargestellt), einen Rücksetztransistor (nicht dargestellt), einen Zeilenwähltransistor (nicht dargestellt) oder eine Kombination davon umfassen. Der einfachen Darstellung halber ist nur einer der Fotodetektoren 114 mit 114 bezeichnet, und nur einer der Übertragungstransistoren 206 ist mit 206 bezeichnet.
  • Die Fotodetektoren 114 werden jeweils mit einem Bereich 114a mit einer ersten Dotierungsart, einem Bereich 114b mit einer zweiten Dotierungsart und einem Fotoübergang 202 hergestellt. Der einfachen Darstellung halber ist nur einer der Bereiche 114a mit der ersten Dotierungsart mit 114a bezeichnet, nur einer der Bereiche 114b mit der zweiten Dotierungsart ist mit 114b bezeichnet, und nur einer der Fotoübergänge 202 ist mit 202 bezeichnet. Die Bereiche 114a mit der ersten Dotierungsart werden in dem Halbleitersubstrat 104 hergestellt, und sie werden mit einer Dotierungsart hergestellt, die der der Bereiche 114b mit der zweiten Dotierungsart entgegengesetzt ist. Die Bereiche 114b mit der zweiten Dotierungsart werden angrenzend an die Bereiche 114a mit der ersten Dotierungsart hergestellt, und sie werden in der hochabsorbierenden Schicht 110 und bei einigen Ausführungsformen in dem Halbleitersubstrat 104 hergestellt. Die Fotoübergänge 202 werden als pn- und/oder pin-Übergänge hergestellt, und sie werden zumindest teilweise von den Bereichen 114a mit der ersten Dotierungsart und den Bereichen 114b mit der zweiten Dotierungsart definiert.
  • Bei einigen Ausführungsformen haben das Halbleitersubstrat 104 und/oder die hochabsorbierende Schicht 110 zunächst nur eine einzige erste Dotierungsart, sodass die Fotodetektoren 114 dadurch hergestellt werden können, dass die Bereiche 114a mit der ersten Dotierungsart in dem Halbleitersubstrat 104 mit einer zweiten Dotierungsart, die der ersten Dotierungsart entgegengesetzt ist, hergestellt werden. Die Bereiche 114a mit der ersten Dotierungsart können zum Beispiel durch selektives Implantieren von Dotanden in das Halbleitersubstrat 104 hergestellt werden.
  • Die Übertragungstransistoren 206 weisen jeweils eine Gate-Elektrode 208, eine dielektrische Gate-Schicht 210, einen ersten Source-/Drain-Bereich und einen zweiten Source-/Drain-Bereich auf. Der erste Source-/Drain-Bereich kann zum Beispiel ein jeweiliger der Bereiche 114a mit der ersten Dotierungsart sein. Der zweite Source-/Drain-Bereich kann zum Beispiel ein FDN 212 sein. Der einfachen Darstellung halber ist nur eine der Gate-Elektroden 208 mit 208 bezeichnet, nur eine der dielektrischen Gate-Schichten 210 ist mit 210 bezeichnet, und nur einer der FDNs 212 ist mit 212 bezeichnet. Die Gate-Elektroden 208 sind durch die dielektrischen Gate-Schichten 210 mit einem Abstand über dem Halbleitersubstrat 104 angeordnet, und sie haben jeweils gegenüberliegende Seiten, die an einen ersten Source-/Drain-Bereich und einen zweiten Source-/Drain-Bereich angrenzen.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird das Verfahren zur Herstellung der Übertragungstransistoren 206 (oder anderer Pixeltransistoren) durchgeführt, bevor die Fotodetektoren 114 hergestellt werden. Außerdem umfasst bei einigen Ausführungsformen das Verfahren zur Herstellung der Übertragungstransistoren 206 das Herstellen einer dielektrischen Schicht und einer Elektrodenschicht, die über dem Halbleitersubstrat 104 aufeinander gestapelt sind. Die dielektrische Schicht kann zum Beispiel durch thermische Oxidation, Aufdampfung, Sputtern, ein anderes Aufwachs- oder Abscheidungsverfahren oder eine Kombination davon hergestellt werden. Die Elektrodenschicht kann zum Beispiel durch elektrochemische Plattierung, Aufdampfung, Sputtern, ein anderes Aufwachs- oder Abscheidungsverfahren oder eine Kombination davon hergestellt werden. Weiterhin umfasst bei einigen Ausführungsformen das Verfahren zur Herstellung der Übertragungstransistoren 206 das Durchführen einer selektiven Ätzung in die dielektrische Schicht und die Elektrodenschicht, um die Gate-Elektroden 208 und die dielektrischen Gate-Schichten 210 zu definieren. Die selektive Ätzung kann zum Beispiel durch Fotolithografie erfolgen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zur Herstellung der Übertragungstransistoren 206 weiterhin das selektive Implantieren von Dotanden in das Halbleitersubstrat 104, sodass die Bereiche 114a mit der ersten Dotierungsart der Fotodetektoren 114 und die FDNs 212 definiert werden.
  • Wie außerdem in der Schnittansicht 1100 von 11 gezeigt ist, wird eine Isolationsstruktur 214 zwischen Bereichen des Halbleitersubstrats 104 hergestellt, die den hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c entsprechen. Die Isolationsstruktur 214 kann zum Beispiel als ein STI-Bereich, ein DTI-Bereich, ein Implantations-Trennbereich oder eine Kombination davon hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zur Herstellung der Isolationsstruktur 214 das selektive Ätzen des Halbleitersubstrats 104, um Gräben herzustellen, und das anschließende Abscheiden eines oder mehrerer dielektrischer Materialien, die die Gräben füllen. Weiterhin wird bei einigen Ausführungsformen die Isolationsstruktur 214 vor der Herstellung der hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c hergestellt.
  • Wie in der Schnittansicht 1200 von 12 gezeigt ist, wird eine Verbindungsstruktur 216 über den hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102C und dem Halbleitersubstrat 104 hergestellt. Die Verbindungsstruktur 216 weist eine ILD-Schicht 218, eine Vielzahl von Verdrahtungsschichten 220 und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 222 auf. Der einfachen Darstellung halber ist nur eine der Verdrahtungsschichten 220 mit 220 bezeichnet, und nur eine der Durchkontaktierungen 222 ist mit 222 bezeichnet. Die Verdrahtungsschichten 220 sind abwechselnd mit den Durchkontaktierungen 222 in der ILD-Schicht 218 aufeinander gestapelt.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zur Herstellung der Verbindungsstruktur 216 das wiederholte Herstellen einer ILD-Teilschicht (d. h., einer Teilschicht der ILD-Schicht 218) über dem Halbleitersubstrat 104; das Durchführen einer Planarisierung einer Oberseite der ILD-Teilschicht; das selektive Ätzen der ILD-Teilschicht, um eine Durchkontaktierungsöffnung und/oder eine Verdrahtungsöffnung in einem leitenden Material herzustellen; und das Füllen der Durchkontaktierungsöffnung und/oder der Verdrahtungsöffnung mit einem leitenden Material. Die ILD-Teilschicht kann zum Beispiel durch thermische Oxidation, chemische oder physikalische Aufdampfung, Sputtern, ein anderes Aufwachs- oder Abscheidungsverfahren oder eine Kombination davon hergestellt werden. Die Planarisierung kann zum Beispiel durch eine CMP erfolgen. Die selektive Ätzung kann zum Beispiel durch Fotolithografie erfolgen. Die Füllung kann zum Beispiel durch chemische oder physikalische Aufdampfung, Elektroplattierung, stromlose Plattierung, ein anderes Aufwachs- oder Abscheidungsverfahren oder eine Kombination davon erfolgen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zur Herstellung der Verbindungsstruktur 216 das wiederholte Durchführen eines Dual-Damascene-ähnlichen Prozesses oder eines Single-Damascene-ähnlichen Prozesses, um die Verdrahtungsschichten 220 und die Durchkontaktierungen 222 herzustellen. Der Dual- und der Single-Damascene-ähnliche Prozess sind ein Dual- bzw. ein Single-Damascene-Prozess, die nicht auf Kupfer beschränkt sind.
  • Wie in der Schnittansicht 1300 von 13 gezeigt ist, wird eine Vielzahl von Farbfiltern 404 jeweils über den hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c hergestellt. Der einfachen Darstellung halber ist nur eines der Farbfilter 404 mit 404 bezeichnet. Bei einigen Ausführungsformen werden die Farbfilter 404 dadurch hergestellt, dass eine Farbfilterschicht, der Strahlungswellenlängen (z. B. rote Wellenlängen) zugewiesen werden, hergestellt wird; die Farbfilterschicht strukturiert wird; und dann diese Schritte für verschiedene Strahlungswellenlängen (z. B. blaue Wellenlängen) wiederholt werden.
  • Wie außerdem in der Schnittansicht 1300 von 13 gezeigt ist, wird eine Vielzahl von Mikrolinsen 406 jeweils über den Farbfiltern 404 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zur Herstellung der Mikrolinsen 406 das Herstellen einer Mikrolinsenschicht über den Farbfiltern 404 und das anschließende Herstellen von Mikrolinsenschablonen einzeln für die Mikrolinsen 406 über der Mikrolinsenschicht. Die Mikrolinsenschicht kann zum Beispiel durch Aufschleudern oder Abscheidung hergestellt werden. Die Mikrolinsenschablonen können zum Beispiel dadurch hergestellt werden, dass eine Fotoresistschicht (z. B. durch Sputtern) über der Mikrolinsenschicht abgeschieden wird; die Fotoresistschicht mit einem Layout der Mikrolinsen strukturiert wird, um die Mikrolinsenschablonen herzustellen; und eine Aufschmelzung durchgeführt wird, um die Oberseiten der Mikrolinsenschablonen zu krümmen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin das Ätzen der Mikrolinsenschicht, wenn die Mikrolinsenschablonen an der richtigen Stelle sind, und das Ablösen der Mikrolinsenschablonen.
  • In 14 wird ein Ablaufdiagramm 1400 einiger Ausführungsformen des Verfahrens der 5 bis 13 bereitgestellt.
  • Im Schritt 1402 wird ein Halbleitersubstrat bereitgestellt, wobei das Halbleitersubstrat eine nicht-poröse Halbleiterschicht entlang einer Vorderseite des Halbleitersubstrats aufweist. Bei einigen Ausführungsformen weist das Halbleitersubstrat weiterhin eine poröse Halbleiterschicht entlang einer Rückseite des Halbleitersubstrats auf (siehe z. B. 5).
  • Im Schritt 1404 wird eine Ätzung in die Rückseite des Halbleitersubstrats durchgeführt, um eine periodische Struktur auf der Rückseite des Halbleitersubstrats herzustellen (siehe z. B. 6).
  • Im Schritt 1406 wird eine hochabsorbierende Schicht so hergestellt, dass sie die Rückseite des Halbleitersubstrats bedeckt (siehe z. B. 7). Die hochabsorbierende Schicht hat einen kleinen Energiebandabstand (z. B. kleiner als etwa 1 eV und/oder kleiner als der der nicht-porösen Halbleiterschicht), sodass die hochabsorbierende Schicht vorteilhafterweise einen hohen Absorptionskoeffizienten hat. Die hochabsorbierende Schicht kann zum Beispiel Siliziumgermanium oder monokristallines Silizium sein, das mit einem Chalkogen dotiert ist.
  • Im Schritt 1408 wird eine Passivierungsschicht so hergestellt, dass sie die hochabsorbierende Schicht auf der Rückseite des Halbleitersubstrats bedeckt (siehe z. B. 8).
  • Im Schritt 1410 wird bei einigen Ausführungsformen ein Trägersubstrat über die Passivierungsschicht und die hochabsorbierende Schicht an die Rückseite des Halbleitersubstrats gebondet (siehe z. B. 9).
  • Im Schritt 1412 wird bei einigen Ausführungsformen das Halbleitersubstrat durch die Vorderseite des Halbleitersubstrats gedünnt (siehe z. B. 10).
  • Im Schritt 1414 wird ein Pixelsensor auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats hergestellt, wobei der Pixelsensor einen Fotodetektor in dem Halbleitersubstrat und der hochabsorbierenden Schicht aufweist (siehe z. B. 11). Vorteilhafterweise hat durch Anordnen des Fotodetektors in der hochabsorbierenden Schicht der Fotodetektor eine hohe Quantenausbeute.
  • Im Schritt 1416 wird eine Verbindungsstruktur so hergestellt, dass sie den Pixelsensor auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats bedeckt, wobei die Verbindungsstruktur Verdrahtungsschichten und Durchkontaktierungen aufweist, die abwechselnd mit den Verdrahtungsschichten aufeinander gestapelt sind (siehe z. B. 12).
  • Im Schritt 1418 werden ein Farbfilter und eine Mikrolinse aufeinander gestapelt über dem Pixelsensor auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats hergestellt (siehe z. B. 13).
  • Das Ablaufdiagramm 1400 von 14 wird hier zwar als eine Reihe von Schritten oder Ereignissen dargestellt und beschrieben, aber es dürfte wohlverstanden sein, dass die dargestellte Reihenfolge dieser Schritte oder Ereignisse nicht in einem beschränkenden Sinn ausgelegt werden darf. Zum Beispiel können einige Schritte in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Schritten oder Ereignissen als den hier dargestellten und/oder beschriebenen stattfinden. Darüber hinaus brauchen nicht alle dargestellten Schritte einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Beschreibung zu implementieren, und ein oder mehrere der hier beschriebenen Schritte können in einem oder mehreren getrennten Schritten und/oder Phasen ausgeführt werden.
  • In den 15 bis 23 wird eine Reihe von Schnittansichten 1500 bis 2300 einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines BSI-Bildsensors mit hochabsorbierenden Pixelsensoren bereitgestellt. Zum Beispiel kann das Verfahren für die Herstellung des BSI-Bildsensors von 4B verwendet werden.
  • Wie in der Schnittansicht 1500 von 15 gezeigt ist, wird eine Vielzahl von hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c auf einer Vorderseite 104f eines Halbleitersubstrats 104 hergestellt. Weiterhin wird bei einigen Ausführungsformen eine Isolationsstruktur 214 hergestellt, um Bereiche des Halbleitersubstrats 104 zu begrenzen, die den hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c entsprechen. Die hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102C und/oder die Isolationsstruktur 214 können zum Beispiel so hergestellt werden, wie es unter Bezugnahme auf 11 beschrieben worden ist.
  • Wie in der Schnittansicht 1600 von 16 gezeigt ist, wird eine Verbindungsstruktur 216 über den hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102C und dem Halbleitersubstrat 104 hergestellt. Die Verbindungsstruktur 216 kann zum Beispiel so hergestellt werden, wie es unter Bezugnahme auf 12 beschrieben worden ist
  • Wie in der Schnittansicht 1700 von 17 gezeigt ist, wird bei einigen Ausführungsformen die Struktur von 16 vertikal gekippt und an ein Trägersubstrat 402 gebondet. Die Bondung kann zum Beispiel so durchgeführt werden, wie es unter Bezugnahme auf 9 beschrieben worden ist.
  • Wie in der Schnittansicht 1800 von 18 gezeigt ist, wird bei einigen Ausführungsformen das Halbleitersubstrat 104 gedünnt. Die Dünnung kann zum Beispiel so durchgeführt werden, wie es unter Bezugnahme auf 10 beschrieben worden ist.
  • Wie in der Schnittansicht 1900 von 19 gezeigt ist, wird bei einigen Ausführungsformen eine Ätzung in das Halbleitersubstrat 104 durchgeführt, um das Halbleitersubstrat 104 in eine nicht-poröse Halbleiterschicht 104n und eine poröse Halbleiterschicht 104P zu unterteilen. Die poröse Halbleiterschicht 104p ist entlang der Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104 angeordnet, und die nicht-poröse Halbleiterschicht 104n ist entlang der Vorderseite des Halbleitersubstrats 104 angeordnet. Die poröse Halbleiterschicht 104p kann zum Beispiel so hergestellt werden, wie es unter Bezugnahme auf 5 beschrieben worden ist.
  • Wie in der Schnittansicht 2000 von 20 gezeigt ist, wird eine periodische Struktur 106 in der Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104 hergestellt. Die periodische Struktur 106 kann zum Beispiel so hergestellt werden, wie es unter Bezugnahme auf 6 beschrieben worden ist.
  • Wie in der Schnittansicht 2100 von 21 gezeigt ist, wird eine hochabsorbierende Schicht 110 so hergestellt, dass sie die Rückseite 104b des Halbleitersubstrats 104 bedeckt. Die hochabsorbierende Schicht 110 kann zum Beispiel so hergestellt werden, wie es unter Bezugnahme auf 7 beschrieben worden ist.
  • Wie in der Schnittansicht 2200 von 22 gezeigt ist, wird eine Passivierungsschicht 112 über der hochabsorbierenden Schicht 110 hergestellt. Die Passivierungsschicht 112 kann zum Beispiel so hergestellt werden, wie es unter Bezugnahme auf 8 beschrieben worden ist.
  • Wie in der Schnittansicht 2300 von 23 gezeigt ist, werden mehrere Farbfilter 404 jeweils über den hochabsorbierenden Pixelsensoren 102a bis 102c hergestellt. Weiterhin werden mehrere Mikrolinsen 406 jeweils über den Farbfiltern 404 hergestellt. Die Farbfilter 404 und/oder die Mikrolinsen 406 können zum Beispiel so hergestellt werden, wie es unter Bezugnahme auf 13 beschrieben worden ist.
  • In 24 wird ein Ablaufdiagramm 2400 einiger Ausführungsformen des Verfahrens der 15 bis 23 bereitgestellt.
  • Im Schritt 2402 wird ein Pixelsensor auf einer Vorderseite eines Halbleitersubstrats hergestellt, wobei der Pixelsensor einen Fotodetektor in dem Halbleitersubstrat aufweist (siehe z. B. 15).
  • Im Schritt 2404 wird eine Verbindungsstruktur so hergestellt, dass sie den Pixelsensor auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats bedeckt, wobei die Verbindungsstruktur Verdrahtungsschichten und Durchkontaktierungen aufweist, die abwechselnd mit den Verdrahtungsschichten aufeinander gestapelt sind (siehe z. B. 16).
  • Im Schritt 2406 wird ein Trägersubstrat über die Verbindungsstruktur an die Vorderseite des Halbleitersubstrats gebondet (siehe z. B. 17).
  • Im Schritt 2408 wird bei einigen Ausführungsformen das Halbleitersubstrat über die Rückseite des Halbleitersubstrats gedünnt (siehe z. B. 18).
  • Im Schritt 2410 wird bei einigen Ausführungsformen eine erste Ätzung in die Rückseite des Halbleitersubstrats durchgeführt, um das Halbleitersubstrat in eine poröse Halbleiterschicht und eine nicht-poröse Halbleiterschicht zu unterteilen (siehe z. B. 19).
  • Im Schritt 2412 wird bei einigen Ausführungsformen eine zweite Ätzung in die Rückseite des Halbleitersubstrats durchgeführt, um eine periodische Struktur entlang der Rückseite des Halbleitersubstrats herzustellen (siehe z. B. 20).
  • Im Schritt 2414 wird eine hochabsorbierende Schicht so hergestellt, dass sie die Rückseite des Halbleitersubstrats bedeckt (siehe z. B. 21).
  • Im Schritt 2416 wird eine Passivierungsschicht so hergestellt, dass sie die hochabsorbierende Schicht auf der Rückseite des Halbleitersubstrats bedeckt (siehe z. B. 22).
  • Im Schritt 2418 werden ein Farbfilter und eine Mikrolinse aufeinander gestapelt über dem Pixelsensor auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats hergestellt (siehe z. B. 23).
  • Das Ablaufdiagramm 2400 von 24 wird hier zwar als eine Reihe von Schritten oder Ereignissen dargestellt und beschrieben, aber es dürfte wohlverstanden sein, dass die dargestellte Reihenfolge dieser Schritte oder Ereignisse nicht in einem beschränkenden Sinn ausgelegt werden darf. Zum Beispiel können einige Schritte in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Schritten oder Ereignissen als den hier dargestellten und/oder beschriebenen stattfinden. Darüber hinaus brauchen nicht alle dargestellten Schritte einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Beschreibung zu implementieren, und ein oder mehrere der hier beschriebenen Schritte können in einem oder mehreren getrennten Schritten und/oder Phasen ausgeführt werden.
  • In Anbetracht des Vorstehenden stellen einige Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung einen Bildsensor bereit. Ein Halbleitersubstrat weist eine nicht-poröse Halbleiterschicht auf. Die nicht-poröse Halbleiterschicht ist entlang einer Vorderseite des Halbleitersubstrats angeordnet. Eine periodische Struktur ist entlang einer Rückseite des Halbleitersubstrats angeordnet. Die periodische Struktur weist eine Vielzahl von Vorsprüngen auf, die von dem Halbleitersubstrat definiert werden. Eine hochabsorbierende Schicht bedeckt die periodische Struktur auf der Rückseite des Halbleitersubstrats. Die hochabsorbierende Schicht ist ein Halbleitermaterial mit einem Energiebandabstand, der kleiner als der der nicht-porösen Halbleiterschicht ist. Ein Fotodetektor ist in dem Halbleitersubstrat und der hochabsorbierenden Schicht angeordnet.
  • Weiterhin stellen weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors bereit. Es wird ein Halbleitersubstrat bereitgestellt. Das Halbleitersubstrat weist eine nicht-poröse Halbleiterschicht auf einer Vorderseite des Halbleitersubstrats auf. Eine Ätzung wird in eine Rückseite des Halbleitersubstrats durchgeführt, um eine Vielzahl von Oberflächenvorsprüngen auf der Rückseite herzustellen. Die Oberflächenvorsprünge werden in einer Rasterstruktur hergestellt, und die Rückseite liegt der Vorderseite gegenüber. Eine hochabsorbierende Schicht wird so hergestellt, dass sie die Oberflächenvorsprünge auf der Rückseite des Halbleitersubstrats bedeckt. Die hochabsorbierende Schicht ist ein Halbleitermaterial mit einem Energiebandabstand, der kleiner als der der nicht-porösen Halbleiterschicht ist. Ein Fotodetektor wird in dem Halbleitersubstrat und der hochabsorbierenden Schicht hergestellt.
  • Außerdem stellen weitere Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung einen Bildsensor bereit. Ein Halbleitersubstrat weist eine nicht-poröse Halbleiterschicht und eine poröse Halbleiterschicht auf. Die nicht-poröse Halbleiterschicht ist entlang einer Vorderseite des Halbleitersubstrats angeordnet. Die poröse Halbleiterschicht ist entlang einer Rückseite des Halbleitersubstrats angeordnet, die der Vorderseite gegenüberliegt. Eine hochabsorbierende Schicht bedeckt die poröse Halbleiterschicht auf der Rückseite des Halbleitersubstrats. Die hochabsorbierende Schicht hat einen höheren Absorptionskoeffizienten als die nicht-poröse Halbleiterschicht. Ein Fotodetektor weist einen Bereich mit einer ersten Dotierungsart und einen Bereich mit einer zweiten Dotierungsart auf. Der Bereich mit der ersten Dotierungsart befindet sich sowohl in der nicht-porösen Halbleiterschicht als auch in der porösen Halbleiterschicht. Der Bereich mit der zweiten Dotierungsart befindet sich in der hochabsorbierenden Schicht und hat eine Dotierungsart, die der des Bereichs mit der ersten Dotierungsart entgegengesetzt ist. Die Bereiche mit der ersten und der zweiten Dotierungsart sind miteinander verbunden, um einen Fotoübergang zu definieren. Ein Übertragungstransistor ist auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats angeordnet. Der Übertragungstransistor weist einen Source-/Drain-Bereich auf, der der Bereich mit der ersten Dotierungsart ist.
  • Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (20)

  1. Bildsensor mit: einem Halbleitersubstrat, das eine nicht-poröse Halbleiterschicht aufweist, wobei die nicht-poröse Halbleiterschicht entlang einer Vorderseite des Halbleitersubstrats angeordnet ist; einer periodischen Struktur entlang einer Rückseite des Halbleitersubstrats, wobei die periodische Struktur eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist, die von dem Halbleitersubstrat definiert werden; einer hochabsorbierenden Schicht, die die periodische Struktur auf der Rückseite des Halbleitersubstrats bedeckt, wobei die hochabsorbierende Schicht ein Halbleitermaterial mit einem Energiebandabstand ist, der kleiner als der der nicht-porösen Halbleiterschicht ist; und einem Fotodetektor in dem Halbleitersubstrat und der hochabsorbierenden Schicht.
  2. Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die nicht-poröse Halbleiterschicht monokristallines Silizium ist, und die hochabsorbierende Schicht Siliziumgermanium oder monokristallines Silizium ist, das mit einem Chalkogen dotiert ist.
  3. Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Energiebandabstand der hochabsorbierenden Schicht kleiner als etwa 1 Elektronenvolt (eV) ist, und der Energiebandabstand der nicht-porösen Halbleiterschicht größer als etwa 1 eV ist.
  4. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hochabsorbierende Schicht Siliziumgermanium ist.
  5. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hochabsorbierende Schicht mit einem Chalkogen dotiert ist, und die hochabsorbierende Schicht aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die nicht-poröse Halbleiterschicht besteht.
  6. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Vorsprung der Vielzahl von Vorsprüngen eine Kegelform oder eine Pyramidenform hat.
  7. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hochabsorbierende Schicht konform die periodische Struktur bedeckt.
  8. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat weiterhin eine poröse Halbleiterschicht entlang der Rückseite des Halbleitersubstrats zwischen der nicht-porösen Halbleiterschicht und der hochabsorbierenden Schicht aufweist, und die periodische Struktur von der porösen Halbleiterschicht definiert wird.
  9. Bildsensor nach Anspruch 8, wobei der Fotodetektor einen pn-Übergang an einer Grenzfläche zwischen der porösen Halbleiterschicht und der hochabsorbierenden Schicht aufweist.
  10. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bildsensor weiterhin einen Pixeltransistor auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats aufweist, wobei der Pixeltransistor einen Source-/Drain-Bereich in der nicht-porösen Halbleiterschicht aufweist.
  11. Bildsensor nach Anspruch 10, wobei der Source-/Drain-Bereich eine erste Dotierungsart hat, die hochabsorbierende Schicht eine zweite Dotierungsart hat, die der ersten Dotierungsart entgegengesetzt ist, und der Source-/Drain-Bereich von der Vorderseite des Halbleitersubstrats bis zu einer Grenzfläche zwischen dem Halbleitersubstrat und der hochabsorbierenden Schicht auf der Rückseite des Halbleitersubstrats verläuft.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats, wobei das Halbleitersubstrat eine nicht-poröse Halbleiterschicht auf einer Vorderseite des Halbleitersubstrats aufweist: Durchführen einer Ätzung in eine Rückseite des Halbleitersubstrats, um eine Vielzahl von Oberflächenvorsprüngen auf der Rückseite herzustellen, wobei die Oberflächenvorsprünge in einer Rasterstruktur hergestellt werden und die Rückseite der Vorderseite gegenüberliegt; Herstellen einer hochabsorbierenden Schicht so, dass sie die Vielzahl von Oberflächenvorsprüngen auf der Rückseite des Halbleitersubstrats bedeckt, wobei die hochabsorbierende Schicht ein Halbleitermaterial mit einem Energiebandabstand ist, der kleiner als der der nicht-porösen Halbleiterschicht ist; und Herstellen eines Fotodetektors in dem Halbleitersubstrat und der hochabsorbierenden Schicht.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Halbleitersubstrat weiterhin eine poröse Halbleiterschicht auf seiner Rückseite aufweist, und die Bereitstellung des Halbleitersubstrats das Durchführen einer zweiten Ätzung in die nicht-poröse Halbleiterschicht umfasst, um die poröse Halbleiterschicht aus einem Teil der nicht-porösen Halbleiterschicht herzustellen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Ätzung selektiv in die poröse Halbleiterschicht durchgeführt wird, um die Vielzahl von Oberflächenvorsprüngen herzustellen.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Fotodetektor einen Bereich mit einer ersten Dotierungsart und einen Bereich mit einer zweiten Dotierungsart aufweist, wobei die Bereiche mit der ersten und der zweiten Dotierungsart entgegengesetzte Dotierungsarten haben und gemeinsam einen pn-Übergang definieren, und die Herstellung des Fotodetektors das Implantieren von Dotanden in die Vorderseite des Halbleitersubstrats umfasst, um den Bereich mit der ersten Dotierungsart herzustellen.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, das weiterhin das Herstellen eines Pixeltransistors auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats umfasst, wobei der Pixeltransistor nach der Herstellung der hochabsorbierenden Schicht hergestellt wird, und der Source-/Drain-Bereich des Pixeltransistors der Bereich mit der ersten Dotierungsart ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, das weiterhin das Herstellen eines Pixeltransistors auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats umfasst, wobei der Pixeltransistor vor der Durchführung der Ätzung hergestellt wird, und ein Source-/Drain-Bereich des Pixeltransistors der Bereich mit der ersten Dotierungsart ist.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei die hochabsorbierende Schicht aus Siliziumgermanium besteht oder aus monokristallinem Silizium besteht, das mit einem Chalkogen dotiert ist.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, das weiterhin Folgendes umfasst: Herstellen einer Passivierungsschicht so, dass sie die hochabsorbierende Schicht auf der Rückseite des Halbleitersubstrats bedeckt; Bonden eines Trägersubstrats über die Passivierungsschicht an die Rückseite des Halbleitersubstrats; und Dünnen des Halbleitersubstrats auf dessen Vorderseite.
  20. Bildsensor mit: einem Halbleitersubstrat, das eine nicht-poröse Halbleiterschicht und eine poröse Halbleiterschicht aufweist, wobei die nicht-poröse Halbleiterschicht entlang einer Vorderseite des Halbleitersubstrats angeordnet ist und die poröse Halbleiterschicht entlang einer Rückseite des Halbleitersubstrats angeordnet ist, die der Vorderseite gegenüberliegt; einer hochabsorbierenden Schicht, die die poröse Halbleiterschicht auf der Rückseite des Halbleitersubstrats bedeckt, wobei die hochabsorbierende Schicht einen höheren Absorptionskoeffizienten als die nicht-poröse Halbleiterschicht hat; einem Fotodetektor, der einen Bereich mit einer ersten Dotierungsart und einen Bereich mit einer zweiten Dotierungsart aufweist, wobei sich der Bereich mit der ersten Dotierungsart sowohl in der nicht-porösen Halbleiterschicht als auch in der porösen Halbleiterschicht befindet, der Bereich mit der zweiten Dotierungsart sich in der hochabsorbierenden Schicht befindet und eine Dotierungsart hat, die der des Bereichs mit der ersten Dotierungsart entgegengesetzt ist, und die Bereiche mit der ersten und der zweiten Dotierungsart miteinander verbunden sind, um einen Fotoübergang zu definieren; und einem Übertragungstransistor auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats, wobei der Übertragungstransistor einen Source-/Drain-Bereich aufweist und der Source-/Drain-Bereich der Bereich mit der ersten Dotierungsart ist.
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