DE102018122505A1

DE102018122505A1 - Rückseitige Tiefgrabenisolier- (BDTI) Struktur für Bildsensor mit Pinned-Photodiode

Info

Publication number: DE102018122505A1
Application number: DE102018122505.9A
Authority: DE
Inventors: Yen-Ting Chiang; Dun-Nian Yaung; Hsiao-Hui Tseng; Jen-Cheng Liu; Yu-Jen Wang; Chun-Yuan Chen
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2019-03-28

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen CMOS-Bildsensor, der eine Photodiode der aufweist, die von einer rückseitigen Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur umgeben ist, und ein dazugehöriges Bildungsverfahren. Bei einigen Ausführungsformen wird eine Vielzahl von Pixelregionen in einem Substrat angeordnet und umfasst jeweils eine Photodiode. Eine rückseitige Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur ist zwischen angrenzenden Pixelregionen angeordnet, die sich von einer Rückseite des Substrats bis zu einer Position in dem Substrat erstrecken. Die BDTI-Struktur umfasst eine dotierte Schicht, die eine Seitenwandfläche eines tiefen Grabens auskleidet, und eine dielektrische Füllschicht, die den verbleibenden Platz des tiefen Grabens ausfüllt. Durch das Bilden der offenbarten BDTI-Struktur, die als dotierte Wanne dient, und einer Isolierstruktur werden die Implantierprozesse von einer Vorderseite des Substrats aus vereinfacht, und somit verbessern sich die Belichtungsauflösung, die Full-Well-Kapazität der Photodiode und die Pinning-Spannung.

Description

BEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität gegenüber der vorläufigen US-Anmeldung Nummer 62/564,342 , eingereicht am 28. September 2017, deren Inhalt hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird.
HINTERGRUND
Digitale Kameras und optische Bildgebungsvorrichtungen verwenden Bildsensoren. Bildsensoren wandeln optische Bilder in digitale Daten um, die als digitale Bilder dargestellt werden können. Ein Bildsensor umfasst eine Pixelmatrix (bzw. ein Raster) zum Detektieren der Licht- und Aufzeichnungsstärke (Helligkeit) des detektierten Lichts. Die Pixelmatrix reagiert auf das Licht durch Akkumulieren einer Ladung. Die akkumulierte Ladung wird dann (beispielsweise durch andere Schaltungen) verwendet, um ein Farb- und Helligkeitssignal zur Verwendung in einer geeigneten Anwendung, wie etwa einer digitalen Kamera, bereitzustellen. Ein Bildsensortyp ist eine rückseitig beleuchtete (BSI) Bildsensorvorrichtung. BSI-Bildsensorvorrichtungen werden verwendet, um ein Volumen von Licht abzutasten, das in Richtung auf eine Rückseite eines Substrats projiziert wird (die einer Vorderseite des Substrats gegenüberliegt, auf der Zusammenschaltungsstrukturen, die mehrere metallische und dielektrische Schichten umfassen, montiert sind). BSI-Bildsensorvorrichtungen stellen im Vergleich zu einer vorderseitig beleuchteten (FSI) Bildsensorvorrichtung eine reduzierte destruktive Interferenz bereit.
Figurenliste
Die Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind am besten aus der folgenden ausführlichen Beschreibung zu verstehen, wenn sie mit den beiliegenden Figuren gelesen wird. Es ist zu beachten, dass wie in der Branche üblich diverse Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. In der Tat können die Abmessungen der diversen Merkmale der Klarheit der Erörterung halber beliebig vergrößert oder verkleinert sein.

1 bildet eine Querschnittansicht einiger Ausführungsformen eines CMOS-(Komplementär-Metalloxid-Halbleiter) Bildsensors ab, der eine Photodiode aufweist, die von einer rückseitigen Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur umgeben ist.
2 bildet eine Querschnittansicht einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors ab, der eine Photodiode umfasst, die von einer rückseitigen Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur umgegeben ist.
3 bildet eine Querschnittansicht einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors ab, der eine Photodiode umfasst, die von einer rückseitigen Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur umgeben ist.
4 bildet eine Querschnittansicht einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors ab, der eine Photodiode umfasst, der von einer rückseitigen Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur umgeben ist.
5A bildet eine Querschnittansicht einiger Ausführungsformen eines integrierten Chips ab, der einen Bildsensor umfasst, der eine Photodiode aufweist, die von einer rückseitigen Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur umgeben ist.
5B bildet eine Querschnittansicht einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines integrierten Chips ab, der einen Bildsensor umfasst, der eine Photodiode aufweist, die von einer rückseitigen Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur umgeben ist.
6 bis 11 bilden einige Ausführungsformen von Querschnittansichten ab, die ein Verfahren zum Bilden eines CMOS-Bildsensors zeigen, der eine Photodiode umfasst, die von einer rückseitigen Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur umgeben ist.
12 bildet ein Ablaufschema einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Bilden eines CMOS-Bildsensors ab, der eine Photodiode aufweist, die von einer rückseitigen Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur umgeben ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Umsetzen verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands bereit. Spezifische Beispiele von Komponenten und Anordnungen werden nachstehend beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Dabei handelt es sich natürlich nur um Beispiele, die nicht dazu gedacht sind, einschränkend zu sein. Beispielsweise kann die Bildung eines ersten Merkmals über oder an einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen die ersten und zweiten Merkmale in direktem Kontakt gebildet werden, und kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Merkmale zwischen den ersten und zweiten Merkmalen gebildet werden können, so dass die ersten und zweiten Merkmale vielleicht nicht in direktem Kontakt stehen. Zudem kann die vorliegende Offenbarung Bezugszeichen und/oder Buchstaben bei den diversen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Klarheit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den diversen Ausführungsformen und/oder den besprochenen Konfigurationen vor.
Ferner können hier räumliche Bezugsbegriffe, wie etwa „unterhalb“, „unter“, „unterer“, „oberhalb“, „über“, „oberer“ und dergleichen, zur einfacheren Beschreibung verwendet werden, um eine Beziehung eines Elements oder eines Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen, wie in den Figuren abgebildet, zu beschreiben. Die räumlichen Bezugsbegriffe sind dazu gedacht, verschiedene Orientierungen der Vorrichtung bei der Verwendung oder dem Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren abgebildeten Orientierung einzubeziehen. Das Gerät kann anders orientiert (um 90 Grad oder in anderen Orientierungen gedreht) werden, und die hier verwendeten räumlichen Bezugsbeschreibungen können ebenso entsprechend ausgelegt werden.
Die Technologien der integrierten Schaltungen (IC) werden ständig verbessert. Diese Verbesserungen bedingen häufig das Reduzieren der Geometrien der Bauelemente, um geringere Fertigungskosten, eine höhere Integrationsdichte der Bauelemente, höhere Geschwindigkeiten und bessere Leistung zu erreichen. Auf Grund der Skalierung der Bauelemente weisen die Pixel der Pixelmatrix eines Bildsensors kleinere Abmessungen auf und liegen näher aneinander. Eine verbesserte elektrische und optische Isolierung zwischen benachbarten Pixeln des Bildsensors wird benötigt, um Überstrahlung und Überschneidung zu reduzieren. Dielektrische Gräben und Implantationswannen können als Isolierstrukturen gefertigt werden, um Bildsensorpixel zu isolieren.
Zudem sind Pinned-Photodioden- (PPD) CMOS-Bildsensoren, die durch geräuscharme Anwendungen angesteuert werden, zur Haupttechnologie für Bildsensoren sowohl für kommerzielle als auch für wissenschaftliche Anwendungen geworden. Der PPD wird durch einen doppelten p-n-Störstellenübergang gebildet, an dem ein p⁺-Oberflächenimplantat, das auch als Pinning-Implantat bezeichnet wird, an einer Oberfläche des Substrats gebildet wird. Diese doppelte p-n-Störstellenübergangsstruktur reduziert nicht nur den Dunkelstrom (durch Isolieren des vergrabenen Sammelkanals gegenüber den Ladungen, die an der SiO₂-Si-Grenzfläche generiert werden), sondern begrenzt auch das maximale PPD-Kanalpotential, das häufig als Pinning-Spannung bezeichnet wird, was dem völlig verarmten Zustand entspricht. Eine Art von aktuellen Fertigungsprozessen für Bildsensoren umfasst eine Reihe von Implantationsprozessen, um das Pinned-Implantat für eine PPD-Struktur und Implantationswannen als Isolierwände zu bilden. Neben der Komplexität der Fertigung bedingen diese Implantationsprozesse jedoch eine dicke Photoresist-Schicht, welche die Belichtungsauflösung reduziert. Auch wird die Full-Well-Kapazität der Photodiode begrenzt, und eine höhere Pinning-Spannung wird durch das Implantationsprofil gebildet, was sich auf die Leistung des Bildsensors negativ auswirkt.
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen CMOS-Bildsensor, der eine rückseitige Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur umfasst, die eine Photodiode umgibt, und ein dazugehöriges Bildungsverfahren. Bei einigen Ausführungsformen weist der CMOS-Bildsensor eine Pixelregion auf, die in einem Substrat angeordnet ist. Die Pixelregion weist eine Photodiode auf, die konfiguriert ist, um Strahlung in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Eine rückseitige Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur, die in der Pixelregion des Substrats angeordnet ist, erstreckt sich von einer Rückseite des Substrats bis zu einer Position in dem Substrat. Die BDTI-Struktur umfasst eine dotierte Schicht und eine dielektrische Schicht, wobei die dotierte Schicht eine Seitenwandfläche eines tiefen Grabens auskleidet und die dielektrische Schicht den verbleibenden Platz des tiefen Grabens ausfüllt. Die BDTI-Struktur kann aus einer Rückseite des Substrats gebildet sein und dient als Isolierstruktur zwischen benachbarten Pixeln und dient auch als dotierte Wanne für die Verarmung. Dadurch werden mit der offenbarten BDTI-Struktur, die als dotierte Wanne dient, die Implantationsprozesse von einer Vorderseite des Substrats aus vereinfacht, und somit werden die Belichtungsauflösung, die Full-Well-Kapazität der Photodiode und die Pinning-Spannung verbessert. Mit der offenbarten BDTI-Struktur, die als tiefe Isolierstruktur dient, werden Überstrahlung und Überschneidung reduziert.
1 bildet eine Querschnittansicht 100 einiger Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors ab, der eine Photodiode aufweist, die von einer rückseitigen Tiefgrabenisolations-(BDTI) Struktur umgeben ist. Der CMOS-Bildsensor umfasst ein Substrat 102, das eine Vorderseite 122 und eine Rückseite 124 aufweist. Bei den diversen Ausführungsformen kann das Substrat 102 eine beliebige Art von Halbleiterkörper (z. B. Silizium/CMOS-Bulk, SiGe, SOI usw.), wie etwa ein Halbleiter-Wafer oder eine oder mehrere Dies auf einem Wafer, sowie eine beliebige andere Art von Halbleiter- und/oder epitaktischen Schichten, die darauf gebildet sind und/oder anderweitig damit verknüpft sind, umfassen. Das Substrat 102 umfasst eine Vielzahl von Pixelregionen, die in dem Substrat 102 in einer Matrix, die Zeilen und/oder Spalten, wie etwa die in 1 gezeigten Pixelregionen 103a, 103b, umfasst, angeordnet sein können. Die Pixelregionen 103a, 103b umfassen jeweils eine Photodiode 104, die konfiguriert ist, um eine einfallende Strahlung oder einfallendes Licht 120 (z. B. Photonen) in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Photodiode 104 eine erste Region 104a in dem Substrat 102, das einen ersten Dotierungstyp (z. B. eine p-leitende Dotierung) aufweist, und eine angrenzende zweite Region 104b in dem Substrat 102, die einen zweiten Dotierungstyp (z. B. eine n-leitende Dotierung) aufweist, der anders als der erste Dotierungstyp ist.
Eine rückseitige Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur 111 ist in dem Substrat 102 angeordnet, das sich von der Rückseite 124 bis zu einer Position in dem Substrat 102 erstreckt. Die BDTI-Struktur 111 ist zwischen den angrenzenden Pixelregionen 103a, 103b angeordnet und isoliert diese. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die BDTI-Struktur 111 eine dotierte Schicht 114 mit dem ersten Dotierungstyp (z. B. einer p-leitenden Dotierung) und eine dielektrische Füllschicht 112 (z. B. eine Oxidschicht). Die dotierte Schicht 114 kleidet eine Seitenwandfläche eines tiefen Grabens aus, und die dielektrische Füllschicht 112 füllt einen verbleibenden Platz des tiefen Grabens aus.
Bei einigen Ausführungsformen ist eine dotierte Isolierschicht 110 in dem Substrat 102 angeordnet, das sich von der Vorderseite 122 bis zu einer Position in dem Substrat 102 erstreckt. Die dotierte Isolierschicht 110 kann den ersten Dotierungstyp (z. B. eine p-leitende Dotierung) aufweisen. Die dotierte Isolierschicht 110 kann einen seitlichen Abschnitt 110a und einen senkrechten Abschnitt 110b, der sich tiefer in das Substrat erstreckt, umfassen. Der seitliche Abschnitt 110a erstreckt sich entlang der Vorderseite 122 des Substrats 102. Der seitliche Abschnitt 110a kann eine seitliche Oberfläche der Photodiode 104 berühren und dient als Pinned-Implantationsschicht für die Photodiode 104. Der senkrechte Abschnitt 110b erstreckt sich von der Vorderseite 122 des Substrats 102 bis zu einer Position in dem Substrat 102 zwischen den angrenzenden Pixelregionen 103a, 103b. Der seitliche Abschnitt 110a kann stark dotiert sein (z. B. mit einem niedrigen spezifischen Widerstand im Milliohm/cm-Bereich) und eine Dotierungskonzentration aufweisen, die größer als die des senkrechten Abschnitts 110b ist. Bei einigen Ausführungsformen ist der senkrechte Abschnitt 110b senkrecht auf die BDTI-Struktur 111 ausgerichtet (z. B. hat er damit eine gemeinsame Mittellinie 126). Der senkrechte Abschnitt 110b kann in dem Substrat 102 auf die BDTI-Struktur 111 treffen. Ein unterer Abschnitt der BDTI-Struktur 111 kann in einer ausgesparten oberen Oberfläche des senkrechten Abschnitts 110b der dotierten Isolierschicht 110 angeordnet sein. Die BDTI-Struktur 111 und die dotierte Isolierschicht 110 dienen gemeinsam als Isolierungen für die Pixelregionen 103a, 103b, so dass Überschneidung und Überstrahlung zwischen den Pixelregionen 103a, 103b reduziert werden können. Die BDTI-Struktur 111 und die dotierte Isolierschicht 110 ermöglichen auch insgesamt eine Verarmung der Photodiode 104 während des Betriebs, so dass sich die Full-Well-Kapazität und die Pinning-Spannung verbessern.
Bei einigen Ausführungsformen ist eine Vielzahl von Farbfiltern 116 über der Rückseite 124 des Substrats 102 angeordnet. Die Vielzahl von Farbfiltern 116 ist jeweils konfiguriert, um spezifische Wellenlängen von einfallender Strahlung oder einfallendem Licht 120 durchzulassen. Beispielsweise kann ein erstes Farbfilter (z. B. ein rotes Farbfilter) Licht durchlassen, das Wellenlängen in einem ersten Bereich aufweist, während ein zweites Farbfilter Licht durchlassen kann, das Wellenlängen in einem zweiten Bereich aufweist, der anders als der erste Bereich ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl von Farbfiltern 116 in einer Gitterstruktur angeordnet sein, die dem Substrat 102 überlagert ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Gitterstruktur ein Stapelgitter umfassen, das einen metallischen Rahmen aufweist, der von einem dielektrischen Material umgeben ist. Bei einigen Ausführungsformen können eine Schicht aus dielektrischem Material und das Stapelgitter das gleiche dielektrische Material (z. B. Siliziumdioxid (SiO2)) aufweisen.
Eine Vielzahl von Mikrolinsen 118 ist über der Vielzahl von Farbfiltern 116 angeordnet. Die jeweiligen Mikrolinsen 118 sind seitlich auf die Farbfilter 116 ausgerichtet und liegen über den Pixelregionen 103a, 103b. Bei einigen Ausführungsformen weist die Vielzahl von Mikrolinsen 118 eine im Wesentlichen flache untere Oberfläche, die an der Vielzahl von Farbfiltern 116 anliegt, und eine gekrümmte obere Oberfläche auf. Die gekrümmte obere Oberfläche ist konfiguriert, um die einfallende Strahlung oder das einfallende Licht 120 (z. B. Licht in Richtung auf die darunterliegenden Pixelregionen 103a, 103b) zu bündeln. Während des Betriebs des CMOS-Bildsensors wird die einfallende Strahlung oder das einfallende Licht 120 durch die Mikrolinse 118 auf die darunterliegenden Pixelregionen 103a, 103b gebündelt. Wenn eine einfallende Strahlung oder ein einfallendes Licht mit ausreichender Energie auf die Photodiode 104 trifft, generiert es ein Elektronenlochpaar, das einen Photostrom erzeugt. Insbesondere versteht es sich, dass, obwohl die Mikrolinsen 118 in 1 als an dem Bildsensor fixiert gezeigt werden, der Bildsensor vielleicht keine Mikrolinse umfasst, und die Mikrolinse später an dem Bildsensor in einer getrennten Herstellungsaktivität angebracht werden kann.
2 bildet eine Querschnittansicht einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors ab, der die Photodiode 104 umfasst, die von der BDTI-Struktur 111 umgeben ist. Neben ähnlichen Merkmalen, die zuvor für 1 gezeigt und beschrieben wurden, umfasst die BDTI-Struktur 111 bei einigen Ausführungsformen, wie in 2 gezeigt, ferner eine dielektrische Auskleidung 113 mit hohem K-Wert, die zwischen der dotierten Schicht 114 und der dielektrischen Füllschicht 112 angeordnet ist. Die dielektrische Auskleidung 113 mit hohem K-Wert kann als Passivierungsschicht dienen und die dotierte Schicht 114 von der dielektrischen Füllschicht 112 trennen. Die dielektrische Auskleidung 113 mit hohem K-Wert kann beispielsweise Aluminiumoxid (A1O), Hafniumoxid (HfO), Hafnium-Siliziumoxid (HfSiO), Hafnium-Aluminiumoxid (HfA1O) oder Hafnium-Tantaloxid (HfTaO) umfassen. Bei einigen Ausführungsformen, die anders als die in 1 gezeigten sind, bei denen die dotierte Schicht 114 und die dielektrische Füllschicht 112 obere Oberflächen aufweisen, die zu einer seitlichen Oberfläche der Rückseite 124 des Substrats 102 koplanar sind, können sich in 2 die dotierte Schicht 114, die dielektrische Auskleidung 113 mit hohem K-Wert und die dielektrische Füllschicht 112 von dem tiefen Graben aus nach oben über die Rückseite 124 des Substrats 102 erstrecken und seitlich entlang der Rückseite des Substrats 102 angeordnet sein. Die dotierte Schicht 114 und die dielektrische Auskleidung 113 mit hohem K-Wert können konforme Schichten sein. Der in 2 gezeigte Bildsensor kann eine Zwischenstruktur sein, und die dotierte Schicht 114, die dielektrische Auskleidung 113 mit hohem K-Wert und die dielektrische Füllschicht 112 können einem Planarisierungsprozess unterzogen werden oder nicht, so dass die oberen Oberflächen der Schichten geändert werden könnten.
Bei einigen Ausführungsformen ist eine schwebende Diffusionswanne 204 zwischen den angrenzenden Pixelregionen 103a, 103b von der Vorderseite 122 des Substrats bis zu einer Position in dem Substrat 102 angeordnet. Ein Transfer-Gate 202 ist auf der Vorderseite 122 des Substrats 102 in einer Position seitlich zwischen der Photodiode 104 und der schwebenden Diffusionswanne 204 angeordnet. Während des Betriebs steuert das Transfer-Gate 202 den Ladungstransfer von der Photodiode 104 auf die schwebende Diffusionswanne 204. Falls der Ladestand in der schwebenden Diffusionswanne 204 hoch genug ist, wird ein Source-Folgetransistor (nicht gezeigt) aktiviert und die Ladungen werden gemäß dem Betrieb eines Zeilenauswahltransistors (nicht gezeigt), der für die Adressierung verwendet wird, selektiv ausgegeben. Ein Rücksetztransistor (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um die Photodiode 104 zwischen den Belichtungsperioden zurückzusetzen.
3 bildet eine Querschnittansicht einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors ab, der die Photodiode 104 umfasst, die von der BDTI-Struktur 111 umgeben ist. Neben ähnlichen Merkmalen, die zuvor für 1 und 2 gezeigt und beschrieben wurden, ist bei einigen Ausführungsformen, wie in 3 gezeigt, eine Flachgrabenisolations-(STI) Struktur 302 zwischen den angrenzenden Pixelregionen 103a, 103b von der Vorderseite 122 des Substrats 102 bis zu einer Position in dem Substrat 102 angeordnet. Die STI-Struktur 302 und die BDTI-Struktur 111 sind senkrecht ausgerichtet (z. B. haben sie eine gemeinsame Mittellinie 304, die eine gemeinsame Mittellinie mit dem senkrechten Abschnitt 110b der dotierten Isolierschicht 110 haben kann oder nicht). Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich der senkrechte Abschnitt 110b der dotierten Isolierschicht 110 von der Vorderseite 122 des Substrats 102 bis zu einer Position in dem Substrat 102 und umgibt die STI-Struktur 302. Der senkrechte Abschnitt 110b der dotierten Isolierschicht 110 kann die STI-Struktur 302 von der BDTI-Struktur 111 trennen. Somit dienen die BDTI-Struktur 111, die dotierte Isolierschicht 110 und die STI-Struktur 302 zusammen als Isolierungen für die Pixelregionen 103a, 103b, so dass Überschneidung und Überstrahlung zwischen den Pixelregionen 103a, 103b reduziert werden können. Die BDTI-Struktur 111 und die dotierte Isolierschicht 110 ermöglichen zusammen auch die Verarmung der Photodiode 104 während des Betriebs, so dass sich die Full-Well-Kapazität und die Pinning-Spannung verbessern.
4 bildet eine Querschnittansicht einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors ab, der die Photodiode 104 umfasst, die von der BDTI-Struktur 111 umgeben ist. Als alternative Ausführungsform zu 3, bei der die dotierte Isolierschicht 110 die STI-Struktur 302 von der BDTI-Struktur 111 trennt, wie in 4 gezeigt, erstreckt sich die BDTI-Struktur tiefer in das Substrat 102 und trifft auf die STI-Struktur 302. Bei einigen Ausführungsformen landet die dotierte Schicht 114 der BDTI-Struktur 111 auf einer ebenen oder ausgesparten oberen Oberfläche der STI-Struktur 302, während sich die dielektrische Auskleidung 113 mit hohem K-Wert und/oder die dielektrische Füllschicht 112 der BDTI-Struktur 111 weiter nach unten bis zu einer konkaven Aussparung der STI-Struktur 302 erstreckt bzw. erstrecken.
5A bildet eine Querschnittansicht einiger Ausführungsformen eines integrierten Chips ab, der einen Bildsensor umfasst, der die Photodiode 104 aufweist, die von der BDTI-Struktur 111 umgeben ist. Neben ähnlichen Merkmalen, die zuvor gezeigt und beschrieben wurden, ist bei einigen Ausführungsformen, wie in 5A gezeigt, ein Back-End-of-Line-(BEOL) Metallisierungsstapel 108 auf der Vorderseite 122 des Substrats 102 angeordnet. Der BEOL-Metallisierungsstapel 108 umfasst eine Vielzahl von metallischen Zusammenschaltungsschichten, die in einer oder mehreren dielektrischen Zwischenebenen-(ILD) Schichten 106 angeordnet sind. Die ILD-Schichten 106 können eine oder mehrere von einer dielektrischen Schicht mit niedrigem K-Wert (d. h. ein Dielektrikum mit einer dielektrischen Konstante von weniger als etwa 3,9), einer dielektrischen Schicht mit besonders niedrigem K-Wert oder einem Oxid (z. B. Siliziumoxid) umfassen. Eine logische Gate-Vorrichtung 502 kann in dem gleichen integrierten Chip des Bildsensors angeordnet sein und durch eine logische STI-Struktur 504 isoliert sein. Leitfähige Kontakte 506 sind in den ILD-Schichten 106 angeordnet. Die leitfähigen Kontakte 506 erstrecken sich von dem Transfer-Gate 202 und der schwebenden Diffusionswanne 204 bis zu einer oder mehreren Metalldrahtschichten 508. Bei diversen Ausführungsformen können die leitfähigen Kontakte 506 ein leitfähiges Metall, wie beispielsweise Kupfer oder Wolfram, umfassen.
5B bildet eine Querschnittansicht einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines integrierten Chips ab, der einen Bildsensor umfasst, der die Photodiode 104 aufweist, die von der BDTI-Struktur 111 umgeben ist. Als Alternative der zuvor offenbarten Ausführungsformen kann der Bildsensor die zweite Region 104b der Photodiode 104 mit einer seitlichen Abmessung aufweisen, die kleiner als die der ersten Region 104a ist. Die schwebende Diffusionswanne 204 ist zwischen den STI-Strukturen 302 auf der anderen Seite des Transfer-Gates 202 gegenüber der Photodiode 104 angeordnet. Die logische STI-Struktur 504 kann die gleichen oder andere Abmessungen wie die STI-Struktur 302 aufweisen.
6 bis 11 bilden einige Ausführungsformen von Querschnittansichten ab, die ein Verfahren zum Bilden eines CMOS-Bildsensors zeigen, der eine Photodiode aufweist, die von einer rückseitigen Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur umgeben ist.
Wie in der Querschnittansicht 600 aus 6 gezeigt, werden Dotierungsstoffe in ein Substrat 102 implantiert, um eine dotierte Region zu bilden, die eine Photodiode 104 und eine dotierte Isolierschicht 110 in einer Vorderseite 122 des Substrats 102 umfasst. Bei diversen Ausführungsformen kann das Substrat 102 eine beliebige Art von Halbleiterkörper (z. B. Silizium/CMOS-Bulk, SiGe, SOI usw.), wie etwa einen Halbleiter-Wafer oder eine oder mehrere Dies auf einem Wafer, sowie eine beliebige andere Art von Halbleiter und/oder epitaktischen Schichten, die darauf gebildet und/oder anderweitig damit verknüpft sind, umfassen. Das Substrat 102 kann vorbereitet werden, indem es eine erste Region 104a der Photodiode umfasst, die mit einem ersten Dotierungstyp (z. B. p-leitend) gebildet werden soll. Dann kann ein Deckimplantat oder ein abgestufter epitaktischer Wachstumsprozess ausgeführt werden, um eine zweite Region 104b der Photodiode zu bilden, die mit einem ersten Dotierungstyp (z. B. p-leitend) gebildet werden soll. Ein Dotierungsstoff wird dann in das Substrat 102 implantiert, um eine dotierte Isolierschicht 110 zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen können die Dotierungsstoffe den ersten Leitungstyp (z. B. ein p-leitendes Dotierungsmittel, wie etwa Bor), der in die Vorderseite 122 des Substrats 102 implantiert wird, umfassen. Bei anderen Ausführungsformen können die Dotierungsstoffe ein n-leitendes Dotierungsmittel (z. B. Phosphor) umfassen. Bei einigen Ausführungsformen können die Dotierungsstoffe als Deckimplantation (d. h. als unmaskierte Implantation) implantiert werden, um einen seitlichen Abschnitt 110a zu bilden, der sich bis auf eine erste Tiefe des Substrats 102 von der Vorderseite 122 aus erstreckt, gefolgt von einer selektiven Implantation (d.h. einer maskierten Implantation), um einen senkrechten Abschnitt 110b zu bilden, der eine Vielzahl von Spalten umfasst, die sich bis auf eine zweite Tiefe des Substrats 102 erstrecken, die tiefer als die erste Tiefe ist. Der seitliche Abschnitt 110a kann eine höhere Dotierungskonzentration als der senkrechte Abschnitt 110b aufweisen.
Wie in der Querschnittansicht 700 aus 7 gezeigt, wird ein Transfer-Gate 202 über einer Vorderseite 122 des Substrats 102 gebildet. Das Transfer-Gate 202 kann gebildet werden, indem eine dielektrische Gate-Schicht und eine Gate-Elektrodenschicht über dem Substrat 102 abgeschieden werden. Die dielektrische Gate-Schicht und die Gate-Elektrodenschicht werden anschließend strukturiert, um eine dielektrische Gate-Schicht und eine Gate-Elektrode zu bilden. An den äußeren Seitenwänden der Gate-Elektrode können Seitenwandabstandshalter gebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen können die Seitenwandabstandshalter durch Abscheiden von Nitrid auf die Vorderseite 122 des Substrats 102 und selektives Ätzen des Nitrids, um die Seitenwandabstandshalter zu bilden, gebildet werden. Es werden Implantationsprozesse in der Vorderseite 122 des Substrats 102 ausgeführt, um eine schwebende Diffusionswanne 204 entlang einer Seite des Transfer-Gates 202 oder gegenüberliegenden Seiten eines Paars der Transfer-Gates 202 zu bilden, wie in 7 gezeigt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 102 gemäß einer strukturierten Maskierungsschicht (nicht gezeigt), die ein Photoresist umfasst, selektiv implantiert werden.
Bei einigen Ausführungsformen, wie in der Querschnittansicht 1000 aus 10 gezeigt, kann bzw. können eine oder mehrere Isolierstrukturen 302 (z.B. Flachgrabenisolierregionen) in der Vorderseite 122 des Substrats 102 auf gegenüberliegenden Seiten einer Pixelregion 103a, 103b gebildet werden. Die eine oder die mehreren Isolierstrukturen 302 kann bzw. können dadurch gebildet werden, dass die Vorderseite 122 des Substrats 102 selektiv geätzt wird, um flache Gräben zu bilden, und anschließend ein Oxid in den flachen Gräben gebildet wird. Die eine oder die mehreren Isolierstrukturen 302 kann bzw. können vor oder nach der Bildung des Transfer-Gates 202 und/oder der schwebenden Diffusionswanne 204 gebildet werden.
Obwohl dies in 6 oder 10 nicht gezeigt ist, kann ein BEOL-Metallisierungsstapel, der eine Vielzahl von metallischen Zusammenschaltungsschichten umfasst, die in einer ILD-Schicht angeordnet sind (siehe beispielsweise 5A oder 5B für die BEOL-Metallisierungsstapel 108 und die ILD-Schicht 106), über der Vorderseite 122 des Substrats 102 gebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der BEOL-Metallisierungsstapel durch Bilden der ILD-Schicht, die eine oder mehrere Schichten aus ILD-Material umfasst, über der Vorderseite 122 des Substrats 102 gebildet werden. Die ILD-Schicht wird anschließend geätzt, um Kontaktlöcher und/oder Metallgräben zu bilden. Die Kontaktlöcher und/oder Metallgräben werden dann mit einem leitenden Material gefüllt, um die Vielzahl von metallischen Zusammenschaltungsschichten zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen kann die ILD-Schicht durch eine physikalische Dampfabscheidungstechnik (z. B. PVD, CVD usw.) abgeschieden werden. Die Vielzahl von metallischen Zusammenschaltungsschichten kann unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses und/oder eines Galvanisierungsverfahrens (z. B. galvanisches Beschichten, chemisches Beschichten usw.) gebildet werden. Bei diversen Ausführungsformen kann die Vielzahl von metallischen Zusammenschaltungsschichten beispielsweise Wolfram, Kupfer oder Aluminiumkupfer umfassen. Die ILD-Schicht kann dann an ein Handhabungssubstrat (nicht gezeigt) gebondet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Bondprozess eine Bondoxid-Zwischenschicht verwenden, die zwischen der ILD-Schicht und dem Handhabungssubstrat angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen kann der Bondprozess einen Schmelzbondprozess umfassen.
Wie in der Querschnittansicht 800 aus 8 gezeigt, wird das Substrat 102 zur weiteren Verarbeitung auf eine Rückseite 124, die der Vorderseite 122 gegenüberliegt, umgedreht. Das Substrat 102 wird selektiv geätzt, um in der Rückseite 124 des Substrats 102 tiefe Gräben 802 zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 102 geätzt werden, indem eine Maskierungsschicht auf der Rückseite 124 des Substrats 102 gebildet wird. Das Substrat 102 wird dann in den Regionen, die nicht von der Maskierungsschicht bedeckt sind, einem Ätzmittel ausgesetzt. Das Ätzmittel ätzt das Substrat 102, um tiefe Gräben 802 zu bilden, die sich bis zu dem Substrat 102 erstrecken. Bei diversen Ausführungsformen kann die Maskierungsschicht ein Photoresist oder ein Nitrid (z. B. SiN) umfassen, das unter Verwendung eines Photolithographieprozesses strukturiert wird. Bei diversen Ausführungsformen kann das Ätzmittel ein Trockenätzmittel mit einer Ätzchemikalie, die einen Fluordotierungsstoff (z. B. CF₄, CHF₃, C₄F8 usw.) umfasst, oder ein Nassätzmittel (z. B. Fluorwasserstoffsäure (HF) oder Tetramethylammoniakhydrat (TMAH)) umfassen. Die tiefen Gräben 802 erstrecken sich durch die dotierte Isolierschicht 110 bis zu einer Position in dem Substrat 102 und trennen die Photodiode 104 seitlich ab. Das Substrat 102 kann verdünnt werden, um die Dicke des Substrats 102 zu reduzieren, bevor die tiefen Gräben gebildet werden, und um eine Strahlung durch die Rückseite 124 des Substrats 102 auf die Photodiode 104 durchzulassen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 102 verdünnt werden, indem die Rückseite 124 des Halbleitersubstrats geätzt wird. Bei anderen Ausführungsformen kann das Substrat 102 durch mechanisches Schleifen der Rückseite 124 des Halbleitersubstrats verdünnt werden.
Wie in der Querschnittansicht 900 aus 9 oder der Querschnittansicht 1100 aus 11 gezeigt, wird eine selbstausgerichtete dotierte Schicht 114 entlang den Seitenwänden der tiefen Gräben 802 gebildet. Die dotierte Schicht 114 kann durch einen Implantationsprozess, einen Plasmadotierungsprozess, einen epitaktischen Wachstumsprozess, einen Atomschichtabscheidungsprozess oder andere geeignete Techniken gebildet werden. Die tiefen Gräben 802 werden dann mit dielektrischem Material gefüllt. Bei einigen Ausführungsformen wird eine dielektrische Auskleidung 113 mit hohem K-Wert in den tiefen Gräben 802 auf der dotierten Schicht 114 gebildet. Die dielektrische Auskleidung 113 mit hohem K-Wert kann durch Abscheidungstechniken gebildet werden und kann Aluminiumoxid (A10), Hafniumoxid (HfO), Tantaloxid (TaO) oder andere dielektrische Materialien, die eine dielektrische Konstante aufweisen, die größer als die von Siliziumoxid ist, umfassen. Die dotierte Schicht 114 und die dielektrische Auskleidung 113 mit hohem K-Wert kleiden die Seitenwände und die unteren Oberflächen der tiefen Gräben 802 aus. Bei einigen Ausführungsformen können sich die dotierte Schicht 114 und die dielektrische Auskleidung 113 mit hohem K-Wert über die Rückseite 124 des Substrats 102 zwischen den tiefen Gräben 802 erstrecken. Eine dielektrische Füllschicht 112 wird gebildet, um den Rest der tiefen Gräben 802 auszufüllen. Bei einigen Ausführungsformen wird ein Planarisierungsprozess nach dem Bilden der dielektrischen Füllschicht 112 ausgeführt, um eine planare Oberfläche zu bilden, die sich entlang einer oberen Oberfläche der dielektrischen Auskleidung 113 mit hohem K-Wert und der dielektrischen Füllschicht 112 erstreckt. Bei einigen Ausführungsformen können die dielektrische Auskleidung 113 mit hohem K-Wert und die dielektrische Füllschicht 112 abgeschieden werden, indem eine physikalische Dampfabscheidungstechnik verwendet wird. Dadurch wird die BDTI-Struktur 111 in dem Substrat 102 gebildet, das sich von der Rückseite 124 bis zu einer Position in dem Substrat 102 erstreckt. Die BDTI-Struktur 111 ist zwischen den angrenzenden Pixelregionen 103a, 103b angeordnet und isoliert diese.
Obwohl dies in der Figur nicht gezeigt ist, kann eine Vielzahl von Farbfiltern (siehe beispielsweise die in 1 gezeigten Farbfilter 116) anschließend über der Rückseite 124 des Substrats 102 gebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl von Farbfiltern dadurch gebildet werden, dass eine Farbfilterschicht gebildet und die Farbfilterschicht strukturiert wird. Die Farbfilterschicht wird aus einem Material gebildet, das eine Strahlung (z. B. Licht), die einen spezifischen Wellenlängenbereich aufweist, durchlässt und dabei Licht mit Wellenlängen außerhalb des vorgegebenen Bereichs blockiert. Ferner wird bei einigen Ausführungsformen die Farbfilterschicht im Anschluss an die Bildung planarisiert. Eine Vielzahl von Mikrolinsen (siehe beispielsweise die in 1 gezeigten Mikrolinsen 118) kann über der Vielzahl von Farbfiltern gebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl von Mikrolinsen gebildet werden, indem ein Mikrolinsenmaterial über der Vielzahl von Farbfiltern (z. B. durch ein Aufschleuderverfahren oder einen Abscheidungsprozess) abgeschieden wird. Eine Mikrolinsenschablone, die eine gekrümmte obere Oberfläche aufweist, wird über dem Mikrolinsenmaterial strukturiert. Bei einigen Ausführungsformen kann die Mikrolinsenschablone ein Photoresist-Material umfassen, das unter Verwendung einer verteilten Belichtungsdosis (z. B. wird bei einem negativen Photoresist der untere Teil der Krümmung mehr belichtet und der obere Teil der Krümmung wird weniger belichtet) belichtet wird, entwickelt wird und ausgehärtet wird, um eine abgerundete Form zu bilden. Die Vielzahl von Mikrolinsen wird dann gebildet, indem das Mikrolinsenmaterial gemäß der Mikrolinsenschablone selektiv geätzt wird.
12 bildet ein Ablaufschema einiger Ausführungsformen eines Verfahrens 1200 zum Bilden eines CMOS-Bildsensors ab, der eine Photodiode aufweist, die von einer rückseitigen Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur umgeben ist.
Obwohl das offenbarte Verfahren 1200 hier als eine Reihe von Schritten oder Ereignissen abgebildet ist und beschrieben wird, versteht es sich, dass die abgebildete Reihenfolge dieser Schritte und Ereignisse nicht als einschränkend auszulegen ist. Beispielsweise können einige Schritte in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Schritten oder Ereignissen als den hier abgebildeten und/oder beschriebenen vorkommen. Zudem kann es sein, dass nicht alle abgebildeten Schritte notwendig sind, um einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung umzusetzen. Ferner kann bzw. können ein oder mehrere der hier abgebildeten Schritte in einem oder mehreren getrennten Schritten und/oder Phasen durchgeführt werden.
Bei 1202 werden eine Photodiode und eine dotierte Isolierschicht in der Vorderseite des Substrats gebildet. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Teil der Photodiode und/oder der dotierten Isolierschicht durch Implantieren von Dotierungsstoffen in der Vorderseite des Substrats gebildet werden. Die dotierte Isolierschicht kann als Deckimplantation implantiert werden, um einen seitlichen Abschnitt zu bilden, gefolgt von einer selektiven Implantation, um einen senkrechten Abschnitt zu bilden, der eine Vielzahl von Spalten umfasst, die sich weiter in das Substrat hinein erstrecken als der seitliche Abschnitt. Der seitliche Abschnitt kann eine höhere Dotierungskonzentration als der senkrechte Abschnitt aufweisen. 6 bildet eine Querschnittansicht ab, die einigen Ausführungsformen entspricht, die dem Schritt 1202 entsprechen.
Bei 1204 werden eine schwebende Diffusionswanne und ein Transfer-Gate in der Vorderseite des Substrats gebildet. Ein BEOL-Metallisierungsstapel wird über dem Transfertransistor auf der Vorderseite des Substrats gebildet. 7 bildet eine Querschnittansicht ab, die einigen Ausführungsformen entspricht, die dem Schritt 1204 entsprechen.
Bei 1206 kann eine Flachgrabenisolierregion in der Vorderseite des Substrats gebildet werden, indem das Substrat selektiv geätzt wird, um flache Gräben zu bilden, und indem anschließend ein Dielektrikum (z. B. ein Oxid) in den flachen Gräben gebildet wird. Die eine oder die mehreren Isolierstrukturen kann bzw. können vor oder nach der Bildung des Transfer-Gates und/oder der schwebenden Diffusionswanne gebildet werden. 10 bildet eine Querschnittansicht ab, die einigen Ausführungsformen entspricht, die dem Schritt 1206 entsprechen.
Bei 1208 wird das Substrat zur weiteren Verarbeitung umgedreht. Eine Rückseite des Substrats wird selektiv geätzt, um tiefe Gräben zu bilden, die sich in das Substrat erstrecken. Die tiefen Gräben können eine Mittellinie aufweisen, die auf die des senkrechten Abschnitts der dotierten Isolierschicht und/oder der Flachgrabenisolierregion ausgerichtet ist. 8 bildet eine Querschnittansicht an, die einigen Ausführungsformen entspricht, die dem Schritt 1208 entsprechen.
Bei 1210 werden die tiefen Gräben ausgefüllt, um rückseitige Tiefgrabenisolations-(BDTI) Strukturen zu bilden, die durch die dotierte Isolierschicht von der Photodiode getrennt sind. 9 bildet eine Querschnittansicht ab, die einigen Ausführungsformen entspricht, die dem Schritt 1210 entsprechen. Bei 1212 wird eine dotierte Schicht entlang den Seitenwänden der tiefen Gräben gebildet. Bei 1214 wird eine dielektrische Auskleidung mit hohem K-Wert in den tiefen Gräben auf der dotierten Schicht gebildet. Bei 1216 wird eine dielektrische Füllschicht gebildet, um den Rest der tiefen Gräben auszufüllen.
Bei 1218 werden Farbfilter und Mikrolinsen über die Rückseite des Halbleitersubstrats gebildet.
Daher betrifft die vorliegende Offenbarung einen CMOS-Bildsensor, der eine Photodiode aufweist, die von einer rückseitigen Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur umgeben ist, und ein dazugehöriges Bildungsverfahren. Die BDTI-Struktur umfasst eine dotierte Schicht, wobei die dotierte Schicht eine Seitenwandfläche eines tiefen Grabens auskleidet, und eine dielektrische Schicht, die den verbleibenden Platz des tiefen Grabens ausfüllt. Durch das Bilden der offenbarten BDTI-Struktur, die als dotierte Wanne dient, und einer Isolierstruktur werden die Implantationsprozesse von einer Vorderseite des Substrats aus vereinfacht, und somit werden die Belichtungsauflösung, die Full-Well-Kapazität der Photodiode und die Pinning-Spannung verbessert, und Überstrahlung und Überschneidung werden reduziert.
Bei einigen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung einen CMOS-Bildsensor. Der Bildsensor umfasst ein Substrat, das eine Vorderseite und eine Rückseite gegenüber der Vorderseite aufweist. Eine Vielzahl von Pixelregionen ist in dem Substrat angeordnet und umfasst jeweils eine Photodiode, die konfiguriert ist, um eine Strahlung, die in das Substrat von der Rückseite aus eintritt, in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Eine rückseitige Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur ist zwischen angrenzenden Pixelregionen angeordnet, die sich von der Rückseite des Substrats bis zu einer Position in dem Substrat erstrecken. Die BDTI-Struktur umfasst eine dotierte Schicht mit einem ersten Dotierungstyp und eine dielektrische Füllschicht, wobei die dotierte Schicht eine Seitenwandfläche eines tiefen Grabens auskleidet und die dielektrische Füllschicht den verbleibenden Platz des tiefen Grabens ausfüllt.
Bei einigen alternative Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung einen CMOS-Bildsensor. Der Bildsensor umfasst ein Substrat, das eine Vorderseite und eine Rückseite gegenüber der Vorderseite aufweist. Eine Photodiode ist in dem Substrat angeordnet. Eine rückseitige Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur erstreckt sich von der Rückseite des Substrats bis zu Positionen in dem Substrat auf gegenüberliegenden Seiten der Photodiode. Ein Back-End-of-Line- (BEOL) Metallisierungsstapel ist auf der Vorderseite des Substrats angeordnet und umfasst eine Vielzahl von metallischen Zusammenschaltungsschichten, die in einer dielektrischen Zwischenebenenschicht angeordnet sind. Die BDTI-Struktur umfasst eine dotierte Schicht mit einem ersten Dotierungstyp und eine dielektrische Füllschicht, wobei die dotierte Schicht eine Seitenwandfläche eines tiefen Grabens auskleidet und die dielektrische Füllschicht den verbleibenden Platz des tiefen Grabens ausfüllt, und eine Vielzahl von metallischen Zusammenschaltungsschichten, die in einer dielektrischen Zwischenebenenschicht angeordnet sind.
Bei noch anderen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Bilden eines Bildsensors. Das Verfahren umfasst das Bilden von Dotierungsschichten, die Photodioden einer Vielzahl von Pixelregionen von einer Vorderseite eines Substrats entsprechen. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer dotierten Isolierschicht von der Vorderseite des Substrats aus durch Implantieren eines Dotierungsstoffs in das Substrat durch eine Vielzahl von Implantierprozessen, wobei die dotierte Isolierschicht einen senkrechten Abschnitt zwischen angrenzenden Pixelregionen umfasst. Das Verfahren umfasst ferner das Umdrehen des Substrats und das Ätzen von einer Rückseite des Substrats aus, um einen tiefen Graben zwischen angrenzenden Pixelregionen zu bilden und sich in das Substrat zu erstrecken, wobei die Rückseite des Substrats der Vorderseite des Substrats gegenüberliegt. Das Verfahren umfasst ferner das Füllen des tiefen Grabens mit einer dotierten Schicht und einer dielektrischen Füllschicht, um eine rückseitige Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur zu bilden, die zwischen den angrenzenden Pixelregionen angeordnet ist und Photodioden von den angrenzenden Pixelregionen trennt.
Das Vorstehende erläutert die Merkmale von mehreren Ausführungsformen, so dass der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Der Fachmann wird verstehen, dass er die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres als Grundlage für das Entwerfen oder Ändern anderer Prozesse und Strukturen verwenden kann, um die gleichen Zwecke zu erfüllen und/oder die gleichen Vorteile wie die der hier eingeführten Ausführungsformen zu erreichen. Der Fachmann wird auch erkennen, dass diese gleichwertigen Konstruktionen Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht verlassen, und dass er dabei diverse Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen kann, ohne Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62564342 [0001]

Claims

CMOS-Bildsensor, umfassend: ein Substrat, das eine Vorderseite und eine Rückseite gegenüber der Vorderseite aufweist; eine Vielzahl von Pixelregionen, die in dem Substrat angeordnet sind und jeweils eine Photodiode umfassen, die konfiguriert ist, um eine Strahlung, die von der Rückseite in das Substrat eintritt, in ein elektrisches Signal umzuwandeln; und eine rückseitige Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur, die in einem tiefen Graben zwischen angrenzenden Pixelregionen angeordnet ist, die sich von der Rückseite des Substrats bis zu einer Position in dem Substrat erstrecken; wobei die BDTI-Struktur eine dotierte Schicht mit einem ersten Dotierungstyp und eine dielektrische Füllschicht umfasst, wobei die dotierte Schicht eine Seitenwandfläche des tiefen Grabens auskleidet und die dielektrische Füllschicht den verbleibenden Platz des tiefen Grabens ausfüllt.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine dotierte Isolierschicht mit dem ersten Dotierungstyp und umfassend einen seitlichen Abschnitt und einen senkrechten Abschnitt in direktem Kontakt miteinander, wobei sich der seitliche Abschnitt entlang der Vorderseite des Substrats erstreckt und sich der senkrechte Abschnitt zwischen den angrenzenden Pixelregionen von der Vorderseite des Substrats bis zu einer Position in dem Substrat erstreckt.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 2, wobei die Photodiode eine erste Region mit dem ersten Dotierungstyp und eine zweite Region mit einem zweiten Dotierungstyp umfasst, der anders als der erste Dotierungstyp; ist, umfasst; und wobei die gegenüberliegenden Seiten der ersten Region die zweite Region und die dotierte Isolierschicht berühren.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei die dotierte Isolierschicht und die BDTI-Struktur in dem Substrat aufeinandertreffen.
CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei ein unterer Abschnitt der BDTI-Struktur in einer ausgesparten oberen Oberfläche des senkrechten Abschnitts der dotierten Isolierschicht angeordnet ist.
CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die BDTI-Struktur ferner eine dielektrische Auskleidung mit hohem K-Wert umfasst, die zwischen der dotierten Schicht und der dielektrischen Füllschicht angeordnet ist.
CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die dotierte Schicht und die dielektrische Füllschicht der BDTI-Struktur von dem tiefen Graben aus nach oben erstrecken und entlang der Rückseite des Substrats seitlich angeordnet sind.
CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine schwebende Diffusionswanne, die zwischen den angrenzenden Pixelregionen von der Vorderseite des Substrats bis zu einer Position in dem Substrat angeordnet ist; und ein Transfer-Gate, das auf der Vorderseite des Substrats in einer Position seitlich zwischen der Photodiode und der schwebenden Diffusionswanne angeordnet ist.
CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Flachgrabenisolations- (STI) Struktur, die zwischen den angrenzenden Pixelregionen von der Vorderseite des Substrats bis zu einer Position in dem Substrat angeordnet ist; wobei die STI-Struktur und die BDTI-Struktur senkrecht ausgerichtet sind.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 9, ferner umfassend: eine dotierte Isolierschicht mit dem ersten Dotierungstyp, die sich von der Vorderseite des Substrats bis zu einer Position in dem Substrat erstreckt.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 10, wobei die dotierte Isolierschicht die STI-Struktur von der BDTI-Struktur trennt.
CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, wobei die dotierte Schicht der BDTI-Struktur auf einer planaren oberen Oberfläche der STI-Struktur landet, während sich die dielektrische Füllschicht der BDTI-Struktur weiter nach unten bis zu einer konkaven Aussparung der STI-Struktur erstreckt.
CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen Back-End-of-Line- (BEOL) Metallisierungsstapel, der auf der Vorderseite des Substrats angeordnet ist und eine Vielzahl von metallischen Zusammenschaltungsschichten umfasst, die mit einer oder mehreren dielektrischen Zwischenebenenschichten angeordnet sind.
CMOS-Bildsensor, umfassend: ein Substrat, das eine Vorderseite und eine Rückseite gegenüber der Vorderseite aufweist; eine Photodiode, die in dem Substrat angeordnet ist; eine rückseitige Tiefgrabenisolations- (BDTI) Struktur, die sich von der Rückseite des Substrats bis zu Positionen in dem Substrat auf gegenüberliegenden Seiten der Photodiode erstreckt; und einen Back-End-of-Line- (BEOL) Metallisierungsstapel, der auf der Vorderseite des Substrats angeordnet ist und eine Vielzahl von metallischen Zusammenschaltungsschichten umfasst, die in einer dielektrischen Zwischenebenenschicht angeordnet sind; wobei die BDTI-Struktur eine dotierte Schicht mit einem ersten Dotierungstyp und eine dielektrische Füllschicht umfasst, wobei die dotierte Schicht eine Seitenwandfläche eines tiefen Grabens auskleidet und die dielektrische Füllschicht einen verbleibenden Platz des tiefen Grabens ausfüllt.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 14, wobei die BDTI-Struktur seitlich an den Seitenwänden der Photodiode anliegt.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 14 oder 15, ferner umfassend: eine dotierte Isolierschicht mit dem ersten Dotierungstyp und umfassend einen senkrechten Abschnitt, der sich von der Vorderseite des Substrats aus erstreckt und in dem Substrat auf die BDTI-Struktur trifft.
CMOS-Bildsensor nach Anspruch 16, ferner umfassend: eine Flachgrabenisolations- (STI) Struktur, die sich von der Vorderseite des Substrats bis zu einer Position in der dotierten Isolierschicht erstreckt; wobei die STI-Struktur und die BDTI-Struktur senkrecht ausgerichtet sind.
CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 17, wobei die BDTI-Struktur ferner Folgendes umfasst: eine dielektrische Auskleidung mit hohem K-Wert, die zwischen der dotierten Schicht und der dielektrischen Füllschicht angeordnet ist.
Verfahren zum Bilden eines Bildsensors, umfassend folgende Schritte: Bilden von Dotierungsschichten, die den Photodioden einer Vielzahl von Pixelregionen entsprechen, von einer Vorderseite eines Substrats aus; Bilden einer dotierten Isolierschicht von der Vorderseite des Substrats aus durch Implantieren eines Dotierungsstoffs in das Substrat über eine Vielzahl von Implantierprozessen, wobei die dotierte Isolierschicht einen senkrechten Abschnitt zwischen angrenzenden Pixelregionen umfasst; Drehen des Substrats und Ätzen von einer Rückseite des Substrats aus, um einen tiefen Graben zwischen angrenzenden Pixelregionen zu bilden, der sich in das Substrat erstreckt, wobei die Rückseite des Substrats der Vorderseite des Substrats gegenüberliegt; und Füllen des tiefen Grabens mit einer dotierten Schicht und einer dielektrischen Füllschicht einer dielektrischen Schicht, um eine rückseitige Tiefgrabenisolations-(BDTI) Struktur zu bilden, die zwischen den angrenzenden Pixelregionen angeordnet ist und die Photodioden der angrenzenden Pixelregionen trennt.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend vor dem Umdrehen des Substrats: das Bilden eines Back-End-of-Line- (BEOL) Metallisierungsstapels auf der Vorderseite des Substrats, wobei der BEOL-Metallisierungsstapel eine Vielzahl von metallischen Zusammenschaltungsschichten umfasst, die in einer oder mehreren dielektrischen Zwischenebenenschichten angeordnet sind.