DE102018122628A1 - CMOS Bildsensor mit gezackter Fotodiodenstruktur - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen CMOS-Bildsensor (CMOS: komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) und ein zugehöriges Herstellungsverfahren. Bei einigen Ausfiihrungsformen weist der CMOS-Bildsensor Folgendes auf: einen Float-Diffusionsbereich, der auf einer Seite eines Transfergates in einem Substrat angeordnet ist; und eine Fotodetektionssäule, die auf der anderen Seite des Transfergates angeordnet ist, die dem Float-Diffusionsbereich in dem Substrat gegenüberliegt. Die Fotodetektionssäule weist eine dotierte Sensorschicht mit einer Dotierungsart auf, die der des Substrats entgegengesetzt ist. Die Fotodetektionssäule und das Substrat sind an einer Übergangsgrenzfläche, die einen oder mehrere vertiefte Abschnitte aufweist, miteinander in Kontakt. Durch Herstellen der Übergangsgrenzfläche mit vertieften Abschnitten wird die Übergangsgrenzfläche gegenüber einer herkömmlichen pn-Übergangsgrenzfläche ohne vertiefte Abschnitte vergrößert, und dadurch wird eine Vollwannenkapazität der Fotodiodenstruktur verbessert.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldung
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 29. September 2017 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 62/565.315, die durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In digitalen Kameras und optischen Bildgebungsgeräten werden Bildsensoren verwendet. Bildsensoren wandeln optische Bilder in digitale Daten um, die als digitale Bilder dargestellt werden können. Ein Bildsensor weist eine Pixelmatrix (oder -gitter) zum Detektieren von Licht und zum Aufzeichnen der Intensität (Helligkeit) des detektierten Lichts auf. Die Pixelmatrix reagiert dadurch auf das Licht, dass sie eine Ladung speichert. Die gespeicherte Ladung wird dann (zum Beispiel von einer anderen Schaltung) verwendet, um ein Farb- und Helligkeitssignal zur Verwendung in einer geeigneten Anwendung, wie etwa einer digitalen Kamera, bereitzustellen.
  • 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.
    • Die 1A und 1B zeigen Draufsichten eines CMOS-Bildsensors (CMOS: komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) mit einer Fotodiodenstruktur, die eine gezackte Übergangsgrenzfläche aufweist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
    • Die 2A und 2B zeigen perspektivische Darstellungen eines Sensorpixels des CMOS-Bildsensors gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
    • Die 3A und 3B zeigen Schnittansichten des CMOS-Bildsensors von 1B entlang der Linie A - A' gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
    • 4 zeigt eine Draufsicht eines CMOS-Bildsensors mit einer Fotodiodenstruktur, die eine gezackte Übergangsgrenzfläche hat, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
    • Die 5A bis 5C zeigen Draufsichten eines CMOS-Bildsensors mit einer Fotodiodenstruktur, die eine gezackte Übergangsgrenzfläche hat, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
    • Die 6 bis 11 zeigen Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors mit einer Fotodiodenstruktur zeigen, die eine gezackte Übergangsgrenzfläche hat, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
    • 12 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors mit einer Fotodiodenstruktur, die eine gezackte Übergangsgrenzfläche hat, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. 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 hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so hergestellt 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 umfassen. Das Bauelement 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.
  • IC-Technologien (IC: integrierter Schaltkreis) werden ständig verbessert. Diese Verbesserungen umfassen häufig das Verkleinern von Bauelement-Geometrien, um die Herstellungskosten zu senken und eine höhere Integrationsdichte der Bauelemente, höhere Geschwindigkeiten und eine bessere Leistung zu erzielen. CMOS-Bildsensoren sind zur wichtigsten Bildsensor-Technologie für gewerbliche und wissenschaftliche Anwendungen geworden. Auf Grund der Bauelement-Verkleinerung haben Pixel der Pixelmatrix eines CMOS-Bildsensors kleinere Abmessungen und sie sind dichter aneinander angeordnet. Um mit dem kleinen CMOS-Bildsensor einen hohen dynamischen Bereich zu erzielen, ist eine hohe Vollwannenkapazität (FWC) wünschenswert. Die Vollwannenkapazität der Fotodiode des CMOS-Bildsensors wird jedoch von deren Implantationsprofil begrenzt. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Vollwannenkapazität ist das Erhöhen der Ionenimplantationsdosis beim Herstellen eines pn-Übergangs der Fotodiode des CMOS-Bildsensors. Das Fotodiodenprofil lässt sich jedoch mit der hochdosierten Ionenimplantation schwer steuern. Außerdem beeinträchtigt das Wärmebudget die Leistung des CMOS-Bildsensors und es verschlechtert die Bildqualität.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen CMOS-Bildsensor mit einer Fotodiodenstruktur, die eine gezackte pn-Übergangsgrenzfläche hat, und ein zugehöriges Herstellungsverfahren. Bei einigen Ausführungsformen weist der CMOS-Bildsensor einen oder mehrere vertiefte Abschnitte auf, die im Wesentlichen symmetrisch entlang einer verlängerten Linie der Mittelpunkte einer Gate-Elektrode und eines Float-Diffusionsbereichs verteilt sind. Die Fläche der pn-Übergangsgrenzfläche wird durch das Vorhandensein der vertieften Abschnitte vergrößert (für eine bestimmte Pixelgröße), und dadurch wird die Anzahl von Elektron-Loch-Paaren erhöht, sodass die Vollwannenkapazität des CMOS-Bildsensors erhöht wird. Bei einigen Ausführungsformen weist zum Beispiel in 2 ein Abtast- oder Sensorpixel 124 eines CMOS-Bildsensors ein Substrat 212 und ein Transfergate 222d auf, das über dem Substrat 212 angeordnet ist. Auf einer Seite des Transfergates 222d in dem Substrat 212 ist ein Float-Diffusionsbereich 228 angeordnet. Auf der anderen Seite des Transfergates 222d in dem Substrat 212, die dem Float-Diffusionsbereich 228 gegenüberliegt, ist eine Fotodetektionssäule 220d angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen weist die Fotodetektionssäule 220d mindestens eine befestigte Fotodiode auf. Die Fotodetektionssäule 220d und das Substrat 212 sind an der Übergangsgrenzfläche 112 miteinander in Kontakt, und sie sind als eine Fotodiodenstruktur zum Umwandeln von Strahlung, die in das Substrat 212 eintritt, in ein elektrisches Signal konfiguriert. In einigen Fällen weist die Übergangsgrenzfläche 112 einen oder mehrere vertiefte Abschnitte auf. Dadurch wird die Übergangsgrenzfläche 112 gegenüber einer herkömmlichen pn-Übergangsgrenzfläche ohne vertiefte Abschnitte vergrößert, sodass die Vollwannenkapazität der Fotodiodenstruktur verbessert wird.
  • Ein rückseitig beleuchtetes CMOS-Bildsensorelement (BSI-CMOS-Bildsensorelement) gemäß verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen mit einer gezackten pn-Übergangsgrenzfläche wird nachstehend in Verbindung mit den 1A und 1B beschrieben. 1A zeigt eine Draufsicht eines CMOS-Bildsensors 100a mit einer Fotodiodenstruktur, die eine gezackte Übergangsgrenzfläche hat, gemäß einigen Ausführungsformen. Bei einigen Ausführungsformen weist ein Bildsensorpixel 101 eine Fotodetektionssäule 220 auf, die in einem Substrat 212 angeordnet ist. Außer der Fotodetektionssäule 220 ist auch ein Float-Diffusionsbereich 228 in dem Substrat 212 angeordnet. Ein Transfergate 222 ist über dem Substrat 212 zwischen dem Float-Diffusionsbereich 228 und der Fotodetektionssäule 220 angeordnet. Die Fotodetektionssäule 220 und das Substrat 212 sind an einer Übergangsgrenzfläche 112 miteinander in Kontakt. Die Übergangsgrenzfläche 112 kann einen oder mehrere vertiefte Abschnitte 110 aufweisen. Die vertieften Abschnitte 110 können entlang einer verlängerten Linie A - A' der Mittelpunkte des Transfergates 222 und des Float-Diffusionsbereichs 228 symmetrisch verteilt sein. Die vertieften Abschnitte 110 können alle geeigneten Formen haben. Zum Beispiel können die vertieften Abschnitte 110 rechteckig sein, wie es in 1A gezeigt ist. Die vertieften Abschnitte 110 können auch die Form eines Fingers mit einer durchgehend gekrümmten Oberfläche oder die Form eines Halbkreises haben. 1B zeigt eine Draufsicht eines CMOS-Bildsensors 100b mit einer Fotodiodenstruktur, die eine gezackte Übergangsgrenzfläche hat, gemäß einigen weiteren Ausführungsformen. Der CMOS-Bildsensor 100b weist bei einigen Ausführungsformen eine Pixelmatrix mit Sensorpixeln auf, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Zum Beispiel sind ein erstes Sensorpixel 114 und ein zweites Sensorpixel 116 direkt nebeneinander in einer ersten Zeile angeordnet, und ein drittes Sensorpixel 122 und ein viertes Sensorpixel 124 sind in einer zweiten Zeile unter der ersten Zeile angeordnet. Das erste Sensorpixel 114 und das dritte Sensorpixel 122 sind entlang einer ersten Spalte ausgerichtet, die senkrecht zu den Zeilen ist, und das zweite Sensorpixel 116 und das vierte Sensorpixel 124 sind entlang einer zweiten Spalte ausgerichtet, die direkt neben der ersten Spalte ist. Insbesondere ist in 1B zwar eine 2×2-Bildsensor-Pixelmatrix gezeigt, aber die Pixelmatrix kann für verschiedene Anwendungen auf jede geeignete Größe vergrößert werden.
  • Der Begriff „Pixel“ bezeichnet eine Einheitszelle, die Strukturelemente (zum Beispiel einen Fotodetektor und verschiedene Schaltkreise, die verschiedene Halbleiter-Bauelemente aufweisen können) zum Umwandeln von elektromagnetischer Strahlung in ein elektrisches Signal enthält. Die Pixel können Fotodioden, CMOS-Bildsensoren, CCD-Sensoren (CCD: ladungsgekoppeltes Bauelement), aktive Sensoren, passive Sensoren, andere Sensoren oder künftig entwickelte Bildsensorelemente umfassen. Die Pixel können mit verschiedenen Sensortypen konfiguriert werden. Zum Beispiel kann eine Gruppe von Pixeln CMOS-Bildsensoren umfassen, und eine andere Gruppe von Pixeln kann passive Sensoren umfassen. Außerdem können die Pixel Farbbildsensoren und/oder monochromatische Bildsensoren umfassen. In einem Beispiel ist jedes Pixel ein aktiver Pixelsensor, wie etwa ein CMOS-Bildsensor. Bei der dargestellten Ausführungsform kann jedes Pixel einen Fotodetektor, wie etwa einen Fotogate-Fotodetektor, zum Aufzeichnen einer Licht- oder Strahlungsintensität oder -helligkeit umfassen. Jedes Pixel kann weiterhin verschiedene Halbleiter-Bauelemente umfassen, wie etwa verschiedene Transistoren, z. B. Übertragungstransistoren, Rücksetztransistoren, Sourcefolgertransistoren, Auswahltransistoren, andere geeignete Transistoren oder eine Kombination davon. Ein zusätzlicher Schaltkreis, Eingang und/oder Ausgang kann mit der Pixelmatrix verbunden werden, um eine Betriebsumgebung für die Pixel bereitzustellen und externe Verbindungen mit den Pixeln zu unterstützen. Zum Beispiel kann die Pixelmatrix mit einer Lese- und/oder Steuerschaltung verbunden werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist die Bildsensor-Pixelmatrix in einem Substrat 212 angeordnet. Außer den Sensorpixeln 114, 116, 122 und 124 ist auch ein Float-Diffusionsbereich 228 in dem Substrat 212 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen ist der Float-Diffusionsbereich 228 in einem mittleren Bereich der Sensorpixel 114, 116, 122 und 124 angeordnet, und er wird von den Sensorpixeln 114, 116, 122 und 124 gemeinsam verwendet. Die Sensorpixel 114, 116, 122 und 124 weisen jeweils ein Transfergate 222a, 222b, 222c bzw. 222d auf, das über dem Substrat 212 angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen hat das Transfergate 222a, 222b, 222c bzw. 222d eine dreieckige Form. Die Sensorpixel 114, 116, 122 und 124 weisen außerdem jeweils eine Fotodetektionssäule 220a, 220b, 220c bzw. 220d auf. Der einfachen Erläuterung halber können Elemente des CMOS-Bildsensors 100b nachstehend anhand eines beispielhaften Pixels, wie etwa des vierten Pixels 124, und seiner entsprechenden Komponenten, wie etwa des Transfergates 222d und der Fotodetektionssäule 220d, beschrieben werden, aber diese Elemente können auch für andere Pixel des CMOS-Bildsensors 100b geeignet sein. Die Fotodetektionssäule 220d und das Substrat 212 sind an einer Übergangsgrenzfläche 112 miteinander in Kontakt. Die Übergangsgrenzfläche 112 kann einen ersten vertieften Abschnitt 110a und einen zweiten vertieften Abschnitt 110b aufweisen, die entlang einer verlängerten Linie A - A' von Mittelpunkten des Transfergates 222d und des Float-Diffusionsbereichs 228 symmetrisch verteilt sind. Als ein Beispiel befindet sich der erste vertiefte Abschnitt 110a in einem mittleren Bereich einer Seite der Fotodetektionssäule 220d, und der zweite vertiefte Abschnitt 110b befindet sich in einem mittleren Bereich einer anderen benachbarten Seite der Fotodetektionssäule 220d. Der erste vertiefte Abschnitt 110a und der zweite vertiefte Abschnitt 110b sind voneinander beabstandet. Der erste vertiefte Abschnitt 110a und der zweite vertiefte Abschnitt 110b können verschiedene gekrümmte oder planare Flächen aufweisen. Zum Beispiel können die vertieften Abschnitte 110a und 110b die Form eines „Fingers“ haben, wie in 1B gezeigt ist, d. h. ein Paar planare Flächen sind durch eine gekrümmte Fläche verbunden. Die vertieften Abschnitte 110a und 110b können auch eine einzige zusammenhängende gekrümmte Fläche sein. Eine Draufsicht der vertieften Abschnitte 110a und 110b kann halbkreisförmig sein, wie in 4 gezeigt ist. Als ein weiteres Beispiel können die vertieften Abschnitte 110a und 110b verbundene planare Flächen aufweisen, und eine Draufsicht kann eine Mehrzahl von Dreiecken sein, wie in 5A gezeigt ist. Es können auch andere Formen der vertieften Abschnitte 110a und 110b verwendet werden, und eine Draufsicht der vertieften Abschnitte 110a und 110b kann auch rechteckig, elliptisch und dergleichen sein. Bei einigen Ausführungsformen hat eine Draufsicht der Oberseite 120s der Fotodetektionssäule 220d die Form eines konkaven Polygons. Der erste vertiefte Abschnitt 110a und der zweite vertiefte Abschnitt 110b können voneinander beabstandet sein.
  • Wie außerdem in 1B gezeigt ist, wird der Float-Diffusionsbereich 228 von den Sensorpixeln 114, 116, 122 und 124 gemeinsam genutzt, und daher haben die Sensorpixel 114, 116, 122 und 124 einige symmetrische Elemente. Zum Beispiel sind eine erste Fotodetektionssäule 220a und ein erstes Transfergate 222a des ersten Sensorpixels 114 und eine dritte Fotodetektionssäule 220c und ein drittes Transfergate 222c des dritten Sensorpixels 122 entlang einer Trennlinie B - B' symmetrisch, die das erste Sensorpixel 114 und das dritte Sensorpixel 122 trennt. Eine zweite Fotodetektionssäule 220b und ein zweites Transfergate 222b des zweiten Sensorpixels 116 und eine vierte Fotodetektionssäule 220d und ein viertes Transfergate 222d des vierten Sensorpixels 124 sind entlang der Trennlinie B - B' symmetrisch, die das zweite Sensorpixel 116 und das vierte Sensorpixel 124 trennt. Außerdem sind die erste Fotodetektionssäule 220a und das erste Transfergate 222a des ersten Sensorpixels 114 und die zweite Fotodetektionssäule 220b und das zweite Transfergate 222b des zweiten Sensorpixels 116 entlang einer Trennlinie C - C' symmetrisch, die das erste Sensorpixel 114 und das zweite Sensorpixel 116 trennt. Die dritte Fotodetektionssäule 220c und das dritte Transfergate 222c des dritten Sensorpixels 122 und die vierte Fotodetektionssäule 220d und das vierte Transfergate 222d des vierten Sensorpixels 124 sind entlang der Trennlinie C - C' symmetrisch, die das dritte Sensorpixel 122 und das vierte Sensorpixel 124 trennt.
  • Die 2A und 2B zeigen perspektivische Darstellungen eines Sensorpixels des CMOS-Bildsensors 100b von 1B gemäß einigen Ausführungsformen. Das Sensorpixel ist als das vierte Sensorpixel 124 der Pixelmatrix als ein Beispiel gezeigt, aber es kann jedes der Sensorpixel der Pixelmatrix sein. Das Substrat 212 kann eine erste Dotierungsart haben, und die Fotodetektionssäule 220d kann zumindest eine dotierte Sensorschicht 204 mit einer zweiten Dotierungsart aufweisen, die der ersten Dotierungsart entgegengesetzt ist. Die erste Dotierungsart ist eine n- oder p-Dotierung, und die zweite Dotierungsart ist die jeweils andere der n- oder p-Dotierung. Bei einigen Ausführungsformen weist die Fotodetektionssäule 220d weiterhin eine Pinning- oder Befestigungsschicht 202 mit einer ersten Dotierungsart, die auf der dotierten Sensorschicht 204 angeordnet ist, und/oder eine tiefe dotierte Schicht 206 mit der zweiten Dotierungsart auf, die direkt unter der dotierten Sensorschicht 204 angeordnet ist. Wie in 2A gezeigt ist, können die Pinning-Schicht 202, die dotierte Sensorschicht 204 und/oder die tiefe dotierte Schicht 206 Seitenwandflächen haben, die vertikal ausgerichtet sind. Wie in 2B gezeigt ist, hat bei einigen alternativen Ausführungsformen die dotierte Sensorschicht 204 vertiefte Abschnitte 110a und 110b. Die tiefe dotierte Schicht 206 kann einen Abschnitt der Seitenwandflächen, der vertikal zu nichtvertieften Abschnitten der dotierten Sensorschicht 204 ausgerichtet ist, und einen anderen Abschnitt der Seitenwandflächen haben, der vertikal nicht zu den vertieften Abschnitten der dotierten Sensorschicht 204 ausgerichtet ist. Die Pinning-Schicht 202 ist stark dotiert (zum Beispiel mit einer Dotierungskonzentration in dem Bereich von 1018 bis 1020 cm-3) und ist auf einer Fläche des Substrats 212 angeordnet. Die Pinning-Schicht 202 trägt zur Reduzierung des Dunkelstroms bei (durch Trennen des vergrabenen Sammelkanals von den Ladungen, die an der Si02-Si-Grenzfläche entstehen) und begrenzt außerdem das maximale Kanalpotential, das oft als Befestigungsspannung bezeichnet wird. Die Pinning-Schicht 202 hat eine höhere Dotierungskonzentration als die dotierte Sensorschicht 204. Die tiefe dotierte Schicht 206 hat eine niedrigere Dotierungskonzentration als die dotierte Sensorschicht 204.
  • Die Fotodetektionssäule 220d und das Substrat 212 sind an der Übergangsgrenzfläche 112 miteinander in Kontakt. Die Fotodetektionssäule 220d und das Substrat 212 sind als eine Fotodiodenstruktur zum Umwandeln von Strahlung, die in das Substrat 212 eintritt, in ein elektrisches Signal konfiguriert. Die Fotodetektionssäule 220d detektiert die Intensität (Helligkeit) von Strahlung, wie etwa von einfallender Strahlung (Licht), die auf das Substrat 212 gerichtet ist. Die einfallende Strahlung ist sichtbares Licht. Alternativ ist die Strahlung Infrarot(IR)-, Ultraviolett(UV)-, Röntgen-, Mikrowellen- oder eine andere geeignete Strahlung oder eine Kombination davon. Die vertieften Abschnitte 110a und 110b vergrößern die Fläche der Übergangsgrenzfläche 112 und erhöhen dadurch die Vollwannenkapazität des CMOS-Bildsensors 100b.
  • 3A zeigt eine Schnittansicht 300a des CMOS-Bildsensors 100b von 1B (entlang der Linie A - A') gemäß einigen Ausführungsformen. Das Transfergate 222a des ersten Sensorpixels 114 und das Transfergate 222d des vierten Sensorpixels 124 sind über dem Substrat 212 angeordnet und sind durch eine dielektrische Gate-Schicht 226 von dem Substrat 212 getrennt. Die dielektrische Gate-Schicht 226 weist ein dielektrisches Material, wie etwa Siliziumoxid, ein dielektrisches High-k-Material, ein anderes dielektrisches Material oder Kombinationen davon auf. Beispiele für das dielektrische High-k-Material sind HfO2, HfSiO, HfSiON, HfTaO, HfTiO, HfZrO, Zirconiumoxid, Aluminiumoxid, Hafniumdioxid-Aluminiumoxid-Legierung (HfO2-Al2O3-Legierung), andere dielektrische High-k-Materialien oder Kombinationen davon. Die Transfergates 222a und 222d weisen Polysilizium und/oder ein Metall, wie etwa Al, Cu, Ti, Ta, W, Mo, TaN, NiSi, CoSi, TiN, WN, TiAl, TiAlN, TaCN, TaC, TaSiN, andere leitfähige Materialien oder Kombinationen davon auf. Die Transfergates 222a und 222d können einen Seitenwand-Abstandshalter 224 aufweisen, der auf den Seitenwänden der Gate-Stapel angeordnet ist. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Seitenwand-Abstandshalter 224 aus Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid, einem anderen geeigneten Material oder Kombinationen davon in einer Mehrschichtstruktur bestehen.
  • Die Fotodetektionssäulen 220a und 220d sind in dem Substrat 212 angeordnet. Die Sensorpixel 114 und 124 teilen sich einen Float-Diffusionsbereich 228, der zwischen den Transfergates 222a und 222d und in dem Substrat 212 angeordnet ist. Die Transfergates 222a und 222d sind zwischen dem Float-Diffusionsbereich 228 und den Fotodetektionssäulen 220a und 220d angeordnet, sodass ein mit einem Übertragungstransistor assoziierter Kanal zwischen dem Float-Diffusionsbereich 228 und den Fotodetektionssäulen 220a und 220d definiert wird. Der CMOS-Bildsensor 100b kann außerdem andere Transistoren, wie etwa einen Rücksetztransistor, einen Sourcefolgertransistor und einen Auswahltransistor (nicht dargestellt), andere geeignete Transistoren oder Kombinationen davon aufweisen. Mittels der Fotodetektionssäulen 220a und 220d und verschiedener Transistoren (die kollektiv als Pixelschaltung bezeichnet werden können) können die Sensorpixel 114 und 124 die Intensität der speziellen Lichtwellenlänge detektieren. Für die Sensorpixel 114 und 124 können weitere Schaltungen, Eingänge und/oder Ausgänge vorgesehen werden, um eine Betriebsumgebung für die Sensorpixel 114 und 124 bereitzustellen und/oder die Kommunikation mit den Sensorpixeln 114 und 124 zu unterstützen.
  • Über dem Substrat 212 ist eine Farbfiltermatrix angeordnet, die Farbfilter 104 und 106 umfasst, die den Sensorpixeln 114 und 124 entsprechen. Bei einigen Ausführungsformen filtern Farbfilter 102, 104 und 106 (die in 1B gezeigt sind) unterschiedliche Strahlungsspektren. Zum Beispiel kann bei einem RGB-Bildsensor ein erstes Farbfilter 102 so konfiguriert sein, dass es blaues Licht durchlässt, aber andere Farben blockiert; ein zweites Farbfilter 104 kann so konfiguriert sein, dass es rotes Licht durchlässt; und ein drittes Farbfilter 106 kann so konfiguriert sein, dass es grünes Licht durchlässt. Die Farbfilter 104 und 106 sind über dem Substrat 212 über den entsprechenden Fotodetektionssäulen 220a und 220d angeordnet. Ein zusammengesetztes Gitter 208 ist zwischen den Farbfiltern der Farbfiltermatrix (z. B. den Farbfiltern 104 und 106) zu Trennungszwecken angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen weist das zusammengesetzte Gitter 208 eine metallische Gitterstruktur 208b auf, die in einer dielektrischen Lichtleiterstruktur 208a angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Lichtleiterstruktur 208a eine oder mehrere dielektrische Strukturen umfassen, zum Beispiel ein Siliziumnitrid-Gitter, ein Siliziumoxidnitrid-Gitter oder ein Siliziumdioxid-Gitter. Bei einigen Ausführungsformen kann zwischen der Farbfiltermatrix und der Fotodiodenmatrix eine Antireflexschicht 210 angeordnet werden, die so konfiguriert ist, dass sie die Durchlässigkeit der einfallenden Strahlung verbessert.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist unter dem Substrat 212 gegenüber der Farbfiltermatrix eine Verbindungsstruktur 214 angeordnet. Die Verbindungsstruktur 214 weist eine Mehrzahl von Metallleitungen 216 (z. B. Kupferdrähte und/oder - durchkontaktierungen) auf, die in einer oder mehreren dielektrischen Schichten 218 angeordnet sind. Bei einigen Ausführungsformen können in dem Substrat 212 und den dielektrischen Schichten 218 die Transfergates 222a und 222d und einige Verarbeitungselemente angeordnet werden, wie etwa die Sourcefolgertransistoren oder die Rücksetzschalttransistoren. In 3A ist zwar eine rückseitige Beleuchtungsstruktur (BIS) gezeigt, aber es ist klar, dass auch eine vorderseitige Beleuchtungsstruktur (FIS) verwendet werden kann. Ein Beispiel für einen FIS-CMOS-Bildsensor ist in einer Schnittansicht 300b von 3B gemäß einigen Ausführungsformen gezeigt.
  • 4 zeigt eine Draufsicht eines CMOS-Bildsensors 400 mit einer Fotodiodenstruktur, die eine gezackte Übergangsgrenzfläche hat, gemäß einigen weiteren Ausführungsformen. Einige Elemente des CMOS-Bildsensors 400 gleichen oder ähneln denen, die in Verbindung mit anderen Figuren der Erfindung beschrieben worden sind, und der Einfachheit halber werden sie hier nicht wiederholt. Diese Elemente können mit den gleichen Bezugszahlen wie, oder mit anderen Bezugszahlen als, bei den übrigen Figuren bezeichnet werden. In 4 sind ein erster Float-Diffusionsbereich 228a und ein zweiter Float-Diffusionsbereich 228b gezeigt, die außer den Sensorpixeln 114, 116, 122 und 124 in dem Substrat 212 angeordnet sind. Bei einigen Ausführungsformen ist der erste Float-Diffusionsbereich 228a zwischen dem ersten Sensorpixel 114 und dem dritten Sensorpixel 122 angeordnet, und er wird von diesen gemeinsam genutzt; und der zweite Float-Diffusionsbereich 228b ist zwischen dem zweiten Sensorpixel 116 und dem vierten Sensorpixel 124 angeordnet, und er wird von diesen gemeinsam genutzt. Im Vergleich mit 1B werden das symmetrische Element des ersten Sensorpixels 114 und des dritten Sensorpixels 122 und das symmetrische Element des zweiten Sensorpixels 116 und des vierten Sensorpixels 124 entlang der Trennlinie B - B' auch in 4 verwendet. Das symmetrische Element des ersten Sensorpixels 114 und des zweiten Sensorpixels 116 und das symmetrische Element des dritten Sensorpixels 122 und des vierten Sensorpixels 124 entlang der Trennlinie C - C' werden jedoch in 4 nicht verwendet.
  • 5A zeigt eine Draufsicht eines CMOS-Bildsensors 500a mit einer Fotodiodenstruktur, die eine gezackte Übergangsgrenzfläche hat, gemäß einigen weiteren Ausführungsformen. Die vertieften Abschnitte 110a und 110b der Fotodetektionssäulen 220a bis 220d können zusammenhängende planare Flächen 502a bzw. 502b aufweisen. Eine Draufsicht kann eine Mehrzahl von Dreiecken sein, wie in 5A gezeigt ist. Die Fotodetektionssäulen 220a bis 220d können auch andere Formen haben, wie etwa die Form eines Kreises, eines Dreiecks, einer Ellipse oder eines Fingers mit Aussparungen. 5B zeigt ein Beispiel für Fotodetektionssäulen 220a bis 220d, die gemäß einigen weiteren Ausführungsformen die Form eines Fingers haben. Die vertieften Abschnitte 110 der Fotodetektionssäulen 220a bis 220d können auch an anderen Positionen der Fotodetektionssäulen 220a bis 220d angeordnet werden. 5C zeigt bei einigen weiteren Ausführungsformen ein Beispiel für Fotodetektionssäulen 220a bis 220d, die jeweils einen vertieften Abschnitt 110 haben, der an einer verlängerten Linie A - A' angeordnet ist, die die entsprechenden Transfergates 222a - 222d und den Float-Diffusionsbereich 228 verbindet.
  • Die 6 bis 11 zeigen einige Ausführungsformen von Schnittansichten (zum Beispiel entlang der Linie A - A' von 1B), die ein Verfahren zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors mit einer Fotodiodenstruktur zeigen, die eine gezackte Übergangsgrenzfläche hat.
  • Wie in einer Schnittansicht 600 von 6 gezeigt ist, werden ein erstes Transfergate 222a und ein viertes Transfergate 222d über einem Substrat 212 hergestellt, und sie werden durch ein Gate-Dielektrikum 226 von dem Substrat 212 getrennt. Die Transfergates 222a und 222d und das Gate-Dielektrikum 226 können durch Abscheiden einer dielektrischen Gate-Schicht und einer Gate-Elektrodenschicht über dem Substrat 212 und einen anschließenden Strukturierungsprozess hergestellt werden. Auf äußeren Seitenwänden der Transfergates 222a und 222d und des Gate-Dielektrikums 226 kann ein Seitenwand-Abstandshalter 224 hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Seitenwand-Abstandshalter 224 dadurch hergestellt werden, dass eine konforme Nitridschicht auf das Substrat 212 abgeschieden wird und anschließend selektiv geätzt wird, sodass ein seitlicher Abschnitt entfernt wird und ein vertikaler Abschnitt entlang Seitenwänden der Transfergates 222a und 222d und des Gate-Dielektrikums 226 zurückbleibt.
  • Vor oder nach der Herstellung der Transfergates 222a und 222d können eine oder mehrere Trennstrukturen zum Beispiel durch lokale Oxidation von Silizium (LOCOS) und/oder flache Grabenisolation (STI) hergestellt werden, um verschiedene Bereiche und/oder Bauelemente, die auf oder in dem Substrat 212 hergestellt sind, zu trennen. Zum Beispiel kann ein Trennelement 302 in der Vorderseite des Substrats 212 dadurch hergestellt werden, dass das Substrat 212 selektiv geätzt wird, um flache Gräben zu erzeugen, und anschließend ein Dielektrikum (z. B. ein Oxid) in den flachen Gräben abgeschieden wird. Das Trennelement 302 trennt benachbarte Pixel 114 und 124.
  • Zwischen dem ersten Transfergate 222a und dem vierten Transfergate 222d wird ein Float-Diffusionsbereich 228 hergestellt. Der Float-Diffusionsbereich 228 kann mit einem Implantationsprozess hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 212 entsprechend einer strukturierten Maskierungsschicht (nicht dargestellt) mit einem Fotoresist oder entsprechend anderen Elementen, die auf dem Substrat 212 hergestellt sind, wie etwa dem Trennelement 302 und/oder den Transfergates 222a und 222d, selektiv implantiert werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 212 jede Art von Halbleiterkörper (z. B. Silizium/CMOS-Grundmaterial, SiGe, SOI usw.), wie etwa einen Halbleiterwafer oder einen oder mehrere Dies auf einem Wafer, sowie jede andere Art von Halbleiter- und/oder Epitaxialschichten aufweisen, die darauf hergestellt sind und/oder in anderer Weise damit assoziiert sind. Das Substrat 212 kann so hergestellt werden, dass es einen ersten Bereich der Fotodiode aufweist, der mit einer ersten Dotierungsart (z. B. einer p-Dotierung, wie etwa Bor) hergestellt werden soll. Zum Herstellen des ersten Bereichs der Fotodiode, der mit der ersten Dotierungsart hergestellt werden soll, kann ein Schutzimplantationsprozess oder ein abstufender epitaxialer Aufwachsprozess durchgeführt werden. Dann wird eine Dotandenspezies in das Substrat 212 implantiert, um den Float-Diffusionsbereich 228 herzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dotandenspezies eine zweite Dotierungsart (z. B. ein n-Dotand, wie etwa Phosphor) sein, die in das Substrat 212 implantiert wird. Bei anderen Ausführungsformen kann die Dotandenspezies die erste Dotierungsart sein.
  • Wie in einer Schnittansicht 700 von 7 gezeigt ist, werden Dotandenspezies in ein Substrat 212 implantiert, um einen dotierten Bereich mit Fotodetektionssäulen 220a und 220d herzustellen. Die Fotodetektionssäule 220 wird so hergestellt, dass sie nach innen in Bezug zu der Vorderseite vertieft ist, wie in den 1 bis 5 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen können die Fotodetektionssäulen 220a und 220d durch selektives Implantieren des Substrats 212 entsprechend einer strukturierten Maskierungsschicht 702 hergestellt werden. Eine Draufsicht der strukturierten Maskierungsschicht 702 und der hergestellten Fotodetektionssäulen 220a und 220d ist in 8 zusammen mit den Transfergates 222a und 222d und dem Float-Diffusionsbereich 228 gezeigt. Die strukturierte Maskierungsschicht 702 kann so hergestellt werden, dass sie eine Öffnung hat, die den Fotodetektionssäulen 220a und 220d entspricht. Anschließend wird die strukturierte Maskierungsschicht 702 entfernt.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Dotandenspezies als eine Schutzimplantation (d. h., eine unmaskierte Implantation) implantiert werden, um eine tiefe Dotierungswanne zu erzeugen, die in das Substrat 212 hineinreicht, und anschließend wird eine selektive Implantation (d. h., eine maskierte Implantation) durchgeführt, um die Fotodetektionssäulen 220a und 220d mit einer Mehrzahl von Säulen herzustellen, die mit einer Tiefe in das Substrat 212 hineinreichen, die kleiner als die der tiefen Dotierungswanne ist. Die tiefe Dotierungswanne kann eine geringere Dotierungskonzentration als die Mehrzahl von Säulen haben. Bei einigen Ausführungsformen wird eine tiefe dotierte Schicht (206 in 2) mit der zweiten Dotierungsart hergestellt, die tief in das Substrat 212 hineinreicht. Eine dotierte Sensorschicht (204 in 2) mit der zweiten Dotierungsart wird direkt auf der tiefen dotierten Schicht hergestellt. Eine Pinning-Schicht (202 in 2) mit der ersten Dotierungsart wird direkt auf der dotierten Sensorschicht hergestellt. Die tiefe dotierte Schicht, die dotierte Sensorschicht und die Pinning-Schicht können Seitenwandflächen haben, die vertikal ausgerichtet sind und nach innen in Bezug zu der Vorderseite vertieft sind.
  • Wie in einer Schnittansicht 900 von 9 gezeigt ist, wird eine Verbindungsstruktur 214 über den Transfergates 222a und 222d hergestellt. Die Verbindungsstruktur 214 wird mit einer Mehrzahl von Metallleitungen 216 (z. B. Kupferdrähte und/oder -durchkontaktierungen) hergestellt, die in einer oder mehreren dielektrischen Schichten 218 angeordnet sind.
  • Wie in einer Schnittansicht 1000 von 10 gezeigt ist, wird das Werkstück gewendet und mit einem Dünnungsprozess von einer Rückseite des Substrats 212 her gedünnt. Das Substrat 212 kann mit einer chemisch-mechanische Polierung und/oder anderen Ätzprozessen gedünnt werden. Bei einigen Ausführungsformen sind die Fotodetektionssäulen 220a und 220d nach dem Dünnungsprozess von der Rückseite des Substrats 212 her freigelegt.
  • Wie in einer Schnittansicht 1100 von 11 gezeigt ist, werden Farbfilter (z. B. 102a, 102b, 104a und 104b) über den entsprechenden Fotodetektionssäulen 220a und 220d hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen werden eine Pufferschicht und/oder eine Antireflexschicht 210 über dem Substrat 212 hergestellt. Über der Antireflexschicht 210 zwischen den Farbfiltern wird eine metallische Gitterstruktur 208b angeordnet. Über der metallischen Gitterstruktur 208b wird eine dielektrische Lichtleiterstruktur 208a hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen können zunächst die Antireflexschicht 210, die metallische Gitterstruktur 208b und die dielektrische Lichtleiterstruktur 208a mit einem oder mehreren Abscheidungsprozessen [z. B. chemische Aufdampfung (CVD), physikalische Aufdampfung (PVD)], Sputter- oder Beschichtungsprozessen hergestellt werden. Dann wird eine Reihe von Ätzprozessen durchgeführt, um die dielektrische Lichtleiterstruktur 208a und die metallische Gitterstruktur 208b zu strukturieren, um Öffnungen für die Farbfilter zu erzeugen.
  • Dann werden Farbfilter 104 und 106 in den Öffnungen hergestellt. Den Farbfiltern 104 und 106 werden Farben zugewiesen, wie etwa Rot, Grün und Blau, und sie sind so konfiguriert, dass sie die zugewiesenen Farben durchlassen und andere Farben blockieren. Der Prozess zum Herstellen der Farbfilter 104 und 106 kann für jede Farbzuweisung das Herstellen einer Farbfilterschicht und das Strukturieren der Farbfilterschicht umfassen. Die Farbfilterschicht kann so hergestellt werden, dass sie die zugewiesenen Öffnungen füllt und die dielektrische Lichtleiterstruktur 208a bedeckt. Anschließend kann die Farbfilterschicht planarisiert und/oder rückgeätzt werden, sodass sie ungefähr auf gleicher Höhe mit einer Oberseite der dielektrischen Lichtleiterstruktur 208a ist. Obwohl es in den Figuren nicht dargestellt ist, kann bei einigen Ausführungsformen eine zweite Pufferschicht oder eine Klebstoffschicht über den Farbfiltern hergestellt werden, und über der zweiten Pufferschicht können Mikrolinsen hergestellt werden. Die zweite Pufferschicht kann zum Beispiel durch Aufdampfung, Atomlagenabscheidung (ALD), Schleuderbeschichtung oder eine Kombination davon oder dergleichen hergestellt werden. Die Mikrolinsen können zum Beispiel aus dem gleichen Material wie die zweite Pufferschicht bestehen, und sie können zum Beispiel durch Aufdampfung, ALD, Schleuderbeschichtung oder eine Kombination davon oder dergleichen hergestellt werden. Nach dem Herstellen der Mikrolinsenschicht wird diese strukturiert, um Grundflächen der entsprechenden Mikrolinsen zu definieren. Zum Beispiel kann über der Mikrolinsenschicht eine Fotoresistschicht hergestellt werden, die Auswahlbereiche der Mikrolinsenschicht maskiert, als eine Maske bei einer Ätzung der Mikrolinsenschicht verwendet wird und anschließend entfernt wird. Nachdem die Mikrolinsenschicht strukturiert worden ist, können eine oder mehrere Aufschmelz- und/oder Erwärmungsprozesse an der strukturierten Mikrolinsenschicht durchgeführt werden, um Ecken der strukturierten Mikrolinsenschicht abzurunden.
  • 12 zeigt ein Ablaufdiagramm einiger Ausführungsformen eines Verfahrens 1200 zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors mit einer Fotodiodenstruktur, die eine gezackte Übergangsgrenzfläche hat.
  • Das Verfahren 1200 wird hier zwar als eine Reihe von Schritten oder Vorgängen dargestellt und beschrieben, aber es dürfte wohlverstanden sein, dass die dargestellte Reihenfolge dieser Schritte oder Vorgänge nicht in einem beschränkenden Sinn ausgelegt werden darf. Zum Beispiel können einige Schritte oder Vorgänge in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Schritten oder Vorgängen als den hier dargestellten und/oder beschriebenen Schritten oder Vorgängen ausgeführt werden oder ablaufen. Außerdem brauchen hier nicht alle dargestellten Schritte einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Beschreibung zu implementieren. Darüber hinaus können ein oder mehrere der hier dargestellten Schritte in einem oder mehreren getrennten Schritten und/oder Phasen ausgeführt werden.
  • Im Schritt 1202 werden ein Float-Diffusionsbereich und ein Transfergate in einer Vorderseite eines Substrats hergestellt. 6 zeigt eine Schnittansicht, die einigen Ausführungsformen entspricht, die dem Schritt 1202 entsprechen.
  • Im Schritt 1204 wird eine Fotodetektionssäule in der Vorderseite des Substrats hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen kann zumindest ein Abschnitt der Fotodetektionssäule durch Implantieren von Dotandenspezies in die Vorderseite des Substrats hergestellt werden. Die Fotodetektionssäule kann als eine Schutzimplantation implantiert werden, an die sich eine selektive Implantation anschließt, um eine Mehrzahl von Säulen herzustellen, die in das Substrat hineinreichen. 7 zeigt eine Schnittansicht, die einigen Ausführungsformen entspricht, die dem Schritt 1204 entsprechen.
  • Im Schritt 1206 wird ein BEOL-Metallisierungsstapel (BEOL: Back End of Line) über dem Transfergate auf der Vorderseite des Substrats hergestellt. 9 zeigt eine Schnittansicht, die einigen Ausführungsformen entspricht, die dem Schritt 1206 entsprechen.
  • Im Schritt 1208 wird das Substrat für die Weiterbearbeitung gewendet. Eine Rückseite des Substrats wird gedünnt, und die Fotodetektionssäule kann freigelegt werden.
  • 10 zeigt eine Schnittansicht, die einigen Ausführungsformen entspricht, die dem Schritt 1208 entsprechen.
  • Im Schritt 1210 werden Farbfilter über der Rückseite des Halbleitersubstrats hergestellt. 11 zeigt eine Schnittansicht, die einigen Ausführungsformen entspricht, die dem Schritt 1210 entsprechen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft also einen CMOS-Bildsensor mit einer Fotodiodenstruktur, die eine gezackte Übergangsgrenzfläche hat, und ein zugehöriges Herstellungsverfahren. Bei einigen Ausführungsformen weist der CMOS-Bildsensor ein Substrat mit einer ersten Dotierungsart und ein Transfergate auf, das auf einer Vorderseite des Substrats angeordnet ist und durch ein Gate-Dielektrikum von dem Substrat getrennt ist. Der CMOS-Bildsensor weist weiterhin Folgendes auf: einen Float-Diffusionsbereich mit einer zweiten Dotierungsart, der auf einer Seite des Transfergates in dem Substrat angeordnet ist; und eine Fotodetektionssäule, die auf der anderen Seite des Transfergates angeordnet ist, die dem Float-Diffusionsbereich in dem Substrat gegenüberliegt. Die Fotodetektionssäule weist eine dotierte Sensorschicht mit der zweiten Dotierungsart auf. Die Fotodetektionssäule und das Substrat sind an einer Übergangsgrenzfläche miteinander in Kontakt, und sie sind als eine Fotodiodenstruktur zum Umwandeln von Strahlung, die in das Substrat eintritt, in ein elektrisches Signal konfiguriert. Die Übergangsgrenzfläche weist einen oder mehrere vertiefte Abschnitte auf.
  • Bei einigen alternativen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung einen CMOS-Bildsensor. Der CMOS-Bildsensor weist ein Substrat mit einer ersten Dotierungsart und eine Pixelmatrix mit einer Mehrzahl von Pixeln auf. Die Pixel weisen jeweils ein Transfergate, das über dem Substrat angeordnet ist; und eine Fotodetektionssäule mit einer zweiten Dotierungsart auf, die in dem Substrat auf einer Seite des Transfergates angeordnet ist, die einem Float-Diffusionsbereich mit der zweiten Dotierungsart gegenüberliegt. Die Fotodetektionssäule und das Substrat sind an einer Übergangsgrenzfläche miteinander in Kontakt, und sie sind als eine Fotodiodenstruktur zum Umwandeln von Strahlung, die in das Substrat eintritt, in ein elektrisches Signal konfiguriert. Die Übergangsgrenzfläche weist vertiefte Abschnitte auf, die entlang einer verlängerten Linie von Mittelpunkten des Transfergates und des Float-Diffusionsbereichs symmetrisch verteilt sind.
  • Bei noch weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bildsensors. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Substrats mit einer ersten Dotierungsart und das Herstellen eines Transfergates über dem Substrat. Das Verfahren umfasst weiterhin das Herstellen eines Float-Diffusionsbereichs in dem Substrat und das Herstellen einer Maskierungsschicht über dem Substrat, wobei die Maskierungsschicht einen Umfang mit vertieften Abschnitten hat, die entlang einer verlängerten Linie von Mittelpunkten des Transfergates und des Float-Diffusionsbereichs symmetrisch verteilt sind. Das Verfahren umfasst weiterhin das Durchführen einer Mehrzahl von Implantationsprozessen zum Herstellen einer Fotodetektionssäule in dem Substrat auf einer Seite des Transfergates, die dem Float-Diffusionsbereich gegenüberliegt, wenn die Maskierungsschicht positioniert ist. Die Fotodetektionssäule und das Substrat sind an einer Übergangsgrenzfläche miteinander in Kontakt, und sie sind als eine Fotodiodenstruktur zum Umwandeln von Strahlung, die in das Substrat eintritt, in ein elektrisches Signal konfiguriert.
  • 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. CMOS-Bildsensor mit: einem Substrat mit einer ersten Dotierungsart; einem Transfergate, das auf einer Vorderseite des Substrats angeordnet ist und durch ein Gate-Dielektrikum von dem Substrat getrennt ist; einem Float-Diffusionsbereich mit einer zweiten Dotierungsart, der auf einer Seite des Transfergates in dem Substrat angeordnet ist; und einer Fotodetektionssäule, die auf der anderen Seite des Transfergates angeordnet ist, die dem Float-Diffusionsbereich in dem Substrat gegenüberliegt, wobei die Fotodetektionssäule eine dotierte Sensorschicht mit der zweiten Dotierungsart aufweist, wobei die Fotodetektionssäule und das Substrat an einer Übergangsgrenzfläche miteinander in Kontakt sind und als eine Fotodiodenstruktur zum Umwandeln von Strahlung, die in das Substrat eintritt, in ein elektrisches Signal konfiguriert sind, wobei die Übergangsgrenzfläche einen oder mehrere vertiefte Abschnitte aufweist.
  2. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die Übergangsgrenzfläche einen ersten vertieften Abschnitt und einen zweiten vertieften Abschnitt aufweist, die entlang einer verlängerten Linie von Mittelpunkten des Transfergates und des Float-Diffusionsbereichs symmetrisch verteilt sind.
  3. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 2, wobei der erste vertiefte Abschnitt und der zweite vertiefte Abschnitt voneinander beabstandet sind.
  4. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberseite der Fotodetektionssäule die Form eines konkaven Polygons hat.
  5. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fotodetektionssäule weiterhin Folgendes aufweist: eine Pinning-Schicht mit der ersten Dotierungsart, die auf der dotierten Sensorschicht angeordnet ist; und eine tiefe dotierte Schicht mit der zweiten Dotierungsart, die direkt unter der dotierten Sensorschicht angeordnet ist, wobei die tiefe dotierte Schicht eine Dotierungskonzentration hat, die kleiner als die der dotierten Sensorschicht ist.
  6. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 5, wobei die tiefe dotierte Schicht eine Dicke hat, die etwa zweimal größer als die der dotierten Sensorschicht ist.
  7. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 5 oder 6, wobei die tiefe dotierte Schicht eine Seitenwandfläche hat, die vertikal zu der der dotierten Sensorschicht ausgerichtet ist.
  8. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiterhin Folgendes aufweist: eine STI-Struktur (STI: flache Grabenisolation), die zwischen benachbarten Pixelbereichen von der Vorderseite des Substrats bis zu einer Position in dem Substrat und um die Fotodetektionssäule herum angeordnet ist.
  9. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiterhin Folgendes aufweist: einen BEOL-Metallisierungsstapel (BEOL: Back End of Line), der auf der Vorderseite des Substrats angeordnet ist und eine Mehrzahl von metallischen Verbindungsschichten umfasst, die in einer oder mehreren Zwischenebenendielektrikum-Schichten angeordnet sind.
  10. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiterhin Folgendes aufweist: ein Farbfilter, das auf einer Rückseite des Substrats, die der Vorderseite gegenüberliegt, angeordnet ist, wobei das Farbfilter in einer Gitterstruktur und über der Fotodetektionssäule angeordnet ist.
  11. CMOS-Bildsensor mit: einem Substrat mit einer ersten Dotierungsart; und einer Pixelmatrix mit einer Mehrzahl von Pixeln, wobei die Pixel jeweils ein Transfergate, das auf einer Vorderseite des Substrats angeordnet ist, und eine Fotodetektionssäule mit einer zweiten Dotierungsart aufweisen, die in dem Substrat auf einer Seite des Transfergates angeordnet ist, die einem Float-Diffusionsbereich mit der zweiten Dotierungsart gegenüberliegt, wobei die Fotodetektionssäule und das Substrat an einer Übergangsgrenzfläche miteinander in Kontakt sind und als eine Fotodiodenstruktur zum Umwandeln von Strahlung, die in das Substrat eintritt, in ein elektrisches Signal konfiguriert sind, wobei die Übergangsgrenzfläche vertiefte Abschnitte aufweist, die entlang einer verlängerten Linie von Mittelpunkten des Transfergates und des Float-Diffusionsbereichs symmetrisch verteilt sind.
  12. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 11, wobei die Pixelmatrix vier Pixel aufweist, die in Zeilen und Spalten als eine 2×2-Matrix angeordnet sind, wobei ein erstes Sensorpixel und ein zweites Sensorpixel in einer ersten Zeile angeordnet sind und ein drittes Sensorpixel und ein viertes Sensorpixel in einer zweiten Zeile angeordnet sind, eine erste Fotodetektionssäule und ein erstes Transfergate des ersten Sensorpixels und eine dritte Fotodetektionssäule und ein drittes Transfergate des dritten Sensorpixels entlang einer Trennlinie, die das erste Sensorpixel und das dritte Sensorpixel trennt, symmetrisch sind, und eine zweite Fotodetektionssäule und ein zweites Transfergate des zweiten Sensorpixels und eine vierte Fotodetektionssäule und ein viertes Transfergate des vierten Sensorpixels entlang einer Trennlinie, die das zweite Sensorpixel und das vierte Sensorpixel trennt, symmetrisch sind.
  13. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 12, wobei das erste, das zweite, das dritte und das vierte Sensorpixel einen ersten, einen zweiten, einen dritten bzw. einen vierten Float-Diffusionsbereich aufweisen, die einen Float-Diffusionsbereich gemeinsam verwenden.
  14. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 12 oder 13, wobei die erste Fotodetektionssäule und das erste Transfergate des ersten Sensorpixels und die zweite Fotodetektionssäule und das zweite Transfergate des zweiten Sensorpixels entlang einer Trennlinie, die das erste Sensorpixel und das zweite Sensorpixel trennt, symmetrisch sind, und die dritte Fotodetektionssäule und das dritte Transfergate des dritten Sensorpixels und die vierte Fotodetektionssäule und das vierte Transfergate des vierten Sensorpixels entlang einer Trennlinie, die das dritte Sensorpixel und das vierte Sensorpixel trennt, symmetrisch sind.
  15. CMOS-Bildsensor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das erste Sensorpixel und das dritte Sensorpixel einen ersten Float-Diffusionsbereich gemeinsam verwenden und das zweite Sensorpixel und das vierte Sensorpixel einen zweiten Float-Diffusionsbereich gemeinsam verwenden.
  16. CMOS-Bildsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Transfergate eine dreieckige Form hat.
  17. CMOS-Bildsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei eine Oberseite der Fotodetektionssäule die Form eines konkaven Polygons hat.
  18. CMOS-Bildsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 17, der weiterhin Folgendes aufweist: einen BEOL-Metallisierungsstapel (BEOL: Back End of Line), der auf der Vorderseite des Substrats angeordnet ist und eine Mehrzahl von metallischen Verbindungsschichten umfasst, die in einer oder mehreren Zwischenebenendielektrikum-Schichten angeordnet sind; und ein Farbfilter, das auf einer Rückseite des Substrats, die der Vorderseite gegenüberliegt, angeordnet ist, wobei das Farbfilter in einer Gitterstruktur und über der Fotodetektionssäule angeordnet ist.
  19. Verfahren zum Herstellen eines Bildsensors mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats mit einer ersten Dotierungsart; Herstellen eines Transfergates über dem Substrat; Herstellen eines Float-Diffusionsbereichs in dem Substrat; Herstellen einer Maskierungsschicht über dem Substrat, wobei die Maskierungsschicht einen Umfang mit vertieften Abschnitten hat, die entlang einer verlängerten Linie von Mittelpunkten des Transfergates und des Float-Diffusionsbereichs symmetrisch verteilt sind; und wenn die Maskierungsschicht positioniert ist, Durchfuhren einer Mehrzahl von Implantationsprozessen, um eine Fotodetektionssäule in dem Substrat auf einer Seite des Transfergates, die dem Float-Diffusionsbereich gegenüberliegt, herzustellen, wobei die Fotodetektionssäule und das Substrat an einer Übergangsgrenzfläche miteinander in Kontakt sind und als eine Fotodiodenstruktur zum Umwandeln von Strahlung, die in das Substrat eintritt, in ein elektrisches Signal konfiguriert sind.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin Folgendes umfasst: Herstellen eines BEOL-Metallisierungsstapels (BEOL: Back End of Line) auf einer Vorderseite des Substrats, wobei der BEOL-Metallisierungsstapel eine Mehrzahl von metallischen Verbindungsschichten umfasst, die in einer oder mehreren Zwischenebenendielektrikum-Schichten angeordnet sind.
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