DE102018126875A1 - Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Strukur für CMOS-Bildsensor - Google Patents

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Wei Chuang Wu
Ching-Chun Wang
Dun-Nian Yaung
Feng-Chi Hung
Jen-Cheng Liu
Yen-Ting Chiang
Chun-Yuan Chen
Shen-Hui Hong
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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen CMOS-Bildsensor mit einer Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur sowie ein verknüpftes Bildungsverfahren. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Vielzahl von Pixelregionen in einem Substrat angeordnet und umfasst jeweils eine Fotodiode. Zwischen benachbarten Pixelregionen ist eine Grenztiefgrabenisolations(BDTI)-Struktur angeordnet, die sich von einer Rückseite des Substrats in eine erste Tiefe im Substrat erstreckt und die Fotodiode umgibt. In der einzelnen Pixelregion ist eine Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur angeordnet, die sich von der Rückseite des Substrats in eine zweite Tiefe im Substrat erstreckt und die Fotodiode überlagert. Eine dielektrische Schicht füllt einen BDTI-Graben der BDTI-Struktur und einen MDTI-Graben der MDTI-Struktur.

Description

  • HINTERGRUND
  • Digitalkameras und optische bildgebende Vorrichtungen setzen Bildsensoren ein. Bildsensoren wandeln optische Bilder in digitale Daten um, die als digitale Bilder repräsentiert werden können. Ein Bildsensor enthält ein Pixelarray (oder -raster) zum Detektieren von Licht und zum Aufzeichnen einer Intensität (Helligkeit) des detektierten Lichts. Das Pixelarray reagiert durch Akkumulieren einer Ladung auf das Licht. Die akkumulierte Ladung wird dann (beispielsweise von einer anderen Schaltung) verwendet, um ein Farb- und Helligkeitssignal zur Verwendung in einer geeigneten Anwendung, wie etwa einer Digitalkamera, bereitzustellen. Pixelsensoren manifestieren sich häufig als ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCDs) oder komplementäre Metalloxidhalbleiter(CMOS)-Vorrichtungen. Bezogen auf CCD-Pixelsensoren stellen CMOS-Pixelsensoren einen geringeren Leistungsverbrauch, eine kleinere Größe und eine schnellere Datenverarbeitung bereit. Ferner stellen CMOS-Pixelsensoren eine direkte digitale Ausgabe von Daten bereit und weisen verglichen mit CCD-Pixelsensoren im Allgemeinen geringere Fertigungskosten auf.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung verstanden, wenn sie mit den begleitenden Figuren gelesen wird. Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß der Standardpraxis in der Industrie unterschiedliche Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der unterschiedlichen Merkmale zwecks Klarheit der Erläuterung willkürlich erhöht oder reduziert werden.
    • 1 stellt eine Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen eines CMOS(komplementären Metalloxidhalbleiter)-Bildsensors mit einer Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur dar.
    • 2 stellt eine Draufsicht des CMOS-Bildsensors von 1 entlang der Linie A-A'dar.
    • Die 3A-3G stellen eine Vielzahl von Draufsichten einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors, der eine Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur umfasst, dar.
    • Die 4A-4C stellen eine Vielzahl von Draufsichten einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors, der eine Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur umfasst, dar.
    • 5 stellt eine Querschnittsansicht einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines integrierten Chips, der einen Bildsensor mit einer Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur umfasst, dar.
    • Die 6-10 stellen einige Ausführungsformen von Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Bilden eines CMOS-Bildsensors mit einer Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur zeigen, dar.
    • 11 stellt ein Flussdiagramm einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Bilden eines CMOS-Bildsensors mit einer Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur dar.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren von verschiedenen Merkmalen des bereitgestellten Gegenstands bereit. Nachstehend werden spezielle Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind selbstverständlich lediglich Beispiele und sollen nicht einschränkend sein. Beispielsweise kann die Bildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen enthalten, bei denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt gebildet sind, und kann außerdem Ausführungsformen enthalten, bei denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal gebildet sein können, derart, dass das erste und das zweite Merkmal möglicherweise nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung Bezugszeichen und/oder -buchstaben in den unterschiedlichen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und diktiert in sich selbst keine Beziehung zwischen den erläuterten unterschiedlichen Ausführungsformen und/oder Auslegungen.
  • Ferner können räumlich relative Begriffe wie „unterhalb“, „unten“, „untere/s/r“, „über“, „obere/s/r“ und dergleichen hier zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt ist. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren abgebildeten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb umschließen. Die Einrichtung kann anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die hier verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können ebenfalls dementsprechend interpretiert werden.
  • Viele tragbare elektronische Vorrichtungen (z. B. Kameras, Mobiltelefone, Computer usw.) enthalten einen Bildsensor zum Erfassen von Bildern. Ein Beispiel für einen derartigen Bildsensor ist ein CMOS-Bildsensor (CIS), der ein Array von aktiven Pixelsensoren enthält, die einem Array von Farbfiltern entsprechen. Unter den Farbfiltern weist der CMOS-Bildsensor eine Fotoabsorptionsschicht auf. Eine Dicke der Fotoabsorptionsschicht kann optimiert werden, um sichtbares Licht mit akzeptablem seitlichem Übersprechen unter benachbarten Pixeln zu absorbieren. Andererseits steigt der Bedarf an unsichtbaren, insbesondere nahinfrarot(NIR)-empfindlichen Bildsensoren für Sicherheits-, persönliche Authentifizierungs- und Bereichssuchanwendungen. Damit ein herausragender CMOS-Bildsensor für NIR verwendbar ist, muss unbedingt die NIR-Empfindlichkeit gesteigert werden. Ein Ansatz zum Verbessern der NIR-Empfindlichkeit besteht darin, die Fotoabsorptionsschicht dicker zu machen, wodurch sich unglücklicherweise das seitliche Übersprechen erhöhen und die Erfassungsqualität mindern würde, insbesondere bei kleinen Pixelgrößen. Darüber hinaus erhöhen sich aufgrund der Herstellung einer dicken Fotoabsorptionsschicht, die ein Dotierungsprofil enthält, das möglicherweise Ionenimplanter mit höherer Energie benötigen, die Chipkosten.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft einen CMOS-Bildsensor, der eine Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur umfasst, die in der einzelnen Pixelregion angeordnet ist, um die NIR-Empfindlichkeit zu verbessern, sowie ein verknüpftes Bildungsverfahren. Bei einigen Ausführungsformen weist der CMOS-Bildsensor eine Vielzahl von Pixelregionen auf, die auf dem Substrat angeordnet sind und jeweils eine Fotodiode umfassen, die dazu ausgelegt ist, Strahlung, die von der Rückseite in das Substrat eindringt, in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Zwischen benachbarten Pixelregionen ist eine Grenztiefgrabenisolations(BDTI)-Struktur angeordnet, die sich von der Rückseite des Substrats in eine erste Tiefe im Substrat erstreckt und die Fotodiode umgibt. In der einzelnen Pixelregion ist eine Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur angeordnet, die sich von der Rückseite des Substrats in eine zweite Tiefe im Substrat erstreckt und die Fotodiode überlagert. Eine oder mehrere dielektrische Schichten füllen einen BDTI-Graben der BDTI-Struktur und einen MDTI-Graben der MDTI-Struktur. Die dielektrischen Schichten weisen eine dielektrische Konstante auf, die kleiner ist als die des Substrats, derart, dass die ankommende Strahlung zu einer Fotodiodenregion umgeleitet wird, wenn sie auf Seitenwände der BDTI-Struktur und der MDTI-Struktur auftrifft. Dadurch wird das seitliche Photonenübersprechen verringert und die NIR-Quantumeffizienz verbessert.
  • 1 stellt eine Querschnittsansicht 100 einiger Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors mit einer Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur dar. Der CMOS-Bildsensor umfasst ein Substrat 102 mit einer Vorderseite 122 und einer Rückseite 124. Das Substrat 102 fungiert als eine Fotoabsorptionsschicht für den CMOS-Bildsensor. Bei unterschiedlichen Ausführungsformen kann das Substrat 102 einen beliebigen Typ eines Halbleiterkörpers (z. B. Silizium/CMOS-Bulk, SiGe usw.), wie etwa einen Halbleiterwafer oder ein oder mehrere Dies auf einem Wafer sowie jeden anderen Typ von Halbleiter- und/oder epitaktischen Schichten, die darauf gebildet und/oder in anderer Weise damit verknüpft sind, umfassen. Das Substrat 102 umfasst eine Vielzahl von Pixelregionen, die im Substrat 102 in einem Array formiert sein können, das Zeilen und/oder Spalten umfasst, wie etwa die in 1 gezeigten Pixelregionen 103a, 103b. Die Pixelregion 103a bzw. 103b umfasst eine Fotodiode 104, die dazu ausgelegt ist, einfallende Strahlung 120 (z. B. Photonen) in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Fotodiode 104 eine dotierte Schicht 108 im Substrat 102 mit einem ersten Dotierungstyp (z. B. n-Typ-Dotierung) und eine angrenzende Region des Substrats 102 mit einem zweiten Dotierungstyp (z. B. p-Typ-Dotierung), der sich vom ersten Dotierungstyp unterscheidet. Die dotierte Schicht 108 und die angrenzende Region des Substrats 102 bilden eine Verarmungsregion in einer Schnittstellenregion einer P-N-Übergangsstruktur. Wenn ein Photon ausreichender Energie auf die Fotodiode 104 trifft, wird ein Elektron-Loch-Paar erzeugt und vom eingebauten elektrischen Feld der Verarmungsregion aus dem P-N-Übergang entfernt. Auf diese Weise wird ein Fotostrom produziert.
  • Im Substrat 102 ist eine Grenztiefgrabenisolations(BDTI)-Struktur 111 angeordnet, die sich von der Rückseite 124 in eine erste Tiefe d1 im Substrat 102 erstreckt. Die BDTI-Struktur 111 ist zwischen benachbarten Pixelregionen 103a, 103b angeordnet und isoliert diese und umgibt die Fotodiode 104. In der einzelnen Pixelregion 103a oder 103b ist eine Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur 110 angeordnet, die sich von der Rückseite 124 des Substrats 102 in eine zweite Tiefe d2 im Substrat 102 erstreckt und die Fotodiode 104 überlagert. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste Tiefe d1 größer als die zweite Tiefe d2. Ein Verhältnis der ersten Tiefe d1 zur zweiten Tiefe d2 kann in einem Bereich von ungefähr 1:2 bis ungefähr 1:6 liegen. Die BDTI-Struktur 111 erstreckt sich von einer planaren oberen Fläche des Substrats 102 zu einer Position unter einer oberen Fläche 108a der dotierten Schicht 108, während sich die MDTI-Struktur 110 von der planaren oberen Fläche des Substrats 102 zu einer Position über der oberen Fläche 108a der dotierten Schicht 108 erstreckt. Die dotierte Schicht 108 und die MDTI-Struktur 110 können durch das Substrat 102 getrennt sein. Eine dielektrische Schicht 115 füllt einen BDTI-Graben der BDTI-Struktur 111 und einen MDTI-Graben der MDTI-Struktur 110. Bei einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 115 auf der planaren oberen Fläche des Substrats 102 angeordnet sein und erstreckt sich kontinuierlich seitlich zwischen der BDTI-Struktur 111 und der MDTI-Struktur 110. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die dielektrische Schicht 115 eine erste Oxidschicht, die Seitenwände des BDTI-Grabens und des MDTI-Grabens auskleidet, eine Schicht mit hoher dielektrischer Konstante, die auf der ersten Oxidschicht angeordnet ist, und eine zweite Oxidschicht, die verbleibende Räume des BDTI-Grabens und des MDTI-Grabens füllt.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist eine Vielzahl von Farbfiltern 116 über der Rückseite 124 des Substrats 102 formiert. Die Vielzahl von Farbfiltern 116 sind jeweils dazu ausgelegt, spezielle Wellenlängen von einfallender Strahlung 120 zu übertragen. Beispielsweise kann ein erster Farbfilter (z. B. ein roter Farbfilter) Licht mit Wellenlängen in einem ersten Bereich übertragen, während ein zweiter Farbfilter Licht mit Wellenlängen in einem zweiten Bereich, der sich vom ersten Bereich unterscheidet, übertragen kann. Als ein Beispiel kann die Vielzahl von Farbfiltern 116 einen RGB-on-Chip-Farbfilter auf jedem Pixel in einer Bayermatrix umfassen, der aus einer 2 × 2-Farbeinheitenzelle mit zwei grünen Filtern in den diagonalen Positionen und blau und rot in den nichtdiagonalen Positionen besteht. Bei einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl von Farbfiltern 116 in einer Rasterstruktur, die das Substrat 102 überlagert, formiert sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Rasterstruktur ein gestapeltes Raster mit einem Metallrahmenwerk, das von einem dielektrischen Material umgeben ist, umfassen. Bei einigen Ausführungsformen können das dielektrische Material und das gestapelte Raster ein selbes dielektrisches Material (z. B. Siliziumdioxid (SiO2)) aufweisen.
  • Um den Füllfaktor und die Sensorempfindlichkeit zu erhöhen, ist über der Vielzahl von Farbfiltern 116 eine Vielzahl von Mikrolinsen 118 formiert. Mikrolinsen 118 sind jeweils seitlich auf die Farbfilter 116 ausgerichtet und überlagern die Pixelregionen 103a, 103b. Bei einigen Ausführungsformen weist die Vielzahl von Mikrolinsen 118 eine im Wesentlichen ebene untere Fläche, die an der Vielzahl von Farbfiltern 116 anliegt, und eine gekrümmte obere Fläche auf. Die gekrümmte obere Fläche ist dazu ausgelegt, die einfallende Strahlung 120 (z. B. Licht zu den unterliegenden Pixelregionen 103a, 103b) zu fokussieren. Während des Betriebs des CMOS-Bildsensors wird die einfallende Strahlung 120 durch die Mikrolinsen 118 auf die unterliegenden Pixelregionen 103a, 103b fokussiert. Wenn eine einfallende Strahlung ausreichender Energie auf die Fotodiode 104 trifft, erzeugt sie ein Elektron-Loch-Paar, das einen Fotostrom produziert. Bemerkenswerterweise versteht es sich, dass, obwohl die Mikrolinsen 118 in 1 als auf dem Bildsensor fixiert gezeigt ist, der Bildsensor keine On-Chip-Mikrolinse enthalten muss und die Mikrolinse später in einer separaten Fertigungsaktivität am Bildsensor befestigt werden kann.
  • 2 stellt eine Draufsicht des CMOS-Bildsensors von 1 entlang der Linie A-A' dar. Wie oben beschrieben ist die BDTI-Struktur 111 zwischen benachbarten Pixelregionen 103a, 103b, 103c, 103d angeordnet und fungiert als Isolationen für die Pixelregionen, derart, dass ein Übersprechen und Überstrahlen unter den Pixelregionen 103a, 103b, 103c und 103d reduziert werden kann. Die MDTI-Struktur 110 ist einzelne Pixelregionen 103a, 103b, 103c oder 103d überlagernd angeordnet und engen die einfallende Strahlung 120 ein und richten sie hinunter zur Fotodiode 140 der entsprechenden Pixelregion, derart, dass eine Quantumeffizienz des Bildsensors verbessert wird. Ein Verhältnis einer ersten Mindestbreite w1 der BDTI-Struktur 111 zu einer zweiten Mindestbreite w2 der MDTI-Struktur 110 liegt in einem Bereich von ungefähr 1:1 bis ungefähr 1:4. Die MDTI-Struktur 110 kann ein Viereck (z. B. ein Quadrat) umfassen, bei dem eine Diagonallinie mit einer Mittellinie der Pixelregion zusammenfällt (durch eine Strichpunktlinie gezeigt). Die MDTI-Struktur 110 kann einen ersten Perimeter 126a und einen zweiten Perimeter 126b umfassen, die konzentrisch sind. Eine gemeinsame Mitte des ersten Perimeters 126a und des zweiten Perimeters 126b kann eine Mitte der entsprechenden Pixelregion sein. Der erste Perimeter 126a und der zweite Perimeter 126b sind in 2 beide als Quadrate gezeigt, doch können der erste Perimeter 126a und der zweite Perimeter 126b von einer selben oder von verschiedener Form sein und u. a. Kreise oder Polygone enthalten.
  • Die 3A-3G stellen eine Vielzahl von Draufsichten einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors, der eine Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur umfasst, dar. Es versteht sich, dass die 3A-3G zusätzlich zu dem, was in 2 für den unbegrenzten Zweck gezeigt ist, als Beispiele der Muster der MDTI-Struktur 110 betrachtet und für andere Variationen abgeändert werden können. In den 3A-3G und anderen Variationen gezeigte Muster können in den in 1 und 2 beschriebenen Bildsensor übernommen werden. Wie in 3A und 3C gezeigt, kann die MDTI-Struktur 110 ein erstes Segment und ein zweites Segment umfassen, die einander in einer Mittenregion der Pixelregion kreuzen. Wie in den 3B und 3D-3G gezeigt, kann die MDTI-Struktur 110 Segmente umfassen, die voneinander beabstandet sind. Die Segmente können entlang einer Mittellinie der Pixelregion symmetrisch sein. Die Segmente können im selben Muster verteilt (z. B. die 3D-3G) oder von einem Pixel zu einem anderen Pixel gedreht sein (z. B. 3B). Eine Mittenregion des Substrats 102 der Pixelregion kann von der MDTI-Struktur 110 abgedeckt (z. B. 3A, 3C, 3E) oder der einfallenden Strahlung ausgesetzt sein (z. B. 3B, 3D, 3F, 3G).
  • Die 4A-4C stellt eine Vielzahl von Draufsichten einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors, der eine Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur umfasst, dar. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der CMOS-Bildsensor eine Vielzahl von Pixelregionen, die eine erste Gruppe von Pixeln 402, die als Phasendetektionsautofokus(PDAF)-Pixel bekannt und dazu ausgelegt sind, eine Bildtiefenposition für einen ablaufenden Fokussierungsvorgang zu detektieren, und eine zweite Gruppe von Pixeln 404, die dazu ausgelegt sind, eine Bildform und -farbe zu detektieren, enthält. Obwohl in den Figuren nicht gezeigt, ist die erste Gruppe von Pixeln 402 in Paaren formiert: bei einem Paar von Phasendetektionspixeln sind gegenüberliegende Seiten für eine einfallende Strahlung geöffnet. Beispielsweise ist in einigen Fällen bei einem Phasendetektionspixel des Paares eine linke halbe Region für mindestens etwas einfallende Strahlung transparent, während eine rechte halbe Region von einer opaken Struktur blockiert ist. Beim anderen Phasendetektionspixel des Paares ist eine rechte halbe Region für mindestens etwas der einfallenden Strahlung transparent, während eine linke halbe Region von einer opaken Struktur blockiert. Daher weist die empfangene Strahlung des Phasendetektionspixelpaares eine Phasendifferenz auf, anhand der der Fokuszustand des Sensors bestimmt werden kann. Die opaken Strukturen der ersten Gruppe von Pixeln 402 reduzieren aufgrund der reduzierten Pixelgröße und unerwünschten Reflexionen eine Abbildungsempfindlichkeit der Bilderfassungspixel. Dadurch ist die MDTI-Struktur 110 in der ersten Gruppe von Pixeln 402 angeordnet, um die Abbildungsempfindlichkeit, insbesondere die NIR-Empfindlichkeit, zu verbessern. Obwohl die MDTI-Struktur 110 auch in der zweiten Gruppe von Pixeln 404 angeordnet sein kann, fehlt die MDTI-Struktur 110 bei einigen alternativen Ausführungsformen in der zweiten Gruppe von Pixeln 404. Wie in 4A gezeigt, ist die BDTI-Struktur 111 bei einigen Ausführungsformen zwischen benachbarten Pixelregionen 103a, 103b, 103c, 103d der ersten Gruppe von Pixeln 402 angeordnet, da sie zwischen benachbarten Pixeln der zweiten Gruppe von Pixeln 404 angeordnet ist. Wie in 4B und 4C gezeigt, fehlt die BDTI-Struktur 111 bei einigen alternativen Ausführungsformen in Grenzregionen zwischen benachbarten Pixelregionen 103a, 103b, 103c, 103d der ersten Gruppe von Pixeln 402, da die benachbarten Pixel zusammen als ein Phasendetektionspixel verwendet werden können. Die MDTI-Struktur 110 kann in den benachbarten Pixelregionen 103a, 103b, 103c, 103d als wiederholte Einheiten formiert sein (z. B. 4B) bzw. die MDTI-Struktur 110 kann in den benachbarten Pixelregionen 103a, 103b, 103c, 103d als eine kontinuierliche integrale Einheit formiert sein (z. B. 4C). Obwohl die MDTI-Struktur 110 der 4A-4C das Muster von 3A als ein Beispiel verwendet, versteht es sich auch, dass die in den 2 und 3B-3G und anderen anwendbaren Variationen gezeigten Muster ebenfalls verwendet werden können.
  • 5 stellt eine Querschnittsansicht einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines integrierten Chips, der einen Bildsensor mit einer Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur umfasst, dar. Neben oben gezeigten und beschriebenen ähnlichen Merkmalen kann die dielektrische Schicht 115 der BDTI-Struktur 111, wie in 5 gezeigt, bei einigen Ausführungsformen eine Auskleidung 113 mit hoher dielektrischer Konstante umfassen, die zwischen einer ersten Oxidschicht 114 und einer zweiten Oxidschicht 112 angeordnet ist. Die Auskleidung 113 mit hoher dielektrischer Konstante kann als eine Passivierungsschicht fungieren und die erste Oxidschicht 114 von der zweiten Oxidschicht 112 trennen. Die Auskleidung 113 mit hoher dielektrischer Konstante kann beispielsweise Aluminiumoxid (AlO), Tantaloxid (TaO), Hafniumoxid (HfO), Hafniumsiliziumoxid (HfSiO), Hafniumaluminiumoxid (HfAlO) oder Hafniumtantaloxid (HfTaO) umfassen. Die erste Oxidschicht 114 und die Auskleidung 113 mit hoher dielektrischer Konstante können konforme Schichten sein. Der in 5 gezeigte Bildsensor kann eine Zwischenstruktur sein und die erste Oxidschicht 114, die Auskleidung 113 mit hoher dielektrischer Konstante und die zweite Oxidschicht 112 können sich einem Planarisierungsprozess unterziehen oder nicht, derart, dass obere Flächen der Schichten abgeändert werden könnten und die Rückseite 124 des Substrats 102 mit oberen Flächen der dielektrischen Schicht 115 koplanar sein kann.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist zwischen den benachbarten Pixelregionen 103a, 103b von der Vorderseite 122 des Substrats 102 zu einer Position im Substrat 102 eine schwebende Diffusionswanne 204 angeordnet. Auf der Vorderseite 122 des Substrats 102 ist in einer Position seitlich zwischen der Fotodiode 104 und der schwebenden Diffusionswanne 204 ein Transfergate 202 formiert. Während des Betriebs steuert das Transfergate 202 einen Ladungstransfer von der Fotodiode 104 zur schwebenden Diffusionswanne 204. Wenn das Ladungsniveau in der schwebenden Diffusionswanne 204 ausreichend hoch ist, wird ein Sourcefolgetransistor (nicht gezeigt) aktiviert und Ladungen werden gemäß dem Betrieb eines Zeilenauswahltransistors (nicht gezeigt), der zum Adressieren verwendet wird, selektiv ausgegeben. Es kann ein Rücksetztransistor (nicht gezeigt) verwendet werden, um die Fotodiode 104 zwischen Belichtungsperioden zurückzusetzen. Bei einigen Ausführungsformen ist in Grenzregionen der Pixelregionen 103a, 103b von der Vorderseite 122 des Substrats 102 zu einer Position im Substrat 102 eine Flachgrabenisolations(STI)-Struktur 302 angeordnet, die die Fotodiode 104 umgibt. Die STI-Struktur 302 und die BDTI-Struktur 111 können vertikal ausgerichtet sein (z. B. eine gemeinsame Zentrallinie haben).
  • Bei einigen Ausführungsformen ist auf der Vorderseite 122 des Substrats 102 ein Linienvorderenden(BEOL)-Metallisierungsstapel 510 formiert. Der BEOL-Metallisierungsstapel 510 umfasst eine Vielzahl von Metallverbindungsschichten, die in einer oder mehreren dielektrischen Zwischen(ILD)-Schichten 106 geformt sind. Die ILD-Schichten 106 können eines oder mehreres einer Schicht mit niedriger dielektrischer Konstante (d. h. ein Dielektrikum mit einer dielektrischen Konstante von weniger als ungefähr 3,9), einer Schicht mit sehr niedriger dielektrischer Konstante oder eines Oxids (z. B. Siliziumdioxid) umfassen. Auf demselben integrierten Chip des Bildsensors kann eine Logikgatevorrichtung 502 angeordnet und durch eine logische STI-Struktur 504 isoliert sein. Die logische STI-Struktur 504 kann selbe oder andere Abmessungen als die STI-Struktur 302 aufweisen. In den ILD-Schichten 106 sind leitfähige Kontakte 506 formiert. Die leitfähigen Kontakte 506 erstrecken sich vom Transfergate 202 und von der schwebenden Diffusionswanne 204 zu einer oder mehreren Metalldrahtschichten 508. Bei unterschiedlichen Ausführungsformen können die leitfähigen Kontakte 506 ein leitfähiges Metall, wie beispielsweise Kupfer oder Wolfram, umfassen.
  • Die 6-11 stellen einige Ausführungsformen von Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Bilden eines CMOS-Bildsensors mit einer Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur zeigen, dar.
  • Wie in der Querschnittsansicht 600 von 6 gezeigt, ist ein Substrat 102 vorbereitet. Bei unterschiedlichen Ausführungsformen kann das Substrat 102 einen beliebigen Typ eines Halbleiterkörpers (z. B. Silizium/CMOS-Bulk, SiGe usw.), wie etwa einen Halbleiterwafer oder ein oder mehrere Dies auf einem Wafer sowie jeden anderen Typ von Halbleiter- und/oder epitaktischen Schichten, die darauf gebildet und/oder in anderer Weise damit verknüpft sind, umfassen. Das Substrat 102 kann derart vorbereitet werden, dass es ein Deckenimplantat oder einen gestuften epitaktischen Wachstumsprozess mit einem ersten Dotierungstyp (z. B. p-Typ) enthält. CMOS-Vorrichtungen werden über dem Substrat gebildet und enthalten durch Auftragen eines dielektrischen Gatefilms und eines Gatelektrodenfilms über dem Substrat 102 ein Transfergate 202. Der dielektrische Gatefilm und der Gatelektrodenfilm werden in der Folge strukturiert, um eine dielektrische Gateschicht und eine Gateelektrode zu bilden. In der Vorderseite 122 des Substrats 102 werden Implantierungsprozesse durchgeführt, um entlang einer Seite des Transfergates 202 oder gegenüberliegenden Seiten eines Paares der Transfergates 202, wie in 6 gezeigt, eine schwebende Diffusionswanne 204 zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 102 gemäß einer strukturierten Maskierungsschicht (nicht gezeigt), die Fotolack umfasst, selektiv implantiert werden. Im Substrat 102 ist eine Fotodiode 104 gebildet, die eine dotierte Schicht 108 enthält, die in einer Vorderseite 122 des Substrats 102 auf einer anderen Seite des Transfergates 202 gegenüber der Diffusionswanne 204 gebildet ist. Die dotierte Schicht 108 kann durch Implantieren einer Dotandenart mit einem zweiten Dotierungstyp (z. B. ein n-Typ-Dotand (z. B. Phosphor) gebildet werden.
  • Obwohl in 6 nicht gezeigt, kann ein BEOL-Metallisierungsstapel, der eine Vielzahl von Metallverbindungsschichten umfasst, die in einer ILD-Schicht (zum BEOL-Metallisierungsstapel 510 und zur ILD-Schicht 106 siehe z. B. 5) formiert sind, über der Vorderseite 122 des Substrats 102 gebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann der BEOL-Metallisierungsstapel durch Bilden der ILD-Schicht, die eine oder mehrere Schichten von ILD-Material umfasst, über der Vorderseite 122 des Substrats 102 gebildet werden. Die ILD-Schicht wird in der Folge geätzt, um Durchkontaktierungslöcher und/oder Metallgräben zu bilden. Die Durchkontaktierungslöcher und/oder Metallgräben werden dann mit einem leitfähigen Material gefüllt, um die Vielzahl von Metallverbindungsschichten zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen kann die ILD-Schicht durch eine physische Dampfauftragstechnik (z. B. PVD, CVD usw.) aufgetragen werden. Die Vielzahl von Metallverbindungsschichten können unter Verwendung eines Auftragsprozesses und/oder eines Plattierungsprozesses (z. B. Elektroplattierung, nichtelektrische Plattierung usw.) gebildet werden. Bei unterschiedlichen Ausführungsformen kann die Vielzahl von Metallverbindungsschichten beispielsweise Wolfram, Kupfer oder Aluminiumkupfer umfassen. Die ILD-Schicht kann dann an ein Griffsubstrat (nicht gezeigt) gebondet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Bondingprozess eine Bondingoxidzwischenschicht verwenden, die zwischen der ILD-Schicht unter dem Griffsubstrat formiert ist. Bei einigen Ausführungsformen kann der Bondingprozess einen Schmelzbondingprozess umfassen.
  • Wie in der Querschnittsansicht 700 von 7 gezeigt, wird das Substrat 102 für eine weitere Verarbeitung auf einer Rückseite 124, die der Vorderseite 122 gegenüberliegt, umgedreht. Das Substrat 102 wird selektiv geätzt, um einen MDTI-Graben 702 in der Rückseite 124 des Substrats 102 in einer einzelnen Pixelregion 103a, 103b zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 102 durch Bilden einer Maskierungsschicht 704 auf der Rückseite 124 des Substrats 102 geätzt werden. Das Substrat 102 wird dann in Regionen, die nicht von der Maskierungsschicht 704 abgedeckt sind, einem Ätzmittel ausgesetzt. Das Ätzmittel ätzt das Substrat 102, um den MDTI-Graben 702 zu bilden, der sich vom Substrat 102 erstreckt und die dotierte Schicht 108 überlagert. Bei einigen Ausführungsformen kann der MDTI-Graben 702 in einer Tiefe des Substrats 102 über der dotierten Schicht 108 stoppen. Bei einigen Ausführungsformen, die in 7 nicht gezeigt sind, kann der MDTI-Graben 702 eine Tiefe des Substrats 102 erreichen, die tiefer liegt als eine obere Fläche 108a der dotierten Schicht 108.
  • Wie in der Querschnittsansicht 800 von 8 gezeigt, wird ein zweiter Ätzprozess durchgeführt, um in der Rückseite 124 des Substrats 102 zwischen benachbarten Pixelregionen 103a, 103b einen BDTI-Graben 802 zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 102 durch Bilden einer Maskierungsschicht 804 auf der Rückseite 124 des Substrats 102 geätzt werden. Das Substrat 102 wird dann in Regionen, die nicht von der Maskierungsschicht 804 abgedeckt sind, einem Ätzmittel ausgesetzt. Das Ätzmittel ätzt das Substrat 102, um den BDTI-Graben 802 zu bilden, der sich vom Substrat 102 in eine Tiefe erstreckt, die unter der oberen Fläche der dotierten Schicht 108 liegt. Bei einigen Ausführungsformen kann der BDTI-Graben 802 in einer Tiefe des Substrats 102 über einer untere Fläche der dotierten Schicht 108 stoppen. Bei einigen Ausführungsformen, die in 8 nicht gezeigt sind, kann der BDTI-Graben 802 eine Tiefe des Substrats 102 erreichen, die tiefer liegt als eine untere Fläche 108b der dotierten Schicht 108.
  • Bei unterschiedlichen Ausführungsformen können die Maskierungsschicht 704 von 7 und die Maskierungsschicht 804 von 8 Fotolack oder ein Nitrid (z. B. SiN) umfassen, das unter Verwendung eines Fotolithografieprozesses strukturiert wird. Bei unterschiedlichen Ausführungsformen kann das Ätzmittel von 7 und 8 ein trockenes Ätzmittel mit einer Ätzchemie, die eine Fluorart (z. B. CF4 , CHF3 , C4 F8 usw.) umfasst, oder ein nasses Ätzmittel (z. B. Fluorwasserstoffsäure (HF) oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH)) umfassen. Das Substrat 102 kann dünner gemacht werden, um eine Dicke des Substrats 102 zu reduzieren, bevor der MDTI-Graben 702 gebildet wird, und um es zu erlauben, dass eine Strahlung durch die Rückseite 124 des Substrats 102 zur Fotodiode 104 geleitet wird. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 102 durch Ätzen der Rückseite 124 des Halbleitersubstrats dünner gemacht werden. Bei anderen Ausführungsformen kann das Substrat 102 durch mechanisches Schleifen der Rückseite 124 des Halbleitersubstrats dünner gemacht werden. Die Reihenfolge des Bildens des MDTI-Grabens 702 und des BDTI-Grabens 802 ist vertauschbar, d. h. der MDTI-Graben 702 kann vor oder nach dem Bilden des BDTI-Grabens 802 gebildet werden.
  • Wie in der Querschnittsansicht 900 von 9 gezeigt, sind der MDTI-Graben 702 und der BDTI-Graben 802 mit einem dielektrischen Material gefüllt. Bei einigen Ausführungsformen wird eine erste Oxidschicht 114 konform entlang Seitenwänden des MDTI-Grabens 702 und des BDTI-Grabens 802 aufgetragen. Auf der ersten Oxidschicht 114 wird eine Auskleidung 113 mit hoher dielektrischer Konstante gebildet. Die Auskleidung 113 mit hoher dielektrischer Konstante kann mittels Auftragstechniken gebildet werden und kann Aluminiumoxid (AlO), Hafniumoxid (HfO), Tantaloxid (TaO) oder andere dielektrische Materialien mit einer dielektrischen Konstante, die größer ist als die von Siliziumoxid, umfassen. Die erste Oxidschicht 114 und die Auskleidung 113 mit hoher dielektrischer Konstante kleiden Seitenwände und untere Flächen des MDTI-Grabens 702 und des BDTI-Grabens 802 aus. Bei einigen Ausführungsformen können sich die erste Oxidschicht 114 und die Auskleidung 113 mit hoher dielektrischer Konstante zwischen dem MDTI-Graben 702 und dem BDTI-Graben 802 über die Rückseite 124 des Substrats 102 erstrecken. Zum Füllen eines Rests des MDTI-Grabens 702 und des BDTI-Grabens 802 wird eine zweite Oxidschicht 112 gebildet. Bei einigen Ausführungsformen wird nach dem Bilden der zweiten Oxidschicht 112 ein Planarisierungsprozess durchgeführt, um eine planare Fläche zu bilden, die sich entlang einer oberen Fläche der Auskleidung 113 mit hoher dielektrischer Konstante und der zweiten Oxidschicht 112 erstreckt, zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen können die erste Oxidschicht 114, die Auskleidung 113 mit hoher dielektrischer Konstante und die zweite Oxidschicht 112 unter Verwendung einer physischen Dampfauftragstechnik oder einer chemischen Dampfauftragstechnik aufgetragen werden.
  • Wie in der Querschnittsansicht 1000 von 10 gezeigt, kann in der Folge eine Vielzahl von Farbfiltern 116a, 116b über der Rückseite 124 des Substrats 102 gebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl von Farbfiltern 116a, 116b durch Bilden einer Farbfilterschicht und Strukturieren der Farbfilterschicht und Bilden eines Verbundrasters 206 zwischen den Farbfiltern 116a, 116b zu Isolierungszwecken gebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verbundraster 206 eine Metallrasterstruktur 206b, die in der dielektrischen Lichtführungsstruktur 206a angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Lichtführungsstruktur 206a eine oder mehrere dielektrische Strukturen umfassen, beispielsweise ein Siliziumnitridraster, ein Siliziumoxinitridraster oder ein Siliziumdioxidraster. Bei einigen Ausführungsformen wird die Farbfilterschicht aus einem Material gebildet, das die Übertragung von Strahlung (z. B. Licht) mit einem speziellen Wellenlängenbereich erlaubt, während Licht mit Wellenlängen außerhalb des spezifizierten Bereichs blockiert wird. Obwohl in 10 nicht gezeigt, kann bei einigen Ausführungsformen über der Vielzahl von Farbfiltern 116a, 116b eine Vielzahl von Mikrolinsen gebildet sein (siehe z. B. die in 1 gezeigten Mikrolinsen 118). Bei einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl von Mikrolinsen durch Auftragen eines Mikrolinsenmaterials über der Vielzahl von Farbfiltern gebildet werden (z. B. mittels eines Spin-on-Verfahrens oder eines Auftragsprozesses). Über dem Mikrolinsenmaterial wird eine Mikrolinsenschablone mit einer gekrümmten oberen Fläche strukturiert. Bei einigen Ausführungsformen kann die Mikrolinsenschablone ein Fotolackmaterial umfassen, das unter Verwendung einer verteilenden belichtenden Lichtdosis belichtet (z. B. wird für einen negativen Fotolack unten in der Krümmung und mit mehr Licht oben in der Krümmung mit weniger Licht belichtet), entwickelt und gebacken wird, um eine abrundende Form zu bilden. Die Vielzahl von Mikrolinsen wird dann durch selektives Ätzen des Mikrolinsenmaterials gemäß der Mikrolinsenschablone gebildet.
  • 11 stellt ein Flussdiagramm einiger Ausführungsformen eines Verfahrens 1100 zum Bilden eines CMOS-Bildsensors mit einer Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur dar.
  • Während das offenbarte Verfahren 1100 hier als eine Reihe von Handlungen oder Ereignissen dargestellt und beschrieben ist, versteht es sich, dass die dargestellte Reihenfolge derartiger Handlungen oder Ereignisse nicht in einem begrenzenden Sinn zu interpretieren ist. Beispielsweise können einige Handlungen in verschiedenen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Handlungen oder Ereignissen von jenen hier dargestellten und/oder beschriebenen getrennt erfolgen. Darüber hinaus sind möglicherweise nicht alle dargestellten Handlungen erforderlich, um einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen dieser Beschreibung zu implementieren. Ferner können eine oder mehrere der hier abgebildeten Handlungen in einer oder mehreren separaten Handlungen und/oder Phasen ausgeführt werden.
  • In 1102 wird ein Substrat vorbereitet. In der Vorderseite des Substrats wird eine Fotodiode gebildet, die eine dotierte Schicht mit einem ersten Dotierungstyp (z. B. n-Typ), die in einer Vorderseite des Substrats gebildet ist, und eine angrenzende Region des Substrats mit einem zweiten Dotierungstyp (z. B. p-Typ) enthält. Das Substrat kann derart vorbereitet werden, dass es ein Deckenimplantat oder einen gestuften epitaktischen Wachstumsprozess mit dem zweiten Dotierungstyp (z. B. p-Typ) enthält. Die dotierte Schicht kann durch Implantieren einer Dotandenart mit dem ersten Dotierungstyp (z. B. ein n-Typ-Dotand (z. B. Phosphor) gebildet werden. 6 stellt eine Querschnittsansicht dar, die einigen Ausführungsformen, die der Handlung 1102 entsprechen, entspricht.
  • In 1104 wird das Substrat zur weiteren Verarbeitung umgedreht. Eine Rückseite des Substrats wird selektiv geätzt, um einen MDTI-Graben zu bilden, der sich in einzelnen Pixelregionen in das Substrat erstreckt. Bei einigen Ausführungsformen wird das Substrat durch Bilden einer Maskierungsschicht auf der Rückseite des Substrats geätzt. Das Substrat wird dann in Regionen, die die dotierte Schicht überlagern und nicht von der Maskierungsschicht abgedeckt sind, einem Ätzmittel ausgesetzt, um den MDTI-Graben zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen kann der MDTI-Graben in einer Tiefe des Substrats über der dotierten Schicht stoppen. 7 stellt eine Querschnittsansicht dar, die einigen Ausführungsformen, die der Handlung 1104 entsprechen, entspricht.
  • In 1106 wird ein zweiter Ätzprozess durchgeführt, um einen BDTI-Graben zu bilden, der sich in das Substrat erstreckt. Der BDTI-Graben wird zwischen benachbarten Pixelregionen gebildet und umgibt die Fotodiode. Der BDTI-Graben kann sich in eine Tiefe, die niedriger als die obere Fläche der dotierten Schicht und höher als eine untere Fläche der dotierten Schicht ist, zum Substrat erstrecken. 8 stellt eine Querschnittsansicht dar, die einigen Ausführungsformen, die der Handlung 1106 entsprechen, entspricht.
  • In 1110 werden der MDTI-Graben und der BDTI-Graben mit dielektrischen Materialien gefüllt, um eine MDTI-Struktur und eine BDTI-Struktur zu bilden. In 1107 wird eine erste Oxidschicht gebildet, die Seitenwände des MDTI-Grabens und des BDTI-Grabens konform auskleidet. In 1108 wird im MDTI-Graben und im BDTI-Graben auf der dotierten Schicht eine Auskleidung mit hoher dielektrischer Konstante gebildet. In 1109 wird zum Füllen eines Rests des MDTI-Grabens und des BDTI-Grabens eine zweite Oxidschicht gebildet. Die erste Oxidschicht, die Auskleidung mit hoher dielektrischer Konstante und die zweite Oxidschicht können durch Auftragstechnologien, wie etwa einen chemischen Dampfauftrag, gebildet werden. 9 stellt eine Querschnittsansicht dar, die einigen Ausführungsformen, die der Handlung 1110 entsprechen, entspricht.
  • In 1112 werden über der Rückseite des Halbleitersubstrats Farbfilter und Mikrolinsen gebildet. 10 stellt eine Querschnittsansicht dar, die einigen Ausführungsformen, die der Handlung 1112 entsprechen, entspricht.
  • Daher betrifft die vorliegende Offenbarung einen CMOS-Bildsensor mit einer Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur sowie ein verknüpftes Bildungsverfahren. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der CMOS-Bildsensor eine Vielzahl von Pixelregionen, die auf dem Substrat angeordnet sind und jeweils eine Fotodiode umfassen. Zwischen benachbarten Pixelregionen ist eine Grenztiefgrabenisolations(BDTI)-Struktur angeordnet, die die Fotodiode umgibt. In der einzelnen Pixelregion ist eine Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur angeordnet, die die Fotodiode überlagert. Eine dielektrische Schicht füllt einen BDTI-Graben der BDTI-Struktur und einen MDTI-Graben der MDTI-Struktur. Durch Bilden der offenbarten BDTI-Struktur und MDTI-Struktur wird einfallende Strahlung besser eingeengt und zur Fotodiode geführt. Dadurch wird die Erfassungsempfindlichkeit des Bildsensors, insbesondere im NIR-Bereich, verbessert und das Überstrahlen und Übersprechen werden reduziert.
  • Bei einigen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung einen CMOS-Bildsensor. Der Bildsensor umfasst ein Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt. Im Substrat ist eine Vielzahl von Pixelregionen angeordnet, die jeweils eine Fotodiode umfassen, die dazu ausgelegt ist, Strahlung, die von der Rückseite in das Substrat eindringt, in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Zwischen benachbarten Pixelregionen ist eine Grenztiefgrabenisolations(BDTI)-Struktur angeordnet, die sich von der Rückseite des Substrats in eine Position im Substrat erstreckt und die Fotodiode umgibt. In der einzelnen Pixelregion ist eine Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur angeordnet, die sich von der Rückseite des Substrats in eine zweite Tiefe im Substrat erstreckt und die Fotodiode überlagert. Eine dielektrische Schicht füllt einen BDTI-Graben der BDTI-Struktur und einen MDTI-Graben der MDTI-Struktur.
  • Bei einigen alternativen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung einen CMOS-Bildsensor. Der Bildsensor umfasst ein Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt. Im Substrat ist eine Vielzahl von Pixelregionen angeordnet, die jeweils ein Transfergate, das auf der Vorderseite des Substrats angeordnet ist, und eine Fotodiode, die auf einer Seite des Transfergates angeordnet und dazu ausgelegt ist, Strahlung, die von der Rückseite in das Substrat eindringt, in ein elektrisches Signal umzuwandeln, umfassen. Zwischen benachbarten Pixelregionen ist eine Grenztiefgrabenisolations(BDTI)-Struktur angeordnet, die sich von der Rückseite des Substrats in eine erste Tiefe im Substrat erstreckt und die Fotodiode umgibt. In der einzelnen Pixelregion ist eine Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur angeordnet, die sich von der Rückseite des Substrats in eine zweite Tiefe im Substrat erstreckt und die Fotodiode überlagert. Die MDTI-Struktur umfasst eine erste Oxidschicht, die Seitenwände eines MDTI-Grabens auskleidet, eine Schicht mit hoher dielektrischer Konstante, die auf der ersten Oxidschicht angeordnet ist, und eine zweite Oxidschicht, die verbleibende Räume des MDTI-Grabens füllt.
  • Bei noch anderen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Bilden eines Bildsensors. Das Verfahren umfasst das Bilden eines Transfergates über einer Vorderseite eines Substrats und einer dotierten Schicht auf einer Seite des Transfergates, das den Fotodioden einer Vielzahl von Pixelregionen entspricht, im Substrat. Das Verfahren umfasst ferner das Umdrehen des Substrats und das Durchführen eines ersten Ätzprozesses, um von einer Rückseite des Substrats zu ätzen, um einen Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Graben zu bilden, der die dotierte Schicht überlagert. Das Verfahren umfasst ferner das Durchführen eines zweiten Ätzprozesses von der Rückseite des Substrats, um einen Grenztiefgrabenisolations(BDTI)-Graben zwischen benachbarten Pixelregionen und die Fotodiode umgebend zu bilden. Das Verfahren umfasst ferner das Füllen des MDTI-Grabens und des BDTI-Grabens mit einer dielektrischen Schicht, um eine MDTI-Struktur, die die dotierte Schicht überlagert, und eine BDTI-Struktur zwischen den Pixelregionen zu bilden.
  • Das Vorstehende umreißt Merkmale mehrerer Ausführungsformen, derart, dass der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser versteht. Für den Fachmann versteht es sich, dass er die vorliegende Offenbarung direkt als Basis zum Entwerfen oder Modifizieren weiterer Prozesse und Strukturen verwenden kann, um dieselben Zwecke auszuführen und/oder dieselben Vorteile der hier eingeführten Ausführungsformen zu erreichen. Der Fachmann sollte außerdem erkennen, dass derartige äquivalente Konstruktionen nicht vom Geist und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abweichen und er hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abänderungen vornehmen kann, ohne vom Geist und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.

Claims (20)

  1. CMOS-Bildsensor, der Folgendes umfasst: ein Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt; eine auf dem Substrat angeordnete Vielzahl von Pixelregionen, die jeweils eine Fotodiode umfassen, die dazu ausgelegt ist, Strahlung, die von der Rückseite in das Substrat eindringt, in ein elektrisches Signal umzuwandeln; eine zwischen benachbarten Pixelregionen angeordnete Grenztiefgrabenisolations(BDTI)-Struktur, die sich von der Rückseite des Substrats in eine erste Tiefe im Substrat erstreckt und die Fotodiode umgibt; eine in der Vielzahl von Pixelregionen angeordnete Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur, die sich von der Rückseite des Substrats in eine zweite Tiefe im Substrat erstreckt und die Fotodiode überlagert; und eine dielektrische Schicht, die einen BDTI-Graben der BDTI-Struktur und einen MDTI-Graben der MDTI-Struktur füllt.
  2. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die dielektrische Schicht nach oben erstreckt und kontinuierlich zwischen der BDTI-Struktur und der MDTI-Struktur angeordnet ist.
  3. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht eine erste Oxidschicht, die Seitenwände des BDTI-Grabens und des MDTI-Grabens auskleidet, eine Schicht mit hoher dielektrischer Konstante, die auf der ersten Oxidschicht angeordnet ist, und eine zweite Oxidschicht, die verbleibende Räume des BDTI-Grabens und des MDTI-Grabens füllt, umfassen.
  4. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Tiefe größer ist als die zweite Tiefe.
  5. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis der ersten Tiefe zur zweiten Tiefe in einem Bereich von ungefähr 1:2 bis ungefähr 1:6 liegt.
  6. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis einer ersten Mindestbreite der BDTI-Struktur zu einer zweiten Mindestbreite der MDTI-Struktur in einem Bereich von ungefähr 1:1 bis ungefähr 1:4 liegt.
  7. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die MDTI-Struktur ein Viereck umfasst, bei dem eine Diagonallinie mit einer Mittellinie der Pixelregion zusammenfällt.
  8. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die MDTI-Struktur einen ersten Perimeter und einen zweiten Perimeter, die zueinander konzentrisch sind, umfasst.
  9. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die MDTI-Struktur ein erstes Segment und ein zweites Segment, die einander in einer Mittenregion der Pixelregion kreuzen, umfasst.
  10. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die MDTI-Struktur Segmente umfasst, die voneinander beabstandet und entlang einer Mittellinie der Pixelregion symmetrisch sind.
  11. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fotodiode eine dotierte Schicht mit einem ersten Dotierungstyp und eine angrenzende Region des Substrats mit einem zweiten Dotierungstyp, der sich vom ersten Dotierungstyp unterscheidet, umfasst.
  12. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 11, wobei die dotierte Schicht und die MDTI-Struktur durch das Substrat getrennt sind.
  13. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Pixelregionen eine erste Gruppe von Pixeln, die als Phasendetektionsautofokus(PDAF)-Pixel ausgelegt sind, und eine zweite Gruppe von Pixeln umfasst; wobei die MDTI-Struktur in der ersten Gruppe von Pixeln angeordnet ist und in der zweiten Gruppe von Pixeln fehlt.
  14. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 13, wobei die BDTI-Struktur in einer Grenzregion zwischen benachbarten Pixeln der ersten Gruppe von Pixeln fehlt.
  15. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 13 oder 14, wobei die MDTI-Struktur in der ersten Gruppe von Pixeln als eine kontinuierliche integrale Einheit geformt ist.
  16. CMOS-Bildsensor, der Folgendes umfasst: ein Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt; eine Vielzahl von Pixelregionen, die auf dem Substrat angeordnet sind und jeweils ein Transfergate, das auf der Vorderseite des Substrats angeordnet ist, und eine Fotodiode, die auf einer Seite des Transfergates angeordnet und dazu ausgelegt ist, Strahlung, die von der Rückseite in das Substrat eindringt, in ein elektrisches Signal umzuwandeln, umfassen; eine zwischen benachbarten Pixelregionen angeordnete Grenztiefgrabenisolations(BDTI)-Struktur, die sich von der Rückseite des Substrats in eine erste Tiefe im Substrat erstreckt und die Fotodiode umgibt; und eine Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Struktur, die in der einzelnen Pixelregion angeordnet ist, die sich von der Rückseite des Substrats in eine zweite Tiefe im Substrat erstreckt, und die Fotodiode überlagert; wobei die MDTI-Struktur eine erste Oxidschicht, die Seitenwände eines MDTI-Grabens auskleidet, eine Schicht mit hoher dielektrischer Konstante, die auf der ersten Oxidschicht angeordnet ist, und eine zweite Oxidschicht, die verbleibende Räume des MDTI-Grabens füllt, umfasst.
  17. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 16, wobei die MDTI-Struktur zu einer Mittellinie der Pixelregion symmetrisch ist.
  18. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 16 oder 17, wobei die erste Oxidschicht einen BDTI-Graben der BDTI-Struktur füllt und sich zwischen der BDTI-Struktur und der MDTI-Struktur seitlich erstreckt.
  19. Verfahren zum Bilden eines Bildsensors, das Folgendes umfasst: Bilden eines Transfergates über einer Vorderseite eines Substrats und einer dotierten Schicht auf einer Seite des Transfergates, das einer Fotodiode einer Pixelregionen entspricht; Drehen des Substrats und Durchführen eines ersten Ätzprozesses, um von einer Rückseite des Substrats zu ätzen, um einen Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Graben zu bilden, der die dotierte Schicht überlagert; Durchführen eines zweiten Ätzprozesses von der Rückseite des Substrats, um einen Grenztiefgrabenisolations(BDTI)-Graben zwischen benachbarten Pixelregionen und die Fotodiode umgebend zu bilden; und Füllen des MDTI-Grabens und des BDTI-Grabens mit einer dielektrischen Schicht, um eine MDTI-Struktur, die die dotierte Schicht überlagert, und eine BDTI-Struktur zwischen den benachbarten Pixelregionen zu bilden.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, das ferner Folgendes umfasst: Bilden einer Vielzahl von Farbfiltern auf der dielektrischen Schicht über der BDTI-Struktur und der MDTI-Struktur.
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