DE102020108040A1 - Bildsensorvorrichtung und deren herstellungsverfahren - Google Patents

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Wei-Chao Chiu
Chun-Wei Chang
Ching-sen Kuo
Feng-Jia Shiu
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Abstract

Ein Verfahren umfasst ein Ausbilden einer ersten Photoresistschicht auf einer Vorderseite eines Vorrichtungssubstrats, die erste Gräben aufweist, die voneinander beabstandet sind. Ein erster Implantationsprozess wird unter Verwendung der ersten Photoresistschicht als Maske durchgeführt, um erste Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat auszubilden. Auf der Vorderseite wird eine zweite Photoresistschicht ausgebildet, die zweite Gräben aufweist. Ein zweiter Implantationsprozess wird unter Verwendung der zweiten Photoresistschicht als Maske durchgeführt, um zweite Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat auszubilden, die die ersten Isolierbereiche kreuzen. Eine dritte Photoresistschicht wird auf der Vorderseite ausgebildet und weist dritte Gräben auf, die voneinander beabstandet sind. Ein dritter Implantationsprozess wird unter Verwendung der dritten Photoresistschicht als Maske durchgeführt, um dritte Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat auszubilden, die die ersten Isolierbereiche kreuzen, die jedoch von den zweiten Isolierbereichen beabstandet sind.

Description

  • BEANSPRUCHUNG DER PRIORITÄT UND QUERVERWEISE
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/951 966 , eingereicht am 20. Dezember 2019, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • HINTERGRUND
  • Bildsensorvorrichtungen werden häufig in verschiedenen Bildgebungsanwendungen und -produkten verwendet, beispielsweise in Digitalkameras oder Kameraanwendungen in Mobiltelefonen. Diese Vorrichtungen verwenden ein Array von Sensorelementen (Pixeln) in einem Substrat. Die Pixel können Photodioden oder andere lichtempfindliche Elemente sein, die auf das Substrat projiziertes Licht absorbieren und das erfasste Licht in elektrische Signale umwandeln können. Um eine höhere Auflösung zu erhalten, ist es vorteilhaft, die Anzahl der Pixel in den Bildsensorvorrichtungen zu erhöhen.
  • Die immer kleiner werdende Geometriegröße stellt die Herstellung von Bildsensorvorrichtungen vor Herausforderungen. Beispielsweise kann der Herstellungsprozess Photoresistmasken mit hohem Seitenverhältnis erfordern, um Pixel in Mikrometer- oder Submikrometergrößen herzustellen. Photoresistmasken mit hohem Seitenverhältnis sind jedoch anfälliger für die Wirkung der Kapillarkräfte. Diese Wirkungen werden verstärkt, wenn das Seitenverhältnis der Maske zunimmt und/oder wenn der Abstand abnimmt. Infolgedessen können Photoresistmasken beispielsweise durch die Zugwirkung von Kapillarkräften zwischen benachbarten Photoresistmasken kollabieren.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten aus der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. Man beachte, dass gemäß dem üblichen Vorgehen in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Elemente zur Klarheit der Beschreibung beliebig vergrößert oder verkleinert werden.
    • Die 1A bis 18B zeigen ein Verfahren zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • Die 19A und 19B sind ein Ablaufdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • Die 20A und 20B zeigen vereinfachte Querschnittsansichten zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 21A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 21B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 21A.
    • Die 22A und 22B zeigen vereinfachte Querschnittsansichten einer Bildsensorvorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 23A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 23B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 23A.
    • Die 24A und 24B zeigen vereinfachte Querschnittsansichten einer Bildsensorvorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenbarung sieht viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele vor, um verschiedene Merkmale des angegebenen Gegenstands zu implementieren. Spezielle Beispiele von Komponenten und Anordnungen sind unten beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und sollen nicht einschränkend wirken. Beispielsweise kann das Ausbilden eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, in denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt ausgebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, in denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element ausgebildet sein können, so dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt stehen müssen. Zusätzlich kann die vorliegende Offenbarung Bezugszeichen und/oder Buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und erzwingt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
  • Weiter können räumlich relative Begriffe, wie „unten“, „unter“, „unterer“, „über“, „oberer“ und ähnliche, hier der Einfachheit der Beschreibung halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals mit einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie sie in den Figuren gezeigt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung, die verwendet oder betrieben wird, zusätzlich zu der in den Figuren gezeigten Ausrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Ausrichtung) und die räumlich relativen Begriffe, die hier verwendet werden, können ebenfalls demgemäß interpretiert werden.
  • Wie hierin verwendet, bedeuten die Begriffe „um“, „etwa“, „ungefähr“ oder „im Wesentlichen“ im Allgemeinen Werte von 20 Prozent, von 10 Prozent oder von 5 Prozent um einen gegebenen Wert oder Bereich. Die hier angegebenen numerischen Größen sind ungefähre Angaben, was bedeutet, dass ein Begriff wie „um“, „etwa“, „ungefähr“ oder „im Wesentlichen“ vorausgesetzt werden kann, wenn er nicht ausdrücklich angegeben wird.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sehen ein Verfahren zum Ausbilden von Isolierbereichen auf Submikrometer-Niveau für eine Bildsensorvorrichtung vor, bei dem mehrere Lithographieprozesse und ein optionales Schrumpfungs- bzw. Verkleinerungsmaterial verwendet werden, das auf die Photoresistsäulen aufgebracht wird, die in den Lithographieprozessen bereitgestellt werden. Die Photoresistsäulen werden mit niedrigem Seitenverhältnis und einem Graben mit ultrahohem Seitenverhältnis zwischen den Photoresistsäulen ausgebildet, ohne dass die Photoresistsäulen kollabiert.
  • Die 1A bis 18B zeigen ein Verfahren zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100. in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Es wird auf die 1A und 1B Bezug genommen. 1A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100. in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 1B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 1A. Die Bildsensorvorrichtung 100. kann in verschiedenen elektronischen Vorrichtungen zum Aufnehmen von Bildern verwendet werden, beispielsweise Kameras, Mobiltelefonen, persönlichen digitalen Assistenten, Computern usw. Beispiele für eine solche Bildsensorvorrichtung können komplementäre Metalloxidhalbleiter- (CMOS)-Bildsensorvorrichtungen (CIS-Vorrichtungen), ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCDs), Aktivpixelsensor- (APS)-Vorrichtungen oder Passivpixelsensorvorrichtungen enthalten. In einigen Ausführungsformen ist die Bildsensorvorrichtung 100. eine rückseitig beleuchtete (BSI-) Bildsensorvorrichtung. Während die vorliegende Offenbarung in Bezug auf rückseitig beleuchtete Bildsensorvorrichtungen beschrieben wird, können die Ausführungsformen der Offenbarung auch auf vorderseitig beleuchtete (FSI-) Bildsensorvorrichtungen angewendet werden. Die Bildsensorvorrichtung 100. kann eine CIS sein und ein Vorrichtungssubstrat 110 enthalten. Das Vorrichtungssubstrat 110 ist beispielsweise ein Bulk-Siliziumsubstrat, eine Epitaxieschicht über einem Siliziumsubstrat, ein Halbleiterwafer, ein Siliziumgermanium-Substrat oder ein Silizium-auf-Isolator- (SOI)-Substrat. Andere Halbleitermaterialien wie beispielsweise Gruppe-III-, Gruppe-IV- und Gruppe-V-Elemente können in einigen Ausführungsformen verwendet werden. Das Vorrichtungssubstrat 110 kann in einigen Ausführungsformen undotiert sein. In einigen weiteren Ausführungsformen ist das Vorrichtungssubstrat 110 mit einem p-Dotierstoff wie Bor (d. h. als p-Substrat) oder einem n-Dotierstoff wie Phosphor oder Arsen (d. h. als n-Substrat) dotiert. Das Vorrichtungssubstrat 110 kann optional einen Verbindungshalbleiter und/oder einen Legierungshalbleiter enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Vorrichtungssubstrat 110 eine Epitaxieschicht enthalten, die zur Leistungssteigerung verspannt sein kann.
  • Das Vorrichtungssubstrat 110 weist eine Vorderseite 112 (auch als Vorderfläche bezeichnet) 112 und eine Rückseite (auch als Rückfläche bezeichnet) 114 gegenüber der Vorderseite 112 auf. Bei einer BSI-Bildsensorvorrichtung wie der Bildsensorvorrichtung 100. fällt Licht oder Strahlung (nach einem Substratverdünnungsprozess) auf die Rückseite 114 und tritt durch die Rückseite 114 in das übrige Vorrichtungssubstrat 110 ein. Die Vorderseite 112 ist eine aktive Oberfläche, auf der Schaltungsentwürfe wie Transistoren, Kontakte und Verbindungsmerkmale ausgebildet werden, um für externe Verbindungen mit den Pixeln in den Pixelbereichen zu sorgen. Es versteht sich, dass die 1A bis 18B und 20A bis 23B zum besseren Verständnis der erfinderischen Konzepte der vorliegenden Offenbarung vereinfacht wurden und daher nicht maßstabsgetreu gezeichnet sein müssen.
  • Eine erste Photoresistschicht 120 ist über der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 ausgebildet. Die erste Photoresistschicht 120 kann durch Abscheiden (z. B. Rotationsbeschichten) eines Photoresistfilms über der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 und anschließendes Strukturieren des Photoresistfilms in einem ersten Lithographieprozess ausgebildet werden, der einen oder mehrere Prozesse wie z B. Belichten, Nachbelichten Backen, Entwickeln usw. umfassen kann. Der erste Lithographieprozess kann eine Lithographieeinrichtung verwenden, um die erste Photoresistschicht 120 zu strukturieren. Die Lithographieeinrichtung kann eine Strahlungsquelle zum Bereitstellen von Strahlungsenergie, ein Linsensystem zum Projizieren der Strahlungsenergie zur Lithographiestrukturierung und einen Maskentisch mit einer Scan-Funktion enthalten. Die Strahlungsquelle kann eine geeignete Lichtquelle sein, beispielsweise eine Ultraviolett- (UV-), Tief-Ultraviolett- (DUV-) oder Extrem-Ultraviolett- (EUV)-Quelle. Die Strahlungsquelle kann beispielsweise einen Kryptonfluorid- (KrF)-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm; einen Argonfluorid- (ArF)-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 193 nm; einen Fluorid- (F2)-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 157 nm; eine Quecksilberlampe mit einer Wellenlänge von 436 nm oder 365 nm; oder andere Lichtquellen mit einer Wellenlänge unter ungefähr 100. nm aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt. Das Linsensystem kann ein oder mehrere Beleuchtungsmodule enthalten, die dazu ausgelegt sind, Strahlenbündel von der Strahlungsquelle auf eine Photomaske zu lenken. Die Maskenstufe kann betrieben werden, um die Photomaske zu sichern und die Photomaske im Überführungs- und/oder Rotationsmodus zu manipulieren. Die Lithographieeinrichtung enthält auch eine Substratstufe zum Halten und Manipulieren eines Substrats, das während des ersten Lithographieprozesses im Überführungs- und/oder Rotationsmodus strukturiert wird. Es versteht sich, dass die Manipulation des Substrats relativ zur Photomaske betrachtet wird, so dass sich die Maskenstufe und/oder die Substratstufe bewegen können, um die gewünschte Manipulation zu erreichen. Eine Ausrichtungseinrichtung kann verwendet werden, um die Photomaske und das Substrat auszurichten.
  • 1C zeigt eine schematische Ansicht eines ersten Lithographieprozesses gemäß einigen Ausführungsformen, der durchgeführt wird, um ein Bild auf die erste Photoresistschicht 120 auf dem Vorrichtungssubstrat 110 von 1A zu übertragen. Der Einfachheit halber zeigt 1C einen Teil der ersten Photoresistschicht 120, die das Bild empfängt. Während des ersten Lithographieprozesses wird eine Photomaske wie beispielsweise eine erste Photomaske 210 mit einer ersten Struktur 212, die in 1C gezeigt ist, auf die Maskenstufe geladen, und das Vorrichtungssubstrat 110 wird auf die Substratstufe geladen. Die erste Struktur 212 kann verschiedene Merkmale wie Linien, Löcher, Gitter oder beliebige gewünschte Formen wie Polygone aufweisen, abhängig von den Merkmalen, die in der ersten Photoresistschicht 120 ausgebildet werden sollen. In einigen Ausführungsformen weist die erste Struktur 212 eine Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien auf, die in einer ersten Richtung D1 angeordnet sind. Die Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien kann aus sich wiederholenden Merkmalen bestehen, beispielsweise einer Mehrzahl von im Wesentlichen parallelen Linien. Das Strahlenbündel kann über die erste Photomaske 210 scannen. Die Merkmale der ersten Struktur 212 ermöglichen, dass das Strahlenbündel zu einem Feld 214 auf dem Vorrichtungssubstrat 110 dringt und es belichtet. Das Feld 214 kann mindestens einen Rand eines Dies (oder Chips) definieren. In einigen Ausführungsformen enthält das Feld 214 einen oder mehrere Pixelarraybereiche, die in dem Vorrichtungssubstrat 110 definiert sind. Als solches wird die erste Struktur 212 beim Belichten des Felds 214 auf die erste Photoresistschicht 120 übertragen. Die Lithographieeinrichtung bewegt das Vorrichtungssubstrat 110 zu einem nächsten Feld (z. B. einem zu scannenden Feld), um ein weiteres Feld zu belichten. Dieser Step-and-Scan-Prozess wird durchgeführt, bis ein Pixelarraybereich des Vorrichtungssubstrats 110 mit der ersten Struktur 212 belichtet ist. Das Strahlenbündel trifft auf und ändert die chemische Zusammensetzung der ersten Photoresistschicht 120, so dass ein Entwickler nachfolgend die belichteten Abschnitte der ersten Photoresistschicht 120 entfernen kann.
  • Die Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien weist einen konstanten Masken-Abstand oberhalb des Submikrometer-Niveaus auf. In einigen Ausführungsformen hat die Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien einen Masken-Abstand P1 von mehr als etwa 1 Mikrometer, wie etwa 1,15 Mikrometer bis etwa 3 Mikrometer, beispielsweise etwa 1,2 Mikrometer bis etwa 1,9 Mikrometer. In einigen Ausführungsformen hat die Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien einen Masken-Abstand P1 von etwa 1,8 Mikrometer. Der hier beschriebene Begriff „Masken-Abstand“ bezeichnet eine Breite des Merkmals (z. B. der Linie) plus den Abstand zum nächsten unmittelbar benachbarten Merkmal. Es versteht sich, dass der Masken-Abstand P1 der ersten Struktur 212 in Abhängigkeit von der kritischen Abmessung (CD) der einen oder mehreren Strukturen, die in der ersten Photoresistschicht 120 ausgebildet werden sollen, schwanken kann.
  • Es wird auf die 2A und 2B Bezug genommen. 2A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100. in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 2B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 2A. Die 2A und 2B zeigen, dass gemäß einigen Ausführungsformen die erste Struktur 212 auf die erste Photoresistschicht 120 übertragen wurde, so dass erste Photoresistsäulen 122a bis 122c auf der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 ausgebildet wurden. Es versteht sich, dass nur als Beispiel hier drei (3) erste Photoresistsäulen 122a bis 1220 gezeigt sind. Die erste Photoresistschicht 120 kann in Abhängigkeit von der ersten Struktur 212 für die Anwendung eine beliebige Anzahl von ersten Photoresistsäulen enthalten. Der Einfachheit halber werden hier drei Photoresistsäulen 122a bis 122c der ersten Photoresistschicht 120 beschrieben.
  • Die Photoresistsäulen 122a bis 122c definieren Pixelbereiche für die Bildsensorvorrichtung 100. Zum Beispiel definiert jede der Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c einen Pixelbereich 116a, 116b bzw. 116c in dem Vorrichtungssubstrat 110. Die Pixelbereiche 116a, 116b und 116c sind Bereiche, in denen ein oder mehrere Pixel ausgebildet werden sollen. Die Pixelbereiche 116a, 116b und 116c können zusammen als Pixelarraybereich 116 bezeichnet werden. Ein Logikbereich (nicht gezeigt) kann außerhalb des Pixelarraybereichs 116 angeordnet sein. Der Resist-Abstand P2 der Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c entspricht im Wesentlichen dem Masken-Abstand P1 der ersten Struktur 212. Der Begriff „Resist-Abstand“ bezieht sich auf einen Abstand vom Mittelpunkt zum Mittelpunkt zwischen zwei unmittelbar benachbarten Photoresistsäulen. Der Pixelbereichs-Abstand der Pixelbereiche 116a, 116b und 116c kann dem Resist-Abstand P2 der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c entsprechen. Der hier beschriebene Begriff „Pixelbereichs-Abstand“ bezieht sich auf einen Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt zwischen zwei benachbarten Pixelbereichen. In Fällen, in denen die oben beschriebene Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien verwendet wird, ist der Pixelbereichs-Abstand der Pixelbereiche 116a, 116b und 116c größer als 1 Mikrometer, wie etwa 1,15 Mikrometer bis etwa 2 Mikrometer, beispielsweise etwa 1,2 Mikrometer bis etwa 1,9 Mikrometer.
  • Jede der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c hat eine Höhe H1 (d. h. die vertikale Abmessung) und eine Breite W1 (d. h. die seitliche Abmessung). Ein Seitenverhältnis der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c kann als Verhältnis der Höhe H1 zur Breite W1 definiert werden. Für eine Pixelgröße in der Größenordnung von etwa 1 Mikrometer kann jede der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c ein Seitenverhältnis von etwa 3:1 bis 1:1 aufweisen, beispielsweise etwa 2:1. In einigen Ausführungsformen weisen die ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c jeweils ein Seitenverhältnis von etwa 1:1 auf. Die ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c sind durch einen Spalt bzw. Graben 123 getrennt. Der Graben 123 hat eine Höhe, die der Höhe H1 der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c entspricht, und eine Breite W2. Ein Seitenverhältnis des Grabens 123 kann als ein Verhältnis der Höhe H1 zur Breite W2 definiert werden. Der Graben 123 hat ein Seitenverhältnis von 10:1 oder mehr, wie etwa 12:1 bis etwa 30:1, beispielsweise etwa 13:1 bis etwa 25:1. Daher ist das Seitenverhältnis der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c niedriger als das Seitenverhältnis des Grabens 123. In einigen Ausführungsformen hat der Graben 123 ein Seitenverhältnis von 15:1 bis 20:1. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Breite W1 jeder der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c zur Breite W2 des Grabens 123 in einem Verhältnis von etwa 4:1 bis etwa 30:1 liegen, wie etwa 6:1 bis etwa 20:1, beispielsweise etwa 8:1 bis etwa 10:1.
  • Während der Graben 123 ein ultrahohes Seitenverhältnis von 10:1 oder mehr aufweist, beispielsweise 13:1, 15:1 oder mehr, sorgt das niedrigere Seitenverhältnis der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c für eine ausreichende Festigkeit der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c, um den Kapillarkräften in dem Graben 123 standzuhalten ohne zu kollabieren. Insbesondere führen der Graben 123 mit ultrahohem Seitenverhältnis und das niedrigere Seitenverhältnis der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c zu einer höheren Breite W1 jeder der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c, was zu einer guten Haftung der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c an der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 führt. Daher ist die Wahrscheinlichkeit eines Kollapses der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c verglichen mit Photoresistschichten mit hohem Seitenverhältnis verringert, die Photoresistsäulen mit hohem Seitenverhältnis und ein Seitenverhältnis des Grabens von 10:1 oder mehr aufweisen. Als Ergebnis können die ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c höher und/oder näher beieinander (d. h. mit einem Graben mit höherem Seitenverhältnis zwischen den ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c) ausgebildet werden, ohne einen Kollaps der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c zu riskieren. Die Kombination des niedrigeren Seitenverhältnisses der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c (beispielsweise etwa 3:1 oder weniger) und eines Grabens mit ultrahohem Seitenverhältnis (beispielsweise etwa 13:1 oder mehr) ist bei der Durchführung nachfolgender Herstellungsprozesse wie dem Ausbilden von Isolierbereichen durch Ionenimplantation vorteilhaft, die nachstehend in den 3A und 3B ausführlicher beschrieben werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Wahrscheinlichkeit eines Kollapses der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c weiter verringert werden, indem ein Schrumpfungsmaterial auf die freiliegenden Oberflächen der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c aufgetragen wird, was in den 20A und 20B ausführlicher beschrieben wird.
  • Es wird auf die 3A und 3B Bezug genommen. 3A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100. in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 3B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 3A. Nach dem ersten Lithographieprozess wird das Vorrichtungssubstrat 110 einem ersten Ionenimplantationsprozess 130 unterzogen, um erste Isolierbereiche 102 in dem Vorrichtungssubstrat 110 auszubilden. Der erste Ionenimplantationsprozess 130 wird unter Verwendung der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c als Maske zum Implantieren von Ionen in Bereiche des Vorrichtungssubstrats 110 durchgeführt, die nicht durch die ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 1220 geschützt sind. Die ersten Isolierbereiche 102 trennen die Pixelbereiche 116a, 116b und 116c voneinander. Die ersten Isolierbereiche 102 verhindern, dass Ladungsträger in einem bestimmten Pixelbereich in den benachbarten Pixelbereich lecken (auch als Übersprechen bezeichnet). In einigen Ausführungsformen können die ersten Isolierbereiche 102 die Tiefe jedes der in den Pixelbereichen auszubildenden Pixel 116a, 116b und 116c überschreiten. In einigen Ausführungsformen können sich die ersten Isolierbereiche 102 von der Vorderseite 112 zur Rückseite 114 des Vorrichtungssubstrats 110 erstrecken, so dass sie eine Isolationswanne zwischen den Pixelbereichen 116a, 116b und 116c bereitstellen. Da die ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c mit einem Graben mit ultrahohem Seitenverhältnis zwischen den ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c ausgebildet werden, können tiefere Isolierbereiche mit begrenzten Implantationsschäden an der Bildsensorvorrichtung erreicht werden (z. B. können Isolierbereiche mit minimaler seitlicher Diffusion ausgebildet werden), selbst wenn hohe Implantationsenergien verwendet werden. Infolgedessen können die Ionen tiefer implantiert werden, so dass sie eine wirksame Pixel-Pixel-Isolation für die Bildsensorvorrichtung 100. bereitstellen.
  • Die ersten Isolierbereiche 102 können aus p- oder n-Materialien ausgebildet sein. Die ersten Isolierbereiche 102 können mit einem Material mit der gleichen Dotierungspolarität wie das Vorrichtungssubstrat 110 ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen sind die ersten Isolierbereiche 102 p-Bereiche, die durch Implantieren des Vorrichtungssubstrats 110 mit p-Dotierstoffen wie Bor, Borfluorid (BF2), Diboran (B2H6) oder dergleichen ausgebildet werden. Die Dotierungskonzentration der ersten Isolierbereiche 102 kann im Bereich von etwa 1 × 1012 Ionen/cm3 bis etwa 1 × 1020 Ionen/cm3 liegen, beispielsweise etwa 1 × 1018 Ionen/cm3. In einigen Ausführungsformen kann die Dotierungskonzentration der ersten Isolierbereiche 102 im Bereich von etwa 5 × 1011 Ionen/cm3 bis etwa 5 × 1017 Ionen/cm3 liegen, beispielsweise etwa 5 × 1015 Ionen/cm3.
  • Jeder der ersten Isolierbereiche 102 hat eine Höhe H2 (die vertikale Abmessung) und eine Breite W3 (die seitliche Abmessung). Ein Seitenverhältnis der ersten Isolierbereiche 102 kann als ein Verhältnis der Höhe H2 zur Breite W3 definiert werden. In einigen Ausführungsformen haben die ersten Isolierbereiche 102 ein Seitenverhältnis von 10:1 oder mehr, beispielsweise etwa 12:1 bis etwa 15:1.
  • Es wird auf die 4A und 4B Bezug genommen. 4A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100. in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 4B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 4A. Nachdem die ersten Isolierbereiche 102 ausgebildet sind, werden die ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c (d. h. die erste Photoresistschicht 120) in den 3A und 3B beispielsweise unter Verwendung eines Photoresistveraschungs- oder Abziehprozesses entfernt.
  • Es wird auf die 5A und 5B Bezug genommen. 5A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100. in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 5B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 5A. Nachdem die ersten Photoresistschicht 120 in den 3A und 3B entfernt ist, wird eine zweite Photoresistschicht 140 über der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 ausgebildet. Die zweite Photoresistschicht 140 kann durch Abscheiden (z. B. Rotationsbeschichten) eines Photoresistfilms über der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 und anschließendes Strukturieren des Photoresistfilms durch einen zweiten Lithographieprozess auf die gleiche Weise oben in Bezug auf die 1C bis 4B beschrieben ausgebildet werden. Der zweite Lithographieprozess, der zum Strukturieren der zweiten Photoresistschicht 140 verwendet wird, ähnelt dem ersten Lithographieprozess, der für die erste Photoresistschicht 120 verwendet wird, mit der Ausnahme, dass der zweite Lithographieprozess zum Strukturieren der zweiten Photoresistschicht 140 eine zweite Photomaske verwendet, die eine Struktur aufweist, die verglichen mit der ersten Struktur 212 der ersten Photomaske 210 um etwa den halben Masken-Abstand versetzt ist.
  • 5C zeigt eine vereinfachte Draufsicht einer zweiten Photomaske 220 mit einer zweiten Struktur 222 gemäß einigen Ausführungsformen. Die zweite Photomaske 220 ist im Wesentlichen identisch mit der ersten Photomaske 210, außer dass die zweite Struktur 222 seitlich (in der ersten Richtung D1) durch im Wesentlichen einen halben Masken-Abstand gegenüber der ersten Struktur 212 versetzt ist. Die ersten Isolierbereiche 102 sind nur zur Veranschaulichung gestrichelt gezeigt. Wie die erste Struktur 212 in 1C kann die zweite Struktur 222 eine Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien mit einem konstanten Masken-Abstand P1' von mehr als etwa 1 Mikrometer sein, wie etwa 1,15 Mikrometer bis etwa 3 Mikrometer, beispielsweise etwa 1,2 Mikrometer bis etwa 1,9 Mikrometer. In einigen Ausführungsformen hat die Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien einen Masken-Abstand P1' von etwa 1,8 Mikrometer. Durch das seitliche Versetzen der zweiten Struktur 222 können Pixelbereiche in dem Vorrichtungssubstrat 110 in einer Anordnung mit parallelen Linien ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen können die Masken-Mittenabstände P1 (siehe 1C) und P1' im Wesentlichen gleich sein.
  • Während ein seitliches Versetzen der zweiten Struktur 222 beschrieben wird, kann die zweite Struktur 222 um einen halben Masken-Abstand in eine beliebige Richtung von der ersten Struktur 212 versetzt sein, beispielsweise in seitlicher Richtung, um die Dichte der Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat 110 zu verdoppeln, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Weiter versteht es sich, dass die zweite Struktur 222 nicht auf die gezeigte Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien beschränkt ist. Die zweite Struktur 222 kann eine beliebige andere Anordnung von Strukturen sein und wirkt mit der ersten Struktur 212 so zusammen, dass die zweite Photoresistschicht 220 so strukturiert wird, dass zweite Photoresistsäulen mit einem Resist-Abstand von mehr als 1 Mikrometer bereitgestellt werden, beispielsweise etwa 1,2 Mikrometer bis etwa 1,9 Mikrometer.
  • Während des zweiten Lithographieprozesses kann die Maskenstufe betrieben werden, um die zweite Photomaske 220 zu sichern und die Photomaske im Überführungs- und/oder Rotationsmodus zu manipulieren. Die Substratstufe, die das Vorrichtungssubstrat 110 hält, kann auch im Überführungs- und/oder Rotationsmodus manipuliert werden. Eine Ausrichtungsvorrichtung wird verwendet, um die Photomaske und das Vorrichtungssubstrat 110 so auszurichten, dass das Strahlenbündel ein Feld 224 auf dem Vorrichtungssubstrat 110 belichtet. Das Strahlenbündel, etwa ein Kryptonfluorid- (KrF)-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm oder ein Argonfluorid- (ArF)-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 193 nm, kann zum Belichten des Feldes 224 auf dem Vorrichtungssubstrat 110 über die zweite Photomaske 220 scannen. Als solches wird die zweite Struktur 222 auf die zweite Photoresistschicht 140 im Belichtungsfeld 224 übertragen. Die Lithographieeinrichtung bewegt das Vorrichtungssubstrat 110 zu einem nächsten Feld (z. B. einem zu scannenden Feld), um ein weiteres Feld zu belichten. Dieser Step-and-Scan-Prozess kann auf die gleiche Weise wie der erste Lithographieprozess durchgeführt werden, bis der Pixelarraybereich des Vorrichtungssubstrats 110 mit der zweiten Struktur 222 belichtet ist.
  • Während zwei verschiedene Photomasken (d. h. die erste und die zweite Photomaske 210 und 220) verwendet werden, um die erste und die zweite Photoresistschicht 120 bzw. 140 zu strukturieren, wird in Betracht gezogen, dass der erste und der zweite Lithographieprozess dieselbe Photomaske verwenden können, um die erste und die zweite Photoresistschicht 120 und 140 zu strukturieren, indem entweder die Maskenstufe oder die Substratstufe so bewegt wird, dass eine Versatzbewegung um den halben Masken-Abstand erreicht wird.
  • Es wird auf die 6A und 6B Bezug genommen. 6A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100. in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 6B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 6A. Wie zu sehen ist, wurde die zweite Struktur 222 auf die zweite Photoresistschicht 140 übertragen, so dass zweite Photoresistsäulen 142a und 142b auf der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 ausgebildet wurden. Obwohl nicht gezeigt, versteht es sich, dass die strukturierte Photoresistschicht 140 die Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien aufweist, ähnlich der Anordnung der ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c in den 2A und 2B, mit der Ausnahme, dass die zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b seitlich um einen halben Abstand von den ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c versetzt sind.
  • Die zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b sind durch einen Graben 143 getrennt. Der Graben 143 hat eine Höhe H3 (die vertikale Abmessung), die der Höhe der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b entspricht, und eine Breite W4 (die seitliche Abmessung). Der Graben 143 hat im Wesentlichen das gleiche Seitenverhältnis wie der Graben 123. Beispielsweise kann der Graben 143 ein Seitenverhältnis von 10:1 oder mehr aufweisen, wie etwa 12:1 bis etwa 30:1, beispielsweise etwa 13:1 bis etwa 25:1. In einigen Ausführungsformen hat der Graben 143 ein Seitenverhältnis von 15:1 bis 20:1. In ähnlicher Weise kann für eine Pixelgröße in der Größenordnung von etwa 1 Mikrometer jede der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b ein Seitenverhältnis von etwa 1:1 bis etwa 3:1 oder weniger aufweisen, beispielsweise etwa 2:1. In einigen Ausführungsformen hat jede der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b ein Seitenverhältnis von etwa 1:1. Somit ist das Seitenverhältnis der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b niedriger als das Seitenverhältnis des Grabens 143. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Breite W5 jeder der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b zur Breite W4 des Grabens 143 in einem Verhältnis von etwa 4:1 bis etwa 30:1 stehen, wie etwa 6:1 bis etwa 20:1, beispielsweise etwa 8:1 bis etwa 10:1.
  • Da der Graben 143 ein ultrahohes Seitenverhältnis von 10:1 oder mehr aufweist, beispielsweise 13:1, 15:1 oder mehr, haben die zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b in ähnlicher Weise eine ausreichende Festigkeit, um den Kapillarkräften in dem Graben 143 zu widerstehen, ohne aufgrund des niedrigeren Seitenverhältnisses der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b zu kollabieren. Insbesondere ein Graben mit ultrahohem Seitenverhältnis und ein niedrigeres Seitenverhältnis der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b führen zu einer erhöhten Breite W5 jeder der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b, was zu einer guten Haftung der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b an der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 führt. Daher ist die Wahrscheinlichkeit eines Kollapses der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b im Vergleich zu Photoresistsäulen mit hohem Seitenverhältnis verringert, die ein Seitenverhältnis des Grabens von 10:1 oder mehr aufweisen. Dies bedeutet, dass die zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b höher oder näher beieinander (d. h. mit einem Graben mit höherem Seitenverhältnis zwischen den zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b) ausgebildet werden können, ohne einen Kollaps der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b zu riskieren. Die Kombination eines niedrigeren Seitenverhältnisses der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b (beispielsweise 3:1 oder weniger) und eines Grabens mit ultrahohem Seitenverhältnis (beispielsweise 13:1 oder mehr) ist vorteilhaft beim Durchführen nachfolgender Herstellungsprozesse wie dem Ausbilden zweiter Isolierbereiche durch Ionenimplantation.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Wahrscheinlichkeit des Kollapses der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b weiter verringert werden, indem ein Schrumpfungsmaterial auf die freiliegenden Oberflächen der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b aufgetragen wird, was in den 20A und 20B ausführlicher beschrieben wird.
  • Es wird auf die 7A und 7B Bezug genommen. 7A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100. in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 7B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 7A. Nach dem zweiten Lithographieprozess wird das Vorrichtungssubstrat 110 einem zweiten Ionenimplantationsprozess 150 unterzogen, um zweite Isolierbereiche 104 in dem Vorrichtungssubstrat 110 auszubilden. Der zweite Ionenimplantationsprozess 150 wird unter Verwendung der zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b als Maske durchgeführt, um Ionen in Bereiche des Vorrichtungssubstrats 110 zu implantieren, die nicht durch die zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b geschützt sind. Da die zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b von den ersten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c um einen halben Abstand versetzt sind, teilen die resultierenden zweiten Isolierbereiche 104 jeden der Pixelbereiche 116a, 116b und 116c in zwei Hälften und trennen die geteilten Pixelbereiche voneinander. Die zweiten Isolierbereiche 104 verhindern, dass Ladungsträger in einem bestimmten Pixelbereich in den benachbarten Pixelbereich lecken. Die zweiten Isolierbereiche 104 können die Tiefe jedes der Pixel überschreiten, die in den geteilten Pixelbereichen ausgebildet werden sollen. In einigen Ausführungsformen können sich die zweiten Isolierbereiche 104 von der Vorderseite 112 zur Rückseite 114 des Vorrichtungssubstrats 110 erstrecken, so dass sie eine Isolationswanne zwischen den geteilten Pixelbereichen bereitstellen. Da die zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b mit einem Graben mit ultrahohem Seitenverhältnis zwischen den zweiten Photoresistsäulen 142a und 142b ausgebildet werden, können tiefere Isolierbereiche mit begrenzten Implantationsschäden an der Bildsensorvorrichtung erreicht werden (z. B. können Isolierbereiche mit minimaler seitlicher Diffusion ausgebildet werden), auch wenn hohe Implantationsenergien verwendet werden. Infolgedessen können die Ionen tiefer implantiert werden, so dass sie eine wirksame Pixel-Pixel-Isolation für die Bildsensorvorrichtung 100. bereitstellen.
  • Jeder der zweiten Isolierbereiche 104 hat eine Höhe H4 (die vertikale Abmessung) und eine Breite W6 (die seitliche Abmessung). Ein Seitenverhältnis der zweiten Isolierbereiche 104 kann als ein Verhältnis der Höhe H4 zur Breite W6 definiert werden. In einigen Ausführungsformen haben die zweiten Isolierbereiche 104 ein Seitenverhältnis von 10:1 oder mehr, beispielsweise etwa 12:1 bis etwa 15:1. Da die ersten und zweiten Isolierbereiche 102 und 104 getrennt ausgebildet werden, kann die Höhe H4 der zweiten Isolierbereiche 104 sich von der Höhe H2 der ersten Isolierbereiche 102 unterscheiden (siehe 3B). Alternativ kann die Höhe H4 der zweiten Isolierbereiche 104 im Wesentlichen gleich der Höhe H2 der ersten Isolierbereiche 102 sein.
  • Ähnlich wie bei den ersten Isolierbereichen 102 können die zweiten Isolierbereiche 104 aus p- oder n-Materialien ausgebildet sein und die gleiche Dotierungspolarität wie das Vorrichtungssubstrat 110 und/oder die ersten Isolierbereiche 102 aufweisen. Beispielsweise können die zweiten Isolierbereiche 104 p-Bereiche sein, die durch Implantieren des Vorrichtungssubstrats 110 mit p-Dotierstoffen wie Bor, Borfluorid (BF2), Diboran (B2H6), oder dergleichen ausgebildet werden. Die Dotierungskonzentration der zweiten Isolierbereiche 104 kann von etwa 1 × 1012 Ionen/cm3 bis etwa 5 × 1017 Ionen/cm3 reichen, ähnlich den ersten Isolierbereichen 102. Jeder der zweiten Isolierbereiche 104 kann ein Seitenverhältnis von 10:1 oder mehr aufweisen, beispielsweise etwa 12:1 bis etwa 15:1.
  • In Fällen, in denen die zweite Struktur 222 in 5C eine Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien mit einem Masken-Abstand von etwa 1,8 Mikrometer aufweist, bilden der zweite Lithographieprozess und der zweite Ionenimplantationsprozess 150 die zweiten Isolierbereiche 104 und die ersten Isolierbereiche 102 mit einem gleichbleibenden Abstand P2' von etwa 0,9 Mikrometer auf, was auf Submikrometer-Niveau liegt. Durch ein Durchführen von zwei Lithographieprozessen (d. h. zwei Maskenstrukturierungsprozessen) kann die Dichte der Pixelbereiche (wie der in den 7A und 7B gezeigten Pixelbereiche 117a bis 117f) um mehr als das Doppelte erhöht werden. Insbesondere werden die Lithographieprozesse unter Verwendung von Photoresistsäulen mit einem Graben mit ultrahohem Seitenverhältnis (z. B. höher als 13:1) durchgeführt, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Photoresiststruktur kollabiert.
  • Es wird auf die 8A und 8B Bezug genommen. 8A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100. in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 8B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 8A. Nachdem die zweiten Isolierbereiche 104 ausgebildet sind, werden die zweiten Photoresistsäulen 142a, 142b und 142c beispielsweise unter Verwendung eines Photoresistveraschungs- oder Abziehprozesses entfernt. Es wird in Betracht gezogen, dass die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden können, um eine hohe Dichte von Isolierbereichen bei einem Abstand von weniger als einem Mikrometer oder sogar darunter zu erhalten.
  • Es wird auf die 9A und 9B Bezug genommen. 9A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100. in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 9B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B'-B' in 9A. Nachdem die zweite Photoresistschicht 140 in den 7A und 7B entfernt wurde, wird eine dritte Photoresistschicht 160 über der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 ausgebildet. Die dritte Photoresistschicht 160 kann durch Abscheiden (z. B. Rotationsbeschichten) eines Photoresistfilms über der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 und nachfolgendes Strukturieren des Photoresistfilms durch einen dritten Lithographieprozess auf die gleiche Weise wie oben in Bezug auf die 1C bis 4B beschrieben ausgebildet werden. Der dritte Lithographieprozess zum Strukturieren der dritten Photoresistschicht 160 ähnelt dem ersten Lithographieprozess, der für die erste Photoresistschicht 120 verwendet wird, mit der Ausnahme, dass der dritte Lithographieprozess zum Strukturieren der dritten Photoresistschicht 160 eine dritte Photomaske verwendet, die eine Struktur aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zur ersten Struktur 212 der ersten Photomaske 210 ist.
  • 9C zeigt eine vereinfachte Draufsicht einer dritten Photomaske 230 mit einer dritten Struktur 232 gemäß einigen Ausführungsformen. Die dritte Photomaske 230 ist im Wesentlichen identisch mit der ersten Photomaske 210, außer dass die dritte Struktur 232 im Wesentlichen senkrecht zur ersten Struktur 232 steht (d. h. gegenüber der ersten Struktur 212 um etwa 90 Grad gedreht ist). Nur zur Veranschaulichung sind die ersten und zweiten Isolierbereiche gestrichelt gezeigt. Wie die erste Struktur 212 in 1C kann die dritte Struktur 232 eine Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien sein, die in einer zweiten Richtung D2 angeordnet sind und einen gleichbleibenden Masken-Abstand P3 von mehr als etwa 1 Mikrometer aufweisen, wie etwa 1,15 Mikrometer bis etwa 3 Mikrometer, beispielsweise etwa 1,2 Mikrometer bis etwa 1,9 Mikrometer. In einigen Ausführungsformen hat die Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien einen Masken-Abstand P3 von etwa 1,8 Mikrometer. Die dritte Struktur 232 ermöglicht das Ausbilden von Pixelbereichen in dem Vorrichtungssubstrat 110 in einer Anordnung von parallelen Linien. In einigen Ausführungsformen können die Masken-Mittenabstände P1 (siehe 1C) und P3 im Wesentlichen gleich oder unterschiedlich sein. Es versteht sich, dass der Masken-Abstand P3 der dritten Struktur 232 in Abhängigkeit von der kritischen Abmessung (CD) der einen oder mehreren Strukturen schwanken kann, die in der dritten Photoresistschicht 160 ausgebildet werden sollen. Das Strahlenbündel kann über die dritte Photomaske 230 scannen. Die Merkmale der dritten Struktur 232 ermöglicht es, dass das Strahlenbündel zu einem Feld 234 auf dem Vorrichtungssubstrat 110 dringt und es belichtet. Das Feld 234 kann mindestens einen Rand eines Dies (oder Chips) definieren.
  • Es wird auf die 10A und 10B Bezug genommen. 10A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100. in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 10B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B'-B' in 10A. Die 10A und 10B zeigen, dass die dritte Struktur 230 gemäß einigen Ausführungsformen auf die dritte Photoresistschicht 160 übertragen wurde, so dass dritte Photoresistsäulen 162a bis 162c auf der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 ausgebildet wurden. Es versteht sich, dass hier nur als Beispiel drei (3) dritte Photoresistsäulen 162a bis 1620 gezeigt sind. Die dritte Photoresistschicht 160 kann in Abhängigkeit von der dritten Struktur 232 für die Anwendung eine beliebige Anzahl von dritten Photoresistsäulen enthalten. Der Einfachheit halber werden hier drei Photoresistsäulen 162a bis 162c der dritten Photoresistschicht 160 beschrieben.
  • Die Photoresistsäulen 162a bis 162c definieren Pixelbereiche für die Bildsensorvorrichtung 100. Beispielsweise definiert jede der Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c einen Pixelbereich 118a, 118b bzw. 118c in dem Vorrichtungssubstrat 110. Die Pixelbereiche 118a, 118b und 118c sind Bereiche, in denen ein oder mehrere Pixel ausgebildet werden sollen. Die Pixelbereiche 118a, 118b und 118c können zusammen als Pixelarraybereich 118 (oder der Pixelarraybereich 116 in 2B) bezeichnet werden. Der Resist-Abstand P4 der Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c entspricht im Wesentlichen dem Masken-Abstand P3 der dritten Struktur 232. Der Begriff „Resist-Abstand“ bezieht sich auf einen Abstand vom Mittelpunkt zum Mittelpunkt zwischen zwei unmittelbar benachbarten Photoresistsäulen. Der Pixelbereichs-Abstand der Pixelbereiche 118a, 118b und 118c kann dem Resist-Abstand P4 der ersten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c entsprechen. Der hier beschriebene Begriff „Pixelbereichs-Abstand“ bezieht sich auf einen Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt zwischen zwei benachbarten Pixelbereichen. In Fällen, in denen die oben beschriebene Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien verwendet wird, ist der Pixelbereichs-Abstand der Pixelbereiche 118a, 118b und 118c größer als 1 Mikrometer, wie etwa 1,15 Mikrometer bis etwa 2 Mikrometer, beispielsweise etwa 1,2 Mikrometer bis etwa 1,9 Mikrometer.
  • Jede der dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c hat eine Höhe H5 (d. h. die vertikale Abmessung) und eine Breite W7 (d. h. die seitliche Abmessung). Ein Seitenverhältnis der dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c kann als Verhältnis der Höhe H5 zur Breite W7 definiert werden. Für eine Pixelgröße in der Größenordnung von etwa 1 Mikrometer kann jede der dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c ein Seitenverhältnis von etwa 3:1 bis 1:1 aufweisen, beispielsweise etwa 2:1. In einigen Ausführungsformen haben die dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c jeweils ein Seitenverhältnis von etwa 1:1. Die dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 1620 sind durch einen Spalt bzw. Graben 163 getrennt. Der Graben 163 hat eine Höhe, die der Höhe H5 der dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c entspricht, und eine Breite W8. Ein Seitenverhältnis des Grabens 163 kann als ein Verhältnis der Höhe H5 zur Breite W8 definiert werden. Der Graben 163 hat ein Seitenverhältnis von 10:1 oder mehr, wie etwa 12:1 bis etwa 30:1, beispielsweise etwa 13:1 bis etwa 25:1. Daher ist das Seitenverhältnis der dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 1620 niedriger als das Seitenverhältnis des Grabens 163. In einigen Ausführungsformen hat der Graben 163 ein Seitenverhältnis von 15:1 bis 20:1. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Breite W7 jeder der dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 1620 zur Breite W8 des Grabens 163 in einem Verhältnis von etwa 4:1 zu etwa 30:1 stehen, wie etwa 6:1 bis etwa 20:1, beispielsweise etwa 8:1 bis etwa 10:1.
  • Während der Graben 163 ein ultrahohes Seitenverhältnis von 10:1 oder mehr aufweist, beispielsweise 13:1, 15:1 oder mehr, sorgt das niedrigere Seitenverhältnis der dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 1620 für eine ausreichende Festigkeit der dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162C, um den Kapillarkräften in dem Graben 163 standzuhalten, ohne zu kollabieren. Daher ist die die Wahrscheinlichkeit eines Kollapses der dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 1620 verglichen mit Photoresistschichten mit hohem Seitenverhältnis verringert, die Photoresistsäulen mit hohem Seitenverhältnis und ein Seitenverhältnis des Grabens von 10:1 oder mehr aufweisen. Als Ergebnis können die dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 1620 höher und/oder näher beieinander (d. h. mit einem Graben mit höherem Seitenverhältnis zwischen den dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162C) ausgebildet werden, ohne einen Kollaps der dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c zu riskieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Wahrscheinlichkeit des Kollapses der dritten Photoresistsäulen 162a und 162b weiter verringert werden, indem ein Schrumpfungsmaterial auf die freiliegenden Oberflächen der dritten Photoresistsäulen 162a und 162b aufgetragen wird, was in den 20A und 20B ausführlicher beschrieben wird.
  • Es wird auf die 11A und 11B Bezug genommen. 11A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100 in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 11B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B'-B' in 11A. Nach dem dritten Lithographieprozess wird das Vorrichtungssubstrat 110 einem dritten Ionenimplantationsprozess 170 unterzogen, um dritte Isolierbereiche 106 in dem Vorrichtungssubstrat 110 auszubilden. Der dritte Ionenimplantationsprozess 170 wird unter Verwendung der dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c als Maske durchgeführt, um Ionen in Bereiche des Vorrichtungssubstrats 110 zu implantieren, die nicht durch die dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c geschützt sind. Die dritten Isolierbereiche 106 trennen die Pixelbereiche 118a, 118b und 118c voneinander. Die dritten Isolierbereiche 106 verhindern, dass Ladungsträger in einem bestimmten Pixelbereich in den benachbarten Pixelbereich lecken (auch als Übersprechen bezeichnet). In einigen Ausführungsformen können die dritten Isolierbereiche 106 die Tiefe jedes der in den Pixelbereichen auszubildenden Pixel 118a, 118b und 118c überschreiten. In einigen Ausführungsformen können sich die dritten Isolierbereiche 106 von der Vorderseite 112 zur Rückseite 114 des Vorrichtungssubstrats 110 erstrecken, so dass sie eine Isolationswanne zwischen den Pixelbereichen 118a, 118b und 118c bereitstellen. Da die dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c mit einem Graben mit ultrahohem Seitenverhältnis zwischen den dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c ausgebildet werden, können tiefere Isolierbereiche mit begrenzten Implantationsschäden an der Bildsensorvorrichtung erreicht werden (z. B. können Isolierbereiche mit minimaler seitlicher Diffusion ausgebildet werden), selbst wenn hohe Implantationsenergien verwendet werden. Infolgedessen können die Ionen tiefer implantiert werden, so dass sie eine wirksame Pixel-Pixel-Isolation für die Bildsensorvorrichtung 100 bereitstellen.
  • Die dritten Isolierbereiche 106 können aus p- oder n-Materialien ausgebildet sein. Die dritten Isolierbereiche 106 können mit einem Material mit der gleichen Dotierungspolarität wie das Vorrichtungssubstrat 110 und/oder die ersten und die zweiten Isolierbereiche 102 und 104 ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen sind die dritten Isolierbereiche 102 p-Bereiche, die durch Implantieren des Vorrichtungssubstrats 110 mit p-Dotierstoffen wie Bor, Borfluorid (BF2), Diboran (B2H6) oder dergleichen ausgebildet werden. Die Dotierungskonzentration der dritten Isolierbereiche 106 kann im Bereich von etwa 1 × 1012 Ionen/cm3 bis etwa 1 × 1020 Ionen/cm3 liegen, beispielsweise etwa 1 × 1018 Ionen/cm3. In einigen Ausführungsformen kann die Dotierungskonzentration der ersten Isolierbereiche 102 im Bereich von etwa 5 × 1011 Ionen/cm3 bis etwa 5 × 1017 Ionen/cm3 liegen, beispielsweise etwa 5 × 1015 Ionen/cm3. Ferner kreuzen die dritten Isolierbereiche 106 die ersten und die zweiten Isolierbereiche 102 und 104, und die Kreuzungsabschnitte haben eine höhere Dotierungskonzentration als die Dotierungskonzentrationen der ersten, zweiten und/oder dritten Isolierbereiche 102, 104 und/oder 106. Beispielsweise hat der Kreuzungsabschnitt eine Dotierungskonzentration, die im Wesentlichen doppelt so hoch wie die Dotierungskonzentration der einzelnen ersten, zweiten und dritten Isolierbereiche 102, 104 und 106 ist.
  • Jeder der dritten Isolierbereiche 106 hat eine Höhe H6 (die vertikale Abmessung) und eine Breite W9 (die seitliche Abmessung). Ein Seitenverhältnis der dritten Isolierbereiche 106 kann als Verhältnis der Höhe H6 zur Breite W9 definiert werden. In einigen Ausführungsformen haben die dritten Isolierbereiche 102 ein Seitenverhältnis von 10:1 oder mehr, beispielsweise etwa 12:1 bis etwa 15:1. In einigen Ausführungsformen kann die Höhe H6 unterschiedlich zu oder im Wesentlichen gleich der Höhe H2 der ersten Isolierbereiche 102 (siehe 3B) und/oder der Höhe H4 der zweiten Isolierbereiche 104 (siehe 7B) sein. Alternativ kann die Höhe H3 der dritten Isolierbereiche 106 im Wesentlichen gleich der Höhe H2 der ersten Isolierbereiche 102 und/oder der Höhe H4 der zweiten Isolierbereiche 104 sein.
  • Es wird auf die 12A und 12B Bezug genommen. 12A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100 in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 12B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B'-B' in 12A. Nachdem die dritten Isolierbereiche 106 ausgebildet wurden, werden die dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c (d. h. die erste Photoresistschicht 160) in den 11A und 11B beispielsweise unter Verwendung eines Photoresist-Veraschungs- oder Abziehprozesses entfernt.
  • Es wird auf die 13A und 13B Bezug genommen. 13A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100 in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 13B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B'-B' in 13A. Nachdem die dritte Photoresistschicht 160 in den 11A und 11B entfernt wurde, wird eine vierte Photoresistschicht 180 über der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 ausgebildet. Die vierte Photoresistschicht 180 kann durch Abscheiden (z. B. Rotationsbeschichten) eines Photoresistfilms über der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 und anschließendes Strukturieren des Photoresistfilms durch einen vierten Lithographieprozess auf die gleiche Weise wie oben in Bezug auf die 1C bis 4B beschrieben ausgebildet werden. Der vierte Lithographieprozess, der zum Strukturieren der vierten Photoresistschicht 180 verwendet wird, ähnelt dem ersten Lithographieprozess, der für die dritte Photoresistschicht 160 verwendet wird, mit der Ausnahme, dass der vierte Lithographieprozess zum Strukturieren der vierten Photoresistschicht 180 eine vierte Photomaske verwendet, die eine Struktur aufweist, die verglichen mit der dritten Struktur 232 der ersten Photomaske 230 um etwa den halben Masken-Abstand versetzt ist.
  • 13C zeigt eine vereinfachte Draufsicht einer vierten Photomaske 240 mit einer vierten Struktur 242 gemäß einigen Ausführungsformen. Die vierte Photomaske 240 ist im Wesentlichen identisch mit der dritten Photomaske 230, außer dass die vierte Struktur 242 seitlich (in der ersten Richtung D1) durch im Wesentlichen einen halben Masken-Abstand von der dritten Struktur 232 versetzt ist. Nur zur Veranschaulichung sind die ersten, zweiten und dritten Isolierbereiche gestrichelt gezeigt. Wie die dritte Struktur 232 in 9C kann die vierte Struktur 242 eine Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien mit einem gleichmäßigen Masken-Abstand P3' von mehr als etwa 1 Mikrometer sein, wie etwa 1,15 Mikrometer bis etwa 3 Mikrometer, beispielsweise etwa 1,2 Mikrometer bis etwa 1,9 Mikrometer. In einigen Ausführungsformen hat die Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien einen Masken-Abstand P3' von etwa 1,8 Mikrometer. Durch seitliches Versetzen der vierten Struktur 222 können Pixelbereiche in dem Vorrichtungssubstrat 110 in einer Anordnung mit parallelen Linien ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen können die Masken-Mittenabstände P3 (siehe 9C) und P3' im Wesentlichen gleich sein.
  • Während eine seitliche Verschiebung der vierten Struktur 242 beschrieben wird, kann die vierte Struktur 242 um einen halben Masken-Abstand von der dritten Struktur 232 in einer beliebigen gewünschten Richtung versetzt sein, beispielsweise auf seitliche Weise, um die Dichte der Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat 110 zu verdoppeln, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Weiter versteht es sich, dass die vierte Struktur 242 nicht auf die gezeigte Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien beschränkt ist. Die vierte Struktur 242 kann eine beliebige andere Anordnung von Strukturen sein und wirkt mit der dritten Struktur 232 so zusammen, dass die vierte Photoresistschicht 240 so strukturiert wird, dass vierte Photoresistsäulen mit einem Resist-Abstand von mehr als 1 Mikrometer bereitgestellt werden, beispielsweise etwa 1,2 Mikrometer bis etwa 1,9 Mikrometer.
  • Während des vierten Lithographieprozesses kann die Maskenstufe betrieben werden, um die vierte Photomaske 240 zu sichern und die Photomaske im Überführungs- und/oder Rotationsmodus zu manipulieren. Die Substratstufe, die das Vorrichtungssubstrat 110 hält, kann auch im Überführungs- und/oder Rotationsmodus manipuliert werden. Eine Ausrichtungsvorrichtung wird verwendet, um die Photomaske und das Vorrichtungssubstrat 110 so auszurichten, dass das Strahlenbündel ein Feld 244 auf dem Vorrichtungssubstrat 110 belichtet. Das Strahlenbündel, beispielsweise etwa Kryptonfluorid- (KrF)-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm oder ein Argonfluorid- (ArF)-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 193 nm, kann zum Belichten des Feldes 244 auf dem Vorrichtungssubstrat 110 über die zweite Photomaske 220 scannen. Als solches wird die vierte Struktur 222 auf die vierte Photoresistschicht 180 im Belichtungsfeld 224 übertragen. Die Lithographieeinrichtung bewegt das Vorrichtungssubstrat 110 zu einem nächsten Feld (z. B. einem zu scannenden Feld), um ein weiteres Feld zu belichten. Dieser Step-and-Scan-Prozess kann auf die gleiche Weise wie der erste Lithographieprozess durchgeführt werden, bis der Pixelarraybereich des Vorrichtungssubstrats 110 mit der vierten Struktur 242 belichtet ist.
  • Während zwei verschiedene Photomasken (d. h. die dritte und die vierte Photomaske 230 und 240) verwendet werden, um die dritte und die vierte Photoresistschicht 160 bzw. 180 zu strukturieren, wird in Betracht gezogen, dass der dritte und der vierte Lithographieprozess dieselbe Photomaske verwenden können, um die dritte und die vierte Photoresistschicht 160 und 180 zu strukturieren, indem entweder die Maskenstufe oder die Substratstufe so bewegt wird, dass die Versatzbewegung um den halben Masken-Abstand erreicht wird.
  • Es wird auf die 14A und 14B Bezug genommen. 14A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100 in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 14B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B'-B' in 14A. Wie zu sehen ist, wurde die vierte Struktur 242 auf die vierte Photoresistschicht 180 übertragen, so dass vierte Photoresistsäulen 182a und 182b auf der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 ausgebildet wurden. Obwohl nicht gezeigt, versteht es sich, dass die strukturierte Photoresistschicht 180 die Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien aufweist, ähnlich der Anordnung der dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c, die in den 10A und 10B gezeigt sind, mit der Ausnahme, dass die vierten Photoresistsäulen 182a und 182b seitlich um einen halben Abstand von den dritten Photoresistsäulen 162a, 162b und 162c versetzt sind.
  • Die vierten Photoresistsäulen 182a und 182b sind durch einen Graben 183 getrennt. Der Graben 183 hat eine Höhe H7 (die vertikale Abmessung), die der Höhe der vierten Photoresistsäulen 182a und 182b entspricht, und eine Breite W10 (die seitliche Abmessung). Der Graben 183 hat im Wesentlichen das gleiche Seitenverhältnis wie der Graben 163. Beispielsweise kann der Graben 183 ein Seitenverhältnis von 10:1 oder mehr aufweisen, wie etwa 12:1 bis etwa 30:1, beispielsweise etwa 13:1 bis etwa 25:1. In einigen Ausführungsformen hat der Graben 183 ein Seitenverhältnis von 15:1 bis 20:1. In ähnlicher Weise kann für eine Pixelgröße in der Größenordnung von etwa 1 Mikrometer jede der zweiten Photoresistsäulen 182a und 182b ein Seitenverhältnis von etwa 1:1 bis etwa 3:1 oder weniger aufweisen, beispielsweise etwa 2:1. In einigen Ausführungsformen hat jede der vierten Photoresistsäulen 182a und 182b ein Seitenverhältnis von etwa 1:1. Daher ist das Seitenverhältnis der vierten Photoresistsäulen 182a und 182b niedriger als das Seitenverhältnis des Grabens 183. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Breite W11 jeder der vierten Photoresistsäulen 182a und 182b zur Breite W10 des Grabens 183 in einem Verhältnis von etwa 4:1 bis etwa 30:1 stehen, wie etwa 6:1 bis etwa 20:1, beispielsweise etwa 8:1 bis etwa 10:1.
  • Während der Graben 183 ein ultrahohes Seitenverhältnis von 10:1 oder mehr aufweist, beispielsweise 13:1, 15:1 oder mehr, weisen die vierten Photoresistsäulen 182a und 182b aufgrund des niedrigeren Seitenverhältnisses der vierten Photoresistsäulen 182a und 182b eine ausreichende Festigkeit auf, um den Kapillarkräften in dem Graben 183 standzuhalten, ohne zu kollabieren. Insbesondere führen der Graben mit ultrahohem Seitenverhältnis und das niedrigere Seitenverhältnis der vierten Photoresistsäulen 182a und 182b zu einer erhöhten Breite W11 jeder der vierten Photoresistsäulen 182a und 182b, was zu einer guten Haftung der vierten Photoresistsäulen 182a und 182b an der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 führt. Daher ist die Wahrscheinlichkeit des Kollapses der vierten Photoresistsäulen 182a und 182b verglichen mit Photoresistschichten mit hohem Seitenverhältnis verringert, die Photoresistsäulen mit hohem Seitenverhältnis und ein Seitenverhältnis des Grabens von 10:1 oder mehr aufweisen. Dies bedeutet, dass die vierten Photoresistsäulen 182a und 182b höher oder näher beieinander (d. h. mit einem Graben mit höherem Seitenverhältnis zwischen den vierten Photoresistsäulen 182a und 182b) ausgebildet werden können, ohne einen Kollaps der vierten Photoresistsäulen 182a und 182b zu riskieren. Die Kombination des niedrigeren Seitenverhältnisses der vierten Photoresistsäulen 182a und 182b (beispielsweise etwa 3:1 oder niedriger) und eines Grabens mit ultrahohem Seitenverhältnis (beispielsweise etwa 13:1 oder mehr) ist beim Durchführen nachfolgender Herstellungsprozesse wie dem Ausbilden von vierten Isolierbereichen durch Ionenimplantation vorteilhaft.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Wahrscheinlichkeit eines Kollapses der vierten Photoresistsäulen 182a und 182b weiter verringert werden, indem ein Schrumpfungsmaterial auf die freiliegenden Oberflächen der vierten Photoresistsäulen 182a und 182b aufgetragen wird, was in den 20A und 20B ausführlicher beschrieben wird.
  • Es wird auf die 15A und 15B Bezug genommen. 15A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100 in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 15B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B'-B' in 15A. Nach dem vierten Lithographieprozess wird das Vorrichtungssubstrat 110 einem vierten Ionenimplantationsprozess 190 unterzogen, um vierte Isolierbereiche 108 in dem Vorrichtungssubstrat 110 auszubilden. Der vierte Ionenimplantationsprozess 190 wird unter Verwendung der vierten Photoresistsäulen 182a und 182b als Maske durchgeführt, um Ionen in Bereiche des Vorrichtungssubstrats 110 zu implantieren, die nicht durch die vierten Photoresistsäulen 182a und 182b geschützt sind. Da die vierten Photoresistsäulen 182a und 182b von den dritten Photoresistsäulen 122a, 122b und 122c um einen halben Abstand versetzt sind, teilen die resultierenden vierten Isolierbereiche 108 jeden der Pixelbereiche 119a, 119b und 119c in zwei Hälften und trennen die geteilten Pixelbereiche voneinander. Die vierten Isolierbereiche 108 verhindern, dass Ladungsträger in einem bestimmten Pixelbereich in den benachbarten Pixelbereich lecken. Die vierten Isolierbereiche 108 können die Tiefe jedes der Pixel überschreiten, die in den geteilten Pixelbereichen ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen können sich die vierten Isolierbereiche 108 von der Vorderseite 112 zur Rückseite 114 des Vorrichtungssubstrats 110 erstrecken, so dass sie eine Isolationswanne zwischen den geteilten Pixelbereichen bereitstellen. Da die vierten Photoresistsäulen 182a und 182b mit einem Graben mit ultrahohem Seitenverhältnis zwischen den vierten Photoresistsäulen 182a und 182b ausgebildet werden, können tiefere Isolierbereiche mit begrenzten Implantationsschäden an der Bildsensorvorrichtung erreicht werden (z. B. können Isolierbereiche mit minimaler seitlicher Diffusion ausgebildet werden), auch wenn hohe Implantationsenergien verwendet werden. Infolgedessen können die Ionen tiefer implantiert werden, so dass sie eine wirksame Pixel-Pixel-Isolation für die Bildsensorvorrichtung 100 bereitstellen.
  • Jeder der vierten Isolierbereiche 108 hat eine Höhe H8 (die vertikale Abmessung) und eine Breite W12 (die seitliche Abmessung). Ein Seitenverhältnis der vierten Isolierbereiche 108 kann als Verhältnis der Höhe H8 zur Breite W12 definiert werden. In einigen Ausführungsformen haben die vierten Isolierbereiche 108 ein Seitenverhältnis von 10:1 oder mehr, beispielsweise etwa 12:1 bis etwa 15:1. Da die ersten, zweiten, dritten und vierten Isolierbereiche 102, 104, 106 und 108 getrennt ausgebildet werden, kann die Höhe H8 der vierten Isolierbereiche 108 sich von der Höhe H2 der ersten Isolierbereiche 102 (siehe 3B), der Höhe H4 der zweiten Isolierbereiche 104 (siehe 7B) und/oder der Höhe H6 der dritten Isolierbereiche 106 (siehe 11B) unterscheiden. Alternativ kann die Höhe H4 der vierten Isolierbereiche 108 im Wesentlichen gleich der Höhe H2 der ersten Isolierbereiche 102, der Höhe H4 der zweiten Isolierbereiche 104 und/oder der Höhe H6 der dritten Isolierbereiche 106 sein.
  • Ähnlich wie bei den dritten Isolierbereichen 106 können die vierten Isolierbereiche 108 aus p- oder n-Materialien ausgebildet sein und die gleiche Dotierungspolarität wie das Vorrichtungssubstrat 110 und/oder die ersten, zweiten und dritten Isolierbereiche 102, 104 und 106 aufweisen. Beispielsweise können die vierten Isolierbereiche 108 p-Bereiche sein, die durch Implantieren des Vorrichtungssubstrats 110 mit p-Dotierstoffen wie Bor, Borfluorid (BF2), Diboran (B2H6) oder dergleichen ausgebildet werden. Die Dotierungskonzentration der vierten Isolierbereiche 108 kann etwa 1 × 1012 Ionen/cm3 und bis zu etwa 5 × 1017 Ionen/cm3 betragen, ähnlich den dritten Isolierbereichen 106. Jeder der vierten Isolierbereiche 108 kann ein Seitenverhältnis von 10:1 oder mehr aufweisen, beispielsweise etwa 12:1 bis etwa 15:1. Ferner kreuzen die vierten Isolierbereiche 108 die ersten und die zweiten Isolierbereiche 102 und 104, und ihre Kreuzungsabschnitte weisen Dotierungskonzentrationen auf, die höher als die Dotierungskonzentrationen der ersten, zweiten und/oder vierten Isolierbereiche 102, 104 und/oder 108 sind. Beispielsweise hat der Kreuzungsabschnitt eine Dotierungskonzentration, die im Wesentlichen doppelt so hoch wie die Dotierungskonzentration der einzelnen ersten, zweiten und vierten Isolierbereiche 102, 104 und 108 ist. Zusätzlich sind die dritten und vierten Isolierbereiche 106 und 108 voneinander beabstandet.
  • In Fällen, in denen die vierte Struktur 242 in 13C eine Struktur von im Wesentlichen parallelen Linien mit einem Masken-Abstand von etwa 1,8 Mikrometer verwendet, bilden der vierte Lithographieprozess und der vierte Ionenimplantationsprozess 190 die vierten Isolierbereiche 108 und die dritten Isolierbereiche 106 mit einem gleichmäßigen Abstand P4' von etwa 0,9 Mikrometer auf, was auf Submikrometer-Niveau liegt. Durch ein Durchführen von zwei Lithographieprozessen (d. h. zwei Maskenstrukturierungsprozessen) kann die Dichte der Pixelbereiche (wie der in den 15A und 15B gezeigten Pixelbereiche 119a bis 119f) um mehr als das Doppelte erhöht werden. Insbesondere werden die Lithographieprozesse unter Verwendung von Photoresistsäulen mit einem Graben mit ultrahohem Seitenverhältnis (z. B. höher als 13:1) durchgeführt, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Photoresiststruktur kollabiert.
  • Es wird auf die 16A und 16B Bezug genommen. 16A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100 in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 16B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B'-B' in 16A. Nachdem die vierten Isolierbereiche 108 ausgebildet worden sind, werden die vierten Photoresistsäulen 182a, 182b und 182c beispielsweise unter Verwendung eines Photoresist-Veraschungs- oder Abziehprozesses entfernt. Es wird in Betracht gezogen, dass die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden können, um eine hohe Dichte von Isolierbereichen bei einem Abstand von weniger als einem Mikrometer oder sogar darunter zu erhalten.
  • Es wird auf die 17A und 17B Bezug genommen. 17A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100 in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 17B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B'-B' in 17A. Nachdem die vierten Photoresistsäulen 182a und 182b entfernt worden sind, wird eine Mehrzahl von Pixeln 310 in den Pixelbereichen 119a bis 119f (siehe 16B) ausgebildet, wie in den 17A und 17B gezeigt. Die Pixel 310 können auch als Strahlungserfassungsvorrichtungen oder Lichtsensoren bezeichnet werden. Die Pixel 310 enthalten Strahlungserfassungsbereiche. Diese Strahlungserfassungsbereiche können durch einen oder mehrere Ionenimplantationsprozesse ausgebildet werden und werden mit einer Dotierungspolarität dotiert, die der des Vorrichtungssubstrats 110 und/oder der ersten, zweiten, dritten und vierten Isolierbereiche 102, 104, 106 und 108 entgegengesetzt ist. In Fällen, in denen das Vorrichtungssubstrat 110 ein p-Substrat ist, enthalten die Pixel 310 dotierte n-Bereiche. Für eine BSI-Bildsensorvorrichtung wie die Bildsensorvorrichtung 100 können die Pixel 310 so betrieben werden, dass sie Strahlung erfassen, die von der Rückseite 114 auf das Vorrichtungssubstrat 110 projiziert wird. In einigen Ausführungsformen enthält jedes der Pixel 310 eine Photodiode. In einigen Ausführungsformen kann unter jeder Photodiode ein Tiefimplantationsbereich ausgebildet werden. In einigen weiteren Ausführungsformen können die Pixel 310 jeweils Photodioden mit gepinnter Schicht, Photo-Gates, Rücksetztransistoren, Source-Follower-Transistoren und Transfertransistoren enthalten.
  • In 17A hat jedes der Pixel 310 eine Länge L1 und eine Breite W13. Die Länge L1 wird durch benachbarte erste und zweite Isolierbereiche 102 und 104 definiert, und die Breite W13 wird durch benachbarte dritte und vierte Isolierbereiche 106 und 108 definiert. Die Länge L1 und die Breite W13 liegen im Submikrometerbereich. Beispielsweise betragen die Länge L1 und die Breite W13 etwa 0,75 Mikrometer bis etwa 0,95 Mikrometer. In einigen Ausführungsformen ist die Länge L1 im Wesentlichen gleich der Breite W13. Alternativ ist die Länge L1 größer oder kleiner als die Breite W13.
  • Kreuzungsabschnitte 109 der ersten, zweiten, dritten und vierten Isolierbereiche 102, 104, 106 und 108 befinden sich jeweils an Ecken der Pixel 310. Wie oben erwähnt, weisen die Kreuzungsabschnitte 109 höhere Dotierungskonzentrationen als die Dotierungskonzentrationen der einzelnen ersten, zweiten, dritten und vierten Isolierbereiche 102, 104, 106 und 108 auf, z. B. des Abschnitts 101 an einer Seitenwand des Pixels 310. Die Kreuzungsabschnitte 109 können Dotierungskonzentrationen aufweisen, die etwa doppelt so hoch wie die des Abschnitts 101 sind.
  • Zusätzliche Herstellungsprozesse können durchgeführt werden, um die Herstellung der Bildsensorvorrichtung 100 abzuschließen. Zum Beispiel zeigen die 18A und 18B Querschnittsansichten der Bildsensorvorrichtung 100 gemäß einigen Ausführungsformen. 18A hat die gleiche Querschnittsposition wie 8B, und 18B hat die gleiche Querschnittsposition wie 17B. In den 18A und 18B wird eine Interconnect-Struktur 320 über der Vorderseite 112 des Vorrichtungssubstrats 110 ausgebildet. Die Interconnect-Struktur 320 kann mehrere strukturierte dielektrische Schichten und leitfähige Schichten enthalten, die Verbindungen zwischen den verschiedenen dotierten Merkmalen, Schaltungen und der Eingabe/Ausgabe der Bildsensorvorrichtung 100 bereitstellen. Die Interconnect-Struktur 320 kann ein Zwischenschichtdielektrikum (ILD) und eine Mehrschicht-Interconnect- (MLI)-Struktur enthalten. Die MLI-Struktur enthält Kontakte, Durchkontaktierungen und Metallleitungen. Als Beispiel sind in den 18A und 18B eine Mehrzahl von Leiterbahnen 322 und Durchkontaktierungen/Kontakten 324 gezeigt. Es versteht sich, dass die gezeigten Leiterbahnen 322 und Durchkontaktierungen/Kontakte 324 lediglich beispielhaft sind, da sich die tatsächliche Positionierung und Konfiguration der Leitungen/Durchkontaktierungen/Kontakte in Abhängigkeit von Entwurfs- und Herstellungsanforderungen ändern kann.
  • Eine Pufferschicht 330 kann auf der Interconnect-Struktur 320 ausgebildet werden. Die Pufferschicht 330 kann ein Dielektrikum wie Siliziumoxid oder Siliziumnitrid enthalten. Danach kann ein Trägersubstrat 340 über die Pufferschicht 330 mit dem Vorrichtungssubstrat 110 gebondet werden, damit die Verarbeitung der Rückseite 114 des Vorrichtungssubstrats 110 durchgeführt werden kann. Das Trägersubstrat 340 kann ein Siliziumsubstrat, ein Glassubstrat oder ein beliebiges geeignetes Substrat enthalten. Die Pufferschicht 330 stellt eine elektrische Isolation zwischen dem Vorrichtungssubstrat 110 und dem Trägersubstrat 340 bereit. Das Trägersubstrat 340 sorgt für Unterstützung und mechanische Festigkeit für die Verarbeitung der Rückseite 114 des Vorrichtungssubstrats 110.
  • Nachdem das Trägersubstrat 340 gebondet ist, wird ein Verdünnungsprozess durchgeführt, um das Vorrichtungssubstrat 110 von der Rückseite 114 zu verdünnen. Der Verdünnungsprozess kann einen mechanischen Schleifprozess und einen chemischen Verdünnungsprozess enthalten. Nach dem Verdünnungsprozess kann eine Farbfilterschicht 350 auf der Rückseite 114' des Vorrichtungssubstrats 110 ausgebildet werden. Die Farbfilterschicht 350 kann mehrere Farbfilter enthalten, die so positioniert sein können, dass die einfallende Strahlung auf und durch diese geleitet wird. Die Farbfilter können ein farbstoffbasiertes (oder pigmentbasiertes) Polymer oder Harz zum Filtern eines bestimmten Wellenlängenbandes der einfallenden Strahlung enthalten, das einem Farbspektrum (z. B. rot, grün und blau) entspricht. Danach wird eine Mikrolinsenschicht 360 über der Farbfilterschicht 350 ausgebildet, die eine Mehrzahl von Mikrolinsen 370 enthält. Die Mikrolinsen lenken und fokussieren die einfallende Strahlung auf bestimmte Strahlungserfassungsbereiche im Vorrichtungssubstrat 102, wie beispielsweise die Pixel 310. Die Mikrolinsen können in verschiedenen Anordnungen positioniert werden und verschiedene Formen aufweisen, abhängig von einem Brechungsindex eines für die Mikrolinse verwendeten Materials und dem Abstand von einer Sensoroberfläche. Es versteht sich, dass die Abfolge der oben beschriebenen Herstellungsprozesse nicht einschränkend sein soll. Einige der Schichten oder Vorrichtungen können in weiteren Ausführungsformen gemäß einer anderen Verarbeitungsabfolge als der hier gezeigten ausgebildet werden. Während sich die obigen Beschreibungen auf eine BSI-Bildsensorvorrichtung beziehen, wird in Betracht gezogen, dass die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Offenbarung auch auf eine vorderseitig beleuchtete (FSI-) Bildsensorvorrichtung angewendet werden können.
  • Die 19A und 19B sind ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren M zum Herstellen einer Bildsensorvorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Obwohl das Verfahren M als eine Abfolge von Vorgängen oder Ereignissen gezeigt und/oder beschrieben ist, versteht es sich, dass das Verfahren nicht auf die gezeigte Reihenfolge oder die gezeigten Vorgänge beschränkt ist. Somit können in einigen Ausführungsformen die Vorgänge in einer anderen Reihenfolge als gezeigt ausgeführt werden und/oder können gleichzeitig ausgeführt werden. Ferner können in einigen Ausführungsformen die gezeigten Vorgänge oder Ereignisse in mehrere Vorgänge oder Ereignisse unterteilt werden, die zu unterschiedlichen Zeiten oder gleichzeitig mit anderen Vorgängen oder Teilvorgängen ausgeführt werden können. In einigen Ausführungsformen können einige der gezeigten Vorgänge oder Ereignisse weggelassen werden, und andere nicht gezeigte Vorgänge oder Ereignisse können verwendet werden.
  • Bei Block S12 wird ein erster Lithographieprozess unter Verwendung einer ersten Struktur einer ersten Photomaske durchgeführt, um erste Photoresistsäulen auf einer Vorderseite eines Vorrichtungssubstrats auszubilden. Die 1A bis 2B zeigen Draufsichten und Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen, die dem Vorgang in Block S12 entsprechen. Bei Block S14, wird ein erster Ionenimplantationsprozess unter Verwendung der ersten Photoresistsäulen als Maske durchgeführt, um erste Isolierbereiche in das Vorrichtungssubstrat zu implantieren. Die 3A bis 4B zeigen Draufsichten und Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen, die dem Vorgang in Block S14 entsprechen. Bei Block S16 wird ein zweiter Lithographieprozess unter Verwendung einer zweiten Struktur einer zweiten Photomaske durchgeführt, um zweite Photoresistsäulen auf der Vorderseite des Vorrichtungssubstrats auszubilden. Die 5A bis 6B zeigen Draufsichten und Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen, die dem Vorgang in Block S16 entsprechen. Bei Block S18 wird ein zweiter Ionenimplantationsprozess unter Verwendung der zweiten Photoresistsäulen als Maske durchgeführt, um zweite Isolierbereiche in das Vorrichtungssubstrat zu implantieren, wobei die ersten und zweiten Isolierbereiche voneinander beabstandet sind. Die 7A bis 8B zeigen Draufsichten und Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen, die dem Vorgang in Block S18 entsprechen.
  • Bei Block S20 wird ein dritter Lithographieprozess unter Verwendung einer dritten Struktur einer dritten Photomaske durchgeführt, um dritte Photoresistsäulen auf der Vorderseite des Vorrichtungssubstrats auszubilden. Die 9A bis 10B zeigen Draufsichten und Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen, die dem Vorgang in Block S20 entsprechen. Bei Block S22 wird ein dritter Ionenimplantationsprozess unter Verwendung der dritten Photoresistsäulen als Maske durchgeführt, um dritte Isolierbereiche in das Vorrichtungssubstrat zu implantieren, wobei die dritten Isolierbereiche die ersten und die zweiten Isolierbereiche kreuzen. Die 11A bis 12B zeigen Draufsichten und Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen, die dem Vorgang in Block S22 entsprechen. Bei Block S24 wird ein vierter Lithographieprozess unter Verwendung einer vierten Struktur einer vierten Photomaske durchgeführt, um vierte Photoresistsäulen auf der Vorderseite des Vorrichtungssubstrats auszubilden. Die 13A bis 14B zeigen Draufsichten und Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen, die dem Vorgang in Block S24 entsprechen. Bei Block S26 wird ein vierter Ionenimplantationsprozess unter Verwendung der vierten Photoresistsäulen als Maske durchgeführt, um vierte Isolierbereiche in das Vorrichtungssubstrat zu implantieren wobei die vierten Isolierbereiche die ersten und zweiten Isolierbereiche kreuzen und von den dritten Isolierbereichen beabstandet sind. Die 15A bis 16B zeigen Draufsichten und Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen, die dem Vorgang in Block S26 entsprechen. Die ersten, zweiten, dritten und vierten Isolierbereiche definieren Pixelbereiche mit einem Pixelbereichs-Abstand auf Submikrometer-Niveau (z. B. etwa 0,75 Mikrometer bis etwa 0,95 Mikrometer).
  • Bei Block S28 werden Pixel jeweils in den Pixelbereichen des Vorrichtungssubstrats ausgebildet. Die 17A bis 17B zeigen eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen, die dem Vorgang in Block S28 entsprechen. Bei Block S30 werden auf der Vorderseite des Vorrichtungssubstrats nacheinander eine Interconnect-Struktur, eine Pufferschicht und ein Trägersubstrat ausgebildet. Bei Block S32 werden auf der Rückseite des Vorrichtungssubstrats nacheinander eine Farbfilterschicht und eine Mikrolinsenschicht ausgebildet. Die 18A bis 18B zeigen Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen, die den Vorgängen in den Blöcken S30 und S32 entsprechen.
  • In einigen Ausführungsformen kann optional ein Schrumpfungsmaterial auf die ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Photoresistsäulen 122a bis 122c, 142a bis 142b, 162a bis 1620 und/oder 182a bis 182b aufgetragen werden, die in den 2B, 6B, 10B bzw. 14B gezeigt sind, um einen Kollaps der Photoresistsäulen aufgrund von Kapillarkräften weiter zu verhindern. Der Einfachheit halber werden in der Beschreibung hier die ersten Photoresistsäulen 122a bis 122c als Beispiel verwendet.
  • Die 20A und 20B zeigen vereinfachte Querschnittsansichten zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100 in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen. Nachdem die ersten Photoresistsäulen 122a bis 122c ausgebildet wurden, werden die ersten Photoresistsäulen 122a bis 122c unter Verwendung einer geeigneten Technik wie eines Rotationsbeschichtungsprozesses einem Schrumpfungsmaterial ausgesetzt. Das Schrumpfungsmaterial kann durch gleichmäßiges Mischen von Tensidpartikeln in ein chemisches Material hergestellt werden. Die Tensidpartikel enthalten Verbindungen oder Moleküle, die die Oberflächenspannung zwischen Flüssigkeiten oder zwischen einer Flüssigkeit und einem Feststoff senken. Beispielsweise enthält ein Tensidpartikel ein Molekül mit einem Ende, das wasserlöslich ist, und einem gegenüberliegenden Ende, das fettlöslich ist. Die Tensidmoleküle können zu Mizellen aggregieren. In einigen Ausführungsformen enthält jedes der Tensidpartikel eine fluorierte Verbindung. In einigen weiteren Ausführungsformen enthalten die Tensidpartikel eine Kohlenwasserstoffverbindung.
  • In einigen Ausführungsformen enthält das chemische Material ein RELACS-Material („Material zur Verbesserung der lithographischen Auflösung mit Hilfe chemischer Schrumpfung“). Das RELACS-Material enthält ein wasserlösliches Material (z. B. ein Polymer) mit thermischen Vernetzungseigenschaften. In einigen weiteren Ausführungsformen enthält das chemische Material ein SAFIER-Material („Schrumpfhilfefilm-Material für verbesserte Auflösung“), das von Tokyo Ohka Kogyo Co. entwickelt wurde. Das SAFIER-Material enthält eine wässrige Lösung, wärmeempfindliche Polymere enthält, die ein Fließen des Photoresists während des Backprozesses erleichtert. Das SAFIER-Material kann, muss aber nicht chemisch mit dem Photoresist reagieren, bietet jedoch mechanische Unterstützung für die Seitenwände des Photoresist während des Fließens. Die mechanische Unterstützung durch das SAFIER-Material minimiert eine Beeinträchtigung des Profils der Photoresistsäulen. Das SAFIER-Material kann nach dem Backen in einem Entwicklungsprozess entfernt werden.
  • In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird das Schrumpfungsmaterial, das das oben beschriebene RELACS-Material enthält, auf die ersten Photoresistsäulen 122a bis 122c aufgetragen. Ein Teil des RELACS-Materials, das auf die ersten Photoresistsäulen 122a bis 122c aufgetragen wird, kann sich mit den Photoresistsäulen 122a bis 122c vernetzen und bildet während eines Backprozesses einen Vernetzungsfilm 410 auf freiliegenden Oberflächen der Photoresistsäulen 122a bis 122c, wie in 20A gezeigt. Der Vernetzungsfilm 410 kann als Teil der vergrößerten Photoresistsäulen 122a bis 122c angesehen werden, die als Maske für den nachfolgenden Ionenimplantationsprozess verwendet werden. Der Rest des nicht umgesetzten (z. B. nicht vernetzten) RELACS-Materials wird nach dem Backen in einem Entwicklungsprozess entfernt. Im Vergleich zu dem in 2B gezeigten ursprünglichen Graben 123 weist der verkleinerte Graben 123' eine größere Höhe (vertikale Abmessung) H9 und eine kleinere Breite (seitliche Abmessung) W14 auf. Die verkleinerte Breite W14 ermöglicht ein Ausbilden schmalerer Isolierbereiche, die in dem Vorrichtungssubstrat ausgebildet werden. Zum Beispiel können die ersten Photoresistsäulen 122a bis 122c als Ionenimplantationsmaske verwendet werden, um schmalere Isolierbereiche (und daher breitere Pixelbereiche) für die Bildsensorvorrichtung auszubilden. Zusätzlich verringern die Tensidpartikel 420 des Schrumpfungsmaterials, die an oder in der Nähe der Seitenwände 412 der Vernetzungsfilme 410 angeordnet sind, die Oberflächenspannung der Seitenwandflächen. Die Kapillarkraft korreliert mit der Oberflächenspannung (bzw. ist davon abhängig). Da die Oberflächenspannung an den Seitenwänden 412 durch das Vorhandensein der darauf angeordneten Tensidpartikel 420 verringert wird, sind die Kapillarkräfte innerhalb des Grabens 123' verringert, was das Risiko eines Kollapses der ersten Photoresistsäulen 122a bis 122c verringert.
  • In einigen weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird das Schrumpfungsmaterial, das das oben beschriebene SAFIER-Material enthält, auf die ersten Photoresistsäulen 122a bis 122c aufgetragen. Das SAFIER-Material enthält wärmeempfindliche Polymere, die ein Fließen der ersten Photoresistsäulen 122a bis 122c während des Backprozesses erleichtern. Mit anderen Worten fließen die ersten Photoresistsäulen 122a bis 122c seitlich nach außen und werden jeweils zu den Photoresistsäulen 430 umgeformt. Wie in 20B gezeigt, sind die Seitenwände der Photoresistsäulen 430 vor dem Beginn des Fließens hier als gestrichelte Linien gezeigt. Wie gezeigt, bewegen sich die Seitenwände 432 der umgeformten Photoresistsäulen 430 somit aufeinander zu, wodurch der Abstand zwischen den umgeformten Photoresistsäulen 430 verringert wird. Die Höhe H10 der umgeformten Photoresistsäulen 430 wird aufgrund der seitlichen Ausdehnung ebenfalls verringert. Das Schrumpfungsmaterial (d. h. das SAFIER-Material) bietet auch eine gewisse mechanische Unterstützung für die Seitenwände 432 der umgeformten Photoresistsäulen 430 während des Fließens des Photoresist, wodurch die Seitenwände 432 ihre Form beibehalten können. Im Vergleich zu dem in 2B gezeigten ursprünglichen Graben 123 weist der verkleinerte Graben 123'' eine verringerte Höhe (vertikale Abmessung) H10 und eine verringerte Breite (seitliche Abmessung) W15 auf. Die verringerte Breite W15 ermöglicht ein Ausbilden schmalerer Isolierbereiche, die in dem Vorrichtungssubstrat ausgebildet werden. Die umgeformten Photoresistsäulen 430 können beispielsweise als Ionenimplantationsmaske verwendet werden, um schmalere Isolierbereiche (und daher breitere Pixelbereiche) für die Bildsensorvorrichtung auszubilden.
  • Zumindest einige der Tensidpartikel 440 von SAFIER, die an oder bei den Seitenwänden 432 angeordnet sind, verringern die Oberflächenspannung der Seitenwände 432. Wie oben beschrieben, korreliert die Kapillarkraft mit der Oberflächenspannung (oder hängt von dieser ab). Da die Oberflächenspannung an den Seitenwänden 432 durch das Vorhandensein der darauf angeordneten Tensidpartikel 440 verringert wird, werden auch die zum Kollabieren beitragenden Kapillarkräfte verringert, was das Risiko eines Kollapses der ersten Photoresistsäulen 122a bis 122c verringert.
  • 21A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100 in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 21B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 21A. In einigen Ausführungsformen werden die Vorgänge der Blocks S16 und S18 weggelassen. Das bedeutet, dass im Vorrichtungssubstrat 110 die zweiten Isolierbereiche nicht ausgebildet werden. Deshalb hat jedes der Pixel 310 in einer Draufsicht eine rechteckige Form. Insbesondere hat jedes der Pixel 310 eine Länge L2 und eine Breite W16. Die Länge L2 wird durch zwei benachbarte erste Isolierbereiche 102 definiert, und die Breite W16 wird durch benachbarte dritte und vierte Isolierbereiche 106 und 108 definiert. Die Länge L2 ist größer als die Breite W16 und liegt über Submikrometerbereich. Zum Beispiel ist die Länge L2 größer als etwa 1 Mikrometer, wie etwa 1,15 Mikrometer bis etwa 3 Mikrometer, beispielsweise etwa 1,2 Mikrometer bis etwa 1,9 Mikrometer. Die Breite W16 liegt im Submikrometerbereich. Beispielsweise beträgt die Breite W16 etwa 0,75 Mikrometer bis etwa 0,95 Mikrometer. Nachdem die Pixel 310 ausgebildet sind, können weitere Herstellungsprozesse durchgeführt werden, um die Herstellung der Bildsensorvorrichtung 100 abzuschließen, wie in den 22A und 22B gezeigt, wobei 22A eine gleiche Querschnittsposition wie 21B hat und 22B eine gleiche Querschnittsposition wie 18B hat. Andere relevante strukturelle Details der Bildsensorvorrichtung in den 22A und 22B ähneln der Bildsensorvorrichtung in den 18A und 18B, und daher wird eine diesbezügliche Beschreibung im Folgenden nicht wiederholt.
  • 23A zeigt eine vereinfachte Draufsicht zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung 100 in verschiedenen Stufen gemäß einigen Ausführungsformen, und 23B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 23A. In einigen Ausführungsformen werden die Vorgänge der Blocks S24 und S26 weggelassen. Das bedeutet, dass im Vorrichtungssubstrat 110 keine vierten Isolierbereiche ausgebildet werden. Deshalb hat jedes der Pixel 310 in einer Draufsicht eine rechteckige Form. Insbesondere hat jedes der Pixel 310 eine Länge L3 und eine Breite W17. Die Breite W17 wird durch benachbarte erste und zweite Isolierbereiche 102 und 104 definiert, und die Länge L3 wird durch zwei benachbarte dritte Isolierbereiche 106 definiert. Die Länge L3 ist größer als die Breite W17 und liegt über dem Submikrometerbereich. Zum Beispiel ist die Länge L3 größer als etwa 1 Mikrometer, wie etwa 1,15 Mikrometer bis etwa 3 Mikrometer, beispielsweise etwa 1,2 Mikrometer bis etwa 1,9 Mikrometer. Die Breite W17 liegt im Submikrometerbereich. Beispielsweise beträgt die Breite W17 etwa 0,75 Mikrometer bis etwa 0,95 Mikrometer. Nachdem die Pixel 310 ausgebildet sind, können weitere Herstellungsprozesse durchgeführt werden, um die Herstellung der Bildsensorvorrichtung 100 abzuschließen, wie in den 24A und 24B gezeigt, wobei 24A eine gleiche Querschnittsposition wie 22B hat und 24B eine gleiche Querschnittsposition wie 23B hat. Andere relevante strukturelle Details der Bildsensorvorrichtung in den 24A und 24B ähneln der Bildsensorvorrichtung in den 18A und 18B, und daher wird eine diesbezügliche Beschreibung im Folgenden nicht wiederholt.
  • Basierend auf den obigen Beschreibungen ist ersichtlich, dass die vorliegende Offenbarung Vorteile bietet. Es versteht sich jedoch, dass andere Ausführungsformen zusätzliche Vorteile bieten können und nicht alle Vorteile hierin notwendigerweise offenbart sind, und dass keine bestimmten Vorteile für alle Ausführungsformen erforderlich sind. Ein Vorteil besteht darin, dass die Photoresistsäulen mit niedrigem Seitenverhältnis mit einem Graben mit ultrahohem Seitenverhältnis zwischen den Photoresistsäulen ausgebildet werden, ohne dass die Photoresistsäulen kollabieren. Da die Photoresistsäulen mit einem Graben mit ultrahohem Seitenverhältnis zwischen den Photoresistsäulen ausgebildet werden, können außerdem tiefere Isolierbereiche mit begrenzten Implantationsschäden an der Bildsensorvorrichtung erreicht werden (z. B. können Isolierbereiche mit minimaler seitlicher Diffusion ausgebildet werden), selbst wenn hohe Implantationsenergien verwendet werden. Infolgedessen können die Ionen tiefer implantiert werden, so dass eine wirksame Pixel-Pixel-Isolation für die Bildsensorvorrichtung bereitgestellt wird. Da die Photoresistsäulen im Wesentlichen parallele Linien sind, die voneinander beabstandet sind, vermeiden die ausgebildeten Pixel außerdem Probleme von Eckenrundung.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung ein Ausbilden einer ersten Photoresistschicht auf einer Vorderseite eines Vorrichtungssubstrats. Die erste Photoresistschicht weist erste Gräben auf, die voneinander beabstandet sind. Ein erster Implantationsprozess wird unter Verwendung der ersten Photoresistschicht als Maske durchgeführt, um erste Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat auszubilden. Eine zweite Photoresistschicht wird auf der Vorderseite des Vorrichtungssubstrats ausgebildet. Die zweite Photoresistschicht weist zweite Gräben auf, die voneinander beabstandet sind. Ein zweiter Implantationsprozess wird unter Verwendung der zweiten Photoresistschicht als Maske durchgeführt, um zweite Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat auszubilden, die die ersten Isolierbereiche kreuzen. Eine dritte Photoresistschicht wird auf der Vorderseite des Vorrichtungssubstrats ausgebildet. Die dritte Photoresistschicht weist dritte Gräben auf, die voneinander beabstandet sind. Ein dritter Implantationsprozess wird unter Verwendung der dritten Photoresistschicht als Maske durchgeführt, um dritte Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat auszubilden, die die ersten Isolierbereiche kreuzen, die jedoch von den zweiten Isolierbereichen beabstandet sind.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Bildsensorvorrichtung ein Durchführen eines ersten Lithographieprozesses unter Verwendung einer ersten Struktur einer ersten Photomaske, um eine erste Photoresiststruktur auf einer Vorderseite eines Vorrichtungssubstrats auszubilden. Die erste Struktur enthält im Wesentlichen parallele Linien mit einem ersten Abstand, die entlang einer ersten Richtung angeordnet sind. Ein erster Implantationsprozess wird unter Verwendung der ersten Struktur als Maske durchgeführt, um erste Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat auszubilden. Ein zweiter Lithographieprozess wird unter Verwendung einer zweiten Struktur einer zweiten Photomaske durchgeführt, um eine zweite Photoresiststruktur auf der Vorderseite des Vorrichtungssubstrats auszubilden. Die zweite Struktur ist gegenüber der ersten Struktur um einen Abstand von weniger als dem ersten Abstand in der ersten Richtung versetzt. Ein zweiter Implantationsprozess wird unter Verwendung der zweiten Photoresiststruktur als Maske durchgeführt, um zweite Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat auszubilden, die von den ersten Isolierbereichen beabstandet sind. Zwischen den ersten und den zweiten Isolierbereichen werden Pixel ausgebildet.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen enthält eine Bildsensorvorrichtung ein Vorrichtungssubstrat, Isolierbereiche und Pixel. Die Isolierbereiche liegen in dem Vorrichtungssubstrat und definieren Pixelbereiche in dem Vorrichtungssubstrat. Die Pixel befinden sich jeweils in den Pixelbereichen. Jedes der Pixel hat eine Länge und eine Breite. Die Breite beträgt weniger als etwa 1 Mikrometer. Abschnitte der Isolierbereiche an vier Ecken von mindestens einem der Pixel weisen Dotierungskonzentrationen auf, die höher als eine Dotierungskonzentration eines anderen Abschnitts der Isolierbereiche an einer Seitenwand des mindestens einen Pixels sind.
  • Das Vorangehende beschreibt Merkmale von mehreren Ausführungsformen, so dass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen können. Fachleute sollten anerkennen, dass sie die vorliegende Offenbarung leicht als Basis verwenden können, um weitere Prozesse und Strukturen zu entwerfen oder zu modifizieren, um die gleichen Ziele zu erreichen und/oder die gleichen Vorteile der hier eingeführten Ausführungsformen zu realisieren. Fachleute sollten auch erkennen, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht von dem Geist und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abweichen und dass sie verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Modifikationen hier vornehmen können, ohne von dem Geist und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62951966 [0001]

Claims (20)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Bildsensorvorrichtung, umfassend: Ausbilden einer ersten Photoresistschicht auf einer Vorderseite eines Vorrichtungssubstrats, wobei die erste Photoresistschicht erste Gräben aufweist, die voneinander beabstandet sind; Durchführen eines ersten Implantationsprozesses unter Verwendung der ersten Photoresistschicht als Maske zum Ausbilden erster Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat; Ausbilden einer zweiten Photoresistschicht auf der Vorderseite des Vorrichtungssubstrats, wobei die zweite Photoresistschicht zweite Gräben aufweist, die voneinander beabstandet sind; Durchführen eines zweiten Implantationsprozesses unter Verwendung der zweiten Photoresistschicht als Maske, um zweite Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat auszubilden, die die ersten Isolierbereiche kreuzen; Ausbilden einer dritten Photoresistschicht auf der Vorderseite des Vorrichtungssubstrats, wobei die dritte Photoresistschicht dritte Gräben aufweist, die voneinander beabstandet sind; Durchführen eines dritten Implantationsprozesses unter Verwendung der dritten Photoresistschicht als Maske zum Ausbilden dritter Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat, die die ersten Isolierbereiche kreuzen, die jedoch von den zweiten Isolierbereichen beabstandet sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweiten Gräben der zweiten Photoresistschicht einen ersten Abstand aufweisen und die dritten Gräben der dritten Photoresistschicht einen zweiten Abstand aufweisen, der im Wesentlichen dem ersten Abstand entspricht.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Abstand größer als etwa 1 Mikrometer ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die ersten Gräben der ersten Photoresistschicht einen dritten Abstand von mehr als etwa 1 Mikrometer aufweisen.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten und die dritten Isolierbereiche abwechselnd angeordnet sind.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Mittenabstand zwischen den benachbarten zweiten und dritten Isolierbereichen kleiner als etwa 1 Mikrometer ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der ersten Gräben mit einem Seitenverhältnis von etwa 10:1 oder mehr ausgebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Isolierbereiche im Wesentlichen senkrecht zu den ersten Isolierbereichen stehen.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten, zweiten und dritten Isolierbereiche eine Mehrzahl von Pixelbereichen definieren und das Verfahren ferner umfasst: Ausbilden von Pixeln jeweils in den Pixelbereichen.
  10. Verfahren zum Herstellen einer Bildsensorvorrichtung, umfassend: Durchführen eines ersten Lithographieprozesses unter Verwendung einer ersten Struktur einer ersten Photomaske, um eine erste Photoresiststruktur auf einer Vorderseite eines Vorrichtungssubstrats auszubilden, wobei die erste Struktur im Wesentlichen parallele Linien mit einem ersten Mittenabstand enthält, die entlang einer ersten Richtung angeordnet sind; Durchführen eines ersten Implantationsprozesses unter Verwendung der ersten Struktur als Maske zum Ausbilden erster Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat; Durchführen eines zweiten Lithographieprozesses unter Verwendung einer zweiten Struktur einer zweiten Photomaske, um eine zweite Photoresiststruktur auf der Vorderseite des Vorrichtungssubstrats auszubilden, wobei die zweite Struktur gegenüber der ersten Struktur in der ersten Richtung um einen Abstand von weniger als dem ersten Abstand versetzt ist; Durchführen eines zweiten Implantationsprozesses unter Verwendung der zweiten Photoresiststruktur als Maske zum Ausbilden von zweiten Isolierbereichen in dem Vorrichtungssubstrat, die von den ersten Isolierbereichen beabstandet sind; und Ausbilden von Pixeln zwischen den ersten und den zweiten Isolierbereichen.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Abstand etwa halb so groß wie der erste Abstand ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die erste und die zweite Struktur identisch sind.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die ersten und die zweiten Isolierbereiche die gleiche Dotierungspolarität aufweisen.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Pixel und die ersten Isolierbereiche unterschiedliche Dotierungspolaritäten aufweisen.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, ferner umfassend: Durchführen eines dritten Lithographieprozesses unter Verwendung einer dritten Struktur einer dritten Photomaske, um eine dritte Photoresiststruktur auf der Vorderseite des Vorrichtungssubstrats auszubilden, wobei die dritte Struktur gegenüber der ersten Struktur um etwa 90 Grad gedreht ist; und Durchführen eines dritten Implantationsprozesses unter Verwendung der dritten Photoresiststruktur als Maske zum Ausbilden dritter Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat, die die ersten und die zweiten Isolierbereiche kreuzen.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend: Durchführen eines vierten Lithographieprozesses unter Verwendung einer vierten Struktur einer vierten Photomaske, um eine vierte Photoresiststruktur auf der Vorderseite des Vorrichtungssubstrats auszubilden, wobei die vierte Struktur gegenüber der dritten Struktur um einen Abstand von weniger als einem zweiten Abstand der dritten Struktur versetzt ist; Durchführen eines vierten Implantationsprozesses unter Verwendung der vierten Photoresiststruktur als Maske, um vierte Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat auszubilden, die von den dritten Isolierbereichen beabstandet sind, die jedoch die ersten und die zweiten Isolierbereiche kreuzen.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei der zweite Abstand der dritten Struktur im Wesentlichen gleich dem ersten Abstand der ersten Struktur ist.
  18. Bildsensorvorrichtung, umfassend: ein Vorrichtungssubstrat; Isolierbereiche in dem Vorrichtungssubstrat, die Pixelbereiche in dem Vorrichtungssubstrat definieren; und Pixel jeweils in den Pixelbereichen, wobei jedes der Pixel eine Länge und eine Breite hat, wobei die Breite kleiner als etwa 1 Mikrometer ist und wobei Abschnitte der Isolierbereiche an vier Ecken von mindestens einem der Pixel Dotierungskonzentrationen aufweisen, die höher als eine Dotierungskonzentration eines anderen Abschnitts der Isolierbereiche an einer Seitenwand des mindestens einen Pixels sind.
  19. Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Länge jedes der Pixel größer als etwa 1 Mikrometer ist.
  20. Bildsensorvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Länge jedes der Pixel kleiner als etwa 1 Mikrometer ist.
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