DE102020110806A1

DE102020110806A1 - Bildsensorvorrichtung und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE102020110806A1
Application number: DE102020110806.0A
Authority: DE
Inventors: Keng-Ying Liao; Huai-Jen Tung; Chih Sung; Po-Zen Chen; Yu-Chien Ku; Yu-Chu Lin; Chi-Chung JEN; Yen-Jou Wu; Tsun-Kai Tsao; Yung-Lung Yang
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2021-10-21
Also published as: US20210327951A1; US20220367559A1; CN113053928B; US11502123B2; TWI742790B; CN113053928A; KR20210129564A; TW202141768A; KR102454576B1

Abstract

Ein Verfahren umfasst ein Herstellen einer dielektrischen Schicht über einer ersten Oberfläche einer Halbleiterschicht, wobei die dielektrische Schicht eine Metallisierungsschicht umfasst. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Erzeugen einer Öffnung, um einen Teil der dielektrischen Schicht freizulegen. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Herstellen einer Puffer-Oxidschicht so, dass sie die Öffnung belegt. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Erzeugen, entsprechend einer strukturierbaren Schicht, einer Aussparung in der Puffer-Oxidschicht, die sich teilweise von einer zweiten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht erstreckt. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Entfernen der strukturierbaren Schicht. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Vergrößern der Aussparung durch die Puffer-Oxidschicht und einen Teil der dielektrischen Schicht, um einen Teil der Metallisierungsschicht freizulegen. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Füllen der Aussparung mit einem leitfähigen Material, um eine Padstruktur herzustellen, die so konfiguriert ist, dass sie eine elektrische Verbindung mit der Metallisierungsschicht hergestellt.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Bildsensorvorrichtungen und insbesondere Verfahren zu deren Herstellung.
Halbleiter-Bildsensoren werden zum Abtasten von einfallender sichtbarer oder nicht-sichtbarer Strahlung verwendet, wie etwa von sichtbarem Licht, Infrarotlicht und dergleichen. CMOS-Bildsensoren (CISs; CMOS: komplementärer Metalloxidhalbleiter) und CCD-Sensoren (CCD: ladungsgekoppeltes Bauelement) kommen in verschiedenen Anwendungsgebieten zum Einsatz, wie etwa in digitalen Fotoapparaten, Mobiltelefonen, Tablets, Brillen usw. In diesen Geräten wird eine Anordnung von Pixeln verwendet, die die einfallende Strahlung absorbieren (z. B. abtasten) und sie in elektrische Signale umwandeln. Eine rückseitig beleuchtete Bildsensorvorrichtung (BSI-Bildsensorvorrichtung) ist ein Beispiel für Bildsensorvorrichtungen. Diese BSI-Bildsensorvorrichtungen sind so betreibbar, dass sie Licht von ihrer Rückseite detektieren.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Vielmehr können der Übersichtlichkeit der Erörterung halber die Abmessungen der verschiedenen Elemente beliebig vergrößert oder verkleinert sein.

Die 1A und 1B zeigen ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Herstellen einer Bildsensorvorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
Die 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 und 14 zeigen Schnittansichten einer beispielhaften Bildsensorvorrichtung auf verschiedenen Herstellungsstufen des Verfahrens der 1A und 1B, gemäß einigen Ausführungsformen.
15 zeigt eine Draufsicht der beispielhaften Bildsensorvorrichtung, die in den 2 bis 14 gezeigt ist, gemäß einigen Ausführungsformen.

Detaillierte Beschreibung
Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so hergestellt werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen der in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden.
Die Begriffe „etwa“ und „im Wesentlichen“ können einen Wert einer gegebenen Größe angeben, der innerhalb von 5 % des Werts variiert (z. B. um ±1 %, ±2 %, ±3 %, ±4 %, ±5 % des Werts).
Im Allgemeinen weist eine rückseitig beleuchtete Bildsensorvorrichtung (BSI-Bildsensorvorrichtung) ein Halbleitersubstrat (z. B. ein Siliziumsubstrat) mit darin hergestellten Pixeln oder Strahlungssensorbereichen auf. Die hier verwendeten Begriffe „Strahlungssensorbereiche“ und „Pixel“ können austauschbar verwendet werden. Eine BSI-Bildsensorvorrichtung kann eine Pixelmatrix aufweisen, die in dem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Die Pixelmatrix ist vertikal in Bezug zu einer Mehrebenen-Metallisierungsschicht (z. B. einer oder mehreren Verbindungsstrukturen) angeordnet, die auf einer ersten Fläche des Halbleitersubstrats hergestellt ist. Die erste Fläche des Halbleitersubstrats wird hier als eine „Vorderseite“ oder „Vorderfläche“ des Halbleitersubstrats bezeichnet. Die Pixelmatrix erstreckt sich in das Halbleitersubstrat hinein und ist so konfiguriert, dass sie Strahlung von einer zweiten Fläche des Halbleitersubstrats empfängt, die der Vorderseite des Halbleitersubstrats gegenüberliegt. Diese zweite Fläche des Halbleitersubstrats, die die Strahlung empfängt (und die der Vorderseite des Halbleitersubstrats gegenüberliegt), wird hier als eine „Rückseite“ oder „Rückfläche“ des Halbleitersubstrats bezeichnet.
Die Pixel in dem Halbleitersubstrat werden mit Isolationsstrukturen, wie etwa mit DTI-Strukturen (DTI: tiefe Grabenisolation), elektrisch isoliert. Jeweilige Gitterstrukturen, die eine optische Isolation zwischen benachbarten Pixeln ermöglichen, werden zu den vorgenannten Isolationsstrukturen ausgerichtet (und auf der Rückseite des Halbleitersubstrats hergestellt). Benachbarte Gitterstrukturen bilden gemeinsam Zellen. Außerdem bilden die Zellen gemeinsam eine Verbundgitterstruktur, die so konfiguriert ist, dass sie Farbfiltermaterial aufnimmt. Auf Grund der vorstehenden Beschreibung wird die Verbundgitterstruktur auf der Rückseite des Halbleitersubstrats hergestellt.
Das Farbfiltermaterial kann zwischen benachbarten Gitterstrukturen angeordnet werden, um Farbfilter herzustellen. Das Farbfiltermaterial kann so gewählt werden, dass Licht mit einer gewünschten Wellenlänge durch das Farbfiltermaterial hindurchgeht, während Licht mit anderen Wellenlängen von dem Farbfiltermaterial absorbiert wird. Zum Beispiel würde ein Grünes-Licht-Filtermaterial, das ungefiltertes natürliches Licht empfängt, den Grünes-LichtAnteil (Wellenlängen von etwa 495 nm bis etwa 570 nm) durch das Filter durchlassen, aber es würde alle anderen Wellenlängen absorbieren. Die Farbfilter sind zu jeweiligen Pixeln ausgerichtet, um gefiltertes Licht für entsprechende Pixel bereitzustellen.
Komponenten der Bildsensorvorrichtung (z. B. Pixel, Transistoren, Kondensatoren, Speicherstrukturen, andere Chips, die an der Bildsensorvorrichtung befestigt sind, usw.) können über Leitungsverbinder, die an Padstrukturen befestigt werden, die auf der Rückseite des Halbleitersubstrats hergestellt sind, mit externen Vorrichtungen (z. B. einer externen Schaltung) elektrisch verbunden werden. Um dies zu erreichen, erstrecken sich die Padstrukturen einer BSI-Bildsensorvorrichtung physisch von der Rückseite des Halbleitersubstrats bis zu seiner Vorderseite, und sie stellen eine elektrische Verbindung mit der Mehrebenen-Metallisierungsschicht des Bildsensors her. Daher kann die Mehrebenen-Metallisierungsschicht der BSI-Bildsensorvorrichtung, die eine elektrische Signalverbindung mit der BSI-Bildsensorvorrichtung hergestellt, über die Padstrukturen mit einer externen Vorrichtung oder Schaltung elektrisch verbunden werden. Die Padstrukturen können an der Peripherie der BSI-Bildsensorvorrichtung um die Pixel oder die Strahlungssensorbereiche angeordnet werden.
Bei bestehenden Technologien zum Herstellen der Padstruktur in einer BSI-Bildsensorvorrichtung muss eine Öffnung, die sich mindestens von der Rückseite bis zu der Vorderseite ihres Halbleitersubstrats erstreckt, erzeugt werden, und anschließend wird eine relativ dicke strukturierbare Schicht, z. B. eine Fotoresistschicht (PR-Schicht), in die Öffnung gefüllt, um eine Struktur der Padstruktur zu definieren. Bei bestimmten Anwendungen des BSI-Bildsensors sollte eine Dicke des Halbleitersubstrats relativ groß gehalten werden. Für den Fall, dass der BSI-Bildsensor zum Beispiel so konfiguriert ist, dass er nahe Infrarotstrahlung absorbiert, hat das Halbleitersubstrat normalerweise eine Dicke von etwa 2 µm bis etwa 8 µm. Und um zu gewährleisten, dass keine unerwünschten Ladungen in bestimmten Bereichen der BSI-Bildsensorvorrichtung gespeichert werden, werden normalerweise eine oder mehrere dielektrische High-k-Schichten auf der Rückseite des Halbleitersubstrats hergestellt. Dementsprechend kann eine Dicke der strukturierbaren Schicht signifikant, z. B. auf bis zu 10 µm, erhöht werden.
Eine solche dicke strukturierbare Schicht kann jedoch während nachfolgender Prozesse verschiedene Probleme verursachen. Zum Beispiel können unerwünschte Polymere (oder PR-Rückstände) entlang Seitenwänden der Öffnung zurückbleiben, nachdem die strukturierbare Schicht entfernt worden ist. Zum effizienten Entfernen der strukturierbaren Schicht kann ein Ätzprozess unter Verwendung eines Plasmas auf Sauerstoff-Basis verwendet werden. Obwohl die strukturierbare Schicht gründlich entfernt werden kann, kann ein solcher Sauerstoff-basierter Plasmaätzprozess die darunter befindlichen Metallisierungsschichten beschädigen. Zum Beispiel kann während des Entfernens der strukturierbaren Schicht unter Verwendung des Sauerstoff-basierten Plasmas eine der Metallisierungsschichten (z. B. die unterste Metallisierungsschicht) freigelegt werden. Das Sauerstoff-basierte Plasma kann mit einer Sperrschicht (z. B. einer TaN-Schicht) reagieren, die die Metallisierungsschicht umschließt, sodass Luftblasen auf einer Oberfläche der Metallisierungsschicht entstehen können. Diese Luftblasen können nachteilig ein Eindringen von Ätzmitteln und/oder Säuren in eine Verbindungsstruktur der Metallisierungsschicht in einem späteren Prozess erleichtern, sodass die Verbindungsstruktur beschädigt werden kann. Daher sind die bestehenden Technologien zum Herstellen einer BSI-Bildsensorvorrichtung noch nicht völlig zufriedenstellend.
Die vorliegende Erfindung stellt verschiedene Ausführungsformen für Verfahren zum Herstellen einer BSI-Bildsensorvorrichtung bereit, um diese Probleme zu vermeiden. Zum Beispiel umfassen verschiedene Ausführungsformen des Verfahrens, die hier offenbart werden, ein Verwenden eines 1E2P-Prozesses (1E2P: einmaliges Strukturieren / zweimaliges Ätzen), um zunächst eine Puffer-Oxidschicht unter Verwendung einer strukturierten Schicht partiell zu ätzen, um eine oder mehrere Aussparungen zu erzeugen, und dann die eine oder die mehreren Aussparungen durchzuätzen, um eine darunter befindliche Metallisierungsschicht freizulegen. Vor dem Freilegen der Metallisierungsschicht ist die strukturierbare Schicht, die die Aussparungen (und später die Padstrukturen, die mit der Metallisierungsschicht verbunden werden) definiert, entfernt worden. Mit anderen Worten, die Metallisierungsschicht wird zum Beispiel durch die Puffer-Oxidschicht gegen Beschädigung während des Entfernens der strukturierbaren Schicht geschützt. Daher kann der Kompromiss, den die bestehenden Technologien eingehen, vorteilhaft aufgehoben werden, sodass die strukturierbare Schicht gründlich entfernt werden kann und keine (potentiellen) Schäden an der Metallisierungsschicht entstehen.
Die 1A und 1B zeigen gemeinsam ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum Herstellen einer BSI-Bildsensorvorrichtung, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es ist zu beachten, dass das Verfahren 100 lediglich ein Beispiel ist und die vorliegende Erfindung nicht beschränken soll. Dementsprechend versteht sich, dass weitere Schritte vor, während und nach dem Verfahren 100 der 1A und 1B vorgesehen werden können und dass einige weitere Schritte hier möglicherweise nur kurz beschrieben werden. Bei einigen Ausführungsformen können Schritte des Verfahrens 100 mit Schnittansichten einer BSI-Bildsensorvorrichtung auf verschiedenen Herstellungsstufen assoziiert werden, die in den 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 bzw. 14 gezeigt sind und später näher erörtert werden.
In einem kurzen Überblick beginnt das Verfahren 100 mit einem Schritt 102 zum Herstellen einer Anzahl von Pixeln (oder Strahlungssensorbereichen) über einer Vorderseite eines Halbleitersubstrats. Das Verfahren 100 geht mit einem Schritt 104 zum Herstellen eines oder mehrerer Isolationsbereiche über der Vorderseite weiter. Das Verfahren 100 geht mit einem Schritt 106 zum Herstellen einer Bauelementschicht und einer oder mehrerer Metallisierungsschichten über der Vorderseite weiter. Das Verfahren 100 geht mit einem Schritt 108 zum Wenden des Halbleitersubstrats weiter. Das Verfahren 100 geht mit einem Schritt 110 zum Erzeugen einer Öffnung von einer Rückseite des Halbleitersubstrats weiter. Das Verfahren 100 geht mit einem Schritt 112 zum Herstellen einer Puffer-Oxidschicht weiter. Das Verfahren 100 geht mit einem Schritt 114 zum Herstellen einer strukturierbaren Schicht weiter. Das Verfahren 100 geht mit einem Schritt 116 zum Erzeugen einer oder mehrerer Aussparungen weiter. Das Verfahren 100 geht mit einem Schritt 118 zum Entfernen der strukturierbaren Schicht weiter. Das Verfahren 100 geht mit einem Schritt 120 zum Vergrößern der einen oder mehreren Aussparungen weiter. Das Verfahren 100 geht mit einem Schritt 122 zum Abscheiden eines leitfähigen Materials zum Herstellen einer oder mehrerer Padstrukturen weiter. Das Verfahren 100 geht mit einem Schritt 124 zum Abscheiden einer dielektrischen Schicht über der einen oder den mehreren Padstrukturen weiter. Das Verfahren 100 geht mit einem Schritt 126 zum Freilegen von jeweiligen Teilen der einen oder der mehreren Padstrukturen weiter.
Wie vorstehend dargelegt worden ist, zeigen die 2 bis 14 jeweils in einer Schnittansicht einen Teil einer BSI-Bildsensorvorrichtung 200 auf verschiedenen Herstellungsstufen des Verfahrens 100 von 1. Die 2 bis 14 sind zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung vereinfacht. Die 2 bis 14 zeigen zwar die BSI-Bildsensorvorrichtung 200, aber es versteht sich, dass die BSI-Bildsensorvorrichtung 200 eine Anzahl von anderen Bauelementen, wie etwa Induktoren, Sicherungen, Kondensatoren, Spulen usw., aufweisen kann, die der übersichtlichen Darstellung halber in diesen Figuren nicht gezeigt sind.
Entsprechend dem Schritt 102 von 1A zeigt 2 eine Schnittansicht einer BSI-Bildsensorvorrichtung 200 mit einer Anzahl von Pixeln 204A, 204B und 204C, die über einer Vorderseite 202F eines Halbleitersubstrats (oder einer Halbleiterschicht) 202 auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen hergestellt werden. Gegenüber der Vorderseite 202F (z. B. entlang der z-Achse) hat das Halbleitersubstrat 202 eine Rückseite 202B, von der die BSI-Bildsensorvorrichtung 200 einfallende Strahlung empfängt.
Das Halbleitersubstrat 202 kann ein massiver Halbleiterwafer oder eine obere Schicht eines SOI-Wafers (SOI: Halbleiter auf Isolator) mit einer Dicke von mehr als etwa 6 µm (z. B. von etwa 6,15 µm, etwa 6,30 µm, etwa 6,50 µm oder etwa 6,70 µm) sein. Das Halbleitersubstrat 202 kann zum Beispiel ein Halbleitermaterial wie Silizium oder Germanium, einen Verbindungshalbleiter, einen Legierungshalbleiter, ein anderes geeignetes Halbleitermaterial und/oder eine Kombination davon aufweisen. Außerdem kann das Halbleitersubstrat 202 ein epitaxiales Material sein, das zur Verbesserung der Leistung verspannt ist und/oder mit n-Dotanden, p-Dotanden oder einer Kombination davon dotiert ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Halbleitersubstrat 202 Kombinationen aus p- und n-dotierten Bereichen aufweisen.
Die Pixel 204A bis 204C werden in einem Teil des Halbleitersubstrats 202 hergestellt, der hier als ein Pixelbereich 203A bezeichnet wird. In 3 und den nachfolgenden Schnittansichten sind zwar drei Pixel 204A bis 204C gezeigt, aber es dürfte klar sein, dass die BSI-Bildsensorvorrichtung 200 jede gewünschte Anzahl von Pixeln aufweisen kann, was innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Bei einigen Ausführungsformen ist der Pixelbereich 203A ein mittlerer Bereich des Halbleitersubstrats 202. Der Pixelbereich 203A kann zum Beispiel einem Bereich entsprechen, in dem eine Pixelmatrix in der BSI-Bildsensorvorrichtung 200 erzeugt wird, wie in der Draufsicht von 15 gezeigt ist.
Pixel 204A bis 204C sind jeweils so konfiguriert, dass sie elektromagnetische Strahlung, wie etwa nahes Infrarotlicht, abtasten. Beispielhaft und nicht beschränkend umfassen die Pixel 204A bis 204C jeweils eine Gepinnte-Schicht-Fotodiode, ein Fotogate, einen Rücksetztransistor, einen Sourcefolgertransistor, einen Übertragungstransistor, eine andere geeignete Struktur und/oder Kombinationen davon. Außerdem können die Pixel 204A bis 204C gelegentlich als „Strahlungsdetektionsbauelemente“ oder „Lichtsensoren“ bezeichnet werden. Bei einigen Ausführungsformen werden die Pixel 204A bis 204C durch Dotieren des Halbleitersubstrats 202 von der Vorderseite 202F hergestellt. Der Dotierungsprozess kann ein Dotieren des Halbleitersubstrats 202 zum Beispiel mit einem p-Dotanden, wie etwa Bor, oder einem n-Dotanden, wie etwa Phosphor oder Arsen, umfassen. Bei einigen Ausführungsformen werden die Pixel 204A bis 204C mit einem Dotandendiffusionsprozess und/oder einem Ionenimplantationsprozess hergestellt.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Halbleitersubstrat 202 einen Padbereich 203B benachbart zu dem Pixelbereich 203A auf. In dem Padbereich 203B können eine oder mehrere Padstrukturen hergestellt werden. Die Padstrukturen können an einer Peripherie des Halbleitersubstrats 202 so angeordnet werden, dass sie den Pixelbereich 203A umschließen. Zum Beispiel entspricht der Padbereich 203B einem Bereich, in dem eine oder mehrere Padmatrizen in der BSI-Bildsensorvorrichtung 200 hergestellt werden, wie in der Draufsicht von 15 gezeigt ist.
Entsprechend dem Schritt 104 von 1A zeigt 3 eine Schnittansicht einer BSI-Bildsensorvorrichtung 200 mit einem oder mehreren Isolationsbereichen 302 und 304, die über der Vorderseite 202F auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Isolationsbereich 302, der in dem Padbereich 203B des Halbleitersubstrats 202 hergestellt wird, die Herstellung der einen oder mehreren Padstrukturen erleichtern. Bei einigen Ausführungsformen können vor, gleichzeitig mit oder nach dem Herstellen des Isolationsbereichs 302 in dem Padbereich 203B ein oder mehrere Isolationsbereiche 304 in dem Pixelbereich 203A hergestellt werden. Diese Isolationsbereiche 304 können Pixel 204A bis 204C voneinander trennen. Beispielhaft und nicht beschränkend können die Isolationsbereiche 302 und 304 über jeweiligen Teilen der Vorderseite 202F hergestellt werden.
Bei einigen Ausführungsformen können die Isolationsbereiche 302 und 304 durch Durchführen mindestens einiger der folgenden Prozesse hergestellt werden: Herstellen einer strukturierbaren Schicht, z. B. einer Fotoresistschicht (PR-Schicht) mit einer Struktur, die jeweilige Positionen der Isolationsbereiche 302 und 304 in dem Halbleitersubstrat 202 definiert; Ätzen (z. B. Trockenätzen) des Halbleitersubstrats 202 unter Verwendung der strukturierbaren Schicht als eine Ätzmaske, um Aussparungen zu erzeugen; Entfernen (z. B. Nassätzen) der strukturierbaren Schicht; Abscheiden einer oder mehrerer Schichten, die unter anderem Siliziumoxid, undotiertes Silicatglas (USG), Phosphorsilicatglas (PSG), Borphosphorsilicatglas (BPSG), Polyethyloxazolin (PEOX), Fluorsilicatglas (FSG), ein dielektrisches Low-k-Material (z. B. mit einem k-Wert, der kleiner als etwa 3,9 ist) oder Kombinationen davon aufweisen, als eine Schutzschicht zum Füllen der Aussparungen; und Planarisieren, z. B. chemisch-mechanisches Polieren (CMP), der Schutzschicht.
Entsprechend dem Schritt 106 von 1A zeigt 4 eine Schnittansicht einer BSI-Bildsensorvorrichtung 200 mit einer Bauelementschicht 400 und einer oder mehreren Metallisierungsschichten 410 auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen. Die Bauelementschicht 400 und die Metallisierungsschichten 410 können bei einigen Ausführungsformen nacheinander auf der Vorderseite 202F des Halbleitersubstrats 202 hergestellt werden. Die Bauelementschicht 400 kann zum Beispiel in Kontakt mit einem bestimmten Teil der Vorderseite 202F sein.
Die Bauelementschicht 400 kann ein oder mehrere Halbleiter-Bauelemente 404 (z. B. Feldeffekttransistoren) aufweisen, die entsprechend einem Chip-Layout auf der Vorderseite 202F des Halbleitersubstrats 202 hergestellt werden. Die Bauelementschicht 400 kann außerdem weitere Elemente oder Strukturen aufweisen, wie etwa dotierte Bereiche, Dummy-Bereiche, Epitaxialschichten, Kondensatorstrukturen, Widerstände usw. Diese weiteren Elemente oder Strukturen der Bauelementschicht 400 sind der Einfachheit halber in 4 nicht dargestellt. Bei einigen Ausführungsformen weist die BSI-Bildsensorvorrichtung 200 vertikale leitfähige Strukturen 406 (z. B. Durchkontaktierungen) auf, die die Halbleiter-Bauelemente 404 und andere Elemente der Bauelementschicht 400 mit oberen Metallisierungsschichten elektrisch verbinden. Die leitfähigen Strukturen 406 können einen Teil eines MOL-Verdrahtungsnetzwerks (MOL: middle of the line) bilden. Eine Ätzstoppschicht (ESL) 402, die Halbleiter-Bauelemente 404 und die leitfähigen Strukturen 406 können in eine entsprechende dielektrische Schicht 408 eingebettet werden oder von dieser überdeckt werden. Bei einigen Ausführungsformen weist die Bauelementschicht 400 weiterhin eine Nitridschicht 402 auf, die als eine Ätzstoppschicht in einem späteren Ätzschritt während der Herstellung der Padstrukturen verwendet wird. Bei einigen Ausführungsformen wird die ESL 402 um die Halbleiter-Bauelemente 404, aber nicht zwischen den Halbleiter-Bauelementen 404 und dem Halbleitersubstrat 202 hergestellt.
Die Metallisierungsschichten 410 können eine oder mehrere Metallisierungsschichten, wie etwa Metallisierungsschichten 410A, 410B, 410C und 410D, umfassen, wie in 4 gezeigt ist. Es dürfte klar sein, dass die BSI-Bildsensorvorrichtung 200 jede gewünschte Anzahl von Metallisierungsschichten aufweisen kann, was innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Bei einigen Ausführungsformen ist die Metallisierungsschicht 410A eine erste Metallisierungsschicht (die gelegentlich als M1-Schicht bezeichnet wird), und die Metallisierungsschicht 410D ist eine obere Metallisierungsschicht (die gelegentlich als obere Metallschicht (TM-Schicht) bezeichnet wird. Die Metallisierungsschichten 410 können einen Teil eines BEOL-Verdrahtungsnetzwerks (BEOL: Back End of Line) bilden. Die Metallisierungsschichten 410 (z. B. 410A bis 410D) können jeweils eine oder mehrere seitliche leitfähige Strukturen 412 (z. B. Leitungen) aufweisen, die in eine entsprechende dielektrische Schicht 414 eingebettet sind. Bei einigen Ausführungsformen können die entsprechende dielektrische Schicht und die darin eingebetteten Leitungen kollektiv als eine Metallisierungsschicht bezeichnet werden. Quer über unterschiedliche Metallisierungsschichten 410 können eine oder mehrere vertikale leitfähige Strukturen 416 (z. B. Durchkontaktierungen) durch eine entsprechende dielektrische Schicht 418 verlängert werden, um benachbarte Metallisierungsschichten entlang der z-Achse elektrisch zu verbinden. Die Leitungen 412 und die Durchkontaktierungen 416, die zum Beispiel aus Kupfer hergestellt sind, können gelegentlich als Kupfer-Verbindungsstrukturen bezeichnet werden. Bei einigen Ausführungsformen können die Kupferleitungen 412 und die Kupferdurchkontaktierungen 416 jeweils von einer (Diffusions-)Sperrschicht umschlossen werden. Die Sperrschicht kann ein Material aufweisen, das aus der Gruppe Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN), Titannidrid (TiN), Titanwolfram (TiW) und Titan (Ti) gewählt ist. Bei einigen Ausführungsformen kann diese Sperrschicht gelegentlich als ein Teil der entsprechenden Metallisierungsschicht bezeichnet werden.
Die dielektrischen Schichten 408, 414 und 418 können die darin befindlichen Elemente und/oder Strukturen elektrisch trennen. Bei einigen Ausführungsformen ist jede der dielektrischen Schichten 408, 414 und 418 eine ILD- (Zwischenschicht-Dielektrikum) oder eine IMD-Schicht (IMD: Zwischenmetall-Dielektrikum). Eine solche ILD- oder IMD-Schicht weist zum Beispiel Siliziumoxid, USG, BPSG, ein Low-k-Dielektrikum (z. B. mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als 3,9) oder einen Stapel von Dielektrika auf, wie etwa ein Low-k-Dielektrikum und ein anderes Dielektrikum, und zwar (I) ein Low-k-Dielektrikum (z. B. Kohlenstoff-dotiertes Siliziumoxid) und Stickstoff-dotiertes Siliziumcarbid; (II) ein Low-k-Dielektrikum (z. B. Kohlenstoff-dotiertes Siliziumoxid) und Sauerstoff-dotiertes Siliziumcarbid; (III) ein Low-k-Dielektrikum (z. B. Kohlenstoff-dotiertes Siliziumoxid) mit Siliziumnitrid; oder (IV) ein Low-k-Dielektrikum (z. B. Kohlenstoff-dotiertes Siliziumoxid) mit Siliziumoxid.
Bei einigen weiteren Ausführungsformen können die Bauelementschicht 400 und/oder die Metallisierungsschichten 410 auf einem gesonderten Halbleitersubstrat (das z. B. von dem Halbleitersubstrat 202 verschieden ist) hergestellt werden und anschließend an der Vorderseite 202F des Halbleitersubstrats 202 befestigt werden.
Bei bestimmten Anwendungen der BSI-Bildsensorvorrichtung 200 können eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) und/oder ein Silizium-auf-Chip (SoC) 420 an der oberen Metallisierungsschicht 410D befestigt werden. Diese Struktur kann gelegentlich als ein dreidimensionaler Stapel (3D-Stapel) oder ein integrierter 3D-Schaltkreis bezeichnet werden. Hierbei können eine oder mehrere Bondstrukturen 422 zum elektrischen und mechanischen Bonden der ASIC/SoC 420 an die obere Metallisierungsschicht 410D verwendet werden. Die ASIC/SoC 420 kann der BSI-Bildsensorvorrichtung 200 eine Funktionalität verleihen oder kann Funktionen der BSI-Bildsensorvorrichtung 200 steuern. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die ASIC/SoC 420 Metallisierungsschichten, Halbleiter-Bauelemente oder Speicherbauelemente, oder sie kann ein Stapel von Chips sein, wie etwa von Speicherchips, CPU-Chips (CPU: Hauptprozessor), anderen funktionellen Chips (z. B. HF-Chips) oder Kombinationen davon.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Herstellung der BSI-Bildsensorvorrichtung 200 mit einem Herstellen von weiteren Strukturen in oder auf dem Halbleitersubstrat 202 von der Rückseite 202B weitergehen. Aus diesem Grund kann die teilweise hergestellte BSI-Bildsensorvorrichtung 200 um 180° um die x-Achse gedreht (gewendet) werden, wie in 6 gezeigt ist, die auch dem Schritt 108 von 1A entspricht.
Nach dem Wenden des Halbleitersubstrats 202 werden ein oder mehrere Isolationsbereiche 504 zu den Isolationsbereichen 304 ausgerichtet hergestellt, um die Pixel 204A bis 204C in dem Pixelbereich 203A weiter zu isolieren. Die Isolationsbereiche 504 können ein oder mehrere dielektrische Materialien aufweisen und zum Beispiel DTI-Strukturen (DTI: tiefe Grabenisolation) bilden. Die Isolationsbereiche 504 können dadurch hergestellt werden, dass das Halbleitersubstrat 202 geätzt wird, um jeweilige Gräben zwischen den Pixeln 204A bis 204C zu erzeugen. Die Gräben können anschließend mit einem oder mehreren dielektrischen Materialien gefüllt werden. Obwohl es in 5 nicht dargestellt ist, können nach dem Herstellen der Isolationsbereiche 504 eine oder mehrere dielektrische High-k-Schichten (mit einer Dielektrizitätskonstante von mehr als 3,9) optional über den Isolationsbereichen 504 hergestellt werden. Die dielektrischen High-k-Schichten können zum Beispiel jeweils ein Material aus der Gruppe Ta₂O₅, HfO₂ und Al₂O₃ und Kombinationen davon aufweisen. Diese dielektrischen High-k-Schichten können so konfiguriert sein, dass sie die Ladungen zerstreuen, die in der BSI-Bildsensorvorrichtung 200 gespeichert sind.
Bei einigen Ausführungsformen können die dielektrischen Schichten (die z. B. die dielektrischen Schichten, die die Isolationsbereiche 504 bilden, und die eine oder die mehreren optionalen dielektrischen High-k-Schichten umfassen) den Pixelbereich 203A und den Padbereich 203B des Halbleitersubstrats 202 überdecken. Vor dem Herstellen der Isolationsbereiche 504 auf der Rückseite 202B kann das Halbleitersubstrat 202 auf eine gewünschte Dicke T₁ gedünnt werden. Beispielhaft und nicht beschränkend kann die Dicke T₁ in Abhängigkeit von der Verwendung der BSI-Bildsensorvorrichtung 200 etwa 2 µm bis etwa 6 µm betragen. Das Dünnen des Halbleitersubstrats 202 kann mit einem Planarisierungsprozess (z. B. einem CMP-Prozess), einem Rückätzprozess (z. B. einem Trockenätzprozess), einem anderen Dünnungsprozess (z. B. Schleifen) oder einer Kombination davon erfolgen. Das Dünnen des Halbleitersubstrats 202 kann das Herstellen der Isolationsbereiche 504 und ein späteres Herstellen der einen oder mehreren Padstrukturen erleichtern.
Nach dem Herstellen der Isolationsbereiche 504 (und der optionalen dielektrischen High-k-Schichten) auf der Rückseite 202B kann eine Passivierungsschicht 506 über der Rückseite 202B abgeschieden werden, wie in 5 gezeigt ist. Die Passivierungsschicht 506 kann eine dielektrische Schicht sein, wie zum Beispiel Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder eine Kombination davon. Bei einigen Ausführungsformen ist die Passivierungsschicht 506 eine Schutzschicht oder eine Hartmaskenschicht (HM-Schicht), die auf dem Pixelbereich 203A und dem Padbereich 203B aufgewachsen oder abgeschieden wird.
Entsprechend dem Schritt 110 von 1A zeigt 6 eine Schnittansicht einer BSI-Bildsensorvorrichtung 200 mit einer Öffnung 600 auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen. Die Öffnung 600 wird in dem Padbereich 203B erzeugt, um einen Teil der dielektrischen Schicht 408 freizulegen. Wie gezeigt ist, kann sich die Öffnung 600 zumindest durch die Passivierungsschicht 506, die eine oder die mehreren dielektrischen Schichten der Isolationsbereiche 504, das Halbleitersubstrat 202, den Isolationsbereich 302 und die ESL 402 erstrecken. In dem Beispiel, in dem das gedünnte Halbleitersubstrat 202 eine Dicke T₁ von etwa 6 µm hat, kann die Öffnung 600 durch eine Tiefe T₂ gekennzeichnet sein, die wesentlich größer als 6 µm ist.
Die Öffnung 600 kann durch Durchführen mindestens einiger der folgenden Prozesse erzeugt werden: Herstellen einer strukturierbaren Schicht (z. B. einer Fotoresistschicht) 602 über der Passivierungsschicht 506; Strukturieren der strukturierbaren Schicht 602 in dem Pixelbereich 203A, um einen Teil der Passivierungsschicht 506 freizulegen, der zu dem Isolationsbereich 302 ausgerichtet ist; Ätzen (z. B. mit einem oder mehreren Trockenätzprozessen) der Passivierungsschicht 506, der einen oder mehreren dielektrischen Schichten der Isolationsbereiche 504, des Halbleitersubstrats 202, des Isolationsbereichs 302 und der ESL 402, um einen Teil der dielektrischen Schicht 408 freizulegen; und Entfernen der strukturierbaren Schicht 602. Insbesondere können für die Trockenätzprozesse ein oder mehrere unterschiedliche Ätzgase verwendet werden. Zum Beispiel kann das Material (z. B. Silizium) des Halbleitersubstrats 202 mit einem ersten Trockenätzprozess unter Verwendung eines Gasgemisches aus Chlor (Cl2) und HBr geätzt werden, der auf dem Isolationsbereich 302 endet. Bei einigen Ausführungsformen werden bei diesem ersten Trockenätzprozess etwa 200 Å bis 300 Å Material von dem Isolationsbereich 302 weggeätzt, bevor der Ätzprozess beendet wird. Anschließend wird mit einem zweiten Trockenätzprozess, z. B. unter Verwendung von Tetrafluormethan(CF₄)-Gas, der Isolationsbereich 302 entfernt, wobei der zweite Trockenätzprozess auf der ESL 402 endet. Dann wird mit einem dritten Trockenüberätzungsprozess, z. B. unter Verwendung von Octafluorcyclobutan(C₄F₈)-Gas, die ESL 402 entfernt, um die dielektrische Schicht 408 der Bauelementschicht 400 freizulegen, wie in 6 gezeigt ist. Mit anderen Worten, der eine oder die mehreren Ätzprozesse können beendet werden, wenn zumindest ein Teil der dielektrischen Schicht 408 der Bauelementschicht 400 in dem Padbereich 203B durch die Öffnung 600 freigelegt worden ist.
Entsprechend dem Schritt 112 von 1A zeigt 7 eine Schnittansicht einer BSI-Bildsensorvorrichtung 200 mit einer Puffer-Oxidschicht 700 auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen. Nach dem Entfernen der strukturierbaren Schicht 602 (6) kann die Puffer-Oxidschicht 700 konform so abgeschieden werden, dass sie die Öffnung 600 belegt (z. B. so, dass sie sich quer über eine Unterseite und Seitenwände der Öffnung 600 erstreckt) und die freigelegte Oberfläche der dielektrischen Schicht 408 und der Passivierungsschicht 506 überdeckt, wie in 7 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Puffer-Oxidschicht 700 ein Siliziumoxid-Dielektrikum, wie etwa PEOX, mit einer Dicke von etwa 100 nm bis etwa 700 nm. Bei einigen weiteren Ausführungsformen weist die Puffer-Oxidschicht 700 ein Material auf, das aus der Gruppe USG, PSG, BPSG, FSG, dielektrisches Low-k-Material und Kombinationen davon gewählt ist.
Entsprechend dem Schritt 114 von 1A zeigt 8 eine Schnittansicht einer BSI-Bildsensorvorrichtung 200 mit einer strukturierbaren Schicht (z. B. einer Fotoresistschicht) 800, die eine Struktur 802 in der Öffnung 600 aufweist, auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Struktur 802 zum Herstellen einer oder mehrerer Strukturen in der Öffnung 600 verwendet werden, was später näher erörtert wird. Die strukturierbare Schicht 800 kann wie folgt hergestellt werden: Abscheiden (z. B. durch Schleuderbeschichtung) einer Fotoresist-Schutzschicht über der Puffer-Oxidschicht 700; und Strukturieren der Fotoresist-Schutzschicht, um die Struktur (eine oder mehrere Öffnungen) 802 in der Öffnung 600 zu erzeugen, die einen oder mehrere Teile einer Oberfläche 700A der Puffer-Oxidschicht 700 freilegt. Zum Füllen der Öffnung 600, die durch eine relativ große Tiefe T₂ (z. B. von mehr als 6 µm) gekennzeichnet ist, muss bei einigen Ausführungsformen zumindest der Teil der Fotoresist-Schutzschicht in der Öffnung 600 mit einer Dicke hergestellt werden, die wesentlich größer als 6 µm ist und z. B. etwa 8 µm bis 10 µm beträgt. Daher kann die Struktur 802 durch eine Dicke T₃ gekennzeichnet sein, die etwa 8 µm bis 10 µm beträgt.
Entsprechend dem Schritt 116 von 1A zeigt 9 eine Schnittansicht einer BSI-Bildsensorvorrichtung 200 mit einer oder mehreren Aussparungen 900 auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen. Bei einigen Ausführungsformen werden die Aussparungen 900 dadurch erzeugt, dass ein oder mehrere Trockenätzprozesse (z. B. unter Verwendung von CF₄-Gas) durchgeführt werden, um obere Teile der Puffer-Oxidschicht 700 in der Öffnung 600 zu entfernen, wobei die strukturierbare Schicht 800 als eine Ätzmaske verwendet wird. Mit anderen Worten, die Puffer-Oxidschicht 700 wird partiell geätzt, um die Aussparungen 900 zu erzeugen, die zu der Struktur 802 ausgerichtet werden. Da in der Öffnung 600 nur die oberen Teile der Puffer-Oxidschicht 700, die durch die Struktur 802 freigelegt worden sind, entfernt werden, kann die Oberfläche 700A in der Öffnung 600 als eine nicht-koplanare Oberfläche charakterisiert werden.
Entsprechend dem Schritt 118 von 1A zeigt 10 eine Schnittansicht einer BSI-Bildsensorvorrichtung 200, bei der die strukturierbare Schicht 800 auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen entfernt wird. Da bei einigen Ausführungsformen die strukturierbare Schicht 800 durch eine relativ große Dicke gekennzeichnet ist, kann die strukturierbare Schicht 800 dadurch entfernt werden, dass ein Ablösungsprozess 1000 unter Verwendung eines Sauerstoff-basierten Plasmas durchgeführt werden, wobei das Sauerstoff-Plasma unter Verwendung einer Sauerstoffquelle in einem Plasmasystem erzeugt wird. Es versteht sich, dass auch verschiedene andere Ablösungsprozesse (z. B. unter Verwendung anderer Gasquellen) verwendet werden können, was innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Entfernen der strukturierbaren Schicht 800 (Schritt 118) in situ mit dem Erzeugen der einen oder mehreren Aussparungen 900 (Schritt 116) erfolgen. Daher kann die BSI-Bildsensorvorrichtung 200 für die Schritte 116 und 118 in der gleichen Kammer platziert werden. Bei einigen weiteren Ausführungsformen kann das Entfernen der strukturierbaren Schicht 800 (Schritt 118) ex situ mit dem Erzeugen der einen oder mehreren Aussparungen 900 (Schritt 116) erfolgen. Daher kann die BSI-Bildsensorvorrichtung 200 für die Schritte 116 und 118 in jeweils unterschiedlichen Kammern platziert werden.
Bei den bestehenden Technologien ist die Metallisierungsschicht, die mit später herzustellenden Padstrukturen verbunden werden soll, normalerweise vor dem Entfernen einer entsprechenden strukturierbaren Schicht freigelegt worden. Daher kann während des Entfernens der strukturierbaren Schicht (z. B. unter Verwendung eines Sauerstoff-basierten Plasma-Ablösungsprozesses) eine Sperrschicht (z. B. eine TaN-Schicht), die die Metallisierungsschicht umschließt, so mit dem Sauerstoff reagieren, dass die Sperrschicht oxidiert wird, wodurch Luftblasen über einer Oberfläche der Sperrschicht entstehen. Diese Luftblasen werden mit Ätzgasen (z. B. Fluorid-basierten Gasen), die in späteren Prozessen verwendet werden, zur Reaktion gebracht, wobei die Ätzgase nachteilig die Sperrschicht durchdringen können, sodass die Metallisierungsschicht in einigen der nachfolgenden Prozesse freigelegt wird. Dadurch kann die darunter befindliche Metallisierungsschicht beschädigt werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Elektromigration in einer solchen beschädigten Metallisierungsschicht und/oder in entsprechenden Verbindungsgrenzflächen signifikant steigt. Im Gegensatz dazu werden trotz des Entfernens der strukturierbaren Schicht 800 unter Verwendung des Sauerstoff-Plasmas die Metallisierungsschichten 410 (z. B. insbesondere die Leitung 412 in der Metallisierungsschicht 410A, die mit später herzustellenden Padstrukturen verbunden werden soll) nicht freigelegt. Vielmehr werden die Metallisierungsschichten 410 zumindest durch die Puffer-Oxidschicht 700 gegen das Sauerstoff-Plasma geschützt. Daher kann mit dem hier offenbarten Herstellungsverfahren (z. B. 100) die relativ dicke strukturierbare Schicht, die zum Herstellen von Padstrukturen verwendet wird, gründlich entfernt werden, während die darunter befindliche Metallisierungsschicht intakt bleibt.
Entsprechend dem Schritt 120 von 1B zeigt 11 eine Schnittansicht einer BSI-Bildsensorvorrichtung 200, in der die Aussparungen 900 auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen weiter vergrößert werden. Bei einigen Ausführungsformen können auf Grund der partiell geätzten Aussparungen 900 (10) ein oder mehrere Trockenätzprozesse an der Puffer-Oxidschicht 700, der ESL 402 und der dielektrischen Schicht 408 durchgeführt werden, um die Aussparungen 900 zu vergrößern, um jeweilige Teile der Leitung 412 der Metallisierungsschicht 410A freizulegen. Zum Beispiel werden mit einem ersten Trockenätzprozess, z. B. unter Verwendung von CF₄-Gas, die Teile der Puffer-Oxidschicht 700 direkt unter den Aussparungen 900 entfernt, wobei der erste Trockenätzprozess auf der ESL 402 endet. Dann wird mit einem zweiten Trockenüberätzungsprozess, z. B. unter Verwendung von C₄F₈-Gas, die ESL 402 entfernt, um die dielektrische Schicht 408 der Bauelementschicht 400 freizulegen. Mit einem dritten Trockenätzprozess, z. B. unter Verwendung von CF₄-Gas, werden die Teile der dielektrischen Schicht 408 entfernt, die von den Aussparungen 900 freigelegt worden sind, und der dritte Trockenätzprozess endet auf der Leitung 412.
Entsprechend dem Schritt 122 von 1BA zeigt 12 eine Schnittansicht einer BSI-Bildsensorvorrichtung 200 mit einer oder mehreren Padstrukturen 1200 auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Metallschicht in der Öffnung 600 abgeschieden werden und anschließend strukturiert werden, um die Padstruktur 1200 herzustellen. Das Strukturieren der Metallschicht kann zum Beispiel mit einem oder mehreren lithografischen Prozessen erfolgen, an die sich ein oder mehrere Ätzprozesse anschließen. Bei einigen Ausführungsformen weist die Padstruktur 1200 eine Metalllegierung, zum Beispiel Aluminium-Kupfer (AlCu), auf. Dies ist jedoch nicht beschränkend, und es können auch andere geeignete Metalle oder Metalllegierungen zum Herstellen der Padstruktur 1200 verwendet werden.
Entsprechend dem Schritt 124 von 1B zeigt 13 eine Schnittansicht einer BSI-Bildsensorvorrichtung 200 mit einer dielektrischen Schicht 1300 auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen. Bei einigen Ausführungsformen wird die dielektrische Schicht 1300 (z. B. eine USG-Schicht oder ein anderes Oxid) auf der Padstruktur 1200 abgeschieden. Eine Oberseite der dielektrischen Schicht 1300 kann mit einem CMP-Prozess einwärts gekrümmt („dished“) werden, bei dem abgeschiedene Mengen der dielektrischen Schicht 1300 auf der Puffer-Oxidschicht 700 poliert und entfernt werden.
Entsprechend dem Schritt 126 von 1B zeigt 14 eine Schnittansicht einer BSI-Bildsensorvorrichtung 200 mit einer Öffnung 1400, die sich durch die dielektrische Schicht 1300 erstreckt, auf einer der verschiedenen Herstellungsstufen. Bei einigen Ausführungsformen wird die dielektrische Schicht 1300 so strukturiert, dass die Öffnung 1400 so erzeugt wird, dass ein Teil der Padstruktur 1200 freigelegt wird. Beispielhaft und nicht beschränkend können ein Leitungsverbinder, eine Lötkugel und/oder ein Bondkontakthügel, die in 14 nicht dargestellt sind, in der Öffnung 1400 hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen verbindet eine solche Verbinderstruktur die Leitung 412 der Metallisierungsschicht 410A über die Padstruktur 1200 elektrisch mit einer oder mehreren externen Komponenten.
In 15 ist eine Draufsicht der BSI-Bildsensorvorrichtung 200, von der Rückseite 202B des Halbleitersubstrats 202 betrachtet, gezeigt. Die 2 bis 14 entsprechen den Schnittansichten der BSI-Bildsensorvorrichtung 200 entlang der Linie A - A'. Wie gezeigt ist, kann die BSI-Bildsensorvorrichtung 200 andere Pixel und Padstrukturen aufweisen, die im Wesentlichen den Pixeln 204A bis 204C bzw. der Padstruktur 1200 ähnlich sind. Bei verschiedenen Ausführungsformen können diese Pixel eine Pixelmatrix 1502 bilden, die von einer oder mehreren Padmatrizen 1504 seitlich umschlossen wird, die jeweils eine oder mehrere der Padstrukturen 1200 aufweisen.
Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Bildsensorvorrichtung offenbart. Das Verfahren umfasst ein Herstellen einer dielektrischen Schicht über einer ersten Oberfläche einer Halbleiterschicht. Die dielektrische Schicht weist eine leitfähige Struktur auf. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Erzeugen einer Öffnung, die sich von einer zweiten Oberfläche der Halbleiterschicht bis zu der ersten Oberfläche erstreckt, um einen Teil der dielektrischen Schicht freizulegen. Die zweite Oberfläche der Halbleiterschicht liegt der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht gegenüber. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Herstellen einer Puffer-Oxidschicht, die die Öffnung belegt, wobei ein Teil einer ersten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht den freigelegten Teil der dielektrischen Schicht kontaktiert. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Erzeugen, entsprechend einer strukturierbaren Schicht, einer oder mehrerer Aussparungen in der Puffer-Oxidschicht, die sich teilweise von einer zweiten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht erstrecken. Die zweite Oberfläche der Puffer-Oxidschicht liegt der ersten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht gegenüber. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Entfernen der strukturierbaren Schicht. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Vergrößern der einen oder mehreren Aussparungen durch die Puffer-Oxidschicht und einen Teil der dielektrischen Schicht, um jeweilige Teile der leitfähigen Struktur freizulegen. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Füllen der einen oder mehreren Aussparungen mit einem leitfähigen Material, um eine oder mehrere Padstrukturen herzustellen, die so konfiguriert sind, dass sie eine elektrische Verbindung mit der leitfähigen Struktur herstellen.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Bildsensorvorrichtung offenbart. Das Verfahren umfasst ein Herstellen einer Mehrzahl von Strahlungssensorbereichen über einer ersten Oberfläche einer Halbleiterschicht. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Herstellen, über der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht, eines Opfer-Isolationsbereichs, der die Mehrzahl von Strahlungssensorbereichen umschließt. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Herstellen einer dielektrischen Schicht über der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht, wobei die dielektrische Schicht eine leitfähige Struktur aufweist. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Ätzen einer zweiten Oberfläche der Halbleiterschicht, um eine Öffnung zu erzeugen, die eine Unterseite des Isolationsbereichs freilegt, wobei die zweite Oberfläche der Halbleiterschicht der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht gegenüberliegt. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Entfernen zumindest eines Teils des Isolationsbereichs, um die dielektrische Schicht freizulegen; und ein Herstellen einer Puffer-Oxidschicht so, dass sie die Öffnung belegt. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Herstellen einer strukturierbaren Schicht mit einer Struktur in der Öffnung. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Erzeugen, entsprechend der Struktur der strukturierbaren Schicht, einer oder mehrerer Aussparungen in der Puffer-Oxidschicht, die sich teilweise von einer zweiten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht erstrecken, wobei die zweite Oberfläche der Puffer-Oxidschicht einer ersten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht gegenüberliegt, die die dielektrische Schicht kontaktiert; und ein Entfernen der strukturierbaren Schicht. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Ätzen, auf Grund der einen oder mehreren Aussparungen, der Puffer-Oxidschicht und eines Teils der dielektrischen Schicht, um jeweilige Teile der leitfähigen Struktur freizulegen. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Füllen der einen oder mehreren Aussparungen mit einem leitfähigen Material, um eine oder mehrere Padstrukturen herzustellen, die so konfiguriert sind, dass sie eine elektrische Verbindung mit der leitfähigen Struktur herstellen.
Bei einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Bildsensorvorrichtung offenbart. Das Verfahren umfasst ein Herstellen einer Mehrzahl von Pixeln über einer ersten Oberfläche einer Halbleiterschicht, die so konfiguriert sind, dass sie nahe Infrarotstrahlung von einer zweiten Oberfläche der Halbleiterschicht absorbieren, wobei die zweite Oberfläche der Halbleiterschicht der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht gegenüberliegt. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Herstellen einer dielektrischen Schicht über der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht, wobei die dielektrische Schicht eine leitfähige Struktur aufweist. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Ätzen der zweiten Oberfläche der Halbleiterschicht, um eine Öffnung zu erzeugen, wobei die Öffnung zu der Mehrzahl von Pixeln benachbart ist. Das Verfahren umfasst weiterhin Folgendes: Belegen der Öffnung mit einer Puffer-Oxidschicht; Herstellen einer strukturierbaren Schicht mit einer Struktur in der Öffnung; und Erzeugen, entsprechend der Struktur der strukturierbaren Schicht, einer oder mehrerer Aussparungen in der Puffer-Oxidschicht, die sich teilweise von einer zweiten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht erstrecken, wobei die zweite Oberfläche der Puffer-Oxidschicht einer ersten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht gegenüberliegt, die die dielektrische Schicht direkt kontaktiert. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Ablösen der strukturierbaren Schicht unter Verwendung eines Sauerstoff-basierten Plasmas, wobei die leitfähige Struktur zumindest von der Puffer-Oxidschicht bedeckt bleibt; und ein Ätzen, auf Grund der einen oder mehreren Aussparungen, der Puffer-Oxidschicht und eines Teils der dielektrischen Schicht, um jeweilige Teile der leitfähigen Struktur freizulegen. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Füllen der einen oder mehreren Aussparungen mit einem leitfähigen Material, um eine oder mehrere Padstrukturen herzustellen, die so konfiguriert sind, dass sie eine elektrische Verbindung mit der leitfähigen Struktur herstellen.
Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren mit den folgenden Schritten: Herstellen einer dielektrischen Schicht über einer ersten Oberfläche einer Halbleiterschicht, wobei die dielektrische Schicht eine leitfähige Struktur aufweist; Erzeugen einer Öffnung, die sich von einer zweiten Oberfläche der Halbleiterschicht bis zu der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht erstreckt, um einen Teil der dielektrischen Schicht freizulegen, wobei die zweite Oberfläche der Halbleiterschicht der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht entgegengesetzt ist; Herstellen einer Puffer-Oxidschicht so, dass sie die Öffnung belegt, wobei ein Teil einer ersten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht den freigelegten Teil der dielektrischen Schicht kontaktiert; Erzeugen, gemäß einer strukturierbaren Schicht, einer oder mehrerer Aussparungen in der Puffer-Oxidschicht, die sich teilweise von einer zweiten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht erstrecken, wobei die zweite Oberfläche der Puffer-Oxidschicht der ersten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht entgegengesetzt ist; Entfernen der strukturierbaren Schicht; Vergrößern der einen oder mehreren Aussparungen durch die Puffer-Oxidschicht und einen Teil der dielektrischen Schicht, um jeweilige Teile der leitfähigen Struktur freizulegen; und Füllen der einen oder mehreren Aussparungen mit einem leitfähigen Material, um eine oder mehrere Padstrukturen herzustellen, die so konfiguriert sind, dass sie eine elektrische Verbindung mit der leitfähigen Struktur herstellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil der strukturierbaren Schicht eine Dicke von mindestens etwa 8 µm hat.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Halbleiterschicht eine Dicke von etwa 3 µm bis 6 µm hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Puffer-Oxidschicht ein Material aufweist, das aus der Gruppe Siliziumoxid, undotiertes Silicatglas (USG), Phosphorsilicatglas (PSG), Borphosphorsilicatglas (BPSG), Fluorsilicatglas (FSG) und Kombinationen davon gewählt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Puffer-Oxidschicht Polyethyloxazolin (PEOX) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Entfernen der strukturierbaren Schicht weiterhin ein Veraschen der strukturierbaren Schicht unter Verwendung eines Sauerstoff-basierten Plasmas umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Entfernen der strukturierbaren Schicht in situ oder ex situ mit dem Erzeugen der einen oder mehreren Aussparungen in der Puffer-Oxidschicht durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vergrößern der einen oder mehreren Aussparungen durch die Puffer-Oxidschicht und einen Teil der dielektrischen Schicht weiterhin ein Ätzen der Puffer-Oxidschicht und der ersten dielektrischen Schicht unter Verwendung eines Fluorid-basierten Ätzgases umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitfähige Struktur eine seitliche Kupfer-Verbindungsstruktur und eine nitridbasierte leitfähige Schicht umfasst, die die seitliche Kupfer-Verbindungsstruktur umschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin ein Herstellen eines oder mehrerer Strahlungssensorbereiche in der Halbleiterschicht umfasst, wobei der eine oder die mehreren Strahlungssensorbereiche von der einen oder den mehreren Padstrukturen umschlossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin Folgendes umfasst: Herstellen einer oder mehrerer Halbleitervorrichtungen über der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht; Abscheiden einer Nitridschicht auf der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht, wobei die Nitridschicht die eine oder die mehreren Halbleitervorrichtungen umschließt; Abscheiden der dielektrischen Schicht; und Herstellen einer oder mehrerer vertikaler leitfähiger Strukturen in der dielektrischen Schicht, um die eine oder die mehreren Halbleitervorrichtungen mit der leitfähigen Struktur elektrisch zu verbinden.
Verfahren mit den folgenden Schritten: Herstellen einer Mehrzahl von Strahlungssensorbereichen über einer ersten Oberfläche einer Halbleiterschicht; Herstellen, über der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht, eines Opfer-Isolationsbereichs so, dass er die Mehrzahl von Strahlungssensorbereichen umschließt; Herstellen einer dielektrischen Schicht über der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht, wobei die dielektrische Schicht eine leitfähige Struktur aufweist; Ätzen einer zweiten Oberfläche der Halbleiterschicht, um eine Öffnung zu erzeugen, die eine Unterseite des Isolationsbereichs freilegt, wobei die zweite Oberfläche der Halbleiterschicht der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht entgegengesetzt ist; Entfernen zumindest eines Teils des Isolationsbereichs, um die dielektrische Schicht freizulegen; Herstellen einer Puffer-Oxidschicht so, dass sie die Öffnung belegt; Herstellen einer strukturierbaren Schicht mit einer Struktur in der Öffnung; Erzeugen, entsprechend der Struktur der strukturierbaren Schicht, einer oder mehrerer Aussparungen in der Puffer-Oxidschicht, die sich teilweise von einer zweiten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht erstrecken, wobei die zweite Oberfläche der Puffer-Oxidschicht einer ersten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht, die die dielektrische Schicht kontaktiert; entgegengesetzt ist; Entfernen der strukturierbaren Schicht; Ätzen, auf Grund der einen oder mehreren Aussparungen, der Puffer-Oxidschicht und eines Teils der dielektrischen Schicht, um jeweilige Teile der leitfähigen Struktur freizulegen; und Füllen der einen oder mehreren Aussparungen mit einem leitfähigen Material, um eine oder mehrere Padstrukturen herzustellen, die so eingerichtet sind, dass sie eine elektrische Verbindung mit der leitfähigen Struktur herstellen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Entfernen der strukturierbaren Schicht in situ oder ex situ mit dem Erzeugen der einen oder mehreren Aussparungen in der Puffer-Oxidschicht durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Entfernen der strukturierbaren Schicht weiterhin ein Veraschen der strukturierbaren Schicht unter Verwendung eines Sauerstoff-basierten Plasmas umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die leitfähige Struktur eine seitliche Kupfer-Verbindungsstruktur und eine nitridbasierte leitfähige Schicht umfasst, die die seitliche Kupfer-Verbindungsstruktur umschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, das weiterhin Folgendes umfasst: Herstellen einer oder mehrerer Halbleitervorrichtungen über der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht; Abscheiden einer Nitridschicht auf der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht, wobei die Nitridschicht die eine oder die mehreren Halbleitervorrichtungen umschließt; Abscheiden der dielektrischen Schicht; und Herstellen einer oder mehrerer vertikaler leitfähiger Strukturen in der dielektrischen Schicht, um die eine oder die mehreren Halbleitervorrichtungen elektrisch mit der leitfähigen Struktur zu verbinden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Struktur der strukturierbaren Schicht eine Dicke von mindestens etwa 8 µm hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei die Halbleiterschicht eine Dicke von etwa 3 µm bis 6 µm hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei jeder der Mehrzahl von Strahlungssensorbereichen so eingerichtet ist, dass er nahe Infrarotstrahlung von der zweiten Oberfläche der Halbleiterschicht absorbiert.
Verfahren mit den folgenden Schritten: Herstellen, über einer ersten Oberfläche einer Halbleiterschicht, einer Mehrzahl von Pixeln, die so eingerichtet sind, dass sie nahe Infrarotstrahlung von einer zweiten Oberfläche der Halbleiterschicht absorbieren, wobei die zweite Oberfläche der Halbleiterschicht der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht entgegengesetzt ist; Herstellen einer dielektrischen Schicht über der ersten Oberfläche der Halbleiterschicht, wobei die dielektrische Schicht eine leitfähige Struktur aufweist; Ätzen der zweiten Oberfläche der Halbleiterschicht, um eine Öffnung zu erzeugen, wobei die Öffnung zu der Mehrzahl von Pixeln benachbart ist; Belegen der Öffnung mit einer Puffer-Oxidschicht; Herstellen einer strukturierbaren Schicht mit einer Struktur in der Öffnung; Erzeugen, entsprechend der Struktur der strukturierbaren Schicht, einer oder mehrerer Aussparungen in der Puffer-Oxidschicht, die sich teilweise von einer zweiten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht erstrecken, wobei die zweite Oberfläche der Puffer-Oxidschicht einer ersten Oberfläche der Puffer-Oxidschicht, die die dielektrische Schicht direkt kontaktiert, entgegengesetzt ist; Veraschen der strukturierbaren Schicht unter Verwendung eines Sauerstoff-basierten Plasmas, wobei die leitfähige Struktur zumindest von der Puffer-Oxidschicht bedeckt bleibt; und Ätzen, auf Grund der einen oder mehreren Aussparungen, der Puffer-Oxidschicht und eines Teils der dielektrischen Schicht, um jeweilige Teile der leitfähigen Struktur freizulegen; und Füllen der einen oder mehreren Aussparungen mit einem leitfähigen Material, um eine oder mehrere Padstrukturen herzustellen, die so eingerichtet sind, dass sie eine elektrische Verbindung mit der leitfähigen Struktur herstellen.