DE102020111491A1 - Photodetektor mit einer vergrabenen gateelektrode für einentransfertransistor und herstellungsverfahren - Google Patents

Photodetektor mit einer vergrabenen gateelektrode für einentransfertransistor und herstellungsverfahren Download PDF

Info

Publication number
DE102020111491A1
DE102020111491A1 DE102020111491.5A DE102020111491A DE102020111491A1 DE 102020111491 A1 DE102020111491 A1 DE 102020111491A1 DE 102020111491 A DE102020111491 A DE 102020111491A DE 102020111491 A1 DE102020111491 A1 DE 102020111491A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
gate electrode
layer
semiconductor layer
transfer gate
conductivity type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020111491.5A
Other languages
English (en)
Inventor
Feng-Chien Hsieh
Yun-Wei Cheng
Wei-Li Hu
Kuo-Cheng Lee
Hsin-Chi Chen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Original Assignee
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd filed Critical Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Publication of DE102020111491A1 publication Critical patent/DE102020111491A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/1461—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements characterised by the photosensitive area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/14612—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor
    • H01L27/14614—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor having a special gate structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
    • H01L31/103—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier being of the PN homojunction type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/14612—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14629—Reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1464—Back illuminated imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14685—Process for coatings or optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14689—MOS based technologies

Abstract

Eine Halbleiterstruktur enthält einen Photodetektor mit einer Substrathalbleiterschicht mit einer Dotierung eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die einen pn-Übergang mit der Substrathalbleiterschicht bildet, einem Floating-Diffusionsbereich, der seitlich von der Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps beabstandet ist, und einer Transfergateelektrode mit einem unteren Transfergateelektrodenabschnitt, der in der Substrathalbleiterschicht ausgebildet ist und zwischen der Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Floating-Diffusionsbereich ausgebildet ist. Die Transfergateelektrode kann den pn-Übergang seitlich umgeben und kann einen verbesserten Elektronen-übertragungswirkungsgrad vom pn-Übergang zum Floating-Diffusionsbereich bieten. Ein Array von Photodetektoren kann verwendet werden, um einen Bildsensor bereitzustellen.

Description

  • HINTERGRUND
  • Halbleiter-Bildsensoren werden verwendet, um elektromagnetische Strahlung wie Licht im sichtbaren Bereich, Infrarotstrahlung und/oder ultraviolettes Licht zu erfassen. Komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter- (CMOS)-Bildsensoren (CIS) und Sensoren mit ladungsgekoppelten Vorrichtungen (CCD) werden in verschiedenen Anwendungen wie Digitalkameras oder eingebauten Kameras in Mobilgeräten verwendet. Diese Vorrichtungen verwenden ein Array von Pixeln (die Photodioden und Transistoren enthalten können), um Strahlung unter Verwendung von durch Licht erzeugte Elektronen-Loch-Paaren zu erfassen.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung lassen sich am besten anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zugunsten einer klaren Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1A ist eine Draufsicht einer ersten Konfiguration eines Arrays von Pixeln eines Bildsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 1B ist eine Draufsicht einer zweiten Konfiguration eines Arrays von Pixeln eines Bildsensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 2A ist eine vertikale Querschnittsansicht einer ersten beispielhaften Struktur zum Ausbilden eines Teilpixels in einem Verarbeitungsschritt nach dem Ausbilden eines Grabens in eine Substrathalbleiterschicht gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 2B ist eine Draufsicht der ersten beispielhaften Struktur von 2A. Die verkoppelte vertikale Ebene A-A'-A'' ist die Ebene der vertikalen Querschnittsansicht von 2A, die die vertikalen Kanten A, A' und A'' von 2A verbindet.
    • 3A ist eine vertikale Querschnittsansicht der ersten beispielhaften Struktur für einen Verarbeitungsschritt nach einem Ausbilden von Gatedielektrika und Gateelektroden gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 3B ist eine Draufsicht der ersten beispielhaften Struktur von 3A. Die verkoppelte vertikale Ebene A-A'-A'' ist die Ebene der vertikalen Querschnittsansicht von 3A, die die vertikalen Kanten A, A' und A'' von 2A verbindet.
    • 4A ist eine vertikale Querschnittsansicht der ersten beispielhaften Struktur für einen Verarbeitungsschritt nach einem Ausbilden von Feldeffekttransistoren gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 4B ist eine Draufsicht der ersten beispielhaften Struktur von 4A. Die verkoppelte vertikale Ebene A-A'-A'' ist die Ebene der vertikalen Querschnittsansicht von 4A, die die vertikalen Kanten A, A' und A'' von 4A verbindet.
    • 4C ist eine vertikale Querschnittsansicht der ersten beispielhaften Struktur der 4A und 4B entlang der vertikalen Ebene C-C' von 4B.
    • 5 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer zweiten beispielhaften Struktur bei den Verarbeitungsschritten der 4A bis 4C gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 6A ist eine Draufsicht einer ersten Konfiguration einer dritten beispielhaften Struktur nach dem Ausbilden von Feldeffekttransistoren gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 6B ist eine Draufsicht einer zweiten Konfiguration der dritten beispielhaften Struktur nach dem Ausbilden von Feldeffekttransistoren gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 7A ist eine Draufsicht einer ersten Konfiguration einer vierten beispielhaften Struktur nach dem Ausbilden von Feldeffekttransistoren gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 7B ist eine Draufsicht einer zweiten Konfiguration der vierten beispielhaften Struktur nach dem Ausbilden von Feldeffekttransistoren gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 8A ist eine vertikale Querschnittsansicht einer ersten Konfiguration einer fünften beispielhaften Struktur nach dem Ausbilden von Feldeffekttransistoren gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 8B ist eine vertikale Querschnittsansicht einer zweiten Konfiguration der fünften beispielhaften Struktur nach dem Ausbilden von Feldeffekttransistoren gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 9 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer sechsten beispielhaften Struktur nach dem Ausbilden von Feldeffekttransistoren gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 10 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer siebten beispielhaften Struktur nach dem Ausbilden von Feldeffekttransistoren gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 11 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer beispielhaften Struktur nach einem Ausbilden von Metall-Interconnectstrukturen, die in dielektrischen Schichten auf Interconnect-Ebene ausgebildet werden, und einem Befestigen eines Trägersubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 12 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach einem Ausdünnen eines Halbleitersubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 13 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach einem Ausbilden von Tiefgrabenisolationsstrukturen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 14 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach einem Ausbilden einer Antireflexionsbeschichtungs- (ARC)-Schicht, einer optischen Brechungsschicht, einer dielektrischen Gittermaterialschicht, einer metallischen Reflexionsmaterialschicht und einer strukturierten Photoresistschicht gemäß einer Ausführungsform von die vorliegende Offenbarung.
    • 15A ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach einem Ausbilden einer Verbund-Gitterstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 15B ist eine Draufsicht der beispielhaften Struktur von 15A. Die verkoppelte vertikale Ebene A-A' entspricht der Ebene der vertikalen Querschnittsansicht von 15A.
    • 16 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach einem Ausbilden einer optisch transparenten Schicht, von Farbfiltern und Linsen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 17 ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur nach einem Entfernen des Trägersubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 18 ist ein schematisches Schaltbild einer Photodetektorschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 19 ist ein Prozessablaufdiagramm, das eine beispielhafte Prozesssequenz zum Ausbilden einer Halbleiterstruktur mit einem Photodetektor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • 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 Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, in denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt ausgebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, in denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten Merkmal und dem zweiten Merkmal ausgebildet sein können, so dass das erste und das zweite Merkmal 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 Zeichnungen gezeigt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung, die verwendet oder betrieben wird, zusätzlich zu der in den Zeichnungen gezeigten Ausrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Ausrichtung) ausgerichtet sein und die räumlich relativen Begriffe, die hier verwendet werden, können auch dahingehend interpretiert werden.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft Halbleitervorrichtungen und insbesondere einen Photodetektor mit einer vergrabenen Gateelektrode für einen Transfertransistor und deren Herstellungsverfahren.
  • Im Allgemeinen können die Strukturen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um einen Photodetektor bereitzustellen, der einen Transfertransistor enthält, der eine Transfergateelektrode enthält, die in einer Substrathalbleiterschicht ausgebildet ist. Als solches erstreckt sich die Transfergateelektrode von einer oberen Fläche der Substrathalbleiterschicht in die Substrathalbleiterschicht hinein und fungiert als vergrabene Transfergateelektrode. Die Transfergateelektrode kann in einem Graben ausgebildet sein, der in der Substrathalbleiterschicht ausgebildet ist. Die Transfergateelektrode kann einen pn-Übergang des Photodetektors seitlich umgeben. Als solches kann der Licht-Generierungsbereich des Photodetektors seitlich von der Transfergateelektrode umgeben und von dieser elektrisch isoliert sein. Ferner kann der Elektronentransferwirkungsgrad des Photodetektors durch die vergrabene Transfergateelektrode verbessert werden. Die vergrabene Transfergateelektrode von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann Herausforderungen bei der elektrischen Isolation von Photodetektoren überwinden, die eine Implantation elektrischer Dotierstoffe verwenden. Die verschiedenen Merkmale und Aspekte von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nun detailliert unter Bezugnahme auf Zeichnungen der vorliegenden Anmeldung beschrieben.
  • Bezugnehmend auf die 1A und 1B sind eine erste Konfiguration eines Arrays 1000 von Pixeln 900 eines Bildsensors und eine zweite Konfiguration eines Arrays 1000 von Pixeln 900 eines Bildsensors jeweils in einer Draufsicht gezeigt. Der Bildsensor kann eine rückseitig beleuchtete (BSI-) Bildsensorvorrichtung sein. Es sollte jedoch klar sein, dass Ausführungsformen der Offenbarung in einem vorderseitig beleuchteten (FSI-) Bildsensor verwendet werden können.
  • Jedes Pixel 900 stellt einen kleinsten Einheitsbereich zum Zwecke der Erzeugung eines Bildes des Bildsensors dar. Der Bereich, der das Array 1000 von Pixeln 900 enthält, wird hier als Pixelarraybereich bezeichnet. Die Pixel 900 in dem Pixelarraybereich können in Zeilen und Spalten angeordnet sein. Beispielsweise kann der Pixelarraybereich M Zeilen und N Spalten enthalten, wobei M und N ganze Zahlen in einem Bereich von 1 bis 216 sind, etwa von 28 bis 214. Die Zeilen von Pixeln 900 können fortlaufend mit ganzen Zahlen nummeriert sein, die von 1 bis M reichen, und die Spalten von Pixeln 900 können fortlaufend mit ganzen Zahlen nummeriert sein, die von 1 bis N reichen. Ein Pixel Pij bezeichnet ein Pixel 900 in der i-ten Zeile und der j-ten Spalte.
  • Jedes Pixel 900 enthält mindestens einen Photodetektor, der zum Erfassen von Strahlung eines gegebenen Wellenlängenbereichs konfiguriert ist. Jedes Pixel 900 kann mehrere Photodetektoren enthalten, die zum Erfassen von Strahlung eines jeweiligen Wellenlängenbereichs konfiguriert sind, der für jeden der mehreren Photodetektoren unterschiedlich sein kann. In einer Ausführungsform kann jedes Pixel 900 mehrere Teilpixel enthalten, von denen jedes eine jeweilige Kombination eines Photodetektors und einer elektronischen Schaltung enthält, die zum Erfassen von auf den Photodetektor auftreffende Strahlung konfiguriert sind. Beispielsweise kann ein Pixel 900 ein Teilpixel, das zum Erfassen von Strahlung in einem roten Wellenlängenbereich (etwa einem Bereich von 635 nm bis 700 nm) konfiguriert ist, ein Teilpixel, das zum Erfassen von Strahlung in einem grünen Wellenlängenbereich (etwa einem Bereich von 520 nm bis 560 nm) konfiguriert ist, und ein Teilpixel enthalten, das zum Erfassen von Strahlung in einem blauen Wellenlängenbereich (etwa einem Bereich von 450 nm bis 490 nm) konfiguriert ist. Solche Teilpixel werden als rotes Teilpixel, grünes Teilpixel bzw. blaues Teilpixel bezeichnet.
  • Im Allgemeinen erzeugt ein Pixel 900 Informationen für einen Einheitserfassungsbereich, die einem Auftreffen von Strahlung zugeordnet sind. Ein Teilpixel kann Informationen bezüglich der Intensität der auftreffenden Strahlung innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs erzeugen, wie er in einem Bereich des Einheitserfassungsbereichs erfasst wird. Ein monochromatisches Pixel 900 kann nur ein einzelnes Teilpixel enthalten. Ein Pixel 900, das zum Erfassen der spektralen Verteilung der auftreffenden Strahlung konfiguriert ist, enthält mehrere Teilpixeln mit mindestens zwei verschiedenen Erfassungswellenlängenbereichen. Photodetektoren in einem Pixelarraybereich können Photodioden, komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter- (CMOS)-Bildsensoren, Sensoren mit ladungsgekoppelten Elementen (CCD-Sensoren), aktive Sensoren, passive Sensoren, andere verwendbare Sensoren oder eine Kombination davon enthalten.
  • Bezugnehmend auf die 2A und 2B ist ein Bereich zum Ausbilden eines Teilpixels in einer ersten beispielhaften Struktur 495 gezeigt. Der in den 2A und 2B gezeigte Bereich entspricht einem Bereich eines einzelnen Teilpixels innerhalb eines Pixels (900 in den 1A und 1B) in einem Pixelarraybereich. Die erste beispielhafte Struktur enthält ein Halbleitersubstrat 500, das eine Substrathalbleiterschicht 601 und verschiedene darin ausgebildete vorderseitige Vorrichtungskomponenten enthält.
  • Jedes Teilpixel kann auf oder in der Substrathalbleiterschicht 601 ausgebildet sein, die eine Vorderseite 609 und eine Rückseite 610 aufweist. Die Substrathalbleiterschicht 601 enthält ein Halbleitermaterial wie Silizium, Germanium, eine Silizium-Germanium-Legierung, ein Verbindungshalbleitermaterial oder ein anderes Halbleitermaterial mit einer Bandlücke, die die Energie der zu erfassenden Photonen nicht überschreitet. Das Material in der Substrathalbleiterschicht 601 kann auf Grundlage des Energiebereichs der Photonen ausgewählt werden, die von dem Teilpixel erfasst werden sollen. In einer Ausführungsform kann die Substrathalbleiterschicht 601 einkristallines Silizium enthalten. Für das Halbleitersubstrat 500 kann ein kommerziell erhältliches einkristallines Halbleitersubstrat verwendet werden. Das in diesem Verarbeitungsschritt bereitgestellte Halbleitersubstrat 500 kann eine ausreichend hohe Dicke aufweisen, um Standard-Verarbeitungsschritten für komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) standhalten zu können. Beispielsweise kann die Dicke des Halbleitersubstrats 500 in einem Bereich von 200 Mikrometer bis 1 mm liegen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können.
  • Ein oberer Abschnitt der Substrathalbleiterschicht 601 kann geeignet so dotiert sein, dass er einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, der der p-Typ oder der n-Typ sein kann. Der obere Abschnitt der Substrathalbleiterschicht 601 ist ein Abschnitt der Substrathalbleiterschicht 601, der dazu verwendet wird, verschiedene vorderseitige Vorrichtungskomponenten darauf auszubilden, und verbleibt in einer endgültigen Vorrichtungsstruktur, nachdem später ein unterer Abschnitt der Substrathalbleiterschicht 601 durch Substratausdünnung entfernt wurde. Beispielsweise kann ein epitaktischer Halbleiterabscheidungsprozess durchgeführt werden, um eine einkristalline epitaktische Halbleitermaterialschicht am oberen Abschnitt der Substrathalbleiterschicht 601 so auszubilden, dass die atomare Konzentration der Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps in einem Bereich von 1,0 × 1013/cm3 bis 1,0 × 1016/cm3 liegt, obwohl auch niedrigere und höhere atomare Konzentrationen verwendet werden können. Die Dicke der einkristallinen epitaktischen Halbleitermaterialschicht kann in einem Bereich von 1 Mikrometer bis 10 Mikrometer liegen, obwohl auch niedrigere und höhere Dicken verwendet werden können.
  • Eine dotierte Wannenstruktur 607 kann durch Ionenimplantation von Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps um einen Bereich herum ausgebildet werden, in dem nachfolgend ein pn-Übergang eines Photodetektors ausgebildet werden soll. Die dotierte Wannenstruktur 607 kann den pn-Übergangsbereich des Photodetektors seitlich mit einer seitlichen Lücke in einem Segment umgeben, an dem nachfolgend ein Floating-Diffusionsbereich (608 in 4B) ausgebildet werden soll. Die atomare Konzentration von Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps in der dotierten Wannenstruktur 607 kann in einem Bereich von 1,0 × 1015 /cm3 bis 1,0 × 1018/cm3 liegen, obwohl auch niedrigere und höhere atomare Konzentrationen verwendet werden können.
  • Es können Flachgrabenisolationsstrukturen 620 ausgebildet werden, um eine Isolation der Vorrichtung zwischen und von verschiedenen Halbleitervorrichtungen bereitzustellen, die nachfolgend ausgebildet werden können. Eine der Flachgrabenisolationsstrukturen 620 kann in einem oberen Abschnitt der dotierten Wannenstruktur 607 ausgebildet sein. Die Flachgrabenisolationsstrukturen 620 können ausgebildet werden, um eine elektrische Isolation zwischen und von den verschiedenen Komponenten in dem Teilpixel bereitzustellen.
  • Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps können durch die Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 500 unter Verwendung mindestens eines maskierten Ionenimplantationsprozesses implantiert werden. Der zweite Leitfähigkeitstyp ist dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt, was der p-Typ oder der n-Typ sein kann. Wenn beispielsweise der erste Leitfähigkeitstyp der p-Typ ist, ist der zweite Leitfähigkeitstyp der n-Typ und umgekehrt. Verschiedene dotierte Bereiche mit einer Dotierung des zweiten Leitfähigkeitstyps können durch den mindestens einen maskierten Ionenimplantationsprozess ausgebildet werden. Mit Bezug auf 2A kann eine Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps unter der Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 500 so ausgebildet sein, dass ein Randbereich der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einem Rand nachfolgend ausgebildeter Transfergateelektroden 605 in einer Draufsicht überlappt. Die seitliche Ausdehnung der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps kann auf eine Seite einer nachfolgend auszubildenden Transfergateelektrode beschränkt sein. Somit kann mindestens ein Rand der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps seitlich von den Flachgrabenisolationsstrukturen 620 durch einen Bereich beabstandet sein, in dem nachfolgend eine Transfergateelektrode und ein Floating-Diffusionsbereich ausgebildet werden können.
  • Eine vergrabene Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps kann unter der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps auf Höhe der unteren Abschnitte der dotierten Wannenstruktur 607 ausgebildet werden, indem Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Implantationsenergie als während des Implantationsprozesses implantiert werden, der die Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps ausbildet. Die vergrabene Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps kann von der dotierten Wannenstruktur 607 seitlich nach innen versetzt sein.
  • Der obere Abschnitt der vergrabenen Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps kann innerhalb jedes Teilpixels an den unteren Abschnitt der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps angrenzen. Der Bereich der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps in jedem der Teilpixel kann sich vollständig innerhalb des Bereichs der darunter liegenden vergrabenen Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps befinden. In einer Ausführungsform kann die vergrabene Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps mehrere Teilschichten enthalten, wie beispielsweise eine obere Photodiodenteilschicht 606A des zweiten Leitfähigkeitstyps und eine untere Photodiodenteilschicht 606B des zweiten Leitfähigkeitstyps. Die mehreren Teilschichten der vergrabenen Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps können durch mehrere Ionenimplantationsprozesse ausgebildet werden, bei denen Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps in verschiedene Tiefen in dem Halbleitersubstrat 500 implantiert werden.
  • In einer Ausführungsform kann die Tiefe der oberen Fläche der vergrabenen Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps in einem Bereich von 400 nm bis 1.500 nm liegen, obwohl auch kleinere und größere Tiefen verwendet werden können. In einer Ausführungsform kann die Tiefe der unteren Fläche der vergrabenen Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps in einem Bereich von 800 nm bis 2.500 nm liegen, obwohl auch kleinere und größere Tiefen verwendet werden können.
  • Der nicht implantierte Abschnitt (d. h. das Element 611) der Substrathalbleiterschicht 601, der über der vergrabenen Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps liegt, kann eine Dotierung vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweisen und kann nachfolgend als Bodybereich eines Transfertransistors verwendet werden. Als solches wird der nicht implantierte Abschnitt der Substrathalbleiterschicht 601, der über der vergrabenen Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps liegt, hier als Transfertransistor-Bodybereich 611 bezeichnet. In einer Ausführungsform kann die vergrabene Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps die gleiche seitliche Ausdehnung wie ein nachfolgend ausgebildeter Transfertransistor 630 aufweisen, und kann mit dem Abschnitt der Flachgrabenisolationsstruktur 620 übereinstimmen, der die Kombination aus Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps und Transfertransistor-Bodybereich 611 umgibt. Der Transfertransistor-Bodybereich 611 ist Teil der Substrathalbleiterschicht 601.
  • Im Allgemeinen wird ein Halbleitersubstrat 500 mit einer Substrathalbleiterschicht 601 mit einer Dotierung eines ersten Leitfähigkeitstyps bereitgestellt, und eine Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps kann in der Substrathalbleiterschicht 601 durch Implantieren von Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet werden. Die Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps bildet einen pn-Übergang mit der Substrathalbleiterschicht 601 in einem pn-Übergangsbereich, der der Photonenerfassungsbereich des Photodetektors ist.
  • Der gezeigte Abschnitt innerhalb des Bereichs von 2B der ersten beispielhaften Struktur kann eine Einheitszelle („UC“) darstellen. Mehrere Instanzen der Einheitszelle UC können in einem zweidimensionalen periodischen Array wiederholt werden, um das Array 1000 von Pixeln bereitzustellen, das in den 1A und 1B gezeigt ist.
  • Zurück zu den 2A und 2B und gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine Photoresistschicht (nicht gezeigt) über der oberen Fläche des Halbleitersubstrats 500 abgeschieden und zum Ausbilden getrennter Öffnungen darin lithographisch strukturiert werden. Die Struktur der Öffnungen in der Photoresistschicht weist mindestens eine Öffnung auf, die um einen entsprechenden pn-Übergangsbereich angeordnet ist, der der Bereich der Grenzfläche zwischen dem Transfertransistor-Bodybereich 611 und der Kombination der Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps ist 602 und der vergrabenen Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps ist. Die Photoresistschicht kann eine einzelne Öffnung aufweisen, die einen pn-Übergangsbereich definiert, oder kann mehrere Öffnungen aufweisen, die mehrere pn-Übergangsbereiche definieren.
  • Ein anisotroper Ätzprozess kann durchgeführt werden, um die Struktur der Öffnungen in der Photoresistschicht in einen oberen Abschnitt der Substrathalbleiterschicht 601 zu übertragen. Innerhalb jeder Einheitszelle UC der ersten beispielhaften Struktur kann mindestens ein Graben 639 ausgebildet werden. Jeder der Gräben 639 erstreckt sich vertikal von einer vorderseitigen horizontalen Oberfläche (d. h. der Vorderseite 609) der Substrathalbleiterschicht 601 in Richtung einer rückseitigen horizontalen Oberfläche 610 der Substrathalbleiterschicht 601. Jeder der Gräben 639 kann neben einer jeweiligen Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet sein.
  • In einer Ausführungsform hat jeder der Gräben 639 eine größere Tiefe als eine vertikale Dicke der nachfolgend auszubildenden Floating-Diffusionsbereiche (608 in 4B). Die Tiefe der unteren Fläche jedes der Gräben 639 ist tiefer als der pn-Übergang zwischen der oberen Fläche der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Transfertransistor-Bodybereich 611. Die Tiefe der unteren Fläche jedes der Gräben 639 kann gleich, größer oder kleiner als die Tiefe der vergrabenen Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps sein. Beispielsweise kann die Tiefe der unteren Fläche jedes der Gräben 639 in einem Bereich von 600 nm bis 3.000 nm liegen, beispielsweise von 800 nm bis 2.500 nm, obwohl auch kleinere und größere Tiefen verwendet werden können. Im Allgemeinen kann die Tiefe der unteren Fläche jedes der Gräben 639 so gewählt werden, dass eine nachfolgend darin auszubildende Transfergateelektrode 630 eine wirksame Kanalsteuerung zwischen dem pn-Übergang und dem nachfolgend auszubildenden Floating-Diffusionsbereich bereitstellen kann. In einer Ausführungsform kann die Tiefe der unteren Fläche jedes der Gräben 639 größer als die Tiefe der vergrabenen Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps sein. Die Tiefe der unteren Fläche jedes der Gräben 639 kann so gewählt werden, dass die Photoresistschicht während des anisotropen Ätzprozesses nicht vollständig verbraucht wird. Mit anderen Worten kann die maximale Tiefe der unteren Fläche jedes der Gräben 639 durch die Fähigkeit begrenzt sein, die unmaskierten Abschnitte der Substrathalbleiterschicht 601 anisotrop zu ätzen, ohne maskierte Abschnitte der Substrathalbleiterschicht 601 aufgrund des Verbrauchs des Photoresistmaterials kollateral zu beschädigen.
  • In einer Ausführungsform kann jeder der Gräben 639 als Ringgraben (engl. „moat trench“) ausgebildet sein, der eine entsprechende Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps seitlich umgibt. Wie in den 2A und 2B gezeigt, bezeichnet ein Ringgraben einen Graben mit einem inneren Randbereich, der einen Bereich innerhalb des Grabens umgibt. Somit kann der innere Randbereich eines Ringgrabens seitlich vom äußeren Randbereich des Ringgrabens um die seitliche Breite des Ringgrabens beabstandet sein. Die Breite jedes der Gräben 639, d. h. der seitliche Abstand zwischen einer inneren Seitenwand und einer äußeren Seitenwand des jeweiligen Grabens 639, kann in einem Bereich von 100 nm bis 600 nm liegen, obwohl auch kleinere und größere Breiten verwendet werden können. In einer Ausführungsform kann jeder der Gräben 639 Seitenwände aufweisen, die sich vertikal gerade von der Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 500 zur unteren Fläche des jeweiligen Grabens 639 erstrecken. In einer Ausführungsform können die Gräben 639 frei von irgendwelchen abgestuften Oberflächen sein. Die Photoresistschicht kann nachfolgend beispielsweise durch Veraschen entfernt werden. In Ausführungsformen, in denen eine dotierte Wannenstruktur 607 in jeder Einheitszelle UC vorhanden ist, kann die dotierte Wannenstruktur 607 einen Graben 639 seitlich umgeben, ohne den Graben 639 seitlich einzuschließen. Eine Lücke in der dotierten Wannenstruktur 607 kann sich in einem Bereich befinden, der in der Nähe des Bereichs liegt, in dem nachfolgend ein Floating-Diffusionsbereich ausgebildet werden soll.
  • Bezugnehmend auf die 3A und 3B kann eine Gatedielektrikumschicht auf der unteren Fläche und den Seitenwänden jedes der Gräben 639 und auf der vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht 601 (d. h. der Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 500) ausgebildet werden. Die Gatedielektrikumschicht kann jedes im Stand der Technik bekannte Gatedielektrikumsmaterial enthalten. Beispielsweise kann die Gatedielektrikumschicht Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid und/oder ein dielektrisches Metalloxid (wie Aluminiumoxid und/oder Hafniumoxid) enthalten. Andere geeignete Dielektrika liegen im erwogenen Umfang der Offenbarung. Die Gatedielektrikumschicht kann als konforme Schicht durch thermische Oxidation räumlich freiliegender Oberflächenabschnitte des Halbleitermaterials des Halbleitersubstrats 500 und/oder durch konforme Abscheidung einer Dielektrikumsschicht (wie chemische Gasphasenabscheidung oder Atomlagenabscheidung) ausgebildet werden. Die Dicke der Gatedielektrikumschicht kann in einem Bereich von 3 nm bis 12 nm liegen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können.
  • Anschließend kann in und über jedem Graben 639 eine Gateelektrodenmaterialschicht auf der Gatedielektrikumschicht ausgebildet werden. Die Gateelektrodenmaterialschicht enthält mindestens ein Gateelektrodenmaterial, das ein stark dotiertes Halbleitermaterial (wie dotiertes Polysilizium) und/oder ein metallisches Gatematerial wie ein metallisches Nitrid (wie Titannitrid), ein elementares Metall oder eine Zwischenmetalllegierung enthalten kann. Die Dicke der Gateelektrodenmaterialschicht kann so gewählt werden, dass das gesamte Volumen des Grabens 639 in jeder Einheitszelle UC mit der Kombination aus Gatedielektrikumschicht und Gateelektrodenmaterialschicht gefüllt ist.
  • Eine Photoresistschicht (nicht gezeigt) kann über der Gateelektrodenmaterialschicht abgeschieden werden und kann lithographisch so strukturiert werden, dass Bereiche abgedeckt werden, in denen nachfolgend Gateelektroden ausgebildet werden sollen. Die Bereiche, die von den strukturierten Abschnitten der Photoresistschicht bedeckt sind, enthalten den gesamten Bereich jedes der Gräben 639. In einer Ausführungsform kann jeder der Gräben 639 in einer Einheitszelle UC ein Ringgraben mit einer inneren Seitenwand und einer äußeren Seitenwand sein, und der von der Photoresistschicht bedeckte Bereich kann den gesamten Bereich des Ringgrabens enthalten. Ferner können die von den strukturierten Abschnitten der Photoresistschicht bedeckten Bereiche Bereiche enthalten, in denen nachfolgend Gateelektroden von Feldeffekttransistoren von Erfassungsschaltungen ausgebildet werden sollen.
  • Ein anisotropes Ätzen kann durchgeführt werden, um die Struktur der Photoresistschicht durch die Gateelektrodenmaterialschicht und die Gatedielektrikumschicht zu übertragen. Die strukturierten Abschnitte der Gateelektrodenschicht enthalten Gateelektroden (605, 615). Die Gateelektroden (605, 615) enthalten Transfergateelektroden 605, die in oder über einem der jeweiligen Gräben 639 ausgebildet sind, und planare Gateelektroden 615, die in Bereichen der Erfassungsschaltungen ausgebildet sein können. Die Gatedielektrikumschicht kann nachfolgend unter Verwendung eines anisotropen oder isotropen Ätzprozesses strukturiert werden, um Gatedielektrika 614 auszubilden, die Transfergatedielektrika 614T enthalten, die unter einer entsprechenden der Transfergateelektroden 605 ausgebildet sind, und planare Gatedielektrika enthalten, die Gatedielektrika der Feldeffekttransistoren der Erfassungsschaltungen sind. Im Allgemeinen können die Transfergatedielektrika 614T aus der Gatedielektrikumschicht strukturiert werden, nachdem die Gateelektrodenmaterialschicht in die verschiedenen Gateelektroden (605, 615) strukturiert wurde.
  • In einer Ausführungsform kann jede der Transfergateelektroden 605 einen unteren Transfergateelektrodenabschnitt 605L enthalten, der in der Substrathalbleiterschicht 601 ausgebildet sein kann und neben dem pn-Übergang des Photodetektors angeordnet ist. Der untere Transfergateelektrodenabschnitt 605L kann den pn-Übergang seitlich umgeben.
  • Der untere Transfergateelektrodenabschnitt liegt in dem Graben. In einer Ausführungsform kann sich jeder der unteren Transfergateelektrodenabschnitte 605L in einem entsprechenden Ringgraben befinden, der eine entsprechende Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps seitlich umgibt. Ferner enthält jede der Transfergateelektroden 605 einen oberen Transfergateelektrodenabschnitt 605U, der über der Substrathalbleiterschicht 601 ausgebildet ist und eine größere seitliche Ausdehnung als der untere Transfergateelektrodenabschnitt 605L aufweist. Insbesondere können Randabschnitte des oberen Transfergateelektrodenabschnitts 605U außerhalb des Bereichs eines darunter liegenden Grabens angeordnet sein und können über der Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 500 liegen. In einer Ausführungsform kann jede der Transfergateelektroden 605 topologisch homöomorph mit einem Torus sein, d. h. stetig in die Form eines Torus verformt werden, ohne ein neues Loch zu bilden oder ein bestehendes Loch zu zerstören.
  • Bezugnehmend auf die 4A bis 4C können maskierte Ionenimplantationsprozesse durchgeführt werden, um verschiedene aktive Bereiche (608, 612) auszubilden, die Floating-Diffusionsbereiche 608 und aktive Bereiche 612 von Feldeffekttransistoren von Erfassungsschaltungen enthalten. Die verschiedenen Gateelektroden (605, 615) können während der maskierten Ionenimplantationsprozesse als selbstausgerichtete Maskierungsstrukturen zusätzlich zu strukturierten Implantationsmaskenschichten (etwa lithographisch strukturierten Photoresistschichten) verwendet werden.
  • Jeder Floating-Diffusionsbereich 608 kann in einem Abschnitt der Substrathalbleiterschicht 601 ausgebildet werden, der benachbart zu einer jeweiligen Transfergateelektrode 605 ist. Jede Transfergateelektrode 605 befindet sich innerhalb einer jeweiligen Einheitszelle UC zwischen der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Floating-Diffusionsbereich 608. In einer Ausführungsform kann der Floating-Diffusionsbereich 608 in jeder Einheitszelle UC durch Implantieren von Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps in einen Abschnitt der Substrathalbleiterschicht 601 ausgebildet werden, der unter einem Randbereich eines oberen Transfergateelektrodenabschnitts 605U liegt, der über einem Graben 639 angeordnet ist. In einer Ausführungsform kann jeder Floating-Diffusionsbereich 608 einen Floating-Diffusion-Erweiterungsbereich 608E, der unter einem Randbereich eines oberen Transfergateelektrodenabschnitts 605U liegt, und einem tiefen Floating-Diffusionsbereich 608D enthalten, der seitlich von dem Graben 639 beabstandet ist und an eine Seitenwand des Floating-Diffusion-Erweiterungsbereichs 608E angrenzt. Im Allgemeinen kann ein Randbereich des oberen Transfergateelektrodenabschnitts 605U einen Überlappungsbereich mit einem Randbereich des Floating-Diffusionsbereichs 608 in einer Draufsicht aufweisen, die eine Ansicht entlang einer Richtung senkrecht zur vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht 601 (d. h. der Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 500) ist.
  • In einer Ausführungsform kann der Graben 639 in jeder Einheitszelle UC eine größere Tiefe als die vertikale Dicke des Floating-Diffusionsbereichs 608 in der Einheitszelle UC aufweisen. Beispielsweise kann der Floating-Diffusionsbereich 608 eine maximale Tiefe in einem Bereich von 100 nm bis 400 nm aufweisen, obwohl auch kleinere und größere maximale Tiefen verwendet werden können. Die Transfergateelektrode 605 in jeder Einheitszelle UC enthält einen unteren Transfergateelektrodenabschnitt 605L, der in der Substrathalbleiterschicht 601 ausgebildet ist und sich zwischen der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Floating-Diffusionsbereich 608 befindet. In einer Ausführungsform enthält der untere Transfergateelektrodenabschnitt 605L eine planare untere Fläche mit einem inneren Randbereich und einem äußeren Randbereich. Der innere Randbereich und der äußere Randbereich der planaren unteren Fläche umgeben die Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps seitlich in einer gleichen Tiefe von einer vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht 601. Der Stromfluss zwischen der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Floating-Diffusionsbereich 608 in jeder Einheitszelle UC kann durch die Transfergateelektrode 605 in der Einheitszelle UC gesteuert werden.
  • In jeder Einheitszelle UC kann eine Erfassungsschaltung ausgebildet werden. Die Erfassungsschaltung kann so konfiguriert sein, dass sie die Menge an elektrischer Ladung misst, die von dem pn-Übergang zwischen dem Transfertransistor-Bodybereich 611 und der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps durch einen Halbleiterkanal um die Transfergateelektrode 605 herum und in den Floating-Diffusionsbereich 608 übertragen wird.
  • Eine Photodetektorschaltung kann auf dem Halbleitersubstrat 500 in jedem Bereich eines Teilpixels ausgebildet sein. Jede Photodetektorschaltung enthält einen entsprechenden Satz von vorderseitigen Sensorkomponenten 600. Die vorderseitigen Sensorkomponenten 600 bezeichnen alle Komponenten des Bildsensors, die auf der Vorderseite 609 eines Halbleitersubstrats 500 oder in der Substrathalbleiterschicht 601 ausgebildet sein können. Jede Photodetektorschaltung kann einen Photodetektor (der einen Transfertransistor 630 enthält) und eine Erfassungsschaltung (640, 650, 660) enthalten, die einen Rücksetztransistor 640, einen Sourcefolger-Transistor 650 und einen Auswahltransistor 660 enthält.
  • Über der Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 500 können dielektrische Schichten 670 auf Interconnect-Ebene ausgebildet werden, und innerhalb jedes Teilpixels können Metall-Interconnectstrukturen 680 ausgebildet werden, die die verschiedenen Knoten der Transistoren (630, 640, 650, 660) verbinden. Die dielektrischen Schichten 670 auf Interconnect-Ebene können ein entsprechendes Dielektrikum wie undotiertes Silikatglas, ein dotiertes Silikatglas, Organosilikatglas, ein poröses Dielektrikum oder Kombinationen davon enthalten. Dielektrische Auskleidungen mit verschiedenen Dielektrika (wie Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Siliziumoxidkarbid und/oder dielektrischen Metalloxiden) können optional in den dielektrischen Schichten 670 auf Interconnect-Ebene verwendet werden. Die Metall-Interconnectstrukturen 680 können verschiedene Metall-Durchkontaktierungsstrukturen 682 und verschiedene Metallleitungsstrukturen enthalten. Beispielsweise kann jeder der Floating-Diffusionsbereiche 608 durch eine Teilmenge der Metall-Interconnectstrukturen 680 mit der Gateelektrode 615 eines entsprechenden Sourcefolger-Transistors 650 verbunden sein. Ein Photodetektor kann einen Transfertransistor 630 enthalten und kann mit einer Erfassungsschaltung verbunden sein, die zusätzliche Transistoren (640, 650, 660) aufweist.
  • Jedes Teilpixel kann eine entsprechende Photodetektorschaltung enthalten, die eine Teilmenge der vorderseitigen Sensorkomponenten 600 enthält, die sich innerhalb des Bereichs eines Teilpixels befinden können, der der Bereich einer Einheitszelle UC sein kann. Ein Satz von Teilpixeln kann für ein Pixel verwendet werden, und ein Array 1000 von Pixeln kann wie in 1A oder in 1B gezeigt oder in jeder anderen geeigneten Array-Konfiguration angeordnet werden, um einen Bildsensor bereitzustellen. Jedes Teilpixel kann eine Einheitszelle UC enthalten, die entlang mindestens einer horizontalen Richtung wiederholt werden kann, und stellt vorderseitige Sensorkomponenten 600 für ein einzelnes Pixel bereit, das ein einzelnes Teilpixel, zwei Teilpixel oder drei oder mehr Teilpixel enthalten kann. In einer Ausführungsform können mehrere Instanzen der Einheitszelle UC entlang mindestens einer horizontalen Richtung wiederholt werden. Beispielsweise kann die Einheitszelle UC als zweidimensionales Array von Einheitszellen UC wiederholt werden, die mit einer ersten Periodizität entlang einer ersten horizontalen Richtung hd1 und mit einer zweiten Periodizität entlang einer zweiten horizontalen Richtung hd2 wiederholt werden. Wie oben unter Bezugnahme auf die 1A und 1B beschrieben, kann das zweidimensionale Array ein rechteckiges Array oder ein hexagonales Array sein. Als solches kann, muss die zweite horizontale Richtung hd2 aber nicht senkrecht zur ersten horizontalen Richtung hd1 sein.
  • Bezugnehmend auf 5 kann eine zweite beispielhafte Struktur 595 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung von der ersten beispielhaften Struktur abgeleitet werden, die in den Verarbeitungsschritten der 4A bis 4C gezeigt ist, indem vertikale Stufen in die untere Fläche jedes der Gräben 639 in der ersten beispielhaften Struktur eingeführt werden. Im Allgemeinen können die Verarbeitungsschritte zum Ausbilden der zweiten beispielhaften Struktur die gleichen wie die Verarbeitungsschritte zum Ausbilden der ersten beispielhaften Struktur sein, außer dass die Verarbeitungsschritte zum Ausbilden der Gräben 639 so geändert werden können, dass erste Segmente jedes der Gräben 639 mit einer ersten Tiefe d1 und zweite Segmente jedes der Gräben 639 mit einer zweiten Tiefe d2 ausgebildet werden. Zwei lithographische Strukturierungsprozesse und zwei anisotrope Ätzprozesse können verwendet werden, um die Gräben 639 der zweiten beispielhaften Struktur von 5 auszubilden. Die erste Tiefe d1 kann in einem Bereich von 600 nm bis 3.000 nm liegen, beispielsweise zwischen 800 nm und 2.500 nm, obwohl auch kleinere und größere Tiefen verwendet werden können. Die zweite Tiefe d2 kann in einem Bereich von 15 % bis 85 %, beispielsweise zwischen 30 % und 70 %, der ersten Tiefe d1 liegen, obwohl auch kleinere und größere Bereiche verwendet werden können. In einer Ausführungsform können sich die ersten Segmente mit der ersten Tiefe d1 und die zweiten Segmente mit der zweiten Tiefe d2 entlang der horizontalen Längsrichtung jedes der Gräben 639 abwechseln. In jedem der Gräben 639 kann eine zinnenförmige untere Fläche (d. h. mit einer Struktur von Ausnehmungen, die Zinnen einer Burg ähneln) vorgesehen sein. Jedes Segment der unteren Fläche in der ersten Tiefe d1 kann mit benachbarten Segmenten der unteren Fläche in der zweiten Tiefe d2 durch im Wesentlichen vertikale oder vertikale verbindende Seitenwände des Grabens 639 verbunden sein. In einer solchen Ausführungsform kann der untere Transfergateelektrodenabschnitt 605L einen zinnenförmigen unteren Bereich mit mehreren Segmenten der unteren Fläche enthalten, die durch vertikale Seitenwände des unteren Transfergateelektrodenabschnitts 605L miteinander verbunden sind. Jedes Segment des Grabens 639 mit der zweiten Tiefe d2 kann während eines Ladungstransfervorgangs vom Photodiodenbereich zum Floating-Diffusionsbereich 608 einen kürzeren Stromweg als Segmente des Grabens 639 mit der ersten Tiefe d1 bereitstellen.
  • Bezugnehmend auf die 6A und 6B sind eine erste Konfiguration 695 bzw. eine zweite Konfiguration 696 einer dritten beispielhaften Struktur gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Die dritte beispielhafte Struktur kann von der ersten beispielhaften Struktur abgeleitet werden, indem mehrere Gräben 639 entlang eines Randbereich der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps in jeder Einheitszelle UC ausgebildet werden. Ferner können in der dritten beispielhaften Struktur mehrere Transfergateelektroden 605 anstelle einer einzelnen Transfergateelektrode 605 in der ersten beispielhaften Struktur ausgebildet werden. Jede der Transfergateelektroden 605 kann einen entsprechenden unteren Transfergateelektrodenabschnitt enthalten, der in einem entsprechenden Graben 639 angeordnet ist. Auf jeder der Transfergateelektroden 605 kann eine Metall-Durchkontaktierungsstruktur 682 ausgebildet sein, um die Transfergateelektroden 605 elektrisch vorzuspannen. Die Transfergateelektroden 605 innerhalb einer gleichen Einheitszelle UC können elektrisch miteinander verbunden sein.
  • Im Allgemeinen kann die dritte beispielhafte Struktur von der ersten beispielhaften Struktur abgeleitet werden, indem die Transfergateelektrode 605 der ersten beispielhaften Struktur so geändert wird, dass sie nicht topologisch homöomorph zu einem Torus ist und als mehrere getrennte Abschnitte ausgebildet wird. Somit kann jede dritte beispielhafte Struktur zusätzlich zu einer Transfergateelektrode 605 mindestens eine zusätzliche Transfergateelektrode 605 enthalten, die in der Substrathalbleiterschicht 601 angeordnet ist. Die Transfergateelektrode 605 und die mindestens eine zusätzliche Transfergateelektrode 605 (d. h. die mehreren Transfergateelektroden 605) können um den Randbereich der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps herum angeordnet sein und können seitlich voneinander beabstandet sein. Zwischen jedem benachbarten Paar von Transfergateelektroden 605 können Flachgrabenisolationsstrukturen 620 vorhanden sein.
  • Bezugnehmend auf die 7A und 7B sind eine erste Konfiguration 795 bzw. eine zweite Konfiguration 796 einer vierten beispielhaften Struktur gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Eine erste Konfiguration der vierten beispielhaften Struktur kann von der ersten beispielhaften Struktur abgeleitet werden, indem mehrere Floating-Diffusionsbereiche 608 und ein Graben 639 mit einer Transfergateelektrode 605, die topologisch homöomorph zu einem Torus sein kann (wie in 7A gezeigt), entlang eines Randbereichs der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps in jeder Einheitszelle UC ausgebildet werden. Eine zweite Konfiguration der vierten beispielhaften Struktur kann von der ersten beispielhaften Struktur abgeleitet werden, indem mehrere Floating-Diffusionsbereiche 608 und mehrere Gräben 639 (wie in 7B gezeigt) entlang eines Randbereich der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps in jeder Einheitszelle UC ausgebildet werden. Jede der mehreren Floating-Diffusionsbereiche 608 können seitlich voneinander beabstandet sein und können seitlich von der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps durch eine jeweilige der mehreren Transfergateelektroden 605 beabstandet sein.
  • Jede der mehreren Transfergateelektroden 605 kann sich in der Substrathalbleiterschicht 601 befinden. In einer Ausführungsform können die mehreren Transfergateelektroden 605 (wie eine Transfergateelektrode 605a und mindestens eine zusätzliche Transfergateelektrode 605b, 605c, 605d) in der Substrathalbleiterschicht 601 um einen Randbereich der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps herum angeordnet sein und sind seitlich voneinander beabstandet. Die mehreren Floating-Diffusionsbereiche 608 (wie ein Floating-Diffusionsbereich 608a und mindestens ein zusätzlicher Floating-Diffusionsbereich 608b, 608c, 608d) können seitlich von der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps beabstandet sein und diese seitlich umgeben. Jede der mehreren Transfergateelektroden 605 (d. h. die Transfergateelektrode 605a und mindestens eine zusätzliche Transfergateelektrode 605b, 605c, 605d) kann zwischen der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps und einem jeweiligen der mehreren Floating-Diffusionsbereiche 608 (d. h. des Floating-Diffusionsbereichs 608a und mindestens eines zusätzlichen Floating-Diffusionsbereichs 608b, 608c, 608d) angeordnet sein. In einer Ausführungsform können die mehreren Floating-Diffusionsbereiche 608 durch eine Teilmenge der Metall-Interconnectstrukturen 680 elektrisch miteinander verbunden (d. h. elektrisch kurzgeschlossen) sein. Zusätzlich oder alternativ können die mehreren Transfergateelektroden 605 durch eine andere Teilmenge der Metall-Interconnectstrukturen 680 elektrisch miteinander verbunden sein.
  • Bezugnehmend auf die 8A und 8B sind eine erste Konfiguration 895 bzw. eine zweite Konfiguration 896 einer fünften beispielhaften Struktur gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Die fünfte beispielhafte Struktur kann von der ersten beispielhaften Struktur abgeleitet werden, indem während des Ausbildens der Gräben 639 mindestens eine abgestufte Seitenwand ausgebildet wird. Die abgestuften Seitenwände der Gräben 639 können beispielsweise ausgebildet werden, indem in einer Photoresistschicht für jeden der nachfolgend auszubildenden Gräben 639 eine schmale Öffnung ausgebildet wird, ein erster anisotroper Ätzschritt durchgeführt wird, der die Struktur der schmalen Öffnung in der Photoresistschicht in einen oberen Abschnitt der Substrathalbleiterschicht 601 überträgt, die Photoresistschicht getrimmt wird, so dass jede der schmalen Öffnungen in eine breitere Öffnung verwandelt wird, und ein zweiter anisotroper Ätzprozesses durchgeführt wird, der die Struktur der verbreiterten Öffnung in den oberen Abschnitt der Substrathalbleiterschicht 601 überträgt, während bereits vorhandene Gräben in der Substrathalbleiterschicht 601 ausgenommen werden. Die Gesamtzahl der Photoresist-Trimmprozesse kann gleich der Anzahl der Ebenen sein, auf denen horizontale Stufen in den Seitenwänden der Gräben 639 ausgebildet werden.
  • In der fünften beispielhaften Struktur kann jeder untere Transfergateelektrodenabschnitt 605 in einer Einheitszelle UC ein vertikales Querschnittsprofil aufweisen, in dem eine Breite des unteren Transfergateelektrodenabschnitts 605 in einem vertikalen Abstand von einer vorderseitigen horizontalen oberen Fläche der Substrathalbleiterschicht 601 (d. h. der Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 500) mindestens einmal schrittweise abnimmt. 8A zeigt eine Konfiguration, bei der ein Photoresist-Trimmprozess und zwei anisotrope Ätzschritte verwendet werden, um die Gräben 639 auszubilden. 8B zeigt eine Konfiguration, bei der drei Photoresist-Trimmprozesse und vier anisotrope Ätzprozesse verwendet werden, um die Gräben 639 auszubilden. Im Allgemeinen können mindestens ein Photoresist-Trimmprozess und mindestens zwei anisotrope Ätzprozesse verwendet werden, um Gräben mit mindestens einer abgestuften Seitenwand und Transfergateelektroden 605 mit Seitenwänden mit mindestens einem horizontalen Schritt auszubilden, der die vertikalen Seitenwände verbindet.
  • In einer weiteren Ausführungsform (nicht gezeigt) können die Seitenwände der Gräben 639 mit einem geneigten Winkel anstelle von horizontalen Stufen ausgebildet werden. In dieser Ausführungsform kann die Ätzchemie des anisotropen Ätzprozesses, der die Gräben 639 ausbildet, so ausgewählt werden, dass sich während des anisotropen Ätzprozesses vorübergehend eine Polymerbeschichtung bildet, um die Ausbildung von geneigten Seitenwänden der Gräben 639 zu erleichtern.
  • Bezugnehmend auf 9 kann eine sechste beispielhafte Struktur 995 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung von einer der ersten bis fünften beispielhaften Struktur der vorliegenden Offenbarung abgeleitet werden, die in den 4A bis 8B gezeigt sind, indem das Ausbilden von dotierten Wannenstrukturen 607 weggelassen wird.
  • Bezugnehmend auf 10 kann eine siebte beispielhafte Struktur 1095 gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung von einer der ersten bis fünften beispielhaften Struktur der vorliegenden Offenbarung abgeleitet werden, die in den 4A bis 8B gezeigt sind, indem keine Flachgrabenisolationsstrukturen 620 in den Bereichen der dotierten Wannenstrukturen 607 ausgebildet werden.
  • Bezugnehmend auf 11 können zusätzliche dielektrische Schichten 670 auf Interconnect-Ebene und zusätzliche Metall-Interconnectstrukturen 680 auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats 500 ausgebildet werden. Die Vorderseite 609 der Anordnung des Halbleitersubstrats 500,der dielektrischen Schichten 670 auf Interconnect-Ebene und der darin ausgebildeten Strukturen können mit einem Trägersubstrat 690 gebondet werden. Das Trägersubstrat 690 kann vorübergehend an der Anordnung des Halbleitersubstrats 500 und der dielektrischen Schichten 670 auf Interconnect-Ebene befestigt werden, um eine nachfolgende Ausdünnung des Halbleitersubstrats 500 und eine nachfolgende Handhabung der Anordnung eines ausgedünnten Halbleitersubstrats 510und der dielektrischen Schichten 670 auf Interconnect-Ebene zu ermöglichen. Das Trägersubstrat 690 kann ein Halbleitermaterial, ein Isoliermaterial oder ein metallisches Material enthalten und kann eine Dicke in einem Bereich von 300 Mikrometer bis 1 mm aufweisen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können.
  • Jedes geeignete Bondingverfahren kann verwendet werden, um das Trägersubstrat 690 mit der Vorderseite der dielektrischen Schichten 670 auf Interconnect-Ebene zu bonden. Beispielhafte Bondingverfahren, die zum Bonden des Trägersubstrats 690 mit den dielektrischen Schichten 670 auf Interconnect-Ebene verwendet werden können, umfassen ohne Einschränkung Oxid-Oxid-Bonden, Oxid-Halbleiter-Bonden, Schmelzbonden, Hybridbonden, anodisches Bonden, Direktbonden, andere geeignete Bondingverfahren und/oder Kombinationen davon. Optional kann eine Bonding-Pufferschicht 689 verwendet werden, die ein Bond-Zwischenmaterial (z. B. Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder ein Halbleitermaterial) enthält, um für ein Bonden zwischen den dielektrischen Schichten 670 auf Interconnect-Ebene und dem Trägersubstrat 690 zu sorgen.
  • Bezugnehmend auf 12 kann die Rückseite 610 des Halbleitersubstrats 500 beispielsweise durch Schleifen, Polieren, einen isotropen Ätzprozess und/oder einen anisotropen Ätzprozess ausgedünnt werden. Das Trägersubstrat 690 kann das Halbleitersubstrat 500 während des Ausdünnungsprozesses mechanisch stützen. In einer Ausführungsform kann das Halbleitersubstrat 500 auf eine Dicke in einem Bereich von 1 Mikrometer bis 12 Mikrometer ausgedünnt werden, beispielsweise zwischen 1,5 Mikrometer und 8 Mikrometer, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können. Das nach dem Ausdünnungsprozess ausgedünnte Halbleitersubstrat 500 wird hier als ausgedünntes Halbleitersubstrat 510oder Halbleitersubstrat 510bezeichnet. Die Dicke des ausgedünnten Halbleitersubstrats 510kann durch die maximale Tiefe tiefer Gräben bestimmt werden, die nachfolgend auf der Rückseite des ausgedünnten Halbleitersubstrats 510ausgebildet werden. In einer Ausführungsform kann die Dicke des ausgedünnten Halbleitersubstrats 510so gewählt werden, dass tiefe Gräben, die nachfolgend auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 510ausgebildet werden, proximale Oberflächen der Flachgrabenisolationsstrukturen 620 erreichen. Die Rückseite 610 des ausgedünnten Halbleitersubstrats 510kann poliert werden, um eine planare horizontale Oberfläche bereitzustellen, die parallel zur Vorderseite 609 des ausgedünnten Halbleitersubstrats 510ist. Die beispielhafte Struktur kann nachfolgend zur weiteren Verarbeitung umgedreht werden.
  • Bezugnehmend auf 13 kann eine Photoresistschicht (nicht gezeigt) über der Rückseite 610 des ausgedünnten Halbleitersubstrats 510abgeschieden werden und kann lithographisch strukturiert werden, um Öffnungen auszubilden, die im Allgemeinen die Struktur der darunter liegenden Flachgrabenisolationsstrukturen 620 nachbilden. Nicht maskierte Abschnitte des Halbleitersubstrats 510können durch Durchführen eines anisotropen Ätzprozesses geätzt werden, der die Struktur der Öffnungen in der Photoresistschicht in das Halbleitersubstrat 510 überträgt. Die Tiefe der tiefen Gräben kann in einem Bereich von 1 Mikrometer bis 10 Mikrometer liegen, beispielsweise zwischen 1,5 Mikrometer und 8 Mikrometer, obwohl auch kleinere und größere Tiefen verwendet werden können. Tiefe Gräben können in dem Halbleitersubstrat 510ausgebildet sein. Die Photoresistschicht kann nachfolgend beispielsweise durch Veraschen entfernt werden.
  • In den tiefen Gräben kann mindestens ein Dielektrikum wie Siliziumoxid abgeschieden werden. Überschüssige Anteile des mindestens einen Dielektrikums, die über der Rückseite 610 des ausgedünnten Halbleitersubstrats 510 liegen, können durch einen Planarisierungsprozess entfernt werden. Der Planarisierungsprozess kann einen chemisch-mechanischen Planarisierungsprozess (CMP) und/oder einen Ausnehmungsätzprozess umfassen. Verbleibende Anteile des mindestens einen Dielektrikums, die die tiefen Gräben füllen, enthalten Tiefgrabenisolationsstrukturen 720.
  • Die Tiefgrabenisolationsstrukturen 720 können Bereiche für Teilpixel 800 definieren. Jedes Teilpixel 800 kann sich innerhalb eines entsprechenden Teilpixelbereichs befinden, der sich innerhalb eines Bereichs eines Pixels, d. h. innerhalb eines Pixelbereichs befindet. Beispielsweise kann ein Bereich eines Pixels einen Bereich eines ersten Teilpixels 801, einen Bereich eines zweiten Teilpixels 802 und einen Bereich eines dritten Teilpixels 803 enthalten. In einem erläuternden Beispiel kann das erste Teilpixel 801 in einem Bereich mit einem Photodetektor ausgebildet sein, der zum Erfassen von grünem Licht konfiguriert ist, das zweite Teilpixel 802 kann in einem Bereich mit einem Photodetektor ausgebildet sein, der zum Erfassen von rotem Licht konfiguriert ist, und das dritte Teilpixel 803 kann in einem Bereich mit einem Photodetektor ausgebildet sein, der zum Erfassen von blauem Licht konfiguriert ist. Jedes Teilpixel 800 kann ein Volumen enthalten, das einen strukturierten säulenförmigen Abschnitt des Halbleitersubstrats 510enthält, der seitlich von einem verbundenen Satz tiefer Gräben umschlossen ist. Ein Pixelbereich eines Pixels enthält alle Teilpixelbereiche für den in dem Pixel enthaltenen Satz von Teilpixeln 800.
  • Bezugnehmend auf 14 können eine optionale Antireflexionsbeschichtungs- (ARC)-Schicht 732, eine optische Pufferschicht 734,eine dielektrische Gittermaterialschicht 742L und eine metallische Reflexionsmaterialschicht 744L nacheinander über der rückseitigen Oberfläche 610 des Halbleitersubstrats 510abgeschieden werden.
  • Die optionale ARC-Schicht 732 enthält ein Antireflexionsbeschichtungsmaterial, das eine Reflexion zwischen dem Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 510und der darüber liegenden Materialschicht, d. h. der optischen Pufferschicht 734,verringert. Die optionale ARC-Schicht 732 kann, falls vorhanden, einen Brechungsindex aufweisen, der zwischen dem Brechungsindex des Halbleitermaterials des Halbleitersubstrats 510und dem Brechungsindex der optischen Pufferschicht 734 liegt. Die optionale ARC-Schicht 732 kann eine Einzelmaterialschicht oder einen Schichtstapel aus mehreren Schichten mit sich allmählich ändernden Brechungsindizes enthalten. Die optionale ARC-Schicht 732 enthält ein optisch transparentes Material und kann ein Halbleitermaterial, ein Isoliermaterial, ein leitfähiges Material und/oder ein Polymermaterial enthalten. Die ARC-Schicht 732 kann eine Dicke in einem Bereich von 50 nm bis 300 nm aufweisen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können.
  • Die optische Pufferschicht 734 enthält ein Halbleitermaterial (wie Silizium, Germanium, eine Siliziumgermaniumlegierung oder ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial) oder ein Dielektrikum (wie Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid, Siliziumnitrid oder ein dielektrisches Metalloxid (z. B. Aluminiumoxid)). Die optische Pufferschicht 734 enthält ein Material, das einer Ausbildung von Gräben mit einem hohen Seitenverhältnis während eines nachfolgenden anisotropen Ätzprozesses förderlich ist. Die optische Pufferschicht 734 kann als nicht strukturierte (deckende) Materialschicht mit zwei horizontalen planaren Oberflächen ausgebildet werden, die parallel zur rückseitigen Oberfläche 610 des Halbleitersubstrats 510sind. Die distale Oberfläche der optischen Pufferschicht 734 ist eine der beiden horizontalen planaren Oberflächen der optischen Pufferschicht 734,die distal vom Halbleitersubstrat 510 liegt, d. h. eine obere Fläche der optischen Pufferschicht 734.
  • Die dielektrische Gittermaterialschicht 742L kann ein Dielektrikum wie Siliziumoxid, ein poröses Dielektrikum, Polyimid oder ein anderes Dielektrikum enthalten. Die Dicke der dielektrischen Gittermaterialschicht kann in einem Bereich von 50 nm bis 500 nm liegen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können. Die metallische Reflexionsmaterialschicht 744L kann ein metallisches Material enthalten, das ein hohes Reflexionsvermögen bereitstellen kann. Beispielsweise kann die metallische Reflexionsmaterialschicht 744L Silber, Aluminium, Kupfer, Gold oder irgendein anderes hochreflektierendes metallisches Material enthalten. Die Dicke der metallischen Reflexionsmaterialschicht 744L kann in einem Bereich von 50 nm bis 500 nm liegen, obwohl auch kleinere und größere Dicken verwendet werden können.
  • Eine Photoresistschicht 747 kann über der metallischen Reflexionsmaterialschicht 744L abgeschieden werden und kann lithographisch so strukturiert werden, dass Öffnungen in Bereichen der Photodiodenschichten 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet werden, d. h. in den Bereichen der Photodetektoren, die einen entsprechenden pn-Übergang zwischen den Photodiodenschichten 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps und der Substrathalbleiterschicht 601 enthalten. Die Bereiche der Transistoren der Erfassungsschaltung (wie der Rücksetztransistoren 640, der Sourcefolger-Transistoren 650 und der Auswahltransistoren 660) können, müssen aber von der Photoresistschicht 747 nicht abgedeckt werden.
  • Bezugnehmend auf die 15A und 15B können Abschnitte der dielektrischen Gittermaterialschicht 742L und der metallischen Reflexionsmaterialschicht 744L geätzt werden, die nicht von den strukturierten Abschnitten der Photoresistschicht 747 maskiert sind, um Öffnungen durch sie auszubilden. Verbleibende Abschnitte der dielektrischen Gittermaterialschicht 742L bilden eine dielektrische Gitterstruktur 742, und verbleibende Abschnitte der metallischen Reflexionsmaterialschicht 744L bilden eine metallische Gitterstruktur 744. Der Stapel der dielektrischen Gitterstruktur 742und der metallischen Gitterstruktur 744 bildet eine Gitterstruktur 740, die auch als Verbundgitterstruktur bezeichnet wird.
  • Die Gitterstruktur 740 kann Ränder der Photodiodenschichten 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps überdecken und einen Lichterfassungsbereich für jeden Photodetektor definieren, der sich innerhalb eines entsprechenden Teilpixels 800 befindet. Ein Pixel 900 kann einen Satz von Teilpixeln 800 (801, 802, 803) enthalten, die zum Erfassen von Licht in verschiedenen Wellenlängen konfiguriert sind. Jedes Pixel 900 kann sich innerhalb eines jeweiligen Pixelbereichs befinden, der einen Satz von Teilpixeln 800 enthält. Beispielsweise kann ein Pixel 900 mindestens eine Instanz eines ersten Teilpixels 801, mindestens eine Instanz eines zweiten Teilpixels 802 und mindestens eine Instanz eines dritten Teilpixels 803 enthalten. In dem gezeigten Beispiel kann ein Pixel ein erstes Teilpixel 801 (etwa ein grünes Teilpixel), das sich in einem ersten Teilpixelbereich befindet, zwei zweite Teilpixel 802 (etwa zwei rote Teilpixel), die sich in zwei zweiten Teilpixelbereichen befinden, und ein drittes Teilpixel 803 (etwa ein blaues Teilpixel) enthalten, das sich in einem dritten Teilpixelbereich befindet. Im Allgemeinen kann ein Pixel 900 verschiedene Kombinationen von mindestens zwei Arten von Teilpixeln 800 enthalten, die zum Erfassen von Licht in verschiedenen Wellenlängenbereichen konfiguriert sind. Alternativ kann ein Bildsensor ein monochromatischer Bildsensor sein, der eine einzige Art von Teilpixeln 800 enthält. In einer solchen Ausführungsform kann jedes Pixel 900 nur ein einziges Teilpixel 800 enthalten.
  • Im Allgemeinen enthält eine Gitterstruktur 740 mindestens eine metallische Gitterstruktur 744 mit reflektierenden Seitenwänden. Die Gitterstruktur 740 kann eine Verbundgitterstruktur enthalten, die einen vertikalen Stapel einer metallischen Gitterstruktur 744 mit reflektierenden Seitenwänden und einer dielektrischen Gitterstruktur 742 enthält. Die Gitterstruktur 740 kann über der distalen Oberfläche der optischen Pufferschicht 734 ausgebildet sein. Die Gitterstruktur 740 enthält Öffnungen, die über einem entsprechenden der Photodetektoren liegen, die einen Transfertransistor 630 aufweisen. Die Abschnitte der distalen Oberfläche der optischen Pufferschicht 734,die die unteren Flächen der Gitterstruktur berühren, sind planare distale Oberflächenabschnitte der distalen Oberfläche der optischen Pufferschicht 734. Die Abschnitte der distalen Oberfläche der optischen Pufferschicht 734,die die Gitterstruktur 740 nicht berühren, können relativ zur derjenigen horizontalen Ebene, die die unteren Fläche der Gitterstruktur enthält, während des die Gitterstruktur strukturierenden anisotropen Ätzprozesses kollateral vertikal ausgenommen werden.
  • Die Gitterstruktur 740 kann jedes Teilpixel 800 in einen Detektorbereich und einen Erfassungsschaltungsbereich unterteilen. Beispielsweise kann ein erstes Teilpixel 801 einen ersten Detektorbereich 801D, der über der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps des ersten Teilpixels 801 liegt, und einen ersten Erfassungsschaltungsbereich 801S enthalten, der über der Erfassungsschaltung (640, 650, 660) des ersten Teilpixels 801 liegt. Ein zweites Teilpixel 802 kann einen zweiten Detektorbereich 802D, der über der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps des zweiten Teilpixels 802 liegt, und einen zweiten Erfassungsschaltungsbereich 802S enthalten, der über der Erfassungsschaltung (640, 650, 660) des zweiten Teilpixels 802 liegt. Ein drittes Teilpixel 803 kann einen dritten Detektorbereich 803D, der über der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps des dritten Teilpixels 803 liegt, und einen dritten Erfassungsschaltungsbereich 803S enthalten, der über der Erfassungsschaltung (640, 650, 660) des dritten Teilpixels 803 liegt. Im Allgemeinen kann der Satz aller Teilpixel 800 innerhalb eines Pixels 900 in einer beliebigen Struktur angeordnet sein, die einer periodischen Wiederholung der Pixel 900 in einem Array 1000 von Pixeln 900 förderlich ist.
  • Bezugnehmend auf 16 kann eine optisch transparente Schicht 770 mit einer planaren oberen Fläche über der Gitterstruktur 740 ausgebildet werden. Die optisch transparente Schicht 770 kann durch Abscheiden eines selbstplanarisierenden Dielektrikums wie eines fließfähigen Oxids (FOX) ausgebildet werden. Alternativ kann ein transparentes Dielektrikum abgeschieden und planarisiert werden, beispielsweise durch chemisch-mechanische Planarisierung, um die optisch transparente Schicht 770 bereitzustellen.
  • Die optisch transparente Schicht 770 erstreckt sich vertikal durch die Öffnungen in der Gitterstruktur 740 und weist einen zweiten Brechungsindex auf, der sich von einem ersten Brechungsindex unterscheidet. Die optisch transparente Schicht 770 kann auf der optischen Pufferschicht 734 ausgebildet sein.
  • Verschiedene Farbfiltermaterialien können über der optisch transparenten Schicht 770 abgegeben und strukturiert werden, um verschiedene Farbfilter 780 auszubilden. Die Farbfilter 780 können in den Bereichen der ersten Teilpixel 801 ausgebildete Farbfilter 781 eines ersten Typs, in den Bereichen der zweiten Teilpixel 802 ausgebildete Farbfilter 782 eines zweiten Typs und in den Bereichen der dritten Teilpixel 803 ausgebildete Farbfilter 783 eines dritten Typs enthalten. Die Zusammensetzung jedes der Farbfiltermaterialien kann so gewählt werden, dass Licht innerhalb eines Zielwellenlängenbereichs durch das Farbfiltermaterial tritt, während Licht außerhalb des Zielwellenlängenbereichs vom Farbfiltermaterial absorbiert wird.
  • Optische Linsen 790 können über den Farbfiltern 780 ausgebildet werden, indem ein optisch transparentes Material über den Farbfiltern 780 abgeschieden wird und das optisch transparente Material in Materialabschnitte mit konvexen Oberflächen strukturiert wird, die auf einer entsprechenden der darunter liegenden Öffnungen in der Gitterstruktur 740 zentriert sind.
  • Jede Kombination von Abschnitten der optionalen ARC-Schicht 732, der optionalen Pufferschicht 734,der Gitterstruktur 740 und der optisch transparenten Schicht 770, die in einem Teilpixel 800 liegen, eines darüber liegenden Farbfilters 780 und einer darüber liegenden optischen Linse 790 stellt eine optische Baugruppe dar, die zum Filtern und Fokussieren von Licht auf einen entsprechenden Photodetektor konfiguriert ist.
  • Bezugnehmend auf 17 können das Trägersubstrat 690 und die Bond-Pufferschicht 689 (falls vorhanden) von den dielektrischen Schichten 670 auf Interconnect-Ebene abgelöst werden. Das Halbleitersubstrat 510und die darauf befindlichen Vorrichtungsstrukturen können vor oder nach dem Ablösen des Trägersubstrats 690 vom Halbleitersubstrat 510zu getrennten Bildsensoren vereinzelt werden.
  • Im Allgemeinen kann ein Array 1000 von Pixeln auf dem Halbleitersubstrat 510ausgebildet werden. Jedes Pixel in dem Array 1000 von Pixeln enthält mindestens ein Teilpixel, und jedes Teilpixel enthält einen entsprechenden Photodetektor (der einen Transfertransistor 630 enthält) und eine entsprechende Erfassungsschaltung (640, 650, 660), die auf einer Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 510 angeordnet ist.
  • Bezugnehmend auf 18 ist ein Schaltungsschema für eine Photodetektorschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Die Konfiguration der Photodetektorschaltung enthält einen Transfertransistor 630 und eine miteinander verbundene Anordnung von Feldeffekttransistoren (640, 650, 660). Der Transfertransistor 630 kann einen pn-Übergang zwischen der Kombination einer Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps und einer vergrabenen Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps, und der Substrathalbleiterschicht 601 mit einer Dotierung vom ersten Leitfähigkeitstyp enthalten. Der Satz der Substrathalbleiterschicht 601, der vergrabenen Photodiodenschicht 606 des zweiten Leitfähigkeitstyps, der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps und einer Pinning-Schicht 603 vom ersten Leitfähigkeitstyp fungiert als Photodiode (bezeichnet als „PD“). Die Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps fungiert als Source-Bereich des Transfertransistors 630.
  • Ein Floating-Diffusionsbereich 608 (als „FD“ bezeichnet) fungiert als Drain-Bereich des Transfertransistors 630. Eine Transfergateelektrode 605 (mit „TG“ bezeichnet) steuert den Transfer der in der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps akkumulierten elektrischen Ladungen in den Floating-Diffusionsbereich 608 durch einen Halbleiterkanal, der unter der Transfergateelektrode 605 liegt. Der Transfertransistor 630 kann als Photodetektor fungieren.
  • Die Erfassungsschaltung enthält die miteinander verbundene Anordnung von Feldeffekttransistoren (640, 650, 660). Die miteinander verbundene Anordnung von Feldeffekttransistoren (640, 650, 660) ist mit dem Floating-Diffusionsbereich 608 verbunden. Die miteinander verbundene Anordnung von Feldeffekttransistoren (640, 650, 660) enthält einen Rücksetztransistor (als „RST“ bezeichnet), einen Sourcefolger-Transistor SF und einen Auswahltransistor (als „SEL“ bezeichnet). Der Rücksetztransistor 640 (d. h. RST) kann so konfiguriert sein, dass er die elektrischen Ladungen in dem Floating-Diffusionsbereich 608 unmittelbar vor dem Erfassen ableitet, damit die elektrische Ladung, die sich während des Erfassens in dem Floating-Diffusionsbereich 608 ansammelt, direkt proportional zu der elektrischen Ladung ist, die sich in der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps angesammelt hat. Die Gateelektrode des Sourcefolger-Transistors 650 (d. h. SF) ist über einen Satz von Metall-Interconnectstrukturen elektrisch mit dem Floating-Diffusionsbereich 608 verbunden. Somit kann die Spannung an der Gateelektrode des Sourcefolger-Transistors 650 proportional zur elektrischen Ladung in dem Floating-Diffusionsbereich 608 sein. Der Auswahltransistor 660 (d. h. SEL) kann während eines Lesevorgangs eingeschaltet werden, um die Spannung an einem gemeinsamen Knoten des Sourcefolger-Transistors und des Auswahltransistors 660 (wie durch die Spannung an der Gateelektrode des Sourcefolger-Transistors 650 moduliert) an einen Spaltenausgabe-Bus (mit „V_out“ bezeichnet) auszugeben.
  • Bezugnehmend auf die 1A bis 18 und gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist eine Halbleiterstruktur vorgesehen, die einen Photodetektor (mit einem Transfertransistor 630) enthält. Der Photodetektor enthält eine Substrathalbleiterschicht 601 mit einer Dotierung eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps, die einen pn-Übergang mit der Substrathalbleiterschicht 601 bildet, einen Floating-Diffusionsbereich 608, der seitlich von der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps beabstandet ist, und eine Transfergateelektrode 605 mit einem unteren Transfergateelektrodenabschnitt 605L, der in der Substrathalbleiterschicht 601 ausgebildet ist und zwischen der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Floating-Diffusionsbereich 608 angeordnet ist.
  • Ferner sehen die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung einen Bildsensor vor, der mehrere Pixel 900 enthält, die auf einer Substrathalbleiterschicht 601 mit einer Dotierung eines ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet sind. Jedes einzelne Pixel 900 der mehreren Pixel 900 kann eine Photodetektorschaltung enthalten, die einen Photodetektor (mit einem Transfertransistor 630) und eine Erfassungsschaltung (640, 650, 660) enthält. Jeder der Photodetektoren enthält eine Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps, die einen pn-Übergang mit der Substrathalbleiterschicht 601 bildet, einen Floating-Diffusionsbereich 608, der seitlich von der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps beabstandet ist und sich auf einer vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht 601 befindet, und eine Transfergateelektrode 605 mit einem unteren Transfergateelektrodenabschnitt 605L, der in der Substrathalbleiterschicht 601 ausgebildet ist und sich zwischen der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Floating-Diffusionsbereich 608 befindet. Jedes Pixel 900 der mehreren Pixel 900 enthält eine entsprechende optische Baugruppe, die auf einer rückseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht 601 angeordnet und so konfiguriert ist, dass sie einfallendes Licht zu einem entsprechenden der pn-Übergänge der Photodetektoren lenkt.
  • In einer Ausführungsform können mehrere Gräben 639 in der Substrathalbleiterschicht 601 angeordnet sein. Die mehreren Gräben 639 können sich vertikal von der vorderen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht 601 (auf der sich die Photodetektoren befinden) in Richtung der rückseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht 601 (auf der sich die optischen Anordnungen befinden) erstrecken. Jeder der unteren Transfergateelektrodenabschnitte 605L kann sich in einem jeweiligen der mehreren Gräben 639 befinden.
  • Bezugnehmend auf 19 zeigt ein Prozessablaufdiagramm eine beispielhafte Prozesssequenz zum Ausbilden einer Halbleiterstruktur mit einem Photodetektor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezugnehmend auf Schritt 1910 kann ein Halbleitersubstrat 500 mit einer Substrathalbleiterschicht 601 mit einer Dotierung eines ersten Leitfähigkeitstyps bereitgestellt werden. Bezugnehmend auf Schritt 1920 kann eine Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps in der Substrathalbleiterschicht 601 ausgebildet werden. Die Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps bildet einen pn-Übergang mit der Substrathalbleiterschicht 601. Bezugnehmend auf Schritt 1930 kann eine Transfergateelektrode 605 ausgebildet werden, die einen unteren Transfergateelektrodenabschnitt 605L aufweist, der in der Substrathalbleiterschicht 601 benachbart zu dem pn-Übergang ausgebildet ist. Bezugnehmend auf Schritt 1940 wird ein Floating-Diffusionsbereich 608 in einem Abschnitt der Substrathalbleiterschicht 601 ausgebildet, der benachbart zu der Transfergateelektrode 605 ist. Die Transfergateelektrode 605 befindet sich zwischen der Photodiodenschicht 602 des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Floating-Diffusionsbereich 608.
  • Die verschiedenen Verfahren und Strukturen der vorliegenden Offenbarung können verwendet werden, um eine Photodetektorschaltung bereitzustellen, in der ein Transfer elektrischer Ladungen von einem Photodiodenbereich zu einem Floating-Diffusionsbereich 608 durch eine vergrabene Transfergateelektrode 605 gesteuert wird, die Abschnitte enthält, die in einem zwischen dem Photodiodenbereich und dem Floating-Diffusionsbereich 608 angeordneten Graben liegen. Ein Verlust der gespeicherten elektrischen Ladungen in dem Photodiodenbereich wird minimiert, und ein Ladungstransfer von dem Photodiodenbereich zu dem Floating-Diffusionsbereich 608 geschieht nur, wenn die vergrabene Transfergateelektrode 605 eingeschaltet ist. Somit können optische Bilder mit hoher Wiedergabetreue unter Verwendung der vergrabenen Transfergateelektroden 605 der vorliegenden Offenbarung erzeugt werden.
  • 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.

Claims (20)

  1. Halbleiterstruktur, die einen Photodetektor aufweist, wobei der Photodetektor Folgendes aufweist: eine Substrathalbleiterschicht, die eine Dotierung eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist; eine Photodiodenschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die einen pn-Übergang mit der Substrathalbleiterschicht bildet; einen Floating-Diffusionsbereich, der seitlich von der Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps beabstandet ist; und eine Transfergateelektrode, die einen unteren Transfergateelektrodenabschnitt aufweist, der in der Substrathalbleiterschicht ausgebildet ist und zwischen der Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Floating-Diffusionsbereich angeordnet ist.
  2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei: der Photodetektor einen Graben aufweist, der in der Substrathalbleiterschicht angeordnet ist und sich vertikal von einer vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht in Richtung einer rückseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht erstreckt; und der untere Transfergateelektrodenabschnitt in dem Graben angeordnet ist.
  3. Halbleiterstruktur nach Anspruch 2, wobei der Graben eine größere Tiefe als eine vertikale Dicke des Floating-Diffusionsbereichs aufweist.
  4. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Transfergateelektrode einen oberen Transfergateelektrodenabschnitt aufweist, der über der Substrathalbleiterschicht angeordnet ist und eine größere seitliche Ausdehnung als der untere Transfergateelektrodenabschnitt aufweist.
  5. Halbleiterstruktur nach Anspruch 4, wobei ein Randbereich des oberen Transfergateelektrodenabschnitts einen Überlappungsbereich mit einem Randbereich des Floating-Diffusionsbereichs in einer Draufsicht entlang einer Richtung aufweist, die senkrecht zu einer vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht ist.
  6. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der untere Transfergateelektrodenabschnitt in einem Ringgraben angeordnet ist, der die Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps seitlich umgibt.
  7. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der untere Transfergateelektrodenabschnitt eine planare untere Oberfläche mit einem inneren Randbereich und einem äußeren Randbereich aufweist, die die Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyp in einer gleichen Tiefe von einer vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht seitlich umgeben.
  8. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der untere Transfergateelektrodenabschnitt einen zinnenförmigen unteren Bereich mit mehreren unteren Oberflächensegmenten aufweist, die durch vertikale Seitenwände des unteren Transfergateelektrodenabschnitts miteinander verbunden sind.
  9. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: mindestens einen zusätzlichen Floating-Diffusionsbereich, der seitlich von dem Floating-Diffusionsbereich beabstandet ist und seitlich von der Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps beabstandet ist.
  10. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: mindestens eine zusätzliche Transfergateelektrode, die in der Substrathalbleiterschicht angeordnet ist, wobei die Transfergateelektrode und die mindestens eine zusätzliche Transfergateelektrode um einen Randbereich der Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps herum angeordnet sind und seitlich voneinander beabstandet sind.
  11. Halbleiterstruktur nach Anspruch 10, ferner aufweisend: mindestens einen zusätzlichen Floating-Diffusionsbereich, der seitlich von der Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps beabstandet ist, wobei jede der mindestens einen zusätzlichen Transfergateelektroden zwischen der Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps und einem zugehörigen zusätzlichen Floating-Diffusionsbereich der mindestens einen zusätzlichen Floating-Diffusionsbereiche angeordnet ist.
  12. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der untere Transfergateelektrodenabschnitt ein vertikales Querschnittsprofil aufweist, bei dem eine Breite des unteren Transfergateelektrodenabschnitts schrittweise mindestens einmal entlang eines vertikalen Abstandes von einer vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht abnimmt.
  13. Halbleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine dotierte Wannenstruktur, die Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren atomaren Konzentration als die Substrathalbleiterschicht enthält und seitlich einen Bereich des unteren Gateelektrodenabschnitts umgibt, der nicht an den Floating-Diffusionsbereich angrenzt.
  14. Bildsensor, der mehrere Pixel aufweist, die auf einer Substrathalbleiterschicht angeordnet sind, welche Dotierung eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, wobei jedes Pixel der mehreren Pixel eine Photodetektorschaltung aufweist, die einen Photodetektor und eine Erfassungsschaltung aufweist, wobei jeder der Photodetektoren Folgendes aufweist: eine Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die einen pn-Übergang mit der Substrathalbleiterschicht bildet; einen Floating-Diffusionsbereich, der seitlich von der Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps beabstandet ist und auf einer vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht angeordnet ist; und eine Transfergateelektrode, die einen unteren Transfergateelektrodenabschnitt aufweist, der in der Substrathalbleiterschicht ausgebildet ist und zwischen der Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Floating-Diffusionsbereich angeordnet ist, und wobei jedes Pixel der mehreren Pixel eine jeweilige optische Baugruppe enthält, die auf der Substrathalbleiterschicht angeordnet ist und eingerichtet ist, einfallendes Licht zu einem jeweiligen pn-Übergang der pn-Übergänge der Photodetektoren zu lenken.
  15. Bildsensor nach Anspruch 14, der ferner aufweisend: mehrere Gräben, die in der Substrathalbleiterschicht angeordnet sind und sich vertikal von der vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht in Richtung der rückseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht erstrecken, wobei jeder der unteren Transfergateelektrodenabschnitte in einem jeweiligen Graben der mehreren Gräben angeordnet ist.
  16. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur, umfassend: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats mit einer Substrathalbleiterschicht, die eine Dotierung eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist; Bilden einer Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps in der Substrathalbleiterschicht, wobei die Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps einen pn-Übergang mit der Substrathalbleiterschicht bildet; Bilden einer Transfergateelektrode, die einen unteren Transfergateelektrodenabschnitt aufweist, welcher in der Substrathalbleiterschicht an den pn-Übergang angrenzend ausgebildet ist; und Bilden eines Floating-Diffusionsbereichs in einem Abschnitt der Substrathalbleiterschicht, der an die Transfergateelektrode angrenzt, wobei die Transfergateelektrode zwischen der Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps und dem Floating-Diffusionsbereich angeordnet ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: Bilden eines Grabens, der sich von einer vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht in Richtung einer rückseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht erstreckt, an die Photodiodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps angrenzend, wobei die Transfergateelektrode durch Abscheiden und Strukturieren einer Gateelektrodenmaterialschicht in und über dem Graben gebildet wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: Ausbilden einer Gatedielektrikumschicht auf Seitenwänden des Grabens und auf der vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht, wobei die Gateelektrodenmaterialschicht auf der Gatedielektrikumschicht gebildet wird; und Strukturieren der Gatedielektrikumschicht in ein Transfergatedielektrikum nach dem Strukturieren der Gateelektrodenmaterialschicht zu der Transfergateelektrode.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, ferner umfassend: Bilden einer Erfassungsschaltung auf der vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht; Abdünnen der Substrathalbleiterschicht durch Ausnehmen der rückseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht in Richtung der vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht; und Ausbilden einer optischen Baugruppe auf der Substrathalbleiterschicht, wobei die optische Baugruppe eingerichtet ist, einfallendes Licht auf den pn-Übergang zu lenken.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Graben eine größere Tiefe als eine vertikale Dicke des Floating-Diffusionsbereichs aufweist; und der Floating-Diffusionsbereich gebildet wird, indem Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps in einen Abschnitt der Substrathalbleiterschicht implantiert werden, der unter einem Randbereich eines oberen Transfergateelektrodenabschnitts liegt, welcher über dem Graben angeordnet ist, wobei der Randbereich des oberen Transfergateelektrodenabschnitts einen Überlappungsbereich mit einem Randbereich des Floating-Diffusionsbereichs in einer Draufsicht entlang einer Richtung senkrecht zur vorderseitigen horizontalen Oberfläche der Substrathalbleiterschicht aufweist.
DE102020111491.5A 2020-04-20 2020-04-28 Photodetektor mit einer vergrabenen gateelektrode für einentransfertransistor und herstellungsverfahren Pending DE102020111491A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/852,674 2020-04-20
US16/852,674 US11527563B2 (en) 2020-04-20 2020-04-20 Photodetector using a buried gate electrode for a transfer transistor and methods of manufacturing the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020111491A1 true DE102020111491A1 (de) 2021-10-21

Family

ID=76507842

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020111491.5A Pending DE102020111491A1 (de) 2020-04-20 2020-04-28 Photodetektor mit einer vergrabenen gateelektrode für einentransfertransistor und herstellungsverfahren

Country Status (5)

Country Link
US (2) US11527563B2 (de)
KR (1) KR102515309B1 (de)
CN (1) CN113053929A (de)
DE (1) DE102020111491A1 (de)
TW (1) TWI742841B (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220285424A1 (en) * 2021-03-03 2022-09-08 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited Vertically arranged semiconductor pixel sensor
US20230411540A1 (en) * 2022-06-16 2023-12-21 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited Semiconductor device and method of making
TWI818792B (zh) * 2022-11-02 2023-10-11 台亞半導體股份有限公司 光電二極體結構及其製造方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060138486A1 (en) 2004-12-23 2006-06-29 Lim Keun H CMOS image sensor and method for fabricating the same
US20060289911A1 (en) 2005-06-24 2006-12-28 Korea Advanced Institute Of Science And Technology CMOS image sensor
US20080277693A1 (en) 2007-05-10 2008-11-13 Micron Technology, Inc. Imager element, device and system with recessed transfer gate
US20170162622A1 (en) 2012-05-10 2017-06-08 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Backside Structure and Methods for BSI Image Sensors

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100778856B1 (ko) 2005-09-28 2007-11-22 동부일렉트로닉스 주식회사 씨모스 이미지 센서의 제조방법
US8487350B2 (en) 2010-08-20 2013-07-16 Omnivision Technologies, Inc. Entrenched transfer gate
JP2012175067A (ja) * 2011-02-24 2012-09-10 Sony Corp 撮像素子、製造方法、および電子機器
KR101867488B1 (ko) * 2012-01-10 2018-06-14 삼성전자주식회사 이미지 센서
JP2015228388A (ja) 2012-09-25 2015-12-17 ソニー株式会社 固体撮像装置、電子機器
KR102087112B1 (ko) * 2013-04-23 2020-03-10 삼성전자 주식회사 이미지 센서
KR20150062487A (ko) * 2013-11-29 2015-06-08 삼성전자주식회사 이미지 센서
JP6595750B2 (ja) 2014-03-14 2019-10-23 キヤノン株式会社 固体撮像装置及び撮像システム
KR102383649B1 (ko) 2014-08-19 2022-04-08 삼성전자주식회사 Cmos 이미지 센서
US10734434B2 (en) * 2018-05-18 2020-08-04 Omnivision Technologies, Inc. Vertical overflow drain combined with vertical transistor
KR20210015755A (ko) 2018-05-31 2021-02-10 소니 주식회사 광전변환 소자 및 광전변환 소자의 제조 방법
EP3832726B1 (de) * 2018-07-31 2023-11-01 Sony Semiconductor Solutions Corporation Bildgebungsvorrichtung und elektronische einrichtung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060138486A1 (en) 2004-12-23 2006-06-29 Lim Keun H CMOS image sensor and method for fabricating the same
US20060289911A1 (en) 2005-06-24 2006-12-28 Korea Advanced Institute Of Science And Technology CMOS image sensor
US20080277693A1 (en) 2007-05-10 2008-11-13 Micron Technology, Inc. Imager element, device and system with recessed transfer gate
US20170162622A1 (en) 2012-05-10 2017-06-08 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Backside Structure and Methods for BSI Image Sensors

Also Published As

Publication number Publication date
US11527563B2 (en) 2022-12-13
US20220367546A1 (en) 2022-11-17
CN113053929A (zh) 2021-06-29
KR102515309B1 (ko) 2023-03-28
US20210327932A1 (en) 2021-10-21
KR20210130075A (ko) 2021-10-29
TW202141769A (zh) 2021-11-01
TWI742841B (zh) 2021-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102017123338B4 (de) Verfahren zur qualitätssteigerung durch doppeiseitige multiabsorptionsstruktur
DE102018126875A1 (de) Mehrfachtiefgrabenisolations(MDTI)-Strukur für CMOS-Bildsensor
DE102017118989A1 (de) Verfahren zum ausbilden einer absorptionsverbesserungsstruktur für einen bildsensor
DE102017119031B4 (de) Bildsensor mit einer hochabsorbierenden schicht
DE102018130470A1 (de) Pixelvorrichtung auf struktur tiefer grabenisolierung (dti) für bildsensor
DE102018124677A1 (de) SPAD-Bildsensor und zugehöriges Herstellungsverfahren
DE102019117311A1 (de) Ein bildsensor mit verbesserter full well-kapazität und zugehörigem bildungsverfahren
DE102019120380A1 (de) Verbund-bsi-aufbau und verfahren zu seiner herstellung
DE102016100013A1 (de) Zusätzlicher dotierter Bereich für rückseitige tiefe Grabenisolation
DE102020111491A1 (de) Photodetektor mit einer vergrabenen gateelektrode für einentransfertransistor und herstellungsverfahren
DE112018005850T5 (de) Lichtdetektionselement und herstellungsverfahren für selbiges
DE102019107611A1 (de) Hochleistungs-bildsensor
DE102020100097B4 (de) Bildsensor mit einer überlappung einer rückseitigen grabenisolationsstruktur mit einem vertikalen transfergate
DE102021119400A1 (de) Rückseitenstruktur für bildsensor
DE102018122628B4 (de) CMOS Bildsensor mit gezackter Fotodiodenstruktur
DE102020107096A1 (de) Linsenstruktur, die zum erhöhen der quantenausbeute eines bildsensors konfiguriert ist
DE102021109737A1 (de) Germaniumhaltiger photodetektor und verfahren zu seiner herstellung
DE112021006393T5 (de) Fotodiodenvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften
DE102021104497A1 (de) Bildsensor mit passivierungsschicht zur dunkelstromreduzierung
DE102017117948B4 (de) Cmos-bildsensor mit dual-damascene-gitterdesign mit einer absorptionsverstärkungsstruktur
DE102018107914A1 (de) Erhöhter optischer Pfad für Licht mit langer Wellenlänge durch eine Gitterstruktur
DE102021100278A1 (de) Verbesserter entwurf für bildsensortechnik
DE102019135080A1 (de) Rückseitige brechungsschicht für rückseitig beleuchteten bildsensor und verfahren zu dessen herstellung
DE102018122505A1 (de) Rückseitige Tiefgrabenisolier- (BDTI) Struktur für Bildsensor mit Pinned-Photodiode
DE102022100792A1 (de) Tiefe grabenisolation zur reduzierung der kreuzkopplung

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication