DE102020111618A1

DE102020111618A1 - Bildsensor mit verbesserter lichtumwandlungseffizienz

Info

Publication number: DE102020111618A1
Application number: DE102020111618.7A
Authority: DE
Inventors: Shih-Yu LIAO; Tsai-Hao Hung; Ying-Hsun CHEN
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2021-09-30
Also published as: US20210305291A1; TW202137526A; US20220310679A1; US11355544B2; KR102454020B1; TWI747589B; CN113053936A; US20240204032A1; KR20210122006A; US11955501B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung beschreibt ein Verfahren für die Bildung von Spiegelmikrostrukturen auf Strahlungserfassungsregionen von Bildsensorvorrichtungen. Das Verfahren umfasst Bilden einer Öffnung in einer vorderseitigen Fläche eines Substrats; Bilden einer konformen Implantationsschicht an Boden- und Seitenwandflächen der Öffnung; Züchten einer ersten epitaktischen Schicht an der Boden- und den Seitenwandflächen der Öffnung; Abscheiden einer zweiten epitaktischen Schicht auf der ersten epitaktischen Schicht, um die Öffnung zu füllen, wo die zweite epitaktische Schicht eine Strahlungserfassungsregion bildet. Das Verfahren umfasst weiter Abscheiden eines Stapels an freiliegenden Oberflächen der zweiten epitaktischen Schicht, wo der Stapel abwechselnde Paare einer Schicht aus Material mit hohem Brechungsindex und einer Schicht aus Material mit niederem Brechungsindex aufweist.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Halbleiterbildsensoren werden verwendet, um eingehende sichtbare oder nicht sichtbare Strahlung, wie sichtbares Licht, Infrarotlicht usw. zu erfassen. Komplementäre Metalloxid-Halbleiter- Bildsensoren (CMOS- Bildsensoren) (CIS) und ladungsgekoppelte Vorrichtungssensoren (CCD-Sensoren) werden in verschiedenen Anwendungen verwendet, wie in Computern, Digitalkameras, Mobiltelefonen, Tablets, Brillen, wissenschaftlichen Instrumenten usw. Diese Bildsensoren nutzen eine Anordnung von Pixeln, die die einfallende Strahlung absorbieren (z.B. erfassen) und sie in elektrische Signale umwandeln. Ein Beispiel eines Bildsensors ist eine rückseitig beleuchtete (BSI) Bildsensorvorrichtung, die Strahlung von einer „Rückseite“ eines Substrats erfasst.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Offenbarung lassen sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zugunsten einer klaren Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.

1 ist eine Querschnittsansicht eines Stapels mit einer rückseitig beleuchteten (BSI) Bildsensorvorrichtung, die an einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) befestigt ist, gemäß manchen Ausführungsformen.
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Strahlungserfassungsregion mit einem Bragg-Spiegel gemäß manchen Ausführungsformen.
3 ist ein Ablaufdiagramm eines Fertigungsverfahrens, das den Bildungsprozess von Bragg-Spiegeln auf Strahlungserfassungsregionen in einer rückseitig beleuchteten (BSI) Bildsensorvorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen zeigt.
4-11 sind Querschnittsansichten von Zwischenstrukturen während der Fertigung von Bragg-Spiegeln auf Strahlungserfassungsregionen in einer rückseitig beleuchteten (BSI) Bildsensorvorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen.
12a ist eine Querschnittsansicht eines Bragg-Spiegels, der auf mehreren Oberflächen einer Strahlungserfassungsregion in einer rückseitig beleuchteten (BSI) Bildsensorvorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen gebildet ist.
12b-12e sind Querschnittsansichten von Zwischenstrukturen während der Fertigung einer Strahlungserfassungsregion mit mehreren freiliegenden Oberflächen in einer rückseitig beleuchteten (BSI) Bildsensorvorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen.
13 ist eine Querschnittsansicht eines Bragg-Spiegels, der auf einer oktaederförmigen Strahlungserfassungsregion in einer rückseitig beleuchteten (BSI) Bildsensorvorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen gebildet ist.
14 ist eine Querschnittsansicht eines Bragg-Spiegels, der auf einer rautenförmigen Strahlungserfassungsregion in einer rückseitig beleuchteten (BSI) Bildsensorvorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen gebildet ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Offenbarung sieht viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zur Implementierung verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands vor. Spezielle Beispiele von Komponenten und Anordnungen sind in der Folge zur Vereinfachung der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und nicht als Einschränkung gedacht. Zum Beispiel kann die Bildung eines ersten Merkmals auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen enthalten, in welchen das erste und zweite Merkmal in direktem Kontakt angeordnet sind, und kann auch Ausführungsformen enthalten, in welchen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und zweiten Merkmal gebildet sind, so dass das erste und zweite Merkmal nicht in direktem Kontakt sein mögen. Zusätzlich kann die vorliegende Offenbarung Bezugsnummern und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Klarheit und legt selbst kein Verhältnis zwischen den verschiedenen besprochenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen fest.
Ferner können raumbezogene Begriffe, wie „unterhalb“, „unter“, „niedriger“, „oberhalb“, „oberer“ und dergleichen hier zur einfachen Beschreibung verwendet werden, um ein Verhältnis eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Element(en) oder Merkmal(en) zu beschreiben, die in den Figuren dargestellt sind. Die raumbezogenen Begriffe sollen unterschiedliche Orientierungen der Vorrichtung in Verwendung oder Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung beinhalten. Die Vorrichtung kann anders orientiert (90 Grad oder in anderen Orientierungen gedreht) sein und die raumbezogenen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso dementsprechend interpretiert werden.
Der Begriff „nominal“, wie hier verwendet, bezieht sich auf einen gewünschten oder Zielwert einer Eigenschaft oder eines Parameters für eine Komponente oder einen Prozessbetrieb, der während der Designphase eines Produkts oder eines Prozesses eingestellt wird, gemeinsam mit einem Bereich von Werten über und/oder unter dem gewünschten Wert. Der Bereich von Werten kann auf geringfügige Variationen in den Herstellungsprozessen und/oder Toleranzen zurückzuführen sein.
In manchen Ausführungsformen können die Begriffe „etwa“ und „im Wesentlichen“ einen Wert einer gegebenen Größe angeben, der innerhalb von 5 % des Werts variiert (z.B. ±1 %, ±2 %, ±3 %, ±4 %, ±5 % des Werts). Diese Werte sind nur Beispiele und sind nicht als Einschränkung gedacht. Es ist klar, dass die Begriffe „etwa“ und „im Wesentlichen“ sich auf einen Prozentsatz der Werte beziehen können, wie durch Fachleute in dem relevanten Gebiet (in den relevanten Gebieten) angesichts der vorliegenden Lehren interpretiert.
Eine rückseitig beleuchtete (BSI) Bildsensorvorrichtung weist ein Halbleitersubstrat (z.B. ein Siliziumsubstrat) auf, in dem eine Gruppe von Pixeln oder Strahlungserfassungsregionen gebildet ist. Wie hier offenbart, können die Begriffe „Strahlungserfassungsregionen“ und „Pixel“ durchgehend untereinander austauschbar verwendet werden. Die Strahlungserfassungsregionen (Pixel) sind konfiguriert, Photonen aus der einfallenden Strahlung in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Das elektrische Signal wird anschließend zu verarbeitenden Komponenten verteilt, die an der BSI-Bildsensorvorrichtung angebracht sind. Aus diesem Grund liegt die Pixelanordnung über einer Mehrstufen-Metallisierungsschicht, die konfiguriert ist, das in den Strahlungserfassungsregionen erzeugte elektrische Signal an geeignete Verarbeitungskomponenten zu verteilen. Die Mehrstufen-Metallisierungsschicht wird auf einer ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet, die hier als die „vorderseitige“ Oberfläche des Halbleitersubstrats bezeichnet ist. Weiters erstreckt sich die Pixelanordnung in das Halbleitersubstrat und ist konfiguriert, Strahlung von einer zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats gegenüber der vorderseitigen Fläche des Halbleitersubstrats zu empfangen. Diese zweite Oberfläche des Halbleitersubstrats, die die Strahlung empfängt (und gegenüber der Vorderfläche des Halbleitersubstrats liegt), wird hier als die „rückseitige“ Oberfläche des Halbleitersubstrats bezeichnet.
Benachbarte Strahlungserfassungsregionen (Pixel) in dem Halbleitersubstrat sind mit Isolationsstrukturen, wie tiefen Grabenisolierungsstrukturen (DTI-Strukturen) elektrisch isoliert, um Nebensprechen und Signalverlust zwischen den Strahlungserfassungsregionen zu minimieren. Mit den oben genannten Isolationsstrukturen ausgerichtet (und an der Rückseite des Halbleitersubstrats gebildet) sind entsprechende Gitterstrukturen, die optische Isolation zwischen benachbarten Pixeln oder Strahlungserfassungsregionen bereitstellen. Angrenzende Gitterstrukturen bilden gemeinsam Zellen, die gemeinsam eine Verbundgitterstruktur bilden, die konfiguriert ist, Farbfiltermaterial zu empfangen.
Das Farbfiltermaterial kann so ausgewählt sein, dass Licht mit einer gewünschten Wellenlänge durch das Farbfiltermaterial geht, während Licht mit anderen Wellenlängen durch das Farbfiltermaterial absorbiert wird. Zum Beispiel würde ein Grünlicht-Farbfiltermaterial, das ungefiltertes natürliches Licht empfängt, den grünen Lichtanteil (Wellenlängen zwischen etwa 495 nm und etwa 570 nm) durch das Farbfilter durchgehen lassen, aber alle anderen Wellenlängen absorbieren. Die Farbfilter sind mit entsprechenden Pixeln oder Strahlungserfassungsregionen ausgerichtet, um den entsprechenden Strahlungserfassungsregionen gefiltertes Licht bereitzustellen.
Als Beispiel und nicht zur Einschränkung kann das Substrat mit den Strahlungserfassungsregionen (Pixeln), der Mehrstufen-Metallisierungsschicht und der darauf gebildeten Gitterstruktur über Wafer-Bonding-Strukturen an einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) angebracht werden, die auf einem anderen Substrat gebildet ist. Die ASIC kann zum Beispiel ein komplementärer Metalloxid-Halbleiterwafer (CMOS-Wafer) sein - separat von der BSI-Bildsensorvorrichtung gefertigt - der konfiguriert ist, die oben besprochenen Signalverarbeitungsoperationen durchzuführen.
Eine Herausforderung bei BSI-Bildsensorvorrichtungen ist die Umwandlungseffizienz von Photonen zu einem elektrischen Signal. Der Grund ist, dass nicht alle der auftreffenden Photonen aus der einfallenden Strahlung zu dem elektrischen Signal umgewandelt werden und Photonen, die den Strahlungserfassungsregionen entweichen, nicht „wieder eingefangen“ werden können. Daher können BSI-Bildsensorvorrichtungen lange Strahlungsbelichtungszeiten, einen großen Fußabdruck, wesentliche Signalverstärkung oder Kombinationen davon benötigen, um unter strahlungsarmen Bedingungen zu arbeiten.
Zur Behebung der zuvor genannten Mängel sind die hier beschriebenen Ausführungsformen auf ein Verfahren zur Bildung von Spiegelmikrostrukturen auf Strahlungserfassungsregionen am Austrittspfad der einfallenden Strahlung gerichtet. In manchen Ausführungsformen sind die Spiegelmikrostrukturen Bragg-Spiegel, die den Lichtweg der einfallenden Strahlung innerhalb der Strahlungserfassungsregionen verlängern und somit Wiedereinfangen von Photonen verbessern. In manchen Ausführungsformen verlängert die Spiegelmikrostruktur den Lichtweg der einfallenden Strahlung innerhalb der Strahlungserfassungsregion und verbessert Wiedereinfangen von Photonen. Gemäß manchen Ausführungsformen ist jede Spiegelmikrostruktur ein Bragg-Spiegel (oder Bragg-Reflektor), der einen Stapel mit abwechselnden Schichtpaaren von Material mit hohem Brechungsindex (hohem Index) und niederem Brechungsindex (niederem Index) plus eine Schicht aus Material mit hohem Index (2m+1) aufweist; wo 2m die Anzahl von Paaren mit hohem Index und niederem Index ist. Die Begriffe „hoher Index“ und „niederer Index“, wie hier verwendet, sind relativ und geben das Verhältnis zwischen den Brechungsindizes der Schichten in dem Stapel wieder. Zum Beispiel hat das Material mit „hohem Index“ einen höheren Brechungsindex als das Material mit „niederem Index“. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung kann der Stapel zwischen 3 und 21 Schichten Material mit hohem Index und niederem Index aufweisen, die während oder nach der Fertigung der Strahlungserfassungsregionen gebildet werden. In manchen Ausführungsformen können die Dicke und die Anzahl der Schichten in dem Bragg-Spiegel basierend auf der Zielwellenlänge der einfallenden Strahlung und dem gewünschten Reflexionsvermögen genau festgelegt werden.
1 ist eine Querschnittsansicht eines Stapels 100, der eine BSI-Bildsensorvorrichtung 105, die an einer ASIC 110 angebracht ist, gemäß manchen Ausführungsformen aufweist. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung kann die ASIC 110 konfiguriert sein, die elektrischen Signale zu verarbeiten, die durch die BSI-Bildsensorvorrichtung 105 erzeugt werden. In Stapel 100 treten einfallende Strahlenbündel 115 in der BSI-Bildsensorvorrichtung 105 durch Mikrolinsen 120 und Farbfilter 125 in Strahlungserfassungsregionen oder Pixel 130 ein. Wie oben besprochen, sind Strahlungserfassungsregionen 130 durch Isolationsstrukturen 135 getrennt. In manchen Ausführungsformen weisen Strahlungserfassungsregionen 130 ein Halbleitermaterial wie Silizium (Si), Germanium (Ge) oder Siliziumgermanium (SiGe) auf, abhängig von der Strahlungswellenlänge von Interesse. Zum Beispiel kann Si für sichtbare Lichtanwendungen (z.B. zwischen etwa 380 nm bis 740 nm) verwendet werden und Ge kann für Infrarotanwendungen - z.B. für Wellenlängen zwischen etwa 940 nm und etwa 1550 nm verwendet werden. SiGe kann für Wellenlängen zwischen dem sichtbaren Licht und dem Infrarot verwendet werden. Ohne vom Wesen und Umfang der Offenbarung abzuweichen, werden Strahlungserfassungsregionen 130 im Kontext von Ge beschrieben.
Innerhalb von Strahlungserfassungsregionen 130 werden einfallende Strahlenbündel 115 zu einem elektrischen Signal umgewandelt, das wiederum durch Mehrstufen-Metallisierungsschicht 140 und Bonding-Strukturen 145 zur ASIC 110 verteilt wird. In manchen Ausführungsformen ist ASIC 110 ein CMOS-Wafer, der separat von der BSI-Bildsensorvorrichtung 105 gefertigt wird. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung kann die ASIC 110 aktive Vorrichtungen (z.B. Transistorstrukturen) 150 aufweisen, die auf dotierten Regionen 155 von Halbleitersubstrat (z.B. Siliziumsubstrat) 160 gebildet sind. Weiter sind aktive Vorrichtungen 150 physisch und elektrisch durch Isolationsstrukturen (z.B. flache Grabenisolationsstrukturen) 165 getrennt. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung können Anordnungen von aktiven Vorrichtungen 150 zur Bildung von Logik- und Speicherschaltungen in ASIC 110 verwendet werden. Elektrische Verbindungen zwischen aktiven Vorrichtungen 150 und BSI-Bildsensorvorrichtung 105 sind durch eine Mehrstufen-Metallisierungsschicht 170 bereitgestellt, die über aktiven Vorrichtungen 150 gebildet ist, wie in 1 gezeigt. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung kann die Mehrstufen-Metallisierungsschicht 170 von ASIC 110 ähnlich der Mehrstufen-Metallisierungsschicht 140 von BSI-Bildsensorvorrichtung 105 sein. Dies ist jedoch keine Einschränkung und die Mehrstufen-Metallisierungsschicht 170 kann sich von der Mehrstufen-Metallisierungsschicht 140 unterscheiden. Zum Beispiel kann die Mehrstufen-Metallisierungsschicht 170 komplexer sein als Mehrstufen-Metallisierungsschicht 140, mit zusätzlichen Schichten von Verdrahtung und einer engeren Teilung (z.B. kürzerer Distanz zwischen der Verdrahtung). Mehrstufen-Metallisierungsschichten 140 und 170 sind durch Bonding-Strukturen 145 gekoppelt, die aus Metall oder einer metallischen Legierung wie Kupfer, Aluminium-Kupfer, Aluminium-Germanium oder Kupfer-Zinn bestehen.
Der Stapel 100 kann physisch und elektrisch mit einer externen Vorrichtung oder Schaltung durch Pad-Strukturen 175 und Lotkugeln 180 verbunden werden. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung können Pad-Strukturen 175 an der Peripherie von BSI-Bildsensorvorrichtung 105 um Strahlungserfassungsregionen 130 herum angeordnet werden.
Ohne vom Wesen und Umfang der Offenbarung abzuweichen, kann Stapel 100 zusätzliche Komponenten aufweisen, die in 1 nicht dargestellt sind. Diese zusätzlichen Komponenten sind in 1 der einfachen Veranschaulichung wegen nicht dargestellt und können Metallverdrahtungen, aktive und/oder passive Vorrichtungen, Isolierschichten, Ätzstoppschichten, dotierte Regionen und andere Merkmale enthalten. Weiters kann Stapel 100 anders als in 1 dargestellt angeordnet sein und kann zusätzliche oder andere ASIC als ASIC 110 aufweisen.
Wie in 1 dargestellt, sind alle Elemente von Bildsensorvorrichtung 105 in oder um Substrat 185 herum gebildet. Zum Beispiel sind Strahlungserfassungsregionen 130 und Isolationsstrukturen 135 in Substrat 185 gebildet, während Mikrolinsen 120 an einer der Mehrstufen-Metallisierungsschicht 140 gegenüberliegenden Seite von Substrat 185 gebildet sind. Wie hier angegeben, wird die Seite von Substrat 185, wo Mikrolinsen 120 gebildet sind, auch als die „Rückseite“ bezeichnet, und die Seite von Substrat 185, wo die Mehrstufen-Metallisierungsschicht gebildet ist, wird auch als die „Vorderseite“ bezeichnet.
Gemäß manchen Ausführungsformen weist jede Strahlungserfassungsregion 130 von BSI-Bildsensorvorrichtung 105 einen Bragg-Spiegel 190 auf, der durchgelassene Strahlenbündel 115 zur Strahlungserfassungsregion 130 zurück reflektiert, um wieder eingefangen zu werden. In manchen Ausführungsformen weist der Bragg-Spiegel einen Stapel mit einer geraden Anzahl (2m+1) abwechselnder Schichten aus Material mit hohem Index und niederem Index auf. Wobei „m“ die gewünschte Anzahl von entweder den Schichten mit hohem Index oder Schichten mit niederem Index ist und 2m die Anzahl von Paaren mit hohem Index und niederem Index ist. Zum Beispiel, wenn die gewünschte Anzahl von Materialschichten mit hohem Index 3 ist, hat der Bragg-Spiegelstapel insgesamt 7 Schichten. Genauer hat der Bragg-Spiegelstapel 6 Paare aus Schichten mit hohem Index und niederem Index plus einer zusätzlichen Schicht mit hohem Index, sodass die Deck- und Bodenschicht des Bragg-Spiegelstapels Materialschichten mit hohem Index sind. In manchen Ausführungsformen ist die erste (z.B. Bodenschicht) und die letzte Schicht (z.B. Deckschicht) des Bragg-Spiegelstapels eine Materialschicht mit hohem Index.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist 2 eine vergrößerte Ansicht von Strahlungserfassungsregion 130 und Bragg-Spiegel 190, dargestellt in 1. Wie in 2 dargestellt, weist Bragg-Spiegel 190 abwechselnde Schichten aus Material mit hohem Index 200 und Material mit niederem Index 205 auf. Infolge der Konfiguration von Bragg-Spiegel 190 wird ein einfallendes Strahlenbündel 115 teilweise von der Grenzfläche jedes Materials mit hohem Index 200 und Materials mit niederem Index 205 reflektiert, während es sich durch den Stapel bewegt, um reflektierte Strahlenbündel 115' zu bilden. Reflektierte Strahlenbündel 115' treten in die Strahlungserfassungsregion 130 zum Wiedereinfangen von Photonen ein. Ein Bruchteil von reflektierten Strahlenbündeln 115' wird aufgrund des Prozesses zum Wiedereinfangen von Photonen in der Strahlungserfassungsregion 130 in ein elektrisches Signal umgewandelt und jeder nicht eingefangene Teil von Strahlenbündeln 115' entweicht der Strahlungserfassungsregion 130. Ein zweiter Teil des eingehenden Strahlenbündels 115 kann durch den Stapel (nicht dargestellt) absorbiert werden und ein dritter Teil des einfallenden Strahlenbündels 115 kann in das Substrat 185 durchgelassen werden, wie durch Pfeil 115" angegeben.
In manchen Ausführungsformen wird die Anzahl von Material mit hohem Index 200 und Material mit niederem Index 205 und deren entsprechende Dicken so gewählt, dass die Intensität des eingehenden Strahlenbündels 115 abnimmt, während es sich durch den Stapel bewegt. Gleichzeitig nimmt die Intensität reflektierter Strahlenbündel 115' zu, vorausgesetzt, die Absorbanz durch den Stapel ist vernachlässigbar. Die zuvor genannte Bedingung ist möglich, wenn reflektierte Strahlenbündel 115' phasengleich sind (oder eine Phasendifferenz haben, die ein Vielfaches von 360° (2π) ist), um eine konstruktive Interferenz zu fördern. Dies kann erreicht werden, wenn die Dicken 200t und 205t des Materials mit hohem Index 200 und Materials mit niederem Index 205 gleich λ/(4n_H) bzw. λ/(4n_L) sind; wobei n_H der Brechungsindex des Materials mit hohem Index 200 ist, n_L der Brechungsindex des Materials mit niederem Index 205 ist und λ die Wellenlänge des einfallenden Strahlenbündels 115 ist. Aus diesem Grund kann der Bragg-Spiegelstapel als ein „Viertelwellen“-Stapel bezeichnet werden. Basierend auf dem Vorhergesagten wird das Material mit hohem Index 200 dünner gebildet als Material mit niederem Index 205 (z.B. 200t < 205t).
In manchen Ausführungsformen wird das Reflexionsvermögen, das im Bragg-Spiegel 190 erreicht wird, durch die Anzahl von Schichtpaaren (2m) aus Material mit hohem Index 200 und Material mit niederem Index 205 und deren Brechungsindexkontrast bestimmt - z.B. die Brechungsindexdifferenz zwischen Material mit hohem Index 200 und Material mit niederem Index 205. Zum Beispiel kann zwischen zwei Bragg-Spiegeln mit Schichten mit einem im Wesentlichen ähnlichen Brechungsindexkontrast und einer unterschiedlichen Anzahl von Schichtpaaren der Bragg-Spiegel mit der größeren Anzahl von Schichtpaaren den höchsten Reflexionsgrad erreichen. Weiters kann zwischen zwei Bragg-Spiegeln mit derselben Anzahl von Schichtpaaren und verschiedenem Brechungsindexkontrast der Bragg-Spiegel mit den Schichten mit höchstem Index den höchsten Reflexionsgrad erreichen. Folglich können dünnere Bragg-Spiegel (z.B. mit weniger Schichten) gefertigt werden, wenn Material mit hohem Index 200 und Material mit niederem Index 205 mit einem hohen Brechungsindexkontrast ausgewählt werden. Zusätzlich erhöht sich die Reflexionsbandbreite (z.B. die Anzahl von Wellenlängen, die um einen mittleren Wellenlängenwert λ des einfallenden Strahlenbündels 115 reflektiert werden kann), wenn der Indexkontrast zwischen Material mit hohem Index 200 und Material mit niederem Index 205 größer ist.
Als Beispiel und nicht zur Einschränkung kann Bragg-Spiegel 190 (i) Titanoxid (TiO₂) als Material mit hohem Index 200 und Siliziumoxid (SiO₂) oder Magnesiumfluorid (MgF₂) als Material mit niederem Index 205, (ii) Galliumarsenid (GaAs) als Material mit hohem Index 200 und Aluminiumarsenid (AlAs) als Material mit niederem Index 205 oder (iii) Galliumnitrid (GaN) als Material mit hohem Index 200 und Aluminiumnitrid (AlN) als Material mit niederem Index 205 aufweisen. Diese Liste ist nicht erschöpfend und es können andere geeignete Materialkombinationen basierend auf den gewünschten reflektierenden Eigenschaften von Bragg-Spiegel 190 und der gewünschten Betriebswellenlänge oder des gewünschten Bereichs von Wellenlängen gewählt werden.
In manchen Ausführungsformen ist der Reflexionsgrad R von Bragg-Spiegel 190 mit einer geraden Anzahl (2m+1) von Schichten durch die unten gezeigte Formel (1) bereitgestellt: $R = {(\frac{n_{o} - Y}{n_{o} + Y})}^{2}$
wo n_o der Brechungsindex von Strahlungserfassungsregion 130 ist und Y die einfallende Leistung ist, bereitgestellt durch die unten gezeigte Formel (2): $Y = {(\frac{n_{H}}{n_{L}})}^{2m} \frac{{(n_{H})}^{2}}{n_{S}}$
wo n_H der Brechungsindex von Material mit hohem Index 200 ist, n_L der Brechungsindex von Material mit niederem Index 205 ist, ns der Brechungsindex der Schicht ist, die direkt auf dem Stapel gebildet ist, und 2m die Anzahl von Schichtpaaren im Bragg-Spiegel 190 ist.
Wenn zum Beispiel Strahlungserfassungsregion 130 Ge mit n_o=₄ aufweist und Bragg-Spiegel 190 7 Schichten (z.B. m=3) aus Material mit hohem Index 200, das TiO₂ mit n_H=2,45 ist, Material mit niederem Index 205, das SiO₂ mit n_L=1.45 ist, aufweist und n_s ein Siliziumsub-oxid (SiO_x) 210 (z.B. eine Deckschicht auf Bragg-Spiegel 190) mit n_s=1,46 ist, dann ist der Reflexionsgrad R etwa 84,6% und die einfallende Leistung Y ist etwa 97,7.
3 ist ein Ablaufdiagramm eines Fertigungsverfahrens 300, das den Bildungsprozess von Bragg-Spiegeln 190 beschreibt, die in 1 und 2 dargestellt sind. Andere Fertigungsoperationen können zwischen den verschiedenen Operationen von Verfahren 300 durchgeführt werden und können nur der Deutlichkeit und einfachen Beschreibung wegen weggelassen werden. Diese verschiedenen Operationen sind im Wesen und Umfang dieser Offenbarung. Ferner müssen nicht alle Operationen die hier bereitgestellte Offenbarung ausführen. Zusätzlich können manche der Operationen gleichzeitig oder in einer anderen Reihenfolge als jener, die in 3 dargestellt ist, durchgeführt werden. In manchen Ausführungsformen können eine oder mehrere andere Operationen zusätzlich zu oder anstelle von gegenwärtig beschriebenen Operationen durchgeführt werden.
Zu veranschaulichenden Zwecken und einfachen Beschreibung wird Verfahren 300 unter Bezugnahme auf die Bildung eines einzelnen Bragg-Spiegelstapels beschrieben; es sollte jedoch klar sein, dass eine Anordnung von Bragg-Spiegelstapeln gleichzeitig unter Verwendung von Verfahren 300 gebildet werden kann. Zusätzlich wird Verfahren 300 unter Verwendung von 4-11 beschrieben. Die zur Beschreibung von Verfahren 300 bereitgestellten Figuren dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht im Maßstab. Zusätzlich können die Figuren nicht die tatsächliche Geometrie der realen Strukturen, Merkmale oder Filme wiedergeben. Manche Strukturen, Filme oder Geometrien können zu veranschaulichenden Zwecken beliebig vergrößert oder weggelassen sein.
In Bezugnahme auf 3 beginnt Verfahren 300 mit Operation 305 und dem Prozess zur Bildung einer Grabenöffnung in einer vorderseitigen Fläche eines Halbleitersubstrats. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung ist 4 eine Teilquerschnittsansicht von Substrat 185 nach der Bildung einer Grabenöffnung 400 gemäß Operation 305 von Verfahren 300. In manchen Ausführungsformen werden Isolationsstrukturen 135 (die vor der Bildung von Grabenöffnung 400 gebildet werden) als Ausrichtungsmarkierungen zur Positionierung von Grabenöffnung 400 verwendet. Wie oben besprochen, kann eine Anordnung von Grabenöffnungen, wie Grabenöffnung 400, während Operation 305 in der vorderseitigen Fläche von Substrat 185 gebildet werden. In anschließenden Operationen von Verfahren 300 werden die Strahlungserfassungsregionen und Bragg-Spiegel in entsprechenden Grabenöffnungen, wie Grabenöffnung 400 gebildet. In manchen Ausführungsformen erfordert Bildung von Grabenöffnung 400 die Verwendung von Fotolithographie- und Ätzoperationen. Zum Beispiel kann eine Hartmaske oder ein Fotolack (nicht dargestellt) auf der vorderseitigen Fläche von Substrat 185 abgeschieden und strukturiert werden. Die strukturierte Hartmaske oder der Fotolack wird anschließend als eine Ätzmaske zur Bildung von Grabenöffnungen 400 in der vorderseitigen Fläche von Substrat 185 verwendet.
In manchen Ausführungsformen ist Substrat 185 ein photonischer Wafer-z.B. ein Wafer, der aus einem Material hergestellt ist, das für photonische Anwendungen geeignet ist. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung kann Substrat 185 Si oder einen anderen elementaren Halbleiter wie zum Beispiel (i) Ge; (ii) einen Verbindungshalbleiter, enthaltend SiGe, Siliziumcarbid (SiC), GaAs, Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Indiumarsenid (InAs) und/oder Indiumantimonid (InSb); (iii) einen Legierungshalbleiter, enthaltend Galliumarsenidphosphid (GaAsP), Aluminiumindiumarsenid (AlInAs), Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs), Galliumindiumarsenid (GaInAs), Galliumindiumphosphid (GaInP) und/oder Galliumindiumarsenidphosphid (GaInAsP); oder (iv) Kombinationen davon aufweisen.
Zu beispielhaften Zwecken wird Substrat 185 im Kontext von Si (z.B. einzelkristallin) beschrieben. Basierend auf der vorliegenden Offenbarung können andere Materialien, wie oben besprochen, verwendet werden. Diese Materialien sind im Wesen und Umfang dieser Offenbarung.
Wie oben besprochen, sind Isolationsstrukturen 135 konfiguriert, Nebensprechen und Signalverlust zwischen den Strahlungserfassungsregionen zu minimieren und können zum Beispiel durch Ätzen von Substrat 185, um Grabenöffnungen zu bilden, die anschließend mit einem dielektrischen Material wie Siliziumoxid gefüllt werden können, gebildet werden. In manchen Ausführungsformen sind Isolationsstrukturen 135 höher als Höhe H von Grabenöffnung 400 entlang der z-Richtung und schmäler als Breite W von Grabenöffnung 400 entlang der x-Richtung. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung kann Höhe H von Grabenöffnung 400 im Bereich zwischen etwa 50 nm und etwa 700 µm liegen und Breite W kann im Bereich zwischen etwa 50 nm und etwa 700 µm liegen. Es sind größere oder kleinere Grabenöffnungen 400 möglich. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung kann die Tiefe von Grabenöffnungen 400 entlang der y-Richtung etwa 5 µm sein.
Es wird festgehalten, dass Substrat 185, dargestellt in 4, um 180° in Bezug auf die Ausrichtung von Substrat 185, dargestellt in 1, gedreht sein kann. Mit anderen Worten, Substrat 185 in 1 ist „umgedreht“. In manchen Ausführungsformen wird die Bildung der Strahlungserfassungsregionen, wie hier beschrieben, von der vorderseitigen Fläche von Substrat 185 durchgeführt.
In Bezugnahme auf 3 fährt Verfahren 300 mit Operation 310 und dem Prozess zur Bildung einer konformen Implantationsschicht an Boden- und Seitenwandflächen von Grabenöffnung 400 fort. In manchen Ausführungsformen kann dies durch Abscheiden und -Strukturieren von undotiertem Siliziumglas (USG) bei einer Dicke von etwa 75 nm erreicht werden. USG hat eine hohe Abscheidungsrate bei niederen Temperaturen und ähnliche Eigenschaften wie Siliziumoxid. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung kann USG mittels plasmaverstärkter chemischer Dampfphasenabscheidung (PECVD), hochdichter Plasma-CVD (HDP-CVD) oder sub-atmosphärischer CVD (SACVD) abgeschieden werden. Das USG wird dann strukturiert und in einem anschließenden Implantationsprozess als Implantationsmaske verwendet. 5 zeigt die resultierende Struktur nach Operation 310 mit strukturierter USG-Schicht 500, die an der vorderseitigen Fläche von Substrat 185 abgeschieden ist, und Implantationsschicht 505, die an Seitenwand- und Bodenflächen von Grabenöffnung 400 abgeschieden ist. In manchen Ausführungsformen wird ein rascher Wärmetemperprozess (RTA-Prozess) verwendet, um die Dotierstoffe in der Implantationsschicht 505 zu aktivieren. Während des RTA-Prozesses kann die Dicke 505_t von Implantationsschicht 505 aufgrund von Dotierstoffmobilität zunehmen.
Da die strukturierte USG-Schicht 500 als Implantationsmaske verwendet wird, sind die Seitenwände von strukturierter USG-Schicht 500 nicht mit den Seitenwänden von Grabenöffnung 400 ausgerichtet. Insbesondere ist die Breite 500_w (die Breite der Öffnungen, die in der USG-Schicht durch den Strukturierungsprozess gebildet wird) um eine Menge gleich etwa der Dicke von Implantationsschicht 505 größer als die Breite W von Grabenöffnung 400. Mit anderen Worten, 500_w - W ≈ 505_t. In manchen Ausführungsformen ist die Dicke von Implantationsschicht 505 etwa 100 nm und der Dotierstoff, der zur Bildung von Implantationsschicht 505 verwendet wird, ist Bor. In manchen Ausführungsformen isoliert Implantationsschicht 505 die Strahlungserfassungsregion von Substrat 185 und verhindert Signalverlust durch Leckage zu Substrat 185. Somit können Dicke 505_t und die Dotierstoffkonzentration abgestimmt werden, um eine ausreichende elektrische Isolierung zu erreichen.
In Bezugnahme auf 3 fährt Verfahren 300 mit Operation 315 und dem Prozess zum epitaktischen Züchten einer kristallinen Si-Schicht (c-Si-Schicht) an den Boden- und Seitenwandflächen von Grabenöffnung 400 fort. In manchen Ausführungsformen ist die epitaktische c-Si-Schicht eine „Pufferschicht“, die die Bildung der Strahlungserfassungsregion erleichtert und die Bildung von Defekten verringert. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung kann die epitaktische c-Si-Schicht mit einem epitaktischen CVD-Prozess unter Verwendung von Silan (SiH₄) gebildet werden. 6 zeigt epitaktische c-Si-Schicht 600, die auf Implantationsschicht 505 gemäß Operation 315 von Verfahren 300 gezüchtet wurde. In manchen Ausführungsformen wächst die epitaktische c-Si-Schicht 600 selektiv auf freiliegenden Oberflächen von Substrat 185, das ebenso kristallin ist, wie oben besprochen. Mit anderen Worten, die epitaktische c-Si-Schicht 600 wächst nicht auf der strukturierten USG-Schicht 500. In manchen Ausführungsformen ist die Dicke von epitaktischer c-Si-Schicht etwa 45 nm. Dünnere epitaktische c-Si-Schichten (z.B. dünner als etwa 45 nm) können das Auftreten von Defekten in den darauf gezüchteten Strahlungserfassungsregionen nicht verhindern und dickere epitaktische c-Si-Schichten (z.B. dicker als etwa 45 nm) nehmen zusätzlichen Raum im Graben 400 ein, ohne zusätzliche Vorteile für die Strahlungserfassungsregionen zu bieten.
In Bezugnahme auf 3 fährt Verfahren 300 mit Operation 320 und dem Prozess zum Füllen von Graben 400 mit einer epitaktischen Schicht fort, um Strahlungserfassungsregionen 130 zu bilden. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung weisen Strahlungserfassungsregionen 130 epitaktisch gezüchtetes Ge auf. Wie oben besprochen, kann das Material für Strahlungserfassungsregionen 130 basierend auf dem Wellenlängenbereich gewählt werden, zu dessen Erfassung die BSI-Bildsensorvorrichtung konfiguriert ist. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung weisen zusätzliche Materialien, die für Strahlungserfassungsregionen 130 verwendet werden können, Halbleitermaterialien in der III-V-Gruppe auf, wie GaAs, InP, GaP und GaN. In manchen Ausführungsformen, wenn ein anderes Material als Ge für Strahlungserfassungsregionen 130 verwendet wird, kann epitaktische c-Si-Schicht 600 durch eine andere, passendere epitaktische Schicht ersetzt werden. Somit können verschiedene Kombinationen von epitaktischen Schichten in Operationen 315 und 320 verwendet werden, um im Wesentlichen defektlose Strahlungserfassungsregionen 130 zu erreichen. In manchen Ausführungsformen können Defekte in Strahlungserfassungsregionen 130 die Photonenumwandlungsleistung von Strahlungserfassungsregionen 130 beeinflussen.
In manchen Ausführungsformen können Strahlungserfassungsregionen 130 mit einem CVD-Prozess unter Verwendung eines geeigneten Vorläufergases (z.B. German (GeH₄)) gezüchtet werden. Nach dem Materialwachstum von Strahlungserfassungsregionen 130 wird ein chemisch-mechanischer Polierprozess (CMP-Prozess) zum Planarisieren der Oberfläche der Strahlungserfassungsregion 130 verwendet, so dass Deckflächen von Strahlungserfassungsregion 130 und strukturierte USG-Schicht 500 im Wesentlichen komplanar sind, wie in 7 gezeigt. Während des zuvor genannten CMP-Prozesses wird strukturierte USG-Schicht 500 poliert (z.B. ausgedünnt), aber nicht von der vorderseitigen Fläche von Substrat 185 entfernt.
In Bezugnahme auf 3 fährt Verfahren 300 mit Operation 325 und dem Prozess zum Abscheiden abwechselnder Schichten mit hohem Index und Schichten mit niederem Index fort, um einen Bragg-Spiegelstapel, wie Bragg-Spiegel 190, dargestellt in 1 und 2, zu bilden. Wie oben besprochen, können Schichten mit hohem Index und niederem Index aus Materialien wie TiO₂, SiO₂, GaAs, AlAs, AlN usw. ausgewählt werden. In manchen Ausführungsformen wird die Dicke dieser Schichten auf etwa λ/(4n) eingestellt; wo n der jeweilige Brechungsindex jeder Schicht ist und X die gewünschte zu erfassende Wellenlänge ist (z.B. die Wellenlänge des einfallenden Strahlenbündels 115). Wie oben besprochen, wird das Reflexionsvermögen, das durch den Bragg-Spiegel erreicht wird, durch die Anzahl von Schichtpaaren (2m) des Materials mit hohem Index und mit niederem Index und deren Brechungsindexkontrast bestimmt. Folglich können dünnere Bragg-Spiegel gefertigt werden, wenn das Material mit hohem Index und das Material mit niederem Index mit einem hohen Brechungsindexkontrast (z.B. der größtmöglichen Brechungsindexdifferenz) gewählt werden. Zusätzlich nimmt die Reflexionsbandbreite (z.B. die Anzahl von Wellenlängen, die um einen mittleren Wellenlängenwert λ des einfallenden Strahlenbündels reflektiert werden kann) zu, wenn der Indexkontrast zwischen dem Material mit hohem Index und Material mit niederem Index größer ist. Daher, je höher der Brechungsindexkontrast, desto breiter die Reflexionsbandbreite und die Anzahl von Wellenlängen um einen mittleren Wellenlängenwert, die durch die Bragg-Spiegelstruktur reflektiert werden kann.
Folglich erfordern Strahlungserfassungsregionen, die aus verschiedenen Materialien hergestellt und konfiguriert sind, auf verschiedene Wellenlängen zu reagieren, Bragg-Spiegel mit verschiedenen Arten von Schichten, verschiedenen Anzahlen von Schichten, verschiedenen Schichtdicken oder eine Kombination davon. In manchen Ausführungsformen kann die BSI-Bildsensorvorrichtung in Bereiche unterteilt werden, wo das Strahlungserfassungsmaterial sich für jeden Bereich unterscheidet, sodass der BSI-Bildsensor imstande ist, ein größeres Spektrum von Wellenlängen zu erfassen. Daher können entsprechende Bragg-Spiegel mit geeigneten Schichteigenschaften (z.B. Anzahl von Schichten, Arten von Schichten, Dicke von Schichten oder Kombinationen davon) für jede Strahlungserfassungsregion unter Verwendung einer Kombination von Fotolithographie-, Ätz- und Abscheidungsoperationen gebildet werden.
In manchen Ausführungsformen können Materialien mit hohem Index und niederem Index mit CVD-basierten Verfahren, auf Atomlagenabscheidung (ALD) basierenden Verfahren oder jedes geeignete Verfahren abgeschieden werden, das imstande ist, eine geeignete Schichtdickensteuerung und Dickengleichförmigkeit zu erreichen. Dickensteuerung (z.B. im sub-nm-Bereich), Dickengleichförmigkeit (z.B. im sub-nm-Bereich), gemeinsam mit Oberflächenrauheitssteuerung (z.B. im Ä-Bereich) stellen sicher, dass die reflektierten Strahlenbündel nicht phasenungleich sind.
In manchen Ausführungsformen werden die Schichten des Materials mit hohem Index und des Materials mit niederem Index nach der Abscheidung des Stapels strukturiert, um einzelne Bragg-Spiegel 190 auf entsprechenden Strahlungserfassungsregionen 130 zu bilden, wie in 1 und 8 dargestellt. Weiters, wie oben besprochen, sind die Deck- und Bodenschichten von Bragg-Spiegel 190 Material mit hohem Index.
Anschließend wird eine schützende Abdeckschicht 800 (z.B. eine epitaktische Siliziumschicht) selektiv auf Bragg-Spiegel 190 bei einer Dicke von etwa 40 nm abgeschieden, gefolgt von einer Abscheidung einer dielektrischen Schicht 805 und einem CMP-Prozess, der die dielektrische Schicht 805 planarisiert, wie in 8 dargestellt, sodass die verbleibende Dicke der dielektrischen Schicht 805 auf der schützenden Abdeckschicht 800 etwa 15 nm ist. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung kann die dielektrische Schicht 805 USG, Siliziumoxid, oder jedes andere geeignete dielektrische Material sein, das für die Wellenlänge der einfallenden Strahlung durchlässig ist. In manchen Ausführungsformen umgibt die schützende Abdeckschicht 800 Bragg-Spiegel 190 und wächst nicht auf der strukturierten USG-Schicht 500.
In Bezugnahme auf 3 fährt Verfahren 300 mit Operation 330 und dem Prozess zum Bilden der Mehrstufen-Metallisierungsschicht 140 an der vorderseitigen Fläche von Substrat 184 fort, die an Strahlungserfassungsregionen 130 gekoppelt ist, wie in 9 gezeigt. In manchen Ausführungsformen kann die Mehrstufen-Metallisierungsschicht 140 eine beliebige Anzahl von Metallisierungsschichten (z.B. zwischen etwa 1 und etwa 9) für eine effektive Signalausbreitung von Strahlungserfassungsregionen 130 zu der ASIC aufweisen. In manchen Ausführungsformen weist jede Schicht von Mehrstufen-Metallisierungsschicht 140 ein Netz von Metallverdrahtungen in der Form von Durchkontaktierungen und Leitungen auf. Durchkontaktierungen (in 9 nicht dargestellt) sind elektrisch an Strahlungserfassungsregionen 130 gekoppelt, um das elektrische Signal auszustrahlen, das während des Photonenumwandlungsprozesses erzeugt wird, wenn einfallende Strahlung in die BSI-Bildsensorvorrichtung von der rückseitigen Fläche von Substrat 185 eintritt.
Bonding-Strukturen 145 werden in einer dielektrischen Schicht 900 gebildet, die auf der Deckschicht von Mehrstufen-Metallisierungsschicht 140 gebildet ist. Bonding-Strukturen 145 werden mit entsprechenden Bonding-Strukturen der ASIC ausgerichtet, wenn die zwei Vorrichtungen physisch und elektrisch aneinander gebondet sind um Stapel 100, dargestellt in 1, zu bilden. In manchen Ausführungsformen sind Bonding-Strukturen 145 elektrisch an die Deckschicht von Mehrstufen-Metallisierungsschicht 140 gekoppelt, wie in 9 dargestellt.
In manchen Ausführungsformen wird für die Bildung von zusätzlichen Komponenten von BSI-Bildsensorvorrichtung 105, dargestellt in 1 (z.B. die Bildung von Farbfiltern 125, Mikrolinsen 120 und Pad-Strukturen 175), die teilweise gefertigte BSI-Bildsensorvorrichtung von 9 180° gedreht, sodass die rückseitige Fläche von Substrat 185 nach oben weist, wie in 10 dargestellt. Sobald diese Komponenten gebildet sind, werden die Bonding-Strukturen von BSI-Bildsensorvorrichtung 105 und ASIC 110 ausgerichtet und aneinander gebondet, wie in 11 dargestellt. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung können Lotkugeln 180, dargestellt in 1, nach dem Bonding-Prozess gebildet werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Bildung von Bragg-Spiegel 190 nicht auf eine einzelne Oberfläche von Strahlungserfassungsregion 130 (z.B. die Deckfläche, wie in 8 dargestellt) beschränkt sein. Zum Beispiel, wie in 12a dargestellt, kann Strahlungserfassungsregion 130 mit Facetten gezüchtet werden, die anschließend mit den Schichten von Bragg-Spiegel 190 bedeckt werden. Der Vorteil einer solchen Struktur ist, dass eine zusätzliche Oberfläche von Strahlungserfassungsregion 130 vom Bragg-Spiegel 190 verwendet werden kann, das durchgelassene einfallende Strahlenbündel zurück zur Strahlungserfassungsregion 130 zu reflektieren. In manchen Ausführungsformen wird Wachstum von Facetten durch die Bildung von Abstandhaltern 1200 gefördert, die an den Seitenwänden der Grabenöffnung vor der Bildung von Strahlungserfassungsregion 130 gebildet werden.
In Bezugnahme auf 12b-e können Abstandhalter 1200 zum Beispiel wie folgt gebildet werden. Nach der Bildung von Grabenöffnung 400 und strukturierter USG-Schicht 500 züchtet ein Wärmeoxidationsprozess eine Siliziumoxidschicht 1200' auf freiliegenden Oberflächen von Grabenöffnung 400, wie in 12b dargestellt. Da die vorderseitige Fläche von Substrat 185 von der strukturierten USG-Schicht 500 bedeckt ist, gibt es keine Bildung von Siliziumoxid an Oberflächen außerhalb von Grabenöffnung 400. Anschließend entfernt ein anisotropischer Ätzprozess Teile der Siliziumoxidschicht 1200' von dem Boden von Grabenöffnung 400 zur Bildung von Abstandhaltern 1200. Nach der zuvor genannten Ätzoperation ist die verbleibende Dicke von Abstandhaltern 1200 kleiner als etwa 10 nm. In manchen Ausführungsformen sind dickere Abstandhalter möglich; dickere Abstandhalter verbrauchen jedoch wertvollen Raum der Strahlungserfassungsregion 130. Anschließend können die Implantationsschicht 505 und epitaktische c-Si-Schicht wie in Verfahren 300 beschrieben (dargestellt in 12c) gebildet werden, gefolgt vom Wachstum von Strahlungserfassungsregion 130, dargestellt in 12e. In manchen Ausführungsformen erleichtert die Gegenwand der Abstandhalter 1200 die Bildung von Facetten in Strahlungserfassungsregion 130, wie in 12e und der isometrischen Ansicht von Strahlungserfassungsregion 130, dargestellt im Einsatz von 12e, dargestellt.
Der zuvor genannte Bildungsprozess der facettierten Strahlungserfassungsregionen 130 ist nicht begrenzt und ähnliche Operationen, die in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden, oder alternative Fertigungsoperationen sind möglich und im Wesen und Umfang dieser Offenbarung. Zum Beispiel können Abstandhalter 1200 vor der Bildung der strukturierten USG-Schicht 500 oder nach der Bildung der Implantationsschicht 505 und epitaktischen c-Si-Schicht 600 gebildet werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Kombination von Abstandhaltern 1200 und die Form von Grabenöffnung 400 eine Vielfalt von Strahlungserfassungsregionsformen mit verschiedenen Anzahl von Facetten produzieren - die z.B. von einem Oktaeder bis zu einer Raute reichen, wie in 13 bzw. 14 dargestellt. Folglich folgt der darauf gebildete Bragg-Spiegel 190 der Randkontur der darunterliegenden Strahlungserfassungsregion 130. In manchen Ausführungsformen erzeugt ein Steuern des Seitenwandwinkels θ und der Bodenbreite W_b von Grabenöffnung 400 die Formen von Strahlungserfassungsregion 130, die in 13 und 14 dargestellt sind. In manchen Ausführungsformen reicht der Seitenwandwinkel θ von etwa 30° bis etwa 60° und die Bodenbreite W_b ist kürzer als die obere Breite W_t. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung erzeugen große Seitenwandwinkel (z.B. näher bei 60°) und breite Bodenbreiten W_b (näher zur oberen Breite W_t) Strahlungserfassungsregionen mit mehr Facetten, wie die oktaederförmige Strahlungserfassungsregion 130, die in 13 dargestellt ist, deren isometrische Ansicht in dem Einsatz von 13 dargestellt ist. Andererseits erzeugen kleine Seitenwandwinkel (z.B. näher zu 30°) und schmälere Bodenbreiten W_b (z.B. annähernd gleich oder kleiner als die halbe obere Breite W_t) Strahlungserfassungsregionen mit weniger Facetten, wie rautenförmige Strahlungserfassungsregion 130, dargestellt in 14, deren isometrische Ansicht in dem Einsatz von 14 dargestellt ist. Es wird festgehalten, dass Bodenbreite W_b nicht kleiner als etwa 100 nm sein kann, da die Menge an Strahlung, die in die Strahlungserfassungsregion 130 eintritt, verringert ist, was unerwünscht ist.
Es wird festgehalten, dass jede Kombination der Strahlungserfassungsvorrichtungen und entsprechenden, hier beschriebenen Bragg-Spiegeln in einer einzigen BSI-Bildsensorvorrichtung verwendet werden kann.
Verschiedene Ausführungsformen gemäß dieser Offenbarung beschreiben die Bildung von Spiegelmikrostrukturen auf Strahlungserfassungsregionen am Austrittsweg der einfallenden Strahlung. In manchen Ausführungsformen sind die Spiegelmikrostrukturen Bragg-Spiegel, die den Lichtweg der einfallenden Strahlung innerhalb der Strahlungserfassungsregionen verlängern und somit Wiedereinfangen von Photonen verbessern. Gemäß manchen Ausführungsformen weist jeder Bragg-Spiegel einen Stapel mit abwechselnden Schichtpaare von Material mit hohem Brechungsindex (hohem Index) und niederem Brechungsindex (niederem Index) plus eine zusätzliche Schicht von Material mit hohem Index (2m+1) auf; wo 2m die Anzahl von Schichtpaaren mit hohem Index und niederem Index ist. In manchen Ausführungsformen wird die Dicke dieser Schichten auf etwa λ/(4n) eingestellt; wo n der entsprechende Brechungsindex jeder Schicht ist und λ die gewünschte zu erfassende Wellenlänge (z.B. die Wellenlänge von einfallender Strahlung) ist. Das Reflexionsvermögen, das durch den Bragg-Spiegel erreicht wird, wird durch die Anzahl von Schichtpaaren (2m) des Materials mit hohem Index und mit niederem Index und deren Brechungsindexkontrast erreicht. Folglich können dünnere Bragg-Spiegel gefertigt werden, wenn das Material mit hohem Index und das Material mit niederem Index mit einem hohen Brechungsindexkontrast gewählt werden. Zusätzlich nimmt die Reflexionsbandbreite (z.B. die Anzahl von Wellenlängen, die um einen mittleren Wellenlängenwert λ des einfallenden Strahlenbündels reflektiert werden kann) zu, wenn der Indexkontrast zwischen dem Material mit hohem Index und Material mit niederem Index größer ist. Als Beispiel und nicht zur Einschränkung kann der Stapel 3 bis 21 Schichten von Material mit hohem Index und niederem Index aufweisen, die während oder nach der Fertigung der Strahlungserfassungsregionen gebildet werden. In manchen Ausführungsformen weist das Paar von Schichten mit hohem Index und niederem Index jeweils TiO₂ und SiO₂, GaAs und AlAs oder GaN und AlN auf. In manchen Ausführungsformen kann ein Reflexionsgrad von 84,6% oder höher erreicht werden. In manchen Ausführungsformen bedeckt der Bragg-Spiegel mehr als eine Oberfläche (z.B. Facette) der Strahlungserfassungsregion. In manchen Ausführungsformen weist die Strahlungserfassungsregion Si, Ge, SiGe oder einen III-V auf. In manchen Ausführungsformen können Ge-Strahlungserfassungsregionen mit der Implementierung von Siliziumoxidabstandhaltern gebildet werden.
In manchen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren Bilden einer Öffnung in einer vorderseitigen Fläche eines Substrats; Bilden einer konformen Implantationsschicht an Boden und Seitenwandflächen der Öffnung; Züchten einer ersten epitaktischen Schicht an der Boden- und den Seitenwandflächen der Öffnung; Abscheiden einer zweiten epitaktischen Schicht auf der ersten epitaktischen Schicht, um die Öffnung zu füllen, wo die zweite epitaktische Schicht eine Strahlungserfassungsregion bildet. Das Verfahren umfasst weiter Abscheiden eines Stapels an freiliegenden Oberflächen der zweiten epitaktischen Schicht, wo der Stapel abwechselnde Paare einer Schicht aus Material mit hohem Brechungsindex und einer Schicht aus Material mit niederem Brechungsindex aufweist.
In manchen Ausführungsformen weist ein Bildsensor ein Substrat mit einer vorderseitigen Fläche und einer gegenüberliegenden rückseitigen Fläche auf; Mikrolinsen, die an der rückseitigen Fläche des Substrats gebildet sind; Farbfilter, die zwischen den Mikrolinsen und der rückseitigen Fläche des Substrats angeordnet sind; Strahlungserfassungsregionen in Gräben, die in der vorderseitigen Fläche des Substrats gebildet sind, wo die Strahlungserfassungsregionen ein epitaktisches Halbleitermaterial aufweisen. Der Bildsensor weist weiter eine Spiegelstruktur auf, die an Oberflächen des epitaktischen Halbleitermaterials angeordnet ist. mit abwechselnden Schichten einer ersten Materialschicht mit einem ersten Brechungsindexwert und einer zweiten Materialschicht mit einem zweiten Brechungsindexwert, der sich von dem ersten Brechungsindexwert unterscheidet; und eine Metallisierungsschicht, die an der vorderseitigen Fläche des Substrats über den Strahlungserfassungsregionen und der Spiegelstruktur gebildet ist.
In manchen Ausführungsformen weist ein Bildsensor ein Substrat mit einer vorderseitigen Fläche und einer gegenüberliegenden rückseitigen Fläche; Gräben, die in der vorderseitigen Fläche des Substrats gebildet sind, wo ein Bodenteil der Gräben ein konisch verjüngtes Profil aufweist, auf. Der Bildsensor weist weiter Strahlungserfassungsregionen in den Gräben auf, wo die Strahlungserfassungsregionen eine epitaktische Halbleitermaterialschicht mit Facetten aufweisen. Zusätzlich weist der Bildsensor eine Oxidschicht, die zwischen Oberflächen der Gräben und der Facetten der epitaktischen Halbleitermaterialschicht angeordnet ist; und einen Stapel abwechselnder Schichten auf, der auf den Facetten der epitaktischen Halbleitermaterialschicht angeordnet ist, wo die abwechselnden Schichten eine erste Materialschicht mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite Materialschicht mit einem zweiten Brechungsindex aufweisen.
Es ist klar, dass der Teil der ausführlichen Beschreibung und nicht die Zusammenfassung der Offenbarung zur Auslegung der Ansprüche verwendet werden soll. Der Teil der Zusammenfassung der Offenbarung kann eine oder mehrere, aber nicht alle beispielhaften, in Betracht gezogenen Ausführungsformen darlegen und diese sind somit nicht als Einschränkung der beiliegenden Ansprüche auszulegen.
Zuvor wurden Merkmale von mehreren Ausführungsformen angeführt, so dass Fachleute auf dem Gebiet die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen können. Fachleute auf dem Gebiet sollten zu schätzen wissen, dass sie die vorliegende Offenbarung leicht als Basis zur Gestaltung oder Modifizierung anderer Prozesse und Strukturen zur Ausführung derselben Zwecke und/oder zum Erreichen derselben Vorteile der hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute auf dem Gebiet sollten auch erkennen, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht vom Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abänderungen vornehmen können, ohne vom Wesen und Umfang der beiliegenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Verfahren, umfassend: Bilden einer Öffnung in einer vorderseitigen Fläche eines Substrats; Bilden einer konformen Implantationsschicht an Boden- und Seitenwandflächen der Öffnung; Züchten einer ersten epitaktischen Schicht an der Boden- und den Seitenwandflächen der Öffnung; Abscheiden einer zweiten epitaktischen Schicht auf der ersten epitaktischen Schicht, um die Öffnung zu füllen, wobei die zweite epitaktische Schicht eine Strahlungserfassungsregion bildet; und Abscheiden eines Stapels an freiliegenden Oberflächen der zweiten epitaktischen Schicht, wobei der Stapel abwechselnde Paare einer Materialschicht mit hohem Brechungsindex und einer Materialschicht mit niederem Brechungsindex aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: Abscheiden einer Abdeckschicht auf dem Stapel; und Bilden einer Metallisierungsschicht auf der Abdeckschicht, wobei die Metallisierungsschicht elektrisch an die Strahlungserfassungsregion gekoppelt und konfiguriert ist, ein elektrisches Signal von der Strahlungserfassungsregion an eine Signalverarbeitungsvorrichtung auszustrahlen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend Bilden einer Mikrolinse an einer rückseitigen Fläche des Substrats gegenüber der vorderseitigen Fläche, wobei die Mikrolinse konfiguriert ist, Strahlung, die auf die rückseitige Fläche des Substrats einfällt zur Strahlungserfassungsregion zu lenken.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Abscheiden des Stapels umfasst: Abscheiden der Materialschicht mit hohem Brechungsindex mit einer Dicke im Wesentlichen gleich einer Wellenlänge der einfallenden Strahlung, dividiert durch viermal einen Brechungsindexwert der Materialschicht mit hohem Brechungsindex; und Abscheiden der Materialschicht mit niederem Brechungsindex mit einer Dicke im Wesentlichen gleich der Wellenlänge der einfallenden Strahlung, dividiert durch viermal einen Brechungsindexwert der Materialschicht mit niederem Brechungsindex.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Materialschicht mit hohem Index Titanoxid (TiO₂), Galliumarsenid (GaAs) oder Galliumnitrid (GaN) enthält und die Materialschicht mit niederem Index Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumarsenid (AlAs) oder Aluminiumnitrid (AlN) enthält.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Abscheiden der zweiten epitaktischen Schicht Abscheiden einer epitaktischen Germaniumschicht umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Abscheiden des Stapels Bilden einer zusätzlichen Materialschicht mit hohem Brechungsindex auf den abwechselnden Paaren der Materialschicht mit hohem Brechungsindex und mit niederem Brechungsindex umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Abscheiden des Stapels Bilden jeder von einer Deckschicht und einer Bodenschicht des Stapels mit der Materialschicht mit hohem Brechungsindex umfasst.
Bildsensor, aufweisend: ein Substrat mit einer vorderseitigen Fläche und einer gegenüberliegenden rückseitigen Fläche; Mikrolinsen, die an der rückseitigen Fläche des Substrats gebildet sind; Farbfilter, die zwischen den Mikrolinsen und der rückseitigen Fläche des Substrats angeordnet sind; Strahlungserfassungsregionen in Gräben, die in der vorderseitigen Fläche des Substrats gebildet sind, wobei die Strahlungserfassungsregionen ein epitaktisches Halbleitermaterial aufweisen; eine Spiegelstruktur die an Oberflächen des epitaktischen Halbleitermaterials angeordnet ist und abwechselnde Schichten einer ersten Materialschicht mit einem ersten Brechungsindexwert und einer zweiten Materialschicht mit einem zweiten Brechungsindexwert, der sich von dem ersten Brechungsindexwert unterscheidet, aufweist; und eine Metallisierungsschicht, die an der vorderseitigen Fläche des Substrats über den Strahlungserfassungsregionen und der Spiegelstruktur gebildet ist.
Bildsensor nach Anspruch 9, wobei das epitaktische Halbleitermaterial Germanium mit drei oder mehr Facetten enthält und wobei eine Oxidschicht zwischen dem epitaktischen Halbleitermaterial und Oberflächen der Gräben eingefügt ist.
Bildsensor nach Anspruch 9 oder 10, wobei die erste Materialschicht eine Dicke im Wesentlichen gleich einem Verhältnis aufweist, das durch eine Wellenlänge der Strahlung, die auf die Strahlungserfassungsregionen einfällt, dividiert durch viermal den ersten Brechungsindexwert bereitgestellt ist.
Bildsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 11, wobei die zweite Materialschicht eine Dicke im Wesentlichen gleich einem Verhältnis aufweist, das durch eine Wellenlänge der Strahlung die auf die Strahlungserfassungsregionen einfällt, dividiert durch viermal den zweiten Brechungsindexwert bereitgestellt ist.
Bildsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 12, wobei der erste Brechungsindexwert größer ist als der zweite Brechungsindexwert.
Bildsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 13, weiter aufweisend eine Abdeckschicht, die Deck- und Seitenwandflächen der Spiegelstruktur bedeckt.
Bildsensor, aufweisend: ein Substrat mit einer vorderseitigen Fläche und einer gegenüberliegenden rückseitigen Fläche; Gräben, die in der vorderseitigen Fläche des Substrats gebildet sind, wobei ein Bodenteil der Gräben ein konisch verjüngtes Profil aufweist; Strahlungserfassungsregionen in den Gräben und aufweisend eine epitaktische Halbleitermaterialschicht mit Facetten; eine Oxidschicht, die zwischen Oberflächen der Gräben und der Facetten der epitaktischen Halbleitermaterialschicht angeordnet ist; und einen Stapel abwechselnder Schichten, der auf den Facetten der epitaktischen Halbleitermaterialschicht angeordnet ist, wobei die abwechselnden Schichten eine erste Materialschicht mit einem ersten Brechungsindex und eine zweite Materialschicht mit einem zweiten Brechungsindex aufweisen.
Bildsensor nach Anspruch 15, wobei die erste Materialschicht dünner ist als die zweite Materialschicht.
Bildsensor nach Anspruch 15 oder 16, wobei das konisch verjüngte Profil einen Seitenwandwinkel zwischen etwa 30° und etwa 60° aufweist, gemessen von einer Achse parallel zu den vorder- und rückseitigen Flächen.
Bildsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche 15 bis 17, wobei die erste Materialschicht Titanoxid (TiO₂), Galliumarsenid (GaAs) oder Galliumnitrid (GaN) enthält.
Bildsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche 15 bis 18, wobei die zweite Materialschicht Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumarsenid (AlAs) oder Aluminiumnitrid (AlN) enthält.
Bildsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche 15 bis 19, wobei die epitaktische Halbleitermaterialschicht Silizium, Germanium, Silizium-Germanium oder ein III-V Material enthält.