DE102021104497A1 - Bildsensor mit passivierungsschicht zur dunkelstromreduzierung - Google Patents

Bildsensor mit passivierungsschicht zur dunkelstromreduzierung Download PDF

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Hsiang-Lin Chen
Yi-Shin Chu
Yin-Kai Liao
Sin-Yi Jiang
Kuan-Chieh Huang
Jhy-Jyi Sze
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Abstract

Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zielen auf einen Bildsensor mit einer Passivierungsschicht zur Dunkelstromreduzierung ab. Eine Vorrichtungsschicht liegt über einem Substrat. Ferner liegt eine Deckschicht über der Vorrichtungsschicht. Die Deckschicht und die Vorrichtungsschicht und das Substrat sind Halbleitermaterialien, und die Vorrichtungsschicht weist eine kleinere Bandlücke als die Deckschicht und das Substrat auf. Die Deckschicht und das Substrat können beispielsweise Silicium sein, während die Vorrichtungsschicht Germanium sein oder umfassen kann. Ein Fotodetektor befindet sich in der Vorrichtungsschicht und der Deckschicht, und die Passivierungsschicht liegt über der Deckschicht. Die Passivierungsschicht umfasst ein dielektrisches Material mit hohem k-Wert und induziert die Ausbildung eines Dipolmoments entlang der oberen Fläche der Deckschicht.

Description

  • VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 63/084,697 , eingereicht am 29. September 2020, deren Inhalte hiermit durch Bezugnahme vollständig aufgenommen sind.
  • HINTERGRUND
  • Integrierte Schaltungen (ICs) mit Bildsensoren werden bei einer breiten Vielfalt von modernen elektronischen Vorrichtungen verwendet, wie beispielsweise in Kameras und Mobiltelefonen. In den letzten Jahren haben Bildsensoren in komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter-Technik (CMOS-Bildsensoren) eine breitgefächerte Verwendung gefunden und Bildsensoren mit ladungsgekoppelten Elementen (CCD-Bildsensoren) weitgehend ersetzt. CMOS-Bildsensoren werden wegen ihres niedrigen Energieverbrauchs, ihrer geringen Größe, ihrer schnellen Datenverarbeitung, ihrer direkten Ausgabe der Daten und ihrer niedrigen Herstellungskosten gegenüber CCD-Bildsensoren zunehmend bevorzugt. Typen von CMOS-Bildsensoren sind unter anderem vorderseitenbeleuchtete (FSI, en: frontside illuminated) Bildsensoren und rückseitenbeleuchtete (BSI, en: backside illuminated) Bildsensoren.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verständlich, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Figuren gelesen wird. Es sei noch angemerkt, dass entsprechend der üblichen Branchenpraxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zur Klarheit der Diskussion beliebig vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1A und 1B veranschaulichen verschiedene Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen eines Bildsensors, wobei eine Passivierungsschicht so eingerichtet ist, dass sie den Dunkelstrom reduziert.
    • 2 veranschaulicht einige Ausführungsformen eines Energiebändermodells an einer Grenzflächenschicht des Bildsensors von 1A und 1B.
    • 3 veranschaulicht ein Zeitdiagramm für einige Ausführungsformen von Signalen während des Betriebs des Bildsensors von 1A und 1B.
    • 4 veranschaulicht eine Ersatzschaltung einiger Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B.
    • 5A und 5B veranschaulichen verschiedene Querschnittsansichten alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B, wobei die Polarität des Dipolmoments umgekehrt ist.
    • 6 veranschaulicht einige Ausführungsformen eines Energiebändermodells an einer Grenzflächenschicht des Bildsensors von 5A und 5B.
    • 7 veranschaulicht eine Ausgestaltung der Oberseite einiger Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B.
    • 8A und 8B veranschaulichen verschiedene Querschnittsansichten alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B, wobei ein Fotodetektor abgewandelt ist.
    • 9 veranschaulicht eine Querschnittsansicht alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B, wobei eine Grenzflächenschicht durch eine Passivierungsschicht aus Oxid ersetzt ist.
    • 10A und 10B veranschaulichen Querschnittsansichten alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B, wobei eine Vorrichtungsschicht durch einen Implantationsbereich des Substrats und eine Zwischenschicht ausgekleidet ist.
    • 11 veranschaulicht eine Querschnittsansicht alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B, wobei die untere Fläche der Vorrichtungsschicht oberhalb der oberen Fläche des Substrats liegt.
    • 12A bis 12C veranschaulichen Querschnittsansichten alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 11.
    • 13 veranschaulicht eine gestreckte Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B, wobei der Bildsensor rückseitenbeleuchtet (BSI) ist und eine dreidimensionale (3D) integrierte Schaltung (IC) ist.
    • 14 veranschaulicht eine Querschnittsansicht alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 13, wobei der Bildsensor mehrere Fotodetektoren aufweist.
    • 15 veranschaulicht eine gestreckte Querschnittsansicht einiger Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B, wobei der Bildsensor vorderseitenbeleuchtet (FSI) ist.
    • 16 veranschaulicht eine Querschnittsansicht alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 15, wobei der Bildsensor mehrere Fotodetektoren aufweist.
    • 17 bis 22, 23A bis 23D, 24A und 24B veranschaulichen eine Serie von Querschnittsansichten einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Ausbilden eines Bildsensors, wobei eine Passivierungsschicht so eingerichtet wird, dass sie einen Dunkelstrom reduziert.
    • 25 veranschaulicht ein Blockdiagramm einiger Ausführungsformen des Verfahrens von 17 bis 22, 23A bis 23D, 24A und 24B.
    • 26 bis 32 veranschaulichen eine Serie von Querschnittsansichten erster Ausführungsformen eines Verfahrens zum Ausbilden eines Bildsensors, wobei eine Passivierungsschicht so eingerichtet wird, dass sie einen Dunkelstrom reduziert, und eine untere Fläche einer Vorrichtungsschicht oberhalb einer oberen Fläche eines Substrats zu liegen kommt.
    • 33 veranschaulicht ein Blockdiagramm einiger Ausführungsformen des Verfahrens von 26 bis 32.
    • 34 bis 42 veranschaulichen eine Serie von Querschnittsansichten zweiter Ausführungsformen eines Verfahrens zum Ausbilden eines Bildsensors, wobei eine Passivierungsschicht so eingerichtet wird, dass sie einen Dunkelstrom reduziert, und eine untere Fläche einer Vorrichtungsschicht oberhalb einer oberen Fläche eines Substrats zu liegen kommt.
    • 43 veranschaulicht ein Blockdiagramm einiger Ausführungsformen des Verfahrens von 34 bis 42.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren unterschiedlicher Merkmale dieser Offenbarung bereit. Um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen, werden nachstehend konkrete Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben. Diese sind natürlich lediglich Ausführungsbeispiele und sollen nicht einschränkend sein. Zum Beispiel kann die Ausbildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei welchen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt ausgebildet werden, und auch Ausführungsformen umfassen, bei welchen zusätzliche Merkmale derart zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal ausgebildet werden können, dass das erste und das zweite Merkmal möglicherweise nicht in direktem Kontakt sind. Außerdem kann die vorliegende Offenbarung in den verschiedenen Beispielen Bezugszeichen und/oder Buchstaben wiederholen. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Klarheit und gibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen diskutierten Ausführungsformen und/oder Ausgestaltungen vor.
  • Ferner können räumlich relative Begriffe wie „unter“, „unterhalb“, „untere/r/s“, „über“, „obere/r/s“ und dergleichen hier zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elementes oder Merkmals zu einem anderen Element (anderen Elementen) oder Merkmal(en), wie in den Figuren veranschaulicht, zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren gezeigten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb umfassen. Der Gegenstand kann anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen), und die vorliegend verwendeten räumlich relativen Beschreibungen können ebenso entsprechend interpretiert werden.
  • Ein in komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter-Technik gebildeter Bildsensor (CMOS-Bildsensor) kann zur Erfassung von Nahinfrarotstrahlung (NIR-Strahlung) und Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) eingesetzt werden. Dies kann bei CMOS-Bildsensoren der Fall sein, die für die Time-of-Flight-Bildgebung (ToF-Bildgebung) und andere geeignete Arten der Bildgebung eingesetzt werden. CMOS-Bildsensoren sind jedoch üblicherweise siliciumbasiert. Silicium weist eine große Bandlücke auf, sodass die Absorption von NIR- und IR-Strahlung schlecht ist. Daher können CMOS-Bildsensoren auf Siliciumbasis für NIR- und IR-Strahlung eine schlechte Quantenausbeute (QE, en: quantum efficiency) aufweisen. Um die schlechte QE abzumildern, können die CMOS-Bildsensoren auf Siliciumbasis durch CMOS-Bildsensoren auf Basis eines alternativen Halbleitermaterials mit einer kleineren Bandlücke als Silicium ersetzt werden. Ein nicht einschränkendes Beispiel für ein solches alternatives Halbleitermaterial ist Germanium.
  • Ein CMOS-Bildsensor, der auf einem alternativen Halbleitermaterial basiert und für die ToF-Bildgebung eingesetzt wird, kann eine Vorrichtungsschicht und eine Deckschicht umfassen. Die Vorrichtungsschicht ist in die Oberseite des Halbleitersubstrats eingebettet und liegt über dieser, und die Deckschicht liegt über der Vorrichtungsschicht. Weiterhin sind das Halbleitersubstrat und die Deckschicht Silicium, während die Vorrichtungsschicht ein alternatives Halbleitermaterial ist oder umfasst. Zwei PIN-Dioden befinden sich in der Deckschicht und der Vorrichtungsschicht, jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtungsschicht. Eine Passivierungsschicht aus Siliciumdioxid (z. B. SiO2) liegt über der Deckschicht und steht mit dieser in direktem Kontakt, und durch die Passivierungsschicht hindurch erstrecken sich Kontakt-Durchkontaktierungen zu Kontaktbereichen der PIN-Dioden.
  • Die kleinere Bandlücke des alternativen Halbleitermaterials ermöglicht eine verbesserte QE. Jedoch führt die kleinere Bandlücke auch zu einem höheren Dunkelstrom, was sich nachteilig auf den Leistungszuwachs durch die Verwendung des alternativen Halbleitermaterials auswirkt. Bei der ToF-Bildgebung können die PIN-Dioden beispielsweise in unterschiedlichen Zeitintervallen verwendet werden, um jeweils die einfallende Strahlung zu messen. Die Messungen können dann verwendet werden, um den Abstand zu einem Objekt zu bestimmen. Bewegliche Elektronen aus dem Dunkelstrom können sich an den PIN-Dioden ansammeln und dadurch zu Ungenauigkeiten bei den Messungen und somit bei der Abstandsbestimmung führen.
  • Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zielen sowohl auf einen Bildsensor mit einer Passivierungsschicht zur Dunkelstromreduzierung als auch auf ein Verfahren zum Ausbilden des Bildsensors ab. Bei einigen Ausführungsformen des Bildsensors liegt eine Vorrichtungsschicht über einem Substrat. Ferner liegt eine Deckschicht über der Vorrichtungsschicht. Die Deckschicht und die Vorrichtungsschicht und das Substrat sind Halbleitermaterialien, und die Vorrichtungsschicht weist eine kleinere Bandlücke als die Deckschicht und das Substrat auf. Die Deckschicht und das Substrat können beispielsweise Silicium sein, während die Vorrichtungsschicht Germanium sein oder umfassen kann. Es sei noch angemerkt, dass bei alternativen Ausführungsformen andere geeignete Materialien möglich sind. Ein Fotodetektor befindet sich in der Vorrichtungsschicht und der Deckschicht, und die Passivierungsschicht liegt über der Deckschicht. Die Passivierungsschicht umfasst ein dielektrisches Material mit hohem k-Wert und induziert die Ausbildung eines Dipolmoments entlang der oberen Fläche der Deckschicht.
  • Aufgrund des Dipolmoments entlang der oberen Fläche der Deckschicht können bewegliche Ladungsträger (z. B. bewegliche Elektronen) des Dunkelstroms zur oberen Fläche der Deckschicht hingezogen und neutralisiert werden. Dies wiederum kann verhindern, dass sich der Dunkelstrom negativ auf die Leistungsfähigkeit des Fotodetektors auswirkt. Wenn der Bildsensor beispielsweise zur ToF-Bildgebung eingesetzt wird, kann der Fotodetektor ein Paar PIN-Übergänge umfassen. Wie vorstehend dargestellt, können sich die PIN-Übergänge jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtungsschicht befinden und können verwendet werden, um den Abstand zu einem Objekt zu bestimmen. Das Dipolmoment kann bewegliche Elektronen des Dunkelstroms aus den PIN-Übergängen anziehen, sodass der Dunkelstrom die Messungen von dem PIN-Übergang nicht beeinflusst. Dadurch können die Messungen und somit die Abstandsbestimmung genauer sein.
  • Mit Bezug auf 1A und 1B sind verschiedene Querschnittsansichten 100A, 100B einiger Ausführungsformen eines Bildsensors bereitgestellt, wobei eine einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 so eingerichtet ist, dass sie über einem Fotodetektor 106 ein Dipolmoment 104 induziert, um den Dunkelstrom zu reduzieren. 1B entspricht einer vergrößerten Querschnittsansicht 100B eines Abschnitts des Bildsensors innerhalb des Kästchens A in 1A. Der Fotodetektor 106 liegt unter der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 in einer Vorrichtungsschicht 108 und einer Deckschicht 110. Ferner umfasst der Fotodetektor 106 ein Paar PIN-Dioden 112. Die PIN-Dioden 112 befinden sich jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtungsschicht 108 und umfassen jeweils einen p-Kontaktbereich 114 und jeweils einen n-Kontaktbereich 116.
  • Die Vorrichtungsschicht 108 ist in die Oberseite des Substrats 118 vertieft bzw. eingesenkt, und die Deckschicht 110 trennt die Vorrichtungsschicht 108 von der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102. Bei der Vorrichtungsschicht 108, der Deckschicht 110 und dem Substrat 118 handelt es sich um Halbleitermaterialien, und die Vorrichtungsschicht 108 ist ein von der Deckschicht 110 bzw. dem Substrat 118 verschiedenes Halbleitermaterial. Die Vorrichtungsschicht 108 kann Germanium, Siliciumgermanium, anderes geeignetes Halbleitermaterial (andere geeignete Halbleitermaterialien) oder irgendeine Kombination davon sein oder umfassen. Das Substrat 118 und die Deckschicht 110 können beispielsweise Silicium und/oder anderes geeignetes Halbleitermaterial (andere geeignete Halbleitermaterialien) sein oder umfassen. Bei einigen Ausführungsformen ist das Volumen der Vorrichtungsschicht 108 undotiert oder schwach dotiert und/oder die Deckschicht 110 ist undotiert oder schwach dotiert. Bei einigen Ausführungsformen weist das Volumen des Substrats 104 eine p- oder n-Dotierung auf Wie vorliegend verwendet, bedeutet schwache Dotierung, dass die Dotierungskonzentration kleiner als ungefähr 1×1015 Atome je Kubikzentimeter (cm-3) oder ein anderer geeigneter Wert ist.
  • Die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 liegt über der Deckschicht 110, und zwischen der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 und der Deckschicht 110 befindet sich eine Grenzflächenschicht 120. Die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 ist ein dielektrisches Material mit hohem k-Wert, d. h. mit einer Dielektrizitätskonstante, die 3,9, 10 oder einen anderen geeigneten Wert überschreitet. Ferner wird während der Ausbildung des Bildsensors die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 direkt auf der Deckschicht 110 abgeschieden. Die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 reagiert mit der Deckschicht 110, sodass zwischen der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 und der Deckschicht 110 die Grenzflächenschicht 120 ausgebildet wird. Beispielsweise können die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 und die Deckschicht 110 ein Metalloxid bzw. Silicium umfassen, sodass Sauerstoff der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 mit Silicium der Deckschicht 110 reagiert und die Grenzflächenschicht 120 als Siliciumoxid ausgebildet wird.
  • Die Grenzflächenschicht 120 ist ein Dielektrikum mit einer anderen Bandlücke als die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 und mit einer Sauerstoff-Flächendichte, die kleiner als die der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 ist. Aufgrund der verschiedenen Bandlücken tritt an der Grenzfläche 122 zwischen der Grenzflächenschicht 120 und der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 eine Bandverbiegung auf. Die Bandverbiegung wiederum bewirkt die Ausbildung des Dipolmoments 104 an der Grenzfläche 122. Des Weiteren, weil die Grenzflächenschicht 120 eine kleinere Sauerstoff-Flächendichte als die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 aufweist, sammeln sich negative Ladungen (durch Minuszeichen schematisch veranschaulicht) in der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 entlang der Grenzfläche 122 an, während sich positive Ladungen (durch Pluszeichen schematisch veranschaulicht) in der Grenzflächenschicht 120 entlang der Grenzfläche 122 ansammeln.
  • Wie nachstehend ausführlicher erläutert, wird der Bildsensor zur ToF-Bildgebung eingesetzt. Es wird Strahlung in Richtung eines Objekts ausgesendet. Die reflektierte Strahlung trifft dann auf den Fotodetektor 106 auf und erzeugt Elektron-Loch-Paare. Zu verschiedenen Zeiten sammeln die PIN-Dioden 112 bewegliche Elektronen von Elektron-Loch-Paaren jeweils in den n-Kontaktbereichen 116. Die Elektronen, die sich in den verschiedenen Zeitintervallen angesammelt haben, werden dann gemessen und zur Bestimmung des Abstandes zu dem Objekt verwendet. Die positive Ladung des Dipolmoments 104 zieht bewegliche Elektronen 124 des Dunkelstroms in der Vorrichtungsschicht 108 von den PIN-Dioden 112 weg und neutralisiert die beweglichen Elektronen 124. Durch das Neutralisieren der beweglichen Elektronen 124 wird der Dunkelstrom reduziert und überschwemmt nicht die n-Kontaktbereiche 116 der PIN-Dioden 112. Dadurch sind die Messungen unter Verwendung der PIN-Dioden 112 genauer und infolgedessen ist die Abstandsbestimmung genauer.
  • Über der Deckschicht 110 sind eine Vielzahl von Kontakt-Durchkontaktierungen 126c und eine Vielzahl von Leitungen der ersten Ebene (en: first-level wires) 128f gestapelt. Die Leitungen 128f der ersten Ebene sind über der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 angeordnet. Die Kontakt-Durchkontaktierungen 126c erstrecken sich von den p- bzw. n-Kontaktbereichen 114, 116 durch die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 und die Grenzflächenschicht 120 hindurch zu den Leitungen 128f der ersten Ebene. Ferner weisen die Kontakt-Durchkontaktierungen 126c eine obere Fläche auf, die mit der oberen Fläche der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 bündig ist. Bei alternativen Ausführungsformen liegen die oberen Flächen der Kontakt-Durchkontaktierungen 126c über oder unter der oberen Fläche der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102. Die Leitungen 128f der ersten Ebene und die Kontakt-Durchkontaktierungen 126c können beispielsweise Metall(e) und/oder anderes geeignetes leitfähiges Material (andere geeignete leitfähige Materialien) sein oder umfassen.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 Aluminiumoxid (z. B. Al2O3), Titanoxid (z. B. TiO2), Tantaloxid (z. B. Ta2O5), Hafniumoxid (HfO2), Zirconiumoxid (z. B. ZrO2), Magnesiumoxid (z. B. MgO), ein anderes geeignetes Dielektrikum (andere geeignete Dielektrika) mit hohem k-Wert oder irgendeine Kombination davon. Bei einigen Ausführungsformen weist die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 eine größere Dielektrizitätskonstante als die Grenzflächenschicht 120 auf und/oder weist eine kleinere Bandlücke als die Grenzflächenschicht 120 auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 eine Dicke Thkp von ungefähr 1 bis 10 Nanometer, ungefähr 1 bis 5 Nanometer, ungefähr 5 bis 10 Nanometer oder einem anderen geeigneten Wert auf. Wenn die Dicke Thkp zu groß ist (z. B. größer als ungefähr 10 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert), können intrinsische Defekte in der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 zu einem hohen Leckstrom führen, der den Leistungszuwachs aus dem Dipolmoment 104 zunichte macht. Andererseits, wenn die Dicke Thkp zu klein ist (z. B. weniger als ungefähr 1 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert), kann sich das Dipolmoment 104 nicht ausbilden und somit ergibt sich kein Leistungszuwachs aus dem Dipolmoment 104.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Grenzflächenschicht 120 ein Halbleiterelement aus dem Substrat 118 und Sauerstoff und/oder ein anderes geeignetes Element (andere geeignete Elemente) aus der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102. Beispielsweise kann die Grenzflächenschicht 120 Silicium aus dem Substrat 118 und Sauerstoff aus der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 umfassen. Bei einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Grenzflächenschicht 120 Siliciumdioxid (z. B. SiO2) und/oder ein anderes geeignetes Dielektrikum (andere geeignete Dielektrika). Bei einigen Ausführungsformen weist die Grenzflächenschicht 120 eine Dicke Ti von ungefähr 0,5 bis 2,5 Nanometer, ungefähr 0,5 bis 1,5 Nanometer oder ungefähr 1,5 bis 2,5 Nanometer oder einem anderen geeigneten Wert auf.
  • Bei einigen Ausführungsformen hat die Vorrichtungsschicht 108 eine kleine Bandlücke im Verhältnis zu Silicium, zu dem Substrat 118, der Deckschicht 110 oder irgendeiner Kombination davon. Die Vorrichtungsschicht 108 kann beispielsweise Germanium sein oder umfassen, während die Deckschicht 110 und das Substrat 118 Silicium sein können. Bei einigen Ausführungsformen hat die kleine Bandlücke zur Folge, dass die Vorrichtungsschicht 108 im Verhältnis zu dem Silicium, dem Substrat 118, der Deckschicht 110 oder irgendeiner Kombination davon einen hohen Absorptionskoeffizienten für NIR- und/oder IR-Strahlung aufweist. Die NIR-Strahlung kann beispielsweise Wellenlängen von ungefähr 850 bis 940 Nanometer, ungefähr 850 bis 1350 Nanometer, ungefähr 850 bis 1180 Nanometer, ungefähr 1180 bis 1350 Nanometer, andere geeignete Wellenlängen oder irgendeine Kombination davon einschließen. Die IR-Strahlung kann beispielsweise Wellenlängen von ungefähr 1,5 bis 30 Mikrometer und/oder andere geeignete Wellenlängen einschließen. Bei einigen Ausführungsformen hat die kleine Bandlücke zur Folge, dass die Vorrichtungsschicht 108 für Wellenlängen von ungefähr 850 bis 940 Nanometer und für andere geeignete Wellenlängen eine hohe Quantenausbeute (QE), nämlich von mehr als ungefähr 80 % oder einem anderen geeigneten Wert, aufweist.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtungsschicht 108 eine Höhe Hd von ungefähr 2 bis 50 Mikrometer, ungefähr 2 bis 26 Mikrometer, ungefähr 25 bis 50 Mikrometer oder einem anderen geeigneten Wert auf. Wenn die Höhe Hd zu klein ist (z. B. kleiner als ungefähr 2 Mikrometer oder ein anderer geeigneter Wert), kann die Vorrichtungsschicht 108 für die einfallende Strahlung eine schlechte Absorption aufweisen und der Fotodetektor 106 kann eine schlechte Leistungsfähigkeit aufweisen. Wenn die Höhe Hd zu groß ist (z. B. größer als ungefähr 50 Mikrometer oder ein anderer geeigneter Wert), kann das Ausbilden der Vorrichtungsschicht 108, die in das Substrat 118 vertieft bzw. eingesenkt wird, lange dauern und den Fertigungsdurchsatz signifikant beeinträchtigen.
  • Mit Bezug auf 2 sind einige Ausführungsformen eines Energiebändermodells 200 entlang der Linie B in 1A und 1B dargestellt, wobei die Bandverbiegung 202 an der Grenzfläche 122 zwischen der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 und der Grenzflächenschicht 120 auftritt. Dadurch krümmt sich das Leitungsband Ec von der Grenzfläche 122 zur Grenzflächenschicht 120 nach oben, was zu einem Bandoffset O1 führt, der positiv ist. Das Gleiche geschieht auch beim Valenzband Ev. Da der Bandoffset O1 positiv ist, befindet sich die positive Ladung des Dipolmoments 104 in der Grenzflächenschicht 120 und die negative Ladung des Dipolmoments 104 in der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102. Wenn der Bandoffset O1 negativ wäre, würde sich die positive Ladung des Dipolmoments 104 in der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 befinden und die negative Ladung des Dipolmoments 104 würde sich in der Grenzflächenschicht 120 befinden.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist die Deckschicht 110 Silicium, die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 ist Aluminiumoxid (z. B. Al2O3) und die Grenzflächenschicht 120 ist Siliciumoxid (z. B. SiO2). Bei zumindest einigen dieser Ausführungsformen beträgt der Bandoffset O1 0,57 Elektronenvolt (eV). Bei einigen Ausführungsformen ist die Deckschicht 110 Silicium, die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 ist Hafniumoxid (z. B. HfO2) und die Grenzflächenschicht 120 ist Siliciumoxid (z. B. SiO2). Bei zumindest einigen dieser Ausführungsformen beträgt der Bandoffset O1 0,31 eV. Bei anderen Ausführungsformen sind andere Materialien möglich.
  • Mit Bezug auf 3 ist ein Zeitdiagramm 300 für einige Ausführungsformen von Signalen während des Betriebs des Bildsensors von 1A und 1B bereitgestellt. Die horizontale Achse entspricht der Zeit, während die vertikale Achse dem Signalzustand entspricht.
  • Wie durch ein die Quellenstrahlung repräsentierendes Signal 302 angegeben, wird zunächst Quellenstrahlung für eine Dauer to in Richtung des Objekts ausgesendet. Die Quellenstrahlung kann beispielsweise von dem Bildsensor oder aus der unmittelbaren Umgebung des Bildsensors ausgesendet werden und/oder kann beispielsweise von einer Laserdiode oder einer anderen geeigneten Strahlungsquelle ausgesendet werden. Die Quellenstrahlung kann beispielsweise NIR-Strahlung, IR-Strahlung oder irgendein anderer geeigneter Strahlungstyp sein.
  • Wie durch ein die reflektierte Strahlung repräsentierendes Signal 304 angegeben, wird die Quellenstrahlung von dem Objekt reflektiert und trifft nach einer Zeit Δt auf dem Fotodetektor 106 auf. Demzufolge trifft die reflektierte Strahlung für die Dauer to auf dem Fotodetektor 106 auf.
  • Wie durch ein PINI-Statussignal 306 bzw. ein PIN2-Statussignal 308 für die PIN-Dioden 112 von 1A und 1B angegeben, befinden sich die PIN-Dioden 112 jeweils in verschiedenen, nicht überlappenden Zeitintervallen im EIN-Zustand. Während die Quellenstrahlung emittiert wird, befindet sich die erste PIN-Diode für die Dauer to im EIN-Zustand und ist ansonsten im AUS-Zustand. Außerdem befindet sich eine zweite PIN-Diode unmittelbar nach dem Aussenden der Quellenstrahlung für die Dauer to im EIN-Zustand und ansonsten im AUS-Zustand.
  • Die PIN-Dioden 112 befinden sich jeweils im EIN-Zustand, wenn sie in Sperrrichtung vorgespannt sind, und im AUS-Zustand, wenn sie in Durchlassrichtung vorgespannt oder nicht vorgespannt sind. Praktisch werden die EIN/AUS-Zustände der PIN-Dioden 112 durch Vorspannungen an den p-Kontaktbereichen 114 von 1A und 1B gesteuert. Während sich eine der PIN-Dioden 112 in einem EIN-Zustand befindet, sammeln sich bewegliche Elektronen, die als Reaktion auf die reflektierte Strahlung erzeugt wurden, in einem entsprechenden der n-Kontaktbereiche 116 von 1A und 1B an. Ferner speichert ein Kondensator, der jeweils dem n-Kontaktbereich zugeordnet und damit elektrisch gekoppelt ist, die in dem n-Kontaktbereich angesammelten Elektronen. Es sei noch angemerkt, dass in 1A und 1B keine den n-Kontaktbereichen 116 jeweils zugeordneten Kondensatoren gezeigt sind.
  • Wie durch ein PINI-Sammlungssignal 310 bzw. ein PIN2-Sammlungssignal 312 für die PIN-Dioden 112 angegeben, sammeln die PIN-Dioden 112 bewegliche Elektronen, die als Reaktion auf die reflektierte Strahlung in den verschiedenen, nicht überlappenden Zeitintervallen erzeugt werden. Die erste PIN-Diode sammelt eine erste Menge Q1 Elektronen, während sich die erste PIN-Diode im EIN-Zustand befindet, wohingegen die zweite PIN-Diode eine zweite Menge Q2 Elektronen sammelt, während sich die zweite PIN-Diode im EIN-Zustand befindet. Wie vorstehend angemerkt, sammeln sich die beweglichen Elektronen in den n-Kontaktbereichen 116 von 1A und 1B an, sodass die PINI- und PIN2-Sammlungssignale 310, 312 Signalen in den n-Kontaktbereichen 116 entsprechen.
  • Wenn die Zeit Δt bekannt ist, kann der Abstand D zu dem Objekt wie folgt bestimmt werden: D = 1 2 c Δ t ,
    Figure DE102021104497A1_0001
    wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Jedoch ist Δt nicht ohne Weiteres bekannt. Δt kann jedoch aus der Zeitdauer to, die sich ohne Weiteres ermitteln lässt, sowie der ersten und zweiten Menge Q1, Q2 der von den PIN-Dioden 112 gesammelten Elektronen bestimmt werden. Insbesondere kann Δt wie folgt bestimmt werden: Δ t = t 0 ( Q 2 Q 1 + Q 2 ) .
    Figure DE102021104497A1_0002
    Daher kann der Abstand D wie folgt bestimmt werden: D = 1 2 c t 0 ( Q 2 Q 1 + Q 2 ) .
    Figure DE102021104497A1_0003
  • Da der bestimmte Abstand D von den ersten und der zweiten Menge Q1, Q2 abhängt, hängt die Genauigkeit des bestimmten Abstandes D von der Genauigkeit der ersten und der zweiten Ladungsmenge Q1, Q2 ab. Darüber hinaus, wenn bewegliche Elektronen des Dunkelstroms zu den PIN-Dioden 112 in 1A und 1B migrieren und von diesen gesammelt werden, kann der Dunkelstrom sich negativ auf die Genauigkeit der ersten und der zweiten Ladungsmenge Q1, Q2 auswirken und kann sich somit negativ auf die Genauigkeit des bestimmten Abstandes D auswirken. Aufgrund des Dipolmoments 104 in 1A und 1B werden die Dunkelstrom-Elektronen von den PIN-Dioden 112 weggezogen. Dies verhindert, dass Dunkelstrom-Elektronen durch die PIN-Dioden 112 gesammelt werden, oder verringert anderweitig die Menge der Dunkelstrom-Elektronen, die durch die PIN-Dioden 112 gesammelt werden. Das Dipolmoment 104 reduziert somit die Auswirkung des Dunkelstroms auf die Genauigkeit der ersten und der zweiten Ladungsmenge Q1, Q2 und die Genauigkeit des bestimmten Abstandes D.
  • Mit Bezug auf 4 ist eine Ersatzschaltung 400 einiger Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B bereitgestellt. Der Bildsensor umfasst den Fotodetektor 106 und ein Paar Kondensatoren 402. Der Fotodetektor 106 ist einem Paar Schalter 404 und einer Fotodiode 406, die elektrisch an einen gemeinsamen Knoten 408 gekoppelt sind, äquivalent. Die Kathode der Fotodiode 406 ist elektrisch mit dem gemeinsamen Knoten 408 gekoppelt, während die Anode der Fotodiode 406 elektrisch mit Masse 410 gekoppelt ist. Die Schalter 404 sind jeweils vom gemeinsamen Knoten 408 zu einem der Kondensatoren 402 elektrisch gekoppelt, und die Kondensatoren 402 sind jeweils von den Schaltern 404 zu Masse 410 elektrisch gekoppelt.
  • Die Schalter 404 entsprechen den PIN-Dioden 112 in 1A und 1B. Wenn ein Schalter in einem EIN-Zustand ist, befindet sich eine jeweilige PIN-Diode in einem in Sperrrichtung vorgespannten Zustand und arbeitet gänzlich oder teilweise als Fotodiode 406. Wenn ein Schalter in einem AUS-Zustand ist, befindet sich eine jeweilige PIN-Diode in einem in Durchlassrichtung vorgespannten Zustand oder einem nicht vorgespannten Zustand und ist von der Fotodiode 406 unabhängig. Wie in 3 gezeigt, entsprechen die PIN1- und PIN2-Statussignale 306, 308 den EIN/AUS-Zuständen der Schalter 404. Ferner entsprechen die PIN1- und PIN2-Sammlungssignale 310, 312 den beweglichen Elektronen, die sich ansammeln und zu den Kondensatoren 402 transportiert werden.
  • Mit Bezug auf 5A und 5B sind verschiedene Querschnittsansichten 500A, 500B alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B bereitgestellt, wobei die Polarität des Dipolmoments 104 umgekehrt ist. 5B entspricht einer vergrößerten Querschnittsansicht 500B eines Abschnitts des Bildsensors innerhalb des Kästchens C in 5A. Da die Polarität des Dipolmoments 104 umgekehrt ist, sammeln sich negative Ladungen (durch Minuszeichen schematisch veranschaulicht) des Dipolmoments 104 in der Grenzflächenschicht 120 entlang der Grenzfläche 122 an, während positive Ladungen (durch Pluszeichen schematisch veranschaulicht) des Dipolmoments 104 sich in der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 entlang der Grenzfläche 122 ansammeln.
  • Weil die Grenzflächenschicht 120 eine höhere Sauerstoff-Flächendichte als die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 aufweist, ist die Polarität des Dipolmoments 104 umgekehrt. Bei einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Grenzflächenschicht 120 Siliciumoxid und/oder ein anderes geeignetes Dielektrikum (andere geeignete Dielektrika). Bei einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 Bariumoxid (z. B. BaO), Strontiumoxid (z. B. SrO), Lanthanoxid (z. B. La2O3), Yttriumoxid (z. B. Y2O3), ein anderes geeignetes Dielektrikum (andere geeignete Dielektrika) mit hohem k-Wert oder irgendeine Kombination davon.
  • Zu der umgekehrten Polarität des Dipolmoments 104 kommt hinzu, dass die n-Kontaktbereiche 116 zwischen den p-Kontaktbereichen 114 angeordnet sind. Ferner erstrecken sich die n-Kontaktbereiche 116 weiter in die Vorrichtungsschicht 108 hinein als die p-Kontaktbereiche 114. Bei alternativen Ausführungsformen sind die p-Kontaktbereiche 114 zwischen den n-Kontaktbereichen 116 angeordnet, wie in 1A und 1B, und/oder die n-Kontaktbereiche 116 erstrecken sich weniger weit in die Vorrichtungsschicht 108 hinein als die p-Kontaktbereiche 114, wie in 1A und 1B.
  • Ähnlich wie bei 1A und 1B wird der Bildsensor zur ToF-Bildgebung eingesetzt. Es wird Strahlung in Richtung eines Objekts ausgesendet. Die reflektierte Strahlung trifft dann auf den Fotodetektor 106 auf und erzeugt Elektron-Loch-Paare. Zu verschiedenen Zeiten sammeln die PIN-Dioden 112 bewegliche Löcher von Elektron-Loch-Paaren jeweils in den p-Kontaktbereichen 114. Die Löcher, die sich in den verschiedenen Zeitintervallen angesammelt haben, werden dann gemessen und zur Bestimmung des Abstandes zu dem Objekt verwendet. Die negative Ladung des Dipolmoments 104 zieht bewegliche Löcher 502 des Dunkelstroms in der Vorrichtungsschicht 108 von den PIN-Dioden 112 weg und neutralisiert die beweglichen Löcher 502. Durch das Neutralisieren der beweglichen Löcher 502 wird der Dunkelstrom reduziert und überschwemmt nicht die p-Kontaktbereiche 114 der PIN-Dioden 112. Dadurch sind die Messungen unter Verwendung der PIN-Dioden 112 genauer und infolgedessen ist die Abstandsbestimmung genauer.
  • Mit Bezug auf 6 sind einige Ausführungsformen eines Energiebändermodells 600 entlang der Linie D in 5A und 5B dargestellt, wobei die Bandverbiegung 602 an der Grenzfläche 122 zwischen der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 und der Grenzflächenschicht 120 auftritt. Dadurch krümmt sich das Leitungsband Ec von der Grenzfläche 122 zur Grenzflächenschicht 120 nach unten, was zu einem Bandoffset O2 führt, der negativ ist. Das Gleiche geschieht auch beim Valenzband Ev. Da der Bandoffset O2 negativ ist, befindet sich die negative Ladung des Dipolmoments 104 in der Grenzflächenschicht 120 und die positive Ladung des Dipolmoments 104 in der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102. Wenn der Bandoffset O2 positiv wäre, würde sich die negative Ladung des Dipolmoments 104 in der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 befinden und die positive Ladung des Dipolmoments 104 würde sich in der Grenzflächenschicht 120 befinden.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist die Deckschicht 110 Silicium, die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 ist Yttriumoxid (z. B. Y2O3) und die Grenzflächenschicht 120 ist Siliciumoxid (z. B. SiO2). Bei zumindest einigen dieser Ausführungsformen beträgt der Bandoffset O2 -0,23 eV. Bei anderen Ausführungsformen sind andere Materialien möglich.
  • Mit Bezug auf 7 ist eine Ausgestaltung 700 der Oberseite einiger Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B entlang der Grenzfläche zwischen der Deckschicht 110 (in Phantomdarstellung) und der Vorrichtungsschicht 108 bereitgestellt. Die PIN-Dioden 112 befinden sich jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtungsschicht 108. Die p- und die n-Kontaktbereiche 114, 116 weisen rechteckige Grundrisse auf, die sich parallel erstrecken, und die p-Kontaktbereiche 114 befinden sich zwischen den n-Kontaktbereichen 116. Bei alternativen Ausführungsformen weisen die p- und die n-Kontaktbereiche 114, 116 einen anderen geeigneten Grundriss auf und/oder befinden sich die n-Kontaktbereiche 116 zwischen den p-Kontaktbereichen 114.
  • Mit Bezug auf 8A und 8B sind verschiedene Querschnittsansichten 800A, 800B alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B bereitgestellt, wobei der Fotodetektor 106 abgewandelt ist.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 800A von 8A veranschaulicht, liegt die untere Fläche der Deckschicht 110 oberhalb der oberen Fläche des Substrats 118, sodass die Oberseite des Fotodetektors 106 oberhalb der oberen Fläche des Substrats 118 liegt. Bei alternativen Ausführungsformen ist die untere Fläche der Deckschicht 110 im Verhältnis zur oberen Fläche des Substrats 118 vertieft bzw. eingesenkt, und eine obere Fläche der Deckschicht 110 liegt oberhalb der oberen Fläche des Substrats 118.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 800B von 8B veranschaulicht, umfasst der Fotodetektor 106 eine einzelne PIN-Diode 112s anstelle eines Paares PIN-Dioden 112. Die einzelne PIN-Diode 112s ist beschaffen, wie die PIN-Dioden 112 von 1A und 1B beschrieben sind, und umfasst somit einen p-Kontaktbereich 114 und einen n-Kontaktbereich 116. Der p-Kontaktbereich 114 und der n-Kontaktbereich 116 befinden sich jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtungsschicht 108.
  • Mit Bezug auf 9 ist eine Querschnittsansicht 900 alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B bereitgestellt, wobei die Grenzflächenschicht 120 durch eine Oxid-/Passivierungsschicht 902 ersetzt ist. Die Oxid-/Passivierungsschicht 902 ist der Grenzflächenschicht 120 ähnlich. Im Gegensatz zur Grenzflächenschicht 120 wird die Oxid-/Passivierungsschicht 902 jedoch während der Ausbildung des Bildsensors abgeschieden. Von daher wird die Oxid-/Passivierungsschicht 902 nicht aufgrund einer Reaktion zwischen der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 und der Deckschicht 110 ausgebildet. Da die Oxid-/Passivierungsschicht 902 durch Abscheidung ausgebildet wird, weist die Oxid-/Passivierungsschicht 902 eine höhere Kristallqualität als die Grenzflächenschicht 120 auf, was zu einem reduzierten Leckstrom und einer verbesserten Leistungsfähigkeit des Fotodetektors 106 führt.
  • Die Oxid-/Passivierungsschicht 902 ist ein Dielektrikum mit einer anderen Bandlücke als die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 und mit einer Sauerstoff-Flächendichte, die kleiner als die Sauerstoff-Flächendichte der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 ist. Aufgrund der verschiedenen Bandlücken tritt an der Grenzfläche 904 zwischen der Oxid-/Passivierungsschicht 902 und der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 eine Bandverbiegung auf. Die Bandverbiegung wiederum bewirkt die Ausbildung des Dipolmoments 104 an der Grenzfläche 904. Da die Oxid-/Passivierungsschicht 902 eine kleinere Sauerstoff-Flächendichte als die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 aufweist, sammeln sich negative Ladungen (durch Minuszeichen schematisch veranschaulicht) in der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 entlang der Grenzfläche 904 an, während sich positive Ladungen (durch Pluszeichen schematisch veranschaulicht) in der Oxid-/Passivierungsschicht 902 entlang der Grenzfläche 904 ansammeln. Bei alternativen Ausführungsformen weist die Oxid-/Passivierungsschicht 902 eine höhere Sauerstoff-Flächendichte als die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 auf, sodass die Polarität des Dipolmoments 104 umgekehrt ist.
  • Die Oxid-/Passivierungsschicht 902 weist eine niedrigere Dielektrizitätskonstante als die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 auf und weist, bei einigen Ausführungsformen, eine größere Bandlücke als die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 auf. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Oxid-/Passivierungsschicht 902 ein Halbleiterelement aus dem Substrat 118 und umfasst ferner Sauerstoff und/oder ein anderes geeignetes Element (andere geeignete Elemente) aus der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102. Bei einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Oxid-/Passivierungsschicht 902 Siliciumdioxid (z. B. SiO2) und/oder ein anderes geeignetes Dielektrikum (andere geeignete Dielektrika).
  • Bei einigen Ausführungsformen weist die Oxid-/Passivierungsschicht 902 eine Dicke Top von ungefähr 1 bis 10 Nanometer, ungefähr 1 bis 5 Nanometer, ungefähr 5 bis 10 Nanometer oder einem anderen geeigneten Wert auf. Wenn die Oxid-/Passivierungsschicht 902 zu dünn ist (z. B. weniger als ungefähr 1 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert), kann die Oxid-/Passivierungsschicht 902 zu dünn sein, um den Leckstrom im Vergleich zu 1A und 1B nennenswert zu reduzieren. Wenn die Dicke Top zu groß ist (z. B. größer als ungefähr 10 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert), kann das Dipolmoment 104 zu weit von den beweglichen Elektronen 124 des Dunkelstroms entfernt sein, um die beweglichen Elektronen 124 nennenswert anzuziehen und zu neutralisieren. Infolgedessen kann das Dipolmoment 104 die Messgenauigkeit der PIN-Dioden 112 nicht nennenswert verbessern und kann somit die Abstandsbestimmungen nicht nennenswert verbessern.
  • Mit Bezug auf 10A und 10B sind Querschnittsansichten 1000A, 1000B alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B bereitgestellt, wobei die Vorrichtungsschicht 108 durch einen Substratimplantationsbereich 1002 und eine Zwischenschicht 1004 ausgekleidet ist. In 10A ist die obere Fläche der Deckschicht 110 ungefähr bündig mit jener des Substrats 118 (es sei noch angemerkt, dass der Substratimplantationsbereich 1002 ein dotierter Bereich des Substrats 118 ist). In 10B liegt die untere Fläche der Deckschicht 110 oberhalb der oberen Fläche des Substrats 118. Bei alternativen Ausführungsformen ist die untere Fläche der Deckschicht 110 im Verhältnis zur oberen Fläche des Substrats 118 vertieft bzw. eingesenkt, und die obere Fläche der Deckschicht 110 liegt oberhalb der oberen Fläche des Substrats 118.
  • Wie vorstehend angemerkt, ist der Substratimplantationsbereich 1002 ein dotierter Bereich des Substrats 118. Ferner weist der Substratimplantationsbereich 1002 den gleichen Dotierungstyp wie das Volumen des Substrats 118, jedoch eine höhere Dotierungskonzentration als dieses auf. Beispielsweise können der Substratimplantationsbereich 1002 und das Volumen des Substrats 118 beide vom p-Typ oder vom n-Typ sein. Bei einigen Ausführungsformen beträgt die Dotierungskonzentration des Substratimplantationsbereiches 1002 ungefähr 1×1017 bis 5×1018 cm-3, ist größer als ungefähr 5×1018 cm-3 oder weist einen anderen geeigneten Wert auf.
  • Die Zwischenschicht 1004 trennt die Vorrichtungsschicht 108 vom Substratimplantationsbereich 1002. Die Zwischenschicht 1004 ist ein undotiertes Halbleitermaterial, das sich von dem der Vorrichtungsschicht 108 unterscheidet. Bei alternativen Ausführungsformen ist die Zwischenschicht 1004 ein schwach dotiertes Halbleitermaterial, das sich von dem der Vorrichtungsschicht 108 unterscheidet und/oder das eine niedrigere Dotierungskonzentration als der Substratimplantationsbereich 1002 aufweist. Die schwache Dotierung kann beispielsweise eine Dotierungskonzentration von weniger als ungefähr 1×1015 cm-3 oder ein anderer geeigneter Wert sein. Die Zwischenschicht 1004 kann beispielsweise Silicium und/oder ein anderes geeignetes Halbleitermaterial sein oder umfassen. Bei einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Zwischenschicht 1004 das gleiche Halbleitermaterial wie das Substrat 118 und/oder die Deckschicht 110. Beispielsweise können die Zwischenschicht 1004, das Substrat 118 und die Deckschicht 110 Silicium sein, während die Vorrichtungsschicht 108 Germanium oder Siliciumgermanium sein kann. Es sind jedoch auch andere geeignete Materialien möglich.
  • Der Substratimplantationsbereich 1002 reduziert Ladungsträger, die durch Kristalldefekte an der Grenzfläche zwischen der Zwischenschicht 1004 und dem Substrat 118 und/oder an der Grenzfläche zwischen der Zwischenschicht 1004 und der Vorrichtungsschicht 108 entstehen. Dadurch kann der Leckstrom an der ersten und/oder der zweiten Grenzfläche reduziert werden und die Leistungsfähigkeit des Fotodetektors 106 kann gesteigert werden.
  • Da die Zwischenschicht 1004 undotiert ist, weist die Zwischenschicht 1004 einen hohen Widerstand auf. Dieser hohe Widerstand reduziert den Leckstrom von der Vorrichtungsschicht 108 zum Substrat 118. Durch das Reduzieren des Leckstroms von der Vorrichtungsschicht 108 zum Substrat 118 werden die Leckströme zwischen Fotodetektoren reduziert und die Leistungsfähigkeit des Fotodetektors 106 wird weiter gesteigert. Der hohe Widerstand kann beispielsweise größer als ungefähr 100 Kiloohm oder ein anderer geeigneter Wert sein. Die Zwischenschicht 1004 blockiert ferner die Diffusion von Dotierstoffen aus dem Substratimplantationsbereich 1002 in die Vorrichtungsschicht 108. Beispielsweise kann der Substratimplantationsbereich 1002 eine p-Dotierung aufweisen, und die Zwischenschicht 1004 kann die Diffusion von Bor oder anderen geeigneten p-Dotierstoffen in die Vorrichtungsschicht 108 blockieren. Dotierstoffe, die in die Vorrichtungsschicht 108 diffundieren, können zwischen dem Substrat 118 und der Vorrichtungsschicht 108 einen Bereich mit niedrigem Widerstand erzeugen und können somit eine Zunahme der Leckströme zwischen Fotodetektoren bewirken. Da die Zwischenschicht 1004 die Diffusion blockiert, kann der Widerstand vom Substrat 118 zur Vorrichtungsschicht 108 hoch und der Leckstrom niedrig bleiben.
  • Mit Bezug auf 11 ist eine Querschnittsansicht 1100 alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B bereitgestellt, wobei die untere Fläche der Vorrichtungsschicht 108 oberhalb der oberen Fläche des Substrats 118 liegt. Ferner befindet sich die Deckschicht 110 an Seitenwänden der Vorrichtungsschicht 108, die Grenzflächenschicht 120 befindet sich an Seitenwänden der Deckschicht 110 und die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 befindet sich an Seitenwänden der Grenzflächenschicht 120. Da die untere Fläche der Vorrichtungsschicht 108 oberhalb der oberen Fläche des Substrats 118 liegt, können die Vorrichtungsschicht 108 und die Deckschicht 110 als eine Mesa-Struktur über dem Substrat 118 definierend angesehen werden. Ferner ist die Isolation zwischen Fotodetektoren verbessert, da der Fotodetektor 106 durch die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 seitlich von anderen Fotodetektoren getrennt ist.
  • Mit Bezug auf 12A bis 12C sind verschiedene Querschnittsansichten 1200A bis 1200C alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 11 bereitgestellt.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 1200A von 12A veranschaulicht, ist die Grenzflächenschicht 120 durch die Oxid-/Passivierungsschicht 902 von 9 ersetzt. Wie mit Bezug auf 9 beschrieben, ist die Oxid-/Passivierungsschicht 902 der Grenzflächenschicht 120 ähnlich. Jedoch wird die Oxid-/Passivierungsschicht 902 während der Ausbildung des Bildsensors abgeschieden, statt durch eine Reaktion zwischen der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 und der Deckschicht 110 ausgebildet zu werden. Da die Oxid-/Passivierungsschicht 902 durch Abscheidung ausgebildet wird, weist die Oxid-/Passivierungsschicht 902 eine höhere Kristallqualität als die Grenzflächenschicht 120 auf, was zu einem reduzierten Leckstrom führt.
  • Wie durch die Querschnittsansichten 1200B, 1200C von 12B und 12C veranschaulicht, trennt eine zwischen Fotodetektoren liegende dielektrische Schicht 1202 den Fotodetektor 106 von benachbarten Fotodetektoren. In 12B sind die Deckschicht 110, die Grenzflächenschicht 120 und die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 vertikal gestapelt und liegen über der zwischen Fotodetektoren liegenden dielektrischen Schicht 1202 und der Vorrichtungsschicht 108. In 12C ist die Deckschicht 110 auf die Vorrichtungsschicht 108 beschränkt. Von daher befindet sich die Grenzflächenschicht 120 an Seitenwänden der Deckschicht 110, und die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 befindet sich an Seitenwänden der Grenzflächenschicht 120. Die zwischen Fotodetektoren liegende dielektrische Schicht 1202 kann beispielsweise Siliciumoxid und/oder ein anderes geeignetes Dielektrikum (andere geeignete Dielektrika) sein oder umfassen.
  • Mit Bezug auf 13 ist eine gestreckte Querschnittsansicht 1300 einiger Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B bereitgestellt, wobei der Bildsensor rückseitenbeleuchtet (BSI) ist und eine dreidimensionale (3D) integrierte Schaltung (IC) ist. Die 3D IC umfasst eine erste IC-Struktur 1302 und eine zweite IC-Struktur 1304, die durch Hybrid-Bonden an einer Bondgrenzfläche 1306 miteinander verbunden sind. Die erste IC-Struktur 1302 liegt über der zweiten IC-Struktur 1304 und enthält den Fotodetektor 106, während die zweite IC-Struktur 1304 unter der ersten IC-Struktur 1302 liegt und eine Vielzahl von Logikvorrichtungen 1308 enthält.
  • Die erste und die zweite IC-Struktur 1302, 1304 umfassen ein erstes Substrat 118 bzw. ein zweites Substrat 1310. Ferner umfassen die erste und die zweite IC-Struktur 1302, 1304 eine erste Verschaltungsstruktur 1312 bzw. eine zweite Verschaltungsstruktur 1314. Die erste und die zweite Verschaltungsstruktur 1312, 1314 sind zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 118, 1310 angeordnet und grenzen an das erste bzw. das zweite Substrat an. Der Fotodetektor 106 befindet sich auf der Vorderseite des ersten Substrats 118, zwischen dem ersten Substrat 118 und der ersten Verschaltungsstruktur 1312. Die Logikvorrichtungen 1308 befinden sich auf der Vorderseite des zweiten Substrats 1310, zwischen dem zweiten Substrat 1310 und der zweiten Verschaltungsstruktur 1314. Bei dem ersten und dem zweiten Substrat 118, 1310 kann es sich beispielsweise um massive Substrate aus einkristallinem Silicium oder um irgendeinen anderen geeigneten Substrattyp handeln.
  • Die erste und die zweite Verschaltungsstruktur 1312, 1314 umfassen eine Vielzahl von Leitungen 128, eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 126 und eine Vielzahl von Pads 1316, die in Ebenen gruppiert und zwischen dem ersten und zweiten Substrat 118, 1310 abwechselnd gestapelt sind. Die Ebenen entsprechen verschiedenen Höhen über dem zweiten Substrat 1310. Die Pads 1316 sind in zwei Pad-Ebenen gruppiert, die an der Bondgrenzfläche 1306 in direktem Kontakt stehen. Die Leitungen 128 und die Durchkontaktierungen 126 sind in mehrere Verdrahtungsebenen bzw. Durchkontaktierungsebenen gruppiert, die von den Pads 1316 zum Fotodetektor 106 bzw. zu den Logikvorrichtungen 1308 abwechselnd gestapelt sind. Die Leitungen 128, die Durchkontaktierungen 126 und die Pads 1316 sind leitfähig und können Kupfer, Wolfram, Aluminium, irgendein anderes geeignetes leitfähiges Material (irgendwelche anderen geeigneten leitfähigen Materialien) oder irgendeine Kombination davon sein oder umfassen.
  • Ein Dielektrikastapel umgibt die Leitungen 128, die Durchkontaktierungen 126 und die Pads 1316 zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 118, 1310. Ein Paar dielektrische Bondschichten 1318 steht an der Bondgrenzfläche 1306 in direktem Kontakt und umgibt die Pads 1316 und die Durchkontaktierungen 126 an den Pads 1316. Die Ätzstoppschichten 1322 grenzen jeweils an die dielektrischen Bondschichten 1318 an und umgeben ferner die Durchkontaktierungen 126 an den Pads 1316. Die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 und die Grenzflächenschicht 120 umgeben die Durchkontaktierungen 126 am Fotodetektor 106. Ein Paar dielektrischer Verbindungsschichten 1320 umgibt die Leitungen 128 und den Rest der Durchkontaktierungen 126. Die Ätzstoppschichten 1322 sind oder umfassen ein anderes Material als die dielektrischen Verbindungsschichten 1320 und die dielektrischen Bondschichten 1318.
  • Eine Grabenisolationsstruktur 1324 trennt die Logikvorrichtungen 1308 voneinander. Die Grabenisolationsstruktur 1324 ist oder umfasst Siliciumoxid und/oder ein anderes geeignetes Dielektrikum (andere geeignete Dielektrika). Die Grabenisolationsstruktur 1324 kann beispielsweise eine flache Grabenisolationsstruktur (STI-Struktur, STI, en: Shallow Trench Isolation) oder irgendein anderer geeigneter Grabenisolationsstrukturtyp sein.
  • Die Logikvorrichtungen 1308 sind Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (IGFETs, en: insulated-gate field-effect transistors), es kann sich dabei aber auch um einen anderen geeigneten Transistortyp handeln. Beispielsweise können die Logikvorrichtungen 1308 Fin-Feldeffekttransistoren (FinFETs), Gate-All-Around-Feldeffekttransistoren (GAA-FETs) oder andere geeignete Transistortypen sein. Die Logikvorrichtungen 1308 umfassen eine jeweilige Wanne 1326, eine jeweilige Gate-Elektrode 1328, eine jeweilige Gate-Dielektrikum-Schicht 1330 und ein jeweiliges Paar 1332 von Source-/Drain-Bereichen. Die Gate-Elektroden 1328 sind jeweils mit den Gate-Dielektrikum-Schichten 1330 auf dem zweiten Substrat 1310 gestapelt, wobei die Stapel sich zwischen den Source-/Drain-Bereichen der jeweiligen Paare 1332 von Source-/Drain-Bereichen befinden. Die Wannen 1326 liegen jeweils unter den Paaren 1332 von Source-/Drain-Bereichen im zweiten Substrat 1310 und umgeben diese. Die Wannen 1326 weisen einen Dotierungstyp auf, der zu den entsprechenden Paaren 1332 von Source-/Drain-Bereichen entgegengesetzt ist. Bei einigen Ausführungsformen kann/können eine, einige oder sämtliche der Wannen 1326 einen zum Volumen des zweiten Substrats 1310 entgegengesetzten Dotierungstyp aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann/können eine, einige oder sämtliche der Wannen 1326 denselben Dotierungstyp wie das Volumen des zweiten Substrats 1310, aber eine andere Dotierungskonzentration aufweisen. Bei alternativen Ausführungsformen ist/sind eine, einige oder sämtliche der Wannen 1326 weggelassen.
  • Auf der Rückseite des ersten Substrats 118 sind über dem ersten Substrat 118 eine Mikrolinse 1334 und ein Metallgitter 1336 gestapelt. Das Metallgitter 1336 weist Metallgitteröffnungen 1338 auf, die über den Fotodetektoren 106 liegen, und ist so eingerichtet, dass ein Übersprechen zwischen dem Fotodetektor 106 und benachbarten Fotodetektoren verhindert wird. Ferner ist das Metallgitter 1336 von einer Antireflexionsschicht 1340 und einer Metallgitter-Isolations- bzw. -Dielektrikumschicht 1342 umgeben. Zwischen dem Metallgitter 1336 und dem ersten Substrat 118 ist eine Antireflexionsschicht 1340 vorhanden, um das Metallgitter 1336 vom ersten Substrat 118 zu trennen, und die Metallgitter-Isolations- bzw. -Dielektrikumschicht 1342 füllt die Metallgitteröffnung 1338 aus und trennt das Metallgitter 1336 von der Mikrolinse 1334. Die Mikrolinse 1334 liegt über dem Metallgitter 1336 und ist dafür eingerichtet, einfallende Strahlung durch die Metallgitteröffnung 1338 hindurch auf den Fotodetektor 106 zu fokussieren.
  • Mit Bezug auf 14 ist eine Querschnittsansicht 1400 alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 13 bereitgestellt, wobei der Bildsensor mehrere Fotodetektoren 106 aufweist. Die Fotodetektoren 106 sind jeweils wie ihre Entsprechung in 13 beschaffen. Bei alternativen Ausführungsformen sind die Fotodetektoren 106 jeweils wie ihre Entsprechung in irgendeiner der vorstehend beschriebenen Figuren (z. B. 10 oder irgendeine andere geeignete Figur) beschaffen. Es sei noch angemerkt, dass aufgrund der geringen Größe der Fotodetektoren 106 in 14 die Bestandteile (z. B. die Kontaktbereiche) der Fotodetektoren 106 nicht gezeigt sind.
  • Über den Fotodetektoren 106 liegt eine Vielzahl von Mikrolinsen 1334, und das Metallgitter 1336 grenzt eine Vielzahl von Metallgitteröffnungen 1338 ab. Die Mikrolinsen 1334 sind jeweils einem der Fotodetektoren 106 zugeordnet und liegen über diesem. In ähnlicher Weise sind die Metallgitteröffnungen 1338 jeweils einem der Fotodetektoren 106 zugeordnet und liegen über diesem. Die Mikrolinsen 1334 und die Metallgitteröffnungen 1338 sind jeweils wie ihre zu 13 beschriebenen Entsprechungen beschaffen.
  • Ein Paar Bondpads 1402 steht über die Metallgitter-Isolations- bzw. -Dielektrikumschicht 1342 über und erstreckt sich jeweils durch das erste Substrat 118 hindurch zu einigen der Leitungen 128. Ferner befinden sich die Bondpads 1402 jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Fotodetektoren 106, derart, dass sich die Fotodetektoren 106 zwischen den Bondpads 1402 befinden. Die Bondpads 1402 können beispielsweise Kupfer, Aluminium, anderes geeignetes Metall (andere geeignete Metalle) oder irgendeine Kombination davon sein oder umfassen.
  • Eine zusätzliche Grabenisolationsstruktur 1404 erstreckt sich in die Vorderseite des ersten Substrats 118, und zwar zwischen dem ersten Substrat 118 und der ersten Verschaltungsstruktur 1312. Die zusätzliche Grabenisolationsstruktur 1404 weist mehrere Segmente auf, die jeweils einem Bondpad 1402 zugeordnet und an diesem angeordnet sind, derart, dass sich die Bondpads 1402 durch die zusätzliche Grabenisolationsstruktur 1404 hindurch erstrecken. Die zusätzliche Grabenisolationsstruktur 1404 ist oder umfasst Siliciumoxid und/oder ein anderes geeignetes Dielektrikum (andere geeignete Dielektrika). Die zusätzliche Grabenisolationsstruktur 1404 kann beispielsweise eine STI-Struktur oder irgendein anderer geeigneter Grabenisolationsstrukturtyp sein.
  • Mit Bezug auf 15 ist eine gestreckte Querschnittsansicht 1500 einiger Ausführungsformen des Bildsensors von 1A und 1B bereitgestellt, wobei der Bildsensor vorderseitenbeleuchtet (FSI) ist. Die Verschaltungsstruktur 1312 liegt über dem Substrat 118 und dem Fotodetektor 106 auf der Vorderseite des Substrats 118. Außerdem liegt die Verschaltungsstruktur 1312 über Logikvorrichtungen (nicht gezeigt) auf der Vorderseite des Substrats 118. Beispielsweise können die Logikvorrichtungen beschaffen sein, wie die Logikvorrichtungen 1308 von 13 veranschaulicht und beschrieben sind. Die Verschaltungsstruktur 1312 umfasst eine Vielzahl von Leitungen 128 und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 126. Die Leitungen 128 und die Durchkontaktierungen 126 sind in einem Dielektrikastapel abwechselnd gestapelt. Die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 und die Grenzflächenschicht 120 umgeben die Durchkontaktierungen 126 an den Fotodetektoren 106. Eine dielektrische Verbindungsschicht 1320 umgibt die Leitungen 128 und den Rest der Durchkontaktierungen 126.
  • Auf der Vorderseite des Substrats 118 sind über der Verschaltungsstruktur 1312 eine Mikrolinse 1334 und ein Metallgitter 1336 gestapelt. Ferner ist zwischen dem Metallgitter 1336 und der Verschaltungsstruktur 1312 eine Antireflexionsschicht 1340 vorhanden, während die Metallgitter-Isolations- bzw. -Dielektrikumschicht 1342 die Metallgitteröffnung 1338 ausfüllt und das Metallgitter 1336 von der Mikrolinse 1334 trennt. Die Mikrolinse 1334 und das Metallgitter sind wie mit Bezug auf 13 beschrieben beschaffen.
  • Mit Bezug auf 16 ist eine Querschnittsansicht 1600 alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 15 bereitgestellt, wobei der Bildsensor mehrere Fotodetektoren 106 aufweist. Die Fotodetektoren 106 sind jeweils wie ihre Entsprechung in 15 beschaffen. Bei alternativen Ausführungsformen sind die Fotodetektoren 106 jeweils wie ihre Entsprechung in irgendeiner der vorstehend beschriebenen Figuren (z. B. 10 oder irgendeine andere geeignete Figur) beschaffen. Es sei noch angemerkt, dass aufgrund der geringen Größe der Fotodetektoren 106 in 15 die Bestandteile (z. B. die Kontaktbereiche) der Fotodetektoren 106 nicht gezeigt sind.
  • Über den Fotodetektoren 106 liegt eine Vielzahl von Mikrolinsen 1334, und das Metallgitter 1336 grenzt eine Vielzahl von Metallgitteröffnungen 1338 ab. Die Mikrolinsen 1334 sind jeweils einem der Fotodetektoren 106 zugeordnet und liegen über diesem. In ähnlicher Weise sind die Metallgitteröffnungen 1338 jeweils einem der Fotodetektoren 106 zugeordnet und liegen über diesem. Zudem steht ein Paar Bondpads 1402 über die Metallgitter-Isolations- bzw. - Dielektrikumschicht 1342 auf der Vorderseite des Substrats 118 über und erstreckt sich jeweils durch die Antireflexionsschicht 1340 bzw. die Metallgitter-Isolations- bzw. -Dielektrikumschicht 1342 hindurch zu einigen der Leitungen 128. Ferner befinden sich die Bondpads 1402 jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Fotodetektoren 106, derart, dass sich die Fotodetektoren 106 zwischen den Bondpads 1402 befinden.
  • Mit Bezug auf 17 bis 22, 23A bis 23D, 24A und 24B ist eine Serie von Querschnittsansichten, nämlich 1700 bis 2200, 2300A bis 2300D, 2400A, 2400B, einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Ausbilden eines Bildsensors bereitgestellt, wobei eine Passivierungsschicht mit hohem k-Wert so eingerichtet wird, dass sie über einem Fotodetektor ein Dipolmoment induziert, das den Dunkelstrom reduziert. 23A bis 23D und 24A und 24B sind Alternativen zueinander, wobei der Bildsensor BSI bzw. FSI ist und jeweils von 17 bis 22 ausgegangen wird. 23A bis 23D veranschaulichen die Ausbildung des Bildsensors wie in 13, während 24A und 24B die Ausbildung des Bildsensors wie in 15 veranschaulichen.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 1700 von 17 veranschaulicht, wird ein erstes Substrat 118 so strukturiert, dass ein Hohlraum 1702 ausgebildet wird. Das erste Substrat 118 kann beispielsweise ein massives Substrat aus einkristallinem Silicium oder irgendein anderer geeigneter Substrattyp sein. Bei einigen Ausführungsformen ist das erste Substrat 118 undotiert. Bei anderen Ausführungsformen ist das erste Substrat 118 mit p- oder n-Dotierstoffen dotiert. Das Strukturieren zum Ausbilden des Hohlraums 1702 umfasst Folgendes: 1) Abscheiden einer Hartmaskenschicht 1704 über dem ersten Substrat 118; 2) Strukturieren des ersten Substrats 118 durch einen Fotolithografie-/Ätzprozess und 3) Durchführen einer Ätzung in das erste Substrat 118 mit der an ihrer Verwendungsstelle befindlichen Hartmaskenschicht 1704. Die Hartmaskenschicht 1704 kann beispielsweise undotiertes Silicatglas (USG) und/oder ein anderes geeignetes Dielektrikum (andere geeignete Dielektrika) sein oder umfassen. Bei alternativen Ausführungsformen erfolgt das Strukturieren zum Ausbilden des Hohlraums 1702 mittels eines anderen geeigneten Strukturierungsprozesses.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 1800 von 18 veranschaulicht, ist eine Vorrichtungsschicht 108 so epitaktisch aufgewachsen, dass sie den Hohlraum 1702 (siehe z. B. 17) verfüllt. Da die Vorrichtungsschicht 108 durch epitaktisches Wachstum aufgebracht wird, wächst die Vorrichtungsschicht 108 in dem Hohlraum 1702 von freiliegenden Flächen des ersten Substrats 118 aus nach außen. Des Weiteren, da die Hartmaskenschicht 1704 das erste Substrat 118 außerhalb des Hohlraums 1702 bedeckt, ist die Vorrichtungsschicht 108 gänzlich oder hauptsächlich auf den Hohlraum 1702 beschränkt. Bei der Vorrichtungsschicht 108 handelt es sich um ein von dem ersten Substrat 118 verschiedenes Halbleitermaterial. Beispielsweise kann die Vorrichtungsschicht 108 Germanium oder Siliciumgermanium sein, während das erste Substrat 118 Silicium sein kann. Jedoch sind bei alternativen Ausführungsformen andere geeignete Materialien möglich. Bei einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtungsschicht 108 einen höheren Absorptionskoeffizienten für NIR- und/oder IR-Strahlung als das erste Substrat 118 auf. Ferner, bei einigen Ausführungsformen, weist die Vorrichtungsschicht 108 eine kleinere Bandlücke als das erste Substrat 118 auf.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 1900 von 19 veranschaulicht, wird die obere Fläche der Vorrichtungsschicht 108 planarisiert und vertieft bzw. eingesenkt. Durch die Planarisierung wird die obere Fläche der Vorrichtungsschicht 108 eingeebnet, und durch das Vertiefen wird die obere Fläche der Vorrichtungsschicht 108 im Verhältnis zur oberen Fläche des ersten Substrats 118 vertieft bzw. eingesenkt. Bei alternativen Ausführungsformen ist die obere Fläche nicht vertieft bzw. eingesenkt.
  • Bei einigen Ausführungsformen erfolgen die Planarisierung und das Vertiefen getrennt voneinander. Beispielsweise wird ein chemisch-mechanisches Polieren (CMP) oder ein anderer geeigneter Planarisierungsprozess durchgeführt, und dann wird ein Rückätzen oder ein andere geeigneter Vertiefungsprozess durchgeführt. Bei alternativen Ausführungsformen werden die Planarisierung und die Vertiefung zusammen durchgeführt. Beispielsweise kann über der Vorrichtungsschicht 108 eine Opferschicht mit einer ebenen oberen Fläche ausgebildet werden. Dann kann an der Opferschicht und der Vorrichtungsschicht 108 ein Rückätzen unter Verwendung eines Ätzmittels durchgeführt werden, das für die Opferschicht und die Vorrichtungsschicht 108 die gleiche Ätzrate oder ähnliche Ätzraten aufweist.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 2000 von 20 veranschaulicht, wird eine Deckschicht 110 durch epitaktisches Wachstum auf die Vorrichtungsschicht 108 aufgebracht und bedeckt diese. Ferner wird die Deckschicht 110 so durch epitaktisches Wachstum aufgebracht, dass die Deckschicht 110 auf der Vorrichtungsschicht 108, nicht jedoch auf der Hartmaskenschicht 1704 wächst. Von daher wird die Deckschicht 110 durch einen selbstausrichtenden Prozess auf die Vorrichtungsschicht 108 beschränkt.
  • Die Deckschicht 110 ist ein anderes Halbleitermaterial als die Vorrichtungsschicht 108 und kann beispielsweise Silicium oder ein anderes geeignetes Halbleitermaterial sein oder umfassen. Bei einigen Ausführungsformen ist die Deckschicht 110 das gleiche Halbleitermaterial wie das erste Substrat 118 und/oder ist undotiert. Die Deckschicht 110 schützt die Vorrichtungsschicht 108 vor Beschädigungen während der nachfolgenden Verarbeitung. Beispielsweise können bei nachfolgenden Nassreinigungsprozessen Säuren mit einer hohen Ätzrate für die Vorrichtungsschicht 108 und einer niedrigen Ätzrate für die Deckschicht 110 verwendet werden. Von daher würde die Vorrichtungsschicht 108 ohne die Deckschicht 110 eine erhebliche Kristallbeschädigung und/oder Erosion erfahren. Indem Erosion und/oder Kristallbeschädigung verhindert werden, wird der Leckstrom reduziert.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 2100 von 21 veranschaulicht, ist in der Vorrichtungsschicht 108 und der Deckschicht 110 ein Fotodetektor 106 ausgebildet. Der Fotodetektor 106 umfasst ein Paar PIN-Dioden 112, jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtungsschicht 108. Die PIN-Dioden 112 umfassen jeweils einen p-Kontaktbereich 114 und jeweils einen n-Kontaktbereich 116. Die p-Kontaktbereiche 114 sind zwischen den n-Kontaktbereichen 116 angeordnet. Bei alternativen Ausführungsformen sind die n-Kontaktbereiche 116 zwischen den p-Kontaktbereichen 114 angeordnet. Bei alternativen Ausführungsformen ist eine der PIN-Dioden 112 weggelassen.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Ausbilden 1) selektives Durchführen einer Ionenimplantation in das erste Substrat 118, um die p-Kontaktbereiche 114 auszubilden; und 2) selektives Durchführen einer Ionenimplantation in das erste Substrat 118, um die n-Kontaktbereiche 116 auszubilden. Bei anderen Ausführungsformen wird der Fotodetektor 106 durch einen anderen geeigneten Prozess ausgebildet.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 2200 von 22 veranschaulicht, wird die Hartmaskenschicht 1704 entfernt. Das Entfernen der Hartmaskenschicht 1704 kann beispielsweise durch eine Ätzung, CMP oder einen anderen geeigneten Entfernungsprozess erfolgen. Bei alternativen Ausführungsformen wird die Hartmaskenschicht 1704 nicht entfernt und ist also weiterhin vorhanden.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 2200 von 22 ebenfalls veranschaulicht, wird die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 direkt auf der Deckschicht 110 und dem ersten Substrat 118 abgeschieden. Die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 ist ein dielektrisches Material mit hohem k-Wert, d. h. mit einer Dielektrizitätskonstante, die 3,9, 10 oder einen anderen geeigneten Wert überschreitet. Die Abscheidung kann beispielsweise durch Atomlagenabscheidung (ALD), Gasphasenabscheidung oder einen anderen geeigneten Abscheidungsprozess erfolgen.
  • Die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 reagiert mit der Deckschicht 110, und dadurch wird die Ausbildung einer Grenzflächenschicht 120 zwischen der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 und der Deckschicht 110 bewirkt. Beispielsweise können die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 und die Deckschicht 110 ein Metalloxid bzw. Silicium umfassen, sodass Sauerstoff der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 mit Silicium der Deckschicht 110 reagiert und die Grenzflächenschicht 120 als Siliciumoxid ausgebildet wird. Ferner reagiert die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 mit dem ersten Substrat 118, sodass sich die Grenzflächenschicht 120 entlang der oberen Fläche des ersten Substrats 118 erstreckt. Die Grenzflächenschicht 120 ist ein Dielektrikum mit einer anderen Bandlücke als die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 und mit einer Sauerstoff-Flächendichte, die kleiner als die der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 ist. Aufgrund der verschiedenen Bandlücken tritt an der Grenzfläche 122 zwischen der Grenzflächenschicht 120 und der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 eine Bandverbiegung auf. Die Bandverbiegung wiederum bewirkt die Ausbildung eines Dipolmoments 104 an der Grenzfläche 122. Da die Grenzflächenschicht 120 eine kleinere Sauerstoff-Flächendichte als die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 aufweist, sammeln sich negative Ladungen (durch Minuszeichen schematisch veranschaulicht) in der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 entlang der Grenzfläche 122 an, während sich positive Ladungen (durch Pluszeichen schematisch veranschaulicht) in der Grenzflächenschicht 120 entlang der Grenzfläche 122 ansammeln.
  • Bei einigen Ausführungsformen sind die Deckschicht 110 und das erste Substrat 118 Silicium, die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 ist ein Metalloxid und die Grenzflächenschicht 120 ist Siliciumoxid. Es sind jedoch auch andere geeignete Materialien möglich. Bei einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 Aluminiumoxid (z. B. Al2O3), Titanoxid (z. B. TiO2), Tantaloxid (z. B. Ta2O5), Hafniumoxid (HfO2), Zirconiumoxid (z. B. ZrO2), Magnesiumoxid (z. B. MgO), ein anderes geeignetes Dielektrikum (andere geeignete Dielektrika) mit hohem k-Wert oder irgendeine Kombination davon. Bei einigen Ausführungsformen weist die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 eine größere Dielektrizitätskonstante als die Grenzflächenschicht 120 auf und/oder weist eine kleinere Bandlücke als die Grenzflächenschicht 120 auf.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 eine Dicke Thkp von ungefähr 1 bis 10 Nanometer, ungefähr 1 bis 5 Nanometer, ungefähr 5 bis 10 Nanometer oder einem anderen geeigneten Wert auf. Wenn die Dicke Thkp zu groß ist (z. B. größer als ungefähr 10 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert), können intrinsische Defekte in der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 zu einem hohen Leckstrom führen, der den Leistungszuwachs aus dem Dipolmoment 104 zunichte macht. Wenn die Dicke Thkp zu klein ist (z. B. weniger als ungefähr 1 Nanometer oder ein anderer geeigneter Wert), kann sich das Dipolmoment 104 nicht ausbilden und somit ergibt sich kein Leistungszuwachs aus dem Dipolmoment 104.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Grenzflächenschicht 120 ein Halbleiterelement aus dem ersten Substrat 118 und umfasst ferner Sauerstoff und/oder ein anderes geeignetes Element (andere geeignete Elemente) aus der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102. Beispielsweise kann die Grenzflächenschicht 120 Silicium aus dem ersten Substrat 118 und Sauerstoff aus der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 umfassen. Bei einigen Ausführungsformen ist oder umfasst die Grenzflächenschicht 120 Siliciumdioxid (z. B. SiO2) und/oder ein anderes geeignetes Dielektrikum (andere geeignete Dielektrika). Bei einigen Ausführungsformen weist die Grenzflächenschicht 120 eine Dicke Ti von ungefähr 0,5 bis 2,5 Nanometer, ungefähr 0,5 bis 1,5 Nanometer oder ungefähr 1,5 bis 2,5 Nanometer oder einem anderen geeigneten Wert auf.
  • Während der Verwendung des Fotodetektors 106 wird Strahlung in Richtung eines interessierenden Objekts ausgesendet. Die von dem Objekt reflektierte Strahlung trifft dann auf den Fotodetektor 106 auf und erzeugt Elektron-Loch-Paare. In verschiedenen Zeitintervallen sammeln die PIN-Dioden 112 bewegliche Elektronen von Elektron-Loch-Paaren jeweils in den n-Kontaktbereichen 116. Die Elektronen, die sich in den verschiedenen Zeitintervallen angesammelt haben, werden dann gemessen und zur Bestimmung des Abstandes zu dem Objekt verwendet. Die positive Ladung des Dipolmoments 104 zieht bewegliche Elektronen 124 des Dunkelstroms in der Vorrichtungsschicht 108 von den PIN-Dioden 112 weg und neutralisiert die beweglichen Elektronen 124. Durch das Neutralisieren der beweglichen Elektronen 124 wird der Dunkelstrom reduziert und überschwemmt nicht die n-Kontaktbereiche 116 der PIN-Dioden 112. Dadurch sind die Messungen unter Verwendung der PIN-Dioden 112 genauer und infolgedessen ist die Abstandsbestimmung genauer.
  • Bei der vorangehenden Erörterung von 22 erfolgt die Bilderfassung durch den Fotodetektor 106 durch Sammeln von Elektronen. Jedoch kann der Fotodetektor 106 alternativ eine Bilderfassung durch Sammeln von Löchern durchführen. Bei solchen Ausführungsformen werden in den p-Kontaktbereichen 114 Löcher gesammelt. Ferner ist die Polarität des Dipolmoments 104 umgekehrt. Siehe beispielsweise 5A und 5B. Die Polarität des Dipolmoments 104 kann beispielsweise durch Ausbilden der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 aus einem Material mit einer geringeren Sauerstoff-Flächendichte als die Grenzflächenschicht 120 umgekehrt werden. Beispielsweise kann die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 Bariumoxid (z. B. BaO), Strontiumoxid (z. B. SrO), Lanthanoxid (z. B. La2O3), Yttriumoxid (z. B. Y2O3), ein anderes geeignetes Dielektrikum (andere geeignete Dielektrika) mit hohem k-Wert oder irgendeine Kombination davon sein oder umfassen.
  • Bei der vorangehenden Erörterung von 22 wird die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 direkt auf der Deckschicht 110 abgeschieden, und die Grenzflächenschicht 120 bildet sich durch Reaktion zwischen der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 und der Deckschicht 110 aus. Bei alternativen Ausführungsformen wird eine Oxid-/Passivierungsschicht (siehe z. B. 902 in 9) direkt auf der Deckschicht 110 abgeschieden, und dann wird die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 direkt auf der Oxid-/Passivierungsschicht abgeschieden. Die Oxid-/Passivierungsschicht kann beispielsweise durch thermische Oxidation, Gasphasenabscheidung, einen anderen geeigneten Abscheidungsprozess oder irgendeine Kombination davon abgeschieden werden.
  • Die Oxid-/Passivierungsschicht ist wie zu 9 beschrieben beschaffen, und weil sie durch Abscheidung ausgebildet wird, hat sie eine höhere Kristallqualität als die Grenzflächenschicht 120. Die höhere Kristallqualität führt zu einem reduzierten Leckstrom und einer verbesserten Leistungsfähigkeit des Fotodetektors 106.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 2300A von 23A veranschaulicht, wird eine erste Verschaltungsstruktur 1312 über dem Fotodetektor 106 ausgebildet und damit elektrisch gekoppelt, wodurch eine erste IC-Struktur 1302 definiert wird. Die erste Verschaltungsstruktur 1312 umfasst eine Vielzahl von Leitungen 128, eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 126 und eine Vielzahl von Pads 1316, die in Ebenen gruppiert und abwechselnd gestapelt sind. Die Pads 1316 sind an der Oberseite der ersten Verschaltungsstruktur 1312 angeordnet, und die Leitungen 128 und die Durchkontaktierungen 126 sind von den Pads 1316 zum Fotodetektor 106 abwechselnd gestapelt.
  • An der Oberseite der ersten Verschaltungsstruktur 1312 befindet sich eine dielektrische Bondschicht 1318 und umgibt die Pads 1316 und die Durchkontaktierungen 126 an den Pads 1316. Ferner umgibt eine Ätzstoppschicht 1322 die Durchkontaktierungen 126 an den Pads 1316. Die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 und die Grenzflächenschicht 120 umgeben die Durchkontaktierungen 126 am Fotodetektor 106. Eine dielektrische Verbindungsschicht 1320 umgibt die Leitungen 128 und den Rest der Durchkontaktierungen 126.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 2300B von 23B veranschaulicht, wird eine zweite IC-Struktur 1304, wie mit Bezug auf 13 beschrieben, ausgebildet. Es wird eine Vielzahl von Logikvorrichtungen 1308 ausgebildet, die über einem zweiten Substrat 1310 liegen, und es wird eine Grabenisolationsstruktur 1324 ausgebildet, um die Logikvorrichtungen 1308 voneinander zu trennen. Ferner wird eine zweite Verschaltungsstruktur 1314 ausgebildet, die über den Logikvorrichtungen 1308 liegt und diese elektrisch koppelt.
  • Die zweite Verschaltungsstruktur 1314 ist der ersten Verschaltungsstruktur 1312 ähnlich und umfasst somit eine Vielzahl von Leitungen 128, eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 126 und eine Vielzahl von Pads 1316, die in Ebenen gruppiert und abwechselnd gestapelt sind. Die Pads 1316 sind an der Oberseite der zweiten Verschaltungsstruktur 1314 angeordnet, und die Leitungen 128 und die Durchkontaktierungen 126 sind von den Pads 1316 zu den Logikvorrichtungen 1308 abwechselnd gestapelt. An der Oberseite der zweiten Verschaltungsstruktur 1314 befindet sich eine dielektrische Bondschicht 1318 und umgibt die Pads 1316 und die Durchkontaktierungen 126 an den Pads 1316. Ferner umgibt eine Ätzstoppschicht 1322 die Durchkontaktierungen 126 an den Pads 1316. Eine dielektrische Verbindungsschicht 1320 umgibt die Leitungen 128 und den Rest der Durchkontaktierungen 126.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 2300C von 23C veranschaulicht, wird die erste IC-Struktur 1302 vertikal umgedreht und an die zweite IC-Struktur 1304 gebondet. Bei dem Bonden handelt es sich um ein Hybrid-Bonden, wobei Pads 1316 der ersten und der zweiten Verschaltungsstruktur 1312, 1314 in direkten Kontakt gebracht werden und wobei die dielektrischen Bondschichten 1318 der ersten und der zweiten Verschaltungsstruktur 1312, 1314 in direkten Kontakt gebracht werden.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 2300D von 23D veranschaulicht, sind auf der Rückseite des ersten Substrats 118 eine Mikrolinse 1334 und ein Metallgitter 1336 gestapelt über dem ersten Substrat 118 ausgebildet. Ferner ist zwischen dem Metallgitter 1336 und dem ersten Substrat 118 eine Antireflexionsschicht 1340 vorhanden, während die Metallgitter-Isolations- bzw. -Dielektrikumschicht 1342 die Metallgitteröffnung 1338 ausfüllt und das Metallgitter 1336 von der Mikrolinse 1334 trennt.
  • Wie vorstehend beschrieben, veranschaulichen 23A bis 23D die Ausbildung des Bildsensors als BSI. Alternativ kann der Bildsensor jedoch FSI sein. Bei solchen alternativen Ausführungsformen werden die nachstehend mit Bezug auf 24A und 24B beschriebenen Vorgänge anstelle der mit Bezug auf 23 A bis 23D beschriebenen Vorgänge ausgeführt. Somit kann bei alternativen Ausführungsformen das Verfahren von 17 bis 22 bis zu 24A und 24B ablaufen (wobei 23A bis 23D übersprungen werden).
  • Wie durch die Querschnittsansicht 2400A von 24A veranschaulicht, wird die erste Verschaltungsstruktur 1312 über dem Fotodetektor 106 ausgebildet und damit elektrisch gekoppelt. Die erste Verschaltungsstruktur 1312 wird wie mit Bezug auf 23A beschrieben ausgebildet, nur dass die Pads 1316, die dielektrische Bondschicht 1318 und die Ätzstoppschicht 1322 weggelassen werden. Ferner bedeckt die dielektrische Verbindungsschicht 1320 der ersten Verschaltungsstruktur 1312 die oberste Ebene der Leitungen 128.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 2400B von 24B veranschaulicht, sind auf der Vorderseite des ersten Substrats 118 die Mikrolinse 1334 und das Metallgitter 1336 gestapelt über der Verschaltungsstruktur 1312 ausgebildet. Ferner ist zwischen dem Metallgitter 1336 und der Verschaltungsstruktur 1312 die Antireflexionsschicht 1340 vorhanden, während die Metallgitter-Isolations- bzw. -Dielektrikumschicht 1342 die Metallgitteröffnung 1338 ausfüllt und das Metallgitter 1336 von der Mikrolinse 1334 trennt.
  • Obwohl 17 bis 22, 23A bis 23D, 24A und 24B mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen eines Verfahrens beschrieben sind, versteht es sich, dass die in 17 bis 22, 23A bis 23D, 24A und 24B gezeigten Strukturen nicht auf das Verfahren beschränkt sind, sondern unabhängig von dem Verfahren sein können. Obwohl 17 bis 22, 23A bis 23D, 24A und 24B als eine Aufeinanderfolge von Vorgängen beschrieben sind, versteht es sich, dass bei anderen Ausführungsformen die Reihenfolge der Vorgänge geändert werden kann. Obwohl 17 bis 22, 23A bis 23D, 24A und 24B als einen spezifischen Satz von Vorgängen veranschaulichen und darstellen, können bei anderen Ausführungsformen einige der veranschaulichten und/oder dargestellten Vorgänge weggelassen werden. Ferner können bei anderen Ausführungsformen Vorgänge eingeschlossen sein, die nicht veranschaulicht und/oder beschrieben wurden.
  • Mit Bezug auf 25 ist ein Blockdiagramm 2500 einiger Ausführungsformen des Verfahrens von 17 bis 22, 23A bis 23D, 24A und 24B bereitgestellt.
  • In 2502 wird ein Substrat strukturiert, um einen Hohlraum auszubilden. Siehe beispielsweise 17.
  • In 2504 wird eine Vorrichtungsschicht so durch epitaktisches Wachstum aufgebracht, dass sie den Hohlraum verfüllt. Siehe beispielsweise 18.
  • In 2506 wird die Vorrichtungsschicht planarisiert, um die obere Fläche der Vorrichtungsschicht einzuebnen. Siehe beispielsweise 19.
  • In 2508 wird eine Deckschicht so durch epitaktisches Wachstum aufgebracht, dass sie über der Vorrichtungsschicht liegt. Siehe beispielsweise 20.
  • In 2510 wird in der Deckschicht und der Vorrichtungsschicht ein Fotodetektor ausgebildet. Siehe beispielsweise 21.
  • In 2512 wird eine Passivierungsschicht mit hohem k-Wert abgeschieden, die über der Deckschicht liegt, wobei die Passivierungsschicht mit hohem k-Wert die Ausbildung eines Dipolmoments entlang der oberen Fläche der Deckschicht induziert. Siehe beispielsweise 22. Bei einigen Ausführungsformen wird die Passivierungsschicht mit hohem k-Wert direkt auf der Deckschicht abgeschieden. Bei anderen Ausführungsformen wird eine Oxid-/Passivierungsschicht direkt auf der Deckschicht abgeschieden, und die Passivierungsschicht mit hohem k-Wert wird direkt auf der Oxid-/Passivierungsschicht abgeschieden.
  • In 2514 wird eine Verschaltungsstruktur ausgebildet, die über der Passivierungsschicht mit hohem k-Wert liegt und durch Kontakt-Durchkontaktierungen in der Passivierungsschicht mit hohem k-Wert mit dem Fotodetektor elektrisch gekoppelt ist. Siehe beispielsweise 23A oder 24A.
  • In 2516 wird eine Mikrolinse ausgebildet, die vertikal zu dem Fotodetektor auf der Vorderseite des Substrats oder auf der Rückseite des Substrats ausgerichtet ist. Siehe beispielsweise 23D oder 24B.
  • Zwar ist der Blockschaltplan 2500 von 25 vorliegend als eine Aufeinanderfolge von Vorgängen oder Ereignissen veranschaulicht und beschrieben, es versteht sich jedoch, dass die veranschaulichte Reihenfolge solcher Vorgänge oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinne auszulegen ist. Beispielsweise können einige Handlungen in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Handlungen oder Ereignissen außer denjenigen auftreten, die hierin dargestellt und/oder beschrieben sind. Ferner sind gegebenenfalls nicht alle veranschaulichten Vorgänge erforderlich, um einen oder mehrere Aspekte oder eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung zu implementieren, und einer oder mehrere der vorliegend dargestellten Vorgänge kann in einem oder mehreren separaten Vorgängen und/oder einer oder mehreren separaten Phasen ausgeführt werden.
  • Mit Bezug auf 26 bis 32 ist eine Serie von Querschnittsansichten 2600 bis 3200 erster Ausführungsformen eines Verfahrens zum Ausbilden eines Bildsensors bereitgestellt, wobei die untere Fläche einer Vorrichtungsschicht oberhalb der oberen Fläche eines Substrats zu liegen kommt und wobei eine Passivierungsschicht so eingerichtet wird, dass sie über einem Fotodetektor in der Vorrichtungsschicht ein Dipolmoment induziert, um den Dunkelstrom zu reduzieren. 31 und 32 sind Alternativen zueinander, wobei der Bildsensor BSI bzw. FSI ist und jeweils von 26 bis 30 ausgegangen wird.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 2600 von 26 veranschaulicht, wird eine Halbleiterschicht 2602 so durch epitaktisches Wachstum aufgebracht, dass sie ein erstes Substrat 118 bedeckt. Bei der Halbleiterschicht 2602 handelt es sich um ein von dem ersten Substrat 118 verschiedenes Halbleitermaterial. Beispielsweise kann die Halbleiterschicht 2602 Germanium oder Siliciumgermanium sein, während das erste Substrat 118 Silicium sein kann. Jedoch sind bei alternativen Ausführungsformen andere geeignete Materialien möglich. Bei einigen Ausführungsformen weist die Halbleiterschicht 2602 einen höheren Absorptionskoeffizienten für NIR- und/oder IR-Strahlung als das erste Substrat 118 auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die Halbleiterschicht 2602 eine kleinere Bandlücke als das erste Substrat 118 auf.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 2700 von 27 veranschaulicht, wird die Halbleiterschicht 2602 (siehe z. B. 26) so strukturiert, dass eine Vorrichtungsschicht 108 ausgebildet wird. Das Strukturieren kann beispielsweise Folgendes umfassen: 1) Ausbilden einer Maske über der Halbleiterschicht 2602; 2) Durchführen einer Ätzung in die Halbleiterschicht 2602 mit der an ihrer Verwendungsstelle befindlichen Maske und 3) Entfernen der Maske. Die Maske kann beispielsweise eine Fotolackmaske und/oder ein anderer geeigneter Maskentyp sein. Bei anderen Ausführungsformen erfolgt das Strukturieren durch einen anderen geeigneten Prozess.
  • Wie durch die Querschnittsansichten 2800 bis 3000 von 28 bis 30 veranschaulicht, werden die mit Bezug auf 20 bis 22 beschriebenen Vorgänge jeweils ausgeführt. In 28 ist eine Deckschicht 110 auf der Vorrichtungsschicht 108 epitaktisch aufgewachsen und bedeckt diese, wie mit Bezug auf 20 beschrieben. Da die Seitenwände der Vorrichtungsschicht 108 freiliegen, wächst die Deckschicht 110 auch an den Seitenwänden der Vorrichtungsschicht 108. Ferner wird die Epitaxie so durchgeführt, dass die Deckschicht 110 auf der Vorrichtungsschicht 108, nicht jedoch auf dem Substrat 118 wächst. Bei alternativen Ausführungsformen wächst die Deckschicht 110 auch auf dem Substrat 118. In 29 wird ein Fotodetektor 106 in der Vorrichtungsschicht 108 und der Deckschicht 110 ausgebildet, wie mit Bezug auf 21 beschrieben. In 30 ist eine einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 direkt auf der Deckschicht 110 und dem ersten Substrat 118 abgeschieden, und dadurch ist eine Grenzflächenschicht 120 ausgebildet, wie mit Bezug auf 22 beschrieben. Bei alternativen Ausführungsformen ist eine Oxid-/Passivierungsschicht (siehe z. B. 902 in 12A) direkt auf der Deckschicht 110 abgeschieden, und die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 ist direkt auf der Oxid-/Passivierungsschicht abgeschieden. Bei alternativen Ausführungsformen ist die Polarität der einen hohen k-Wert aufweisenden Passivierungsschicht 102 umgekehrt (siehe z. B. 5A, 5B und 6).
  • Wie durch die Querschnittsansicht 3100 von 31 veranschaulicht, werden die mit Bezug auf 23A bis 23D beschriebenen Vorgänge ausgeführt, sodass der Bildsensor BSI ist. Insbesondere wird eine erste Verschaltungsstruktur 1312 über dem Fotodetektor 106 ausgebildet und elektrisch damit gekoppelt, und dadurch wird eine erste IC-Struktur 1302 definiert, wie mit Bezug auf 23A beschrieben. Eine zweite IC-Struktur 1304 wird wie mit Bezug auf 23B beschrieben ausgebildet. Wie mit Bezug auf 23C beschrieben, wird die erste IC-Struktur 1302 vertikal umgedreht und an die zweite IC-Struktur 1304 gebondet. Auf der Rückseite des ersten Substrats 118 sind, wie mit Bezug auf 23D beschrieben, über dem ersten Substrat 118 eine Mikrolinse 1334 und ein Metallgitter 1336 ausgebildet.
  • 31 veranschaulicht das Verfahren zum Ausbilden des Bildsensors als BSI. Alternativ kann der Bildsensor jedoch durch das Verfahren als FSI ausgebildet werden. Bei solchen alternativen Ausführungsformen geht das Verfahren von 26 bis 30 zu 32 weiter, wobei 31 übersprungen wird. Ferner sind in 32 die mit Bezug auf 24A und 24B beschriebenen Vorgänge ausgeführt. Insbesondere ist eine erste Verschaltungsstruktur 1312 über dem Fotodetektor 106 ausgebildet und elektrisch damit gekoppelt, wie mit Bezug auf 24A beschrieben. Ferner sind eine Mikrolinse 1334 und ein Metallgitter 1336 wie mit Bezug auf 24B beschrieben gestapelt über der ersten Verschaltungsstruktur 1312 auf der Vorderseite des ersten Substrats 118 ausgebildet.
  • Obwohl 26 bis 32 mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen eines Verfahrens beschrieben sind, versteht es sich, dass die in 26 bis 32 gezeigten Strukturen nicht auf das Verfahren beschränkt sind, sondern unabhängig von dem Verfahren sein können. Obwohl 26 bis 32 als eine Aufeinanderfolge von Vorgängen beschrieben sind, versteht es sich, dass bei anderen Ausführungsformen die Reihenfolge der Vorgänge geändert werden kann. Obwohl 26 bis 32 einen spezifischen Satz von Vorgängen veranschaulichen und darstellen, können bei anderen Ausführungsformen einige der veranschaulichten und/oder dargestellten Vorgänge weggelassen werden. Ferner können bei anderen Ausführungsformen Vorgänge eingeschlossen sein, die nicht veranschaulicht und/oder beschrieben wurden.
  • Mit Bezug auf 33 ist ein Blockdiagramm 3300 einiger Ausführungsformen des Verfahrens von 26 bis 32 bereitgestellt.
  • In 3302 wird eine Halbleiterschicht durch epitaktisches Wachstum über einem Substrat aufgebracht. Siehe beispielsweise 26.
  • In 3304 wird die Halbleiterschicht strukturiert, um eine Vorrichtungsschicht auszubilden. Siehe beispielsweise 27.
  • In 3306 wird auf der oberen Fläche der Vorrichtungsschicht und an Seitenwänden der Vorrichtungsschicht eine Deckschicht durch epitaktisches Wachstum aufgebracht. Siehe beispielsweise 28.
  • In 3308 wird in der Deckschicht und der Vorrichtungsschicht ein Fotodetektor ausgebildet. Siehe beispielsweise 29.
  • In 3310 wird eine Passivierungsschicht mit hohem k-Wert abgeschieden, die über der Deckschicht liegt, wobei die Passivierungsschicht mit hohem k-Wert die Ausbildung eines Dipolmoments entlang der oberen Fläche der Deckschicht induziert. Siehe beispielsweise 30. Bei einigen Ausführungsformen wird die Passivierungsschicht mit hohem k-Wert direkt auf der Deckschicht abgeschieden. Bei anderen Ausführungsformen wird eine Oxid-/Passivierungsschicht direkt auf der Deckschicht abgeschieden, und die Passivierungsschicht mit hohem k-Wert wird direkt auf der Oxid-/Passivierungsschicht abgeschieden.
  • In 3312 wird eine Verschaltungsstruktur ausgebildet, die über der Passivierungsschicht mit hohem k-Wert liegt und durch Kontakt-Durchkontaktierungen in der Passivierungsschicht mit hohem k-Wert mit dem Fotodetektor elektrisch gekoppelt ist. Siehe beispielsweise 31 oder 32.
  • In 3314 wird eine Mikrolinse ausgebildet, die vertikal zu dem Fotodetektor auf der Vorderseite des Substrats oder auf der Rückseite des Substrats ausgerichtet ist. Siehe beispielsweise 31 oder 32.
  • Zwar ist der Blockschaltplan 3300 von 33 vorliegend als eine Aufeinanderfolge von Vorgängen oder Ereignissen veranschaulicht und beschrieben, es versteht sich jedoch, dass die veranschaulichte Reihenfolge solcher Vorgänge oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinne auszulegen ist. Beispielsweise können einige Handlungen in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Handlungen oder Ereignissen außer denjenigen auftreten, die hierin dargestellt und/oder beschrieben sind. Ferner sind gegebenenfalls nicht alle veranschaulichten Vorgänge erforderlich, um einen oder mehrere Aspekte oder eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung zu implementieren, und einer oder mehrere der vorliegend dargestellten Vorgänge kann in einem oder mehreren separaten Vorgängen und/oder einer oder mehreren separaten Phasen ausgeführt werden.
  • Mit Bezug auf 34 bis 42 ist eine Serie von Querschnittsansichten 3400 bis 4200 zweiter Ausführungsformen eines Verfahrens zum Ausbilden eines Bildsensors bereitgestellt, wobei die untere Fläche einer Vorrichtungsschicht oberhalb der oberen Fläche eines Substrats zu liegen kommt und wobei eine Passivierungsschicht so eingerichtet wird, dass sie über einem Fotodetektor in der Vorrichtungsschicht ein Dipolmoment induziert, um den Dunkelstrom zu reduzieren. 41 und 42 sind Alternativen zueinander, wobei der Bildsensor BSI bzw. FSI ist und jeweils von 34 bis 40 ausgegangen wird.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 3400 von 34 veranschaulicht, wird eine dielektrische Schicht 1202, die später zwischen den Fotodetektoren liegt, so abgeschieden, dass sie ein erstes Substrat 118 bedeckt. Die zwischen Fotodetektoren liegende dielektrische Schicht 1202 kann beispielsweise Siliciumoxid und/oder ein anderes geeignetes Dielektrikum (andere geeignete Dielektrika) sein oder umfassen. Die dielektrische Schicht 1202, die später zwischen den Fotodetektoren liegt, kann beispielsweise durch thermische Oxidation, Gasphasenabscheidung oder einen anderen geeigneten Abscheidungsprozess abgeschieden werden.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 3500 von 35 veranschaulicht, wird die dielektrische Schicht 1202, die später zwischen den Fotodetektoren liegt, strukturiert, um einen Hohlraum 3502 auszubilden. Das Strukturieren kann beispielsweise durch einen Fotolithografie-/Ätzprozess oder einen anderen geeigneten Strukturierungsprozess erfolgen.
  • Wie durch die Querschnittsansichten 3600 bis 4000 von 36 bis 40 veranschaulicht, werden die mit Bezug auf 18 bis 22 beschriebenen Vorgänge jeweils ausgeführt. In 36 ist eine Vorrichtungsschicht 108 so epitaktisch aufgewachsen, dass sie den Hohlraum 3502 verfüllt (siehe z. B. 35), wie mit Bezug auf 18 beschrieben. In 37 ist die obere Fläche der Vorrichtungsschicht 108 planarisiert, wie mit Bezug auf 19 beschrieben. Die obere Fläche der Vorrichtungsschicht 108 ist jedoch im Verhältnis zu der oberen Fläche der dielektrischen Schicht 1202, die später zwischen den Fotodetektoren liegt, nicht vertieft bzw. eingesenkt. Bei alternativen Ausführungsformen ist die obere Fläche der Vorrichtungsschicht 108 im Verhältnis zu der oberen Fläche der dielektrischen Schicht 1202, die später zwischen den Fotodetektoren liegt, entsprechend dem Vertiefen von 19 vertieft bzw. eingesenkt. In 38 ist eine Deckschicht 110 so epitaktisch aufgewachsen, dass sie auf die Vorrichtungsschicht 108 beschränkt ist und diese bedeckt, wie mit Bezug auf 20 beschrieben. Bei alternativen Ausführungsformen wird die Deckschicht 110 so durch epitaktisches Wachstum aufgebracht, dass sie auch die dielektrische Schicht 1202, die später zwischen den Fotodetektoren liegt, bedeckt. In 39 wird ein Fotodetektor 106 in der Vorrichtungsschicht 108 und der Deckschicht 110 ausgebildet, wie mit Bezug auf 21 beschrieben. In 40 ist eine einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 direkt auf der Deckschicht 110 und dem ersten Substrat 118 abgeschieden, wie mit Bezug auf 22 beschrieben. Bei alternativen Ausführungsformen ist eine Oxid-/Passivierungsschicht (siehe z. B. 902 von 9) direkt auf der Deckschicht 110 abgeschieden, und die einen hohen k-Wert aufweisende Passivierungsschicht 102 ist direkt auf der Oxid-/Passivierungsschicht abgeschieden.
  • Wie durch die Querschnittsansicht 4100 von 41 veranschaulicht, werden die mit Bezug auf 23A bis 23D beschriebenen Vorgänge ausgeführt, sodass der Bildsensor BSI ist. Insbesondere wird eine erste Verschaltungsstruktur 1312 über dem Fotodetektor 106 ausgebildet und elektrisch damit gekoppelt, und dadurch wird eine erste IC-Struktur 1302 definiert, wie mit Bezug auf 23A beschrieben. Eine zweite IC-Struktur 1304 wird wie mit Bezug auf 23B beschrieben ausgebildet. Wie mit Bezug auf 23C beschrieben, wird die erste IC-Struktur 1302 vertikal umgedreht und an die zweite IC-Struktur 1304 gebondet. Auf der Rückseite des ersten Substrats 118 sind, wie mit Bezug auf 23D beschrieben, über dem ersten Substrat 118 eine Mikrolinse 1334 und ein Metallgitter 1336 ausgebildet.
  • 41 veranschaulicht das Verfahren zum Ausbilden des Bildsensors als BSI. Alternativ kann der Bildsensor jedoch durch das Verfahren als FSI ausgebildet werden. Bei solchen alternativen Ausführungsformen geht das Verfahren von 34 bis 40 zu 42 weiter, wobei 41 übersprungen wird. Ferner sind in 42 die mit Bezug auf 24A und 24B beschriebenen Vorgänge ausgeführt. Insbesondere ist eine erste Verschaltungsstruktur 1312 über dem Fotodetektor 106 ausgebildet und elektrisch damit gekoppelt, wie mit Bezug auf 24A beschrieben. Ferner sind eine Mikrolinse 1334 und ein Metallgitter 1336 wie mit Bezug auf 24B beschrieben gestapelt über der ersten Verschaltungsstruktur 1312 auf der Vorderseite des Substrats 118 ausgebildet.
  • Obwohl 34 bis 42 mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen eines Verfahrens beschrieben sind, versteht es sich, dass die in 34 bis 42 gezeigten Strukturen nicht auf das Verfahren beschränkt sind, sondern unabhängig von dem Verfahren sein können. Obwohl 34 bis 42 als eine Aufeinanderfolge von Vorgängen beschrieben sind, versteht es sich, dass bei anderen Ausführungsformen die Reihenfolge der Vorgänge geändert werden kann. Obwohl 34 bis 42 einen spezifischen Satz von Vorgängen veranschaulichen und darstellen, können bei anderen Ausführungsformen einige der veranschaulichten und/oder dargestellten Vorgänge weggelassen werden. Ferner können bei anderen Ausführungsformen Vorgänge eingeschlossen sein, die nicht veranschaulicht und/oder beschrieben wurden.
  • Mit Bezug auf 43 ist ein Blockdiagramm 4300 einiger Ausführungsformen des Verfahrens von 34 bis 42 bereitgestellt.
  • In 4302 wird über einem Substrat eine dielektrische Schicht abgeschieden, die später zwischen den Fotodetektoren liegt. Siehe beispielsweise 34.
  • In 4304 wird die dielektrische Schicht, die später zwischen den Fotodetektoren liegt, strukturiert, um einen Hohlraum auszubilden. Siehe beispielsweise 35.
  • In 4306 wird eine Vorrichtungsschicht so durch epitaktisches Wachstum aufgebracht, dass sie den Hohlraum verfüllt. Siehe beispielsweise 36.
  • In 4308 wird die Vorrichtungsschicht planarisiert, um die obere Fläche der Vorrichtungsschicht einzuebnen. Siehe beispielsweise 37.
  • In 4310 wird eine Deckschicht so durch epitaktisches Wachstum aufgebracht, dass sie über der Vorrichtungsschicht liegt. Siehe beispielsweise 38.
  • In 4312 wird in der Deckschicht und der Vorrichtungsschicht ein Fotodetektor ausgebildet. Siehe beispielsweise 39.
  • In 4314 wird eine Passivierungsschicht mit hohem k-Wert abgeschieden, die über der Deckschicht liegt, wobei die Passivierungsschicht mit hohem k-Wert die Ausbildung eines Dipolmoments entlang der oberen Fläche der Deckschicht induziert. Siehe beispielsweise 40. Bei einigen Ausführungsformen wird die Passivierungsschicht mit hohem k-Wert direkt auf der Deckschicht abgeschieden. Bei anderen Ausführungsformen wird eine Oxid-/Passivierungsschicht direkt auf der Deckschicht abgeschieden, und die Passivierungsschicht mit hohem k-Wert wird direkt auf der Oxid-/Passivierungsschicht abgeschieden.
  • In 4316 wird eine Verschaltungsstruktur ausgebildet, die über der Passivierungsschicht mit hohem k-Wert liegt und durch Kontakt-Durchkontaktierungen in der Passivierungsschicht mit hohem k-Wert mit dem Fotodetektor elektrisch gekoppelt ist. Siehe beispielsweise 41 oder 42.
  • In 4318 wird eine Mikrolinse ausgebildet, die vertikal zu dem Fotodetektor auf der Vorderseite des Substrats oder auf der Rückseite des Substrats ausgerichtet ist. Siehe beispielsweise 41 oder 42.
  • Zwar ist der Blockschaltplan 4300 von 43 vorliegend als eine Aufeinanderfolge von Vorgängen oder Ereignissen veranschaulicht und beschrieben, es versteht sich jedoch, dass die veranschaulichte Reihenfolge solcher Vorgänge oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinne auszulegen ist. Beispielsweise können einige Handlungen in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Handlungen oder Ereignissen außer denjenigen auftreten, die hierin dargestellt und/oder beschrieben sind. Ferner sind gegebenenfalls nicht alle veranschaulichten Vorgänge erforderlich, um einen oder mehrere Aspekte oder eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung zu implementieren, und einer oder mehrere der vorliegend dargestellten Vorgänge kann in einem oder mehreren separaten Vorgängen und/oder einer oder mehreren separaten Phasen ausgeführt werden.
  • Die vorliegende Offenbarung stellt in einigen Ausführungsformen einen Bildsensor bereit, der Folgendes aufweist: ein Substrat; eine Vorrichtungsschicht, die über dem Substrat liegt; eine Deckschicht, die über der Vorrichtungsschicht liegt, wobei die Deckschicht und die Vorrichtungsschicht Halbleitermaterialien sind und wobei die Deckschicht eine größere Bandlücke als die Vorrichtungsschicht aufweist; einen Fotodetektor in der Vorrichtungsschicht und der Deckschicht und eine Passivierungsschicht, die über der Deckschicht liegt, wobei die Passivierungsschicht die Ausbildung eines Dipolmoments entlang der oberen Fläche der Deckschicht induziert. In einigen Ausführungsformen weist der Bildsensor ferner eine Grenzflächenschicht zwischen der Passivierungsschicht und der Deckschicht und in direktem Kontakt damit auf, wobei die Passivierungsschicht ein dielektrisches Material mit hohem k-Wert ist. Bei einigen Ausführungsformen bewirkt die Passivierungsschicht die Ausbildung einer Grenzflächenschicht zwischen der Passivierungsschicht und der Deckschicht und in direktem Kontakt damit, wobei das Dipolmoment eine Grenzfläche, an der die Passivierungsschicht und die Grenzflächenschicht in direktem Kontakt stehen, überspannt. Bei einigen Ausführungsformen weist die Passivierungsschicht Folgendes auf: eine Siliciumoxidschicht, die über der Deckschicht liegt und in direktem Kontakt damit steht; und eine dielektrische Schicht mit hohem k-Wert, die über der Siliciumoxidschicht liegt und in direktem Kontakt damit steht, wobei das Dipolmoment eine Grenzfläche, an der die dielektrische Schicht mit hohem k-Wert und die Siliciumoxidschicht in direktem Kontakt stehen, überspannt. Bei einigen Ausführungsformen ist die Vorrichtungsschicht in das Substrat eingebettet, sodass sich das Substrat an Seitenwänden der Vorrichtungsschicht befindet. Bei einigen Ausführungsformen liegt die untere Fläche der Vorrichtungsschicht oberhalb der oberen Fläche des Substrats. Bei einigen Ausführungsformen umhüllt die Deckschicht eine obere Ecke der Vorrichtungsschicht, von einer oberen Fläche der Vorrichtungsschicht zu einer Seitenwand der Vorrichtungsschicht, und erstreckt sich entlang der Seitenwand der Vorrichtungsschicht. Bei einigen Ausführungsformen weist der Fotodetektor ein Paar PIN-Dioden in der Deckschicht und der Vorrichtungsschicht auf, wobei die PIN-Dioden sich jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtungsschicht befinden. In einigen Ausführungsformen weist der Bildsensor ferner eine Kontakt-Durchkontaktierung auf, die sich vom Fotodetektor durch die Passivierungsschicht hindurch erstreckt, wobei die Passivierungsschicht und die Kontakt-Durchkontaktierung jeweils obere Flächen aufweisen, die eben sind.
  • Die vorliegende Offenbarung stellt in einigen Ausführungsformen einen anderen Bildsensor bereit, der Folgendes aufweist: ein Substrat; eine Vorrichtungsschicht, die über dem Substrat liegt; eine Deckschicht, die über der Vorrichtungsschicht liegt, wobei die Deckschicht und die Vorrichtungsschicht und das Substrat Halbleitermaterialien sind und wobei die Vorrichtungsschicht ein von dem Substrat bzw. der Deckschicht verschiedenes Halbleitermaterial ist; einen Fotodetektor in der Vorrichtungsschicht und der Deckschicht; eine erste dielektrische Schicht, die über der Deckschicht liegt und in direktem Kontakt damit steht; und eine zweite dielektrische Schicht, die über der ersten dielektrischen Schicht liegt und in direktem Kontakt damit steht, wobei die erste und die zweite dielektrische Schicht Oxid umfassen und wobei die zweite dielektrische Schicht eine höhere Dielektrizitätskonstante als die erste dielektrische Schicht aufweist. Bei einigen Ausführungsformen weist die erste dielektrische Schicht ein Halbleiterelement aus der Deckschicht auf und weist ferner Oxid aus der zweiten dielektrischen Schicht auf. Bei einigen Ausführungsformen sind das Substrat und die Deckschicht Silicium, wobei die Vorrichtungsschicht Germanium aufweist. Bei einigen Ausführungsformen weist die erste dielektrische Schicht an einer Grenzfläche, an der die erste und die zweite dielektrische Schicht in direktem Kontakt stehen, negative Ladungen auf, wobei die zweite dielektrische Schicht an der Grenzfläche positive Ladungen aufweist. Bei einigen Ausführungsformen weist die erste dielektrische Schicht an einer Grenzfläche, an der die erste und die zweite dielektrische Schicht in direktem Kontakt stehen, positive Ladungen auf, wobei die zweite dielektrische Schicht an der Grenzfläche negative Ladungen aufweist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Vorrichtungsschicht in die Oberseite des Substrats vertieft bzw. eingesenkt, wobei das Substrat einen Implantationsbereich vom p-Typ aufweist, der die Vorrichtungsschicht auskleidet. Bei einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtungsschicht eine untere Fläche auf, die oberhalb der oberen Fläche des Substrats liegt, wobei sich die Deckschicht und die erste und die zweite dielektrische Schicht entlang einer Seitenwand der Vorrichtungsschicht von oben nach unten erstrecken.
  • Die vorliegende Offenbarung stellt in einigen Ausführungsformen ein Verfahren zum Ausbilden eines Bildsensors bereit, das Folgendes einschließt: epitaktisches Aufwachsen einer Vorrichtungsschicht, die über einem Substrat liegt; epitaktisches Aufwachsen einer Deckschicht, die über der Vorrichtungsschicht liegt, wobei die Deckschicht eine größere Bandlücke als die Vorrichtungsschicht aufweist; Ausbilden eines Fotodetektors in der Vorrichtungsschicht und der Deckschicht; und Abscheiden einer Passivierungsschicht, die über der Deckschicht liegt, wobei die Passivierungsschicht die Ausbildung eines Dipolmoments entlang der oberen Fläche der Deckschicht induziert. Bei einigen Ausführungsformen weist die Passivierungsschicht eine dielektrische Schicht mit hohem k-Wert auf, wobei das Abscheiden der Passivierungsschicht einschließt, die dielektrische Schicht mit hohem k-Wert direkt auf der Deckschicht abzuscheiden und dadurch die Ausbildung einer Siliciumoxid-Grenzflächenschicht zwischen der Deckschicht und der dielektrischen Schicht mit hohem k-Wert zu bewirken. Bei einigen Ausführungsformen weist die Passivierungsschicht eine Siliciumoxidschicht und eine dielektrische Schicht mit hohem k-Wert auf, wobei das Abscheiden der Passivierungsschicht Folgendes einschließt: Abscheiden der Siliciumoxidschicht direkt auf der Deckschicht; und Abscheiden der dielektrischen Schicht mit hohem k-Wert direkt auf der Siliciumoxidschicht. In einigen Ausführungsformen schließt das Verfahren ferner ein Strukturieren des Substrats ein, um einen Hohlraum auszubilden, wobei die Vorrichtungsschicht in dem Hohlraum durch epitaktisches Wachstum aufgebracht wird.
  • Das Vorstehende umreißt Merkmale mehrerer Ausführungsformen, sodass die Fachperson die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Die Fachperson sollte sich darüber im Klaren sein, dass sie die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres als Grundlage für das Entwerfen oder Abwandeln anderer Prozesse und Strukturen verwenden kann, um dieselben Zwecke auszuführen und/oder dieselben Vorteile der vorliegend vorgestellten Ausführungsformen zu erzielen. Die Fachperson sollte auch erkennen, dass derartige äquivalente Konstruktionen nicht von dem Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abweichen und dass sie verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Modifikationen hieran vornehmen kann, ohne von dem Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 63/084697 [0001]

Claims (20)

  1. Bildsensor, umfassend: ein Substrat; eine Vorrichtungsschicht, die über dem Substrat liegt; eine Deckschicht, die über der Vorrichtungsschicht liegt, wobei die Deckschicht und die Vorrichtungsschicht Halbleitermaterialien sind und wobei die Deckschicht eine größere Bandlücke als die Vorrichtungsschicht aufweist; einen Fotodetektor in der Vorrichtungsschicht und der Deckschicht und eine Passivierungsschicht, die über der Deckschicht liegt, wobei die Passivierungsschicht die Ausbildung eines Dipolmoments entlang der oberen Fläche der Deckschicht induziert.
  2. Bildsensor nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Grenzflächenschicht zwischen der Passivierungsschicht und der Deckschicht und in direktem Kontakt damit, wobei die Passivierungsschicht ein dielektrisches Material mit hohem k-Wert ist.
  3. Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Passivierungsschicht die Ausbildung einer Grenzflächenschicht zwischen der Passivierungsschicht und der Deckschicht und in direktem Kontakt damit bewirkt und wobei das Dipolmoment eine Grenzfläche, an der die Passivierungsschicht und die Grenzflächenschicht in direktem Kontakt stehen, überspannt.
  4. Bildsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Passivierungsschicht Folgendes umfasst: eine Siliciumoxidschicht, die über der Deckschicht liegt und in direktem Kontakt damit steht; und eine dielektrische Schicht mit hohem k-Wert, die über der Siliciumoxidschicht liegt und in direktem Kontakt damit steht, wobei das Dipolmoment eine Grenzfläche, an der die dielektrische Schicht mit hohem k-Wert und die Siliciumoxidschicht in direktem Kontakt stehen, überspannt.
  5. Bildsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtungsschicht in das Substrat eingebettet ist, sodass sich das Substrat an Seitenwänden der Vorrichtungsschicht befindet.
  6. Bildsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die untere Fläche der Vorrichtungsschicht oberhalb der oberen Fläche des Substrats liegt.
  7. Bildsensor nach Anspruch 6, wobei die Deckschicht eine obere Ecke der Vorrichtungsschicht, von einer oberen Fläche der Vorrichtungsschicht zu einer Seitenwand der Vorrichtungsschicht, umhüllt und sich entlang der Seitenwand der Vorrichtungsschicht erstreckt.
  8. Bildsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Fotodetektor ein Paar PIN-Dioden in der Deckschicht und der Vorrichtungsschicht umfasst und wobei die PIN-Dioden sich jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtungsschicht befinden.
  9. Bildsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Kontakt-Durchkontaktierung, die sich vom Fotodetektor durch die Passivierungsschicht hindurch erstreckt, wobei die Passivierungsschicht und die Kontakt-Durchkontaktierung jeweils obere Flächen aufweisen, die eben sind.
  10. Bildsensor, umfassend: ein Substrat; eine Vorrichtungsschicht, die über dem Substrat liegt; eine Deckschicht, die über der Vorrichtungsschicht liegt, wobei die Deckschicht und die Vorrichtungsschicht und das Substrat Halbleitermaterialien sind und wobei die Vorrichtungsschicht ein von dem Substrat bzw. der Deckschicht verschiedenes Halbleitermaterial ist; einen Fotodetektor in der Vorrichtungsschicht und der Deckschicht; eine erste dielektrische Schicht, die über der Deckschicht liegt und in direktem Kontakt damit steht; und eine zweite dielektrische Schicht, die über der ersten dielektrischen Schicht liegt und in direktem Kontakt damit steht, wobei die erste und die zweite dielektrische Schicht Oxid umfassen und wobei die zweite dielektrische Schicht eine höhere Dielektrizitätskonstante als die erste dielektrische Schicht aufweist.
  11. Bildsensor nach Anspruch 10, wobei die erste dielektrische Schicht und das Substrat Silicium umfassen.
  12. Bildsensor nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Substrat und die Deckschicht Silicium sind und wobei die Vorrichtungsschicht Germanium umfasst.
  13. Bildsensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die erste dielektrische Schicht an einer Grenzfläche, an der die erste und die zweite dielektrische Schicht in direktem Kontakt stehen, negative Ladungen aufweist und wobei die zweite dielektrische Schicht an der Grenzfläche positive Ladungen aufweist.
  14. Bildsensor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die erste dielektrische Schicht an einer Grenzfläche, an der die erste dielektrische Schicht und die zweite dielektrische Schicht in direktem Kontakt stehen, positive Ladungen aufweist und wobei die zweite dielektrische Schicht an der Grenzfläche negative Ladungen aufweist.
  15. Bildsensor nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Vorrichtungsschicht in die Oberseite des Substrats eingesenkt ist und wobei das Substrat einen Implantationsbereich vom p-Typ aufweist, der die Vorrichtungsschicht auskleidet.
  16. Bildsensor nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die Vorrichtungsschicht eine untere Fläche aufweist, die oberhalb der oberen Fläche des Substrats liegt, und wobei sich die Deckschicht und die erste und die zweite dielektrische Schicht entlang einer Seitenwand der Vorrichtungsschicht von oben nach unten erstrecken.
  17. Verfahren zum Ausbilden eines Bildsensors, umfassend: epitaktisches Aufwachsen einer Vorrichtungsschicht, die über einem Substrat liegt; epitaktisches Aufwachsen einer Deckschicht, die über der Vorrichtungsschicht liegt, wobei die Deckschicht eine größere Bandlücke als die Vorrichtungsschicht aufweist; Ausbilden eines Fotodetektors in der Vorrichtungsschicht und der Deckschicht und Abscheiden einer Passivierungsschicht, die über der Deckschicht liegt, wobei die Passivierungsschicht die Ausbildung eines Dipolmoments entlang der oberen Fläche der Deckschicht induziert.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Passivierungsschicht eine dielektrische Schicht mit hohem k-Wert umfasst und wobei das Abscheiden der Passivierungsschicht umfasst, die dielektrische Schicht mit hohem k-Wert direkt auf der Deckschicht abzuscheiden und dadurch die Ausbildung einer Siliciumoxid-Grenzflächenschicht zwischen der Deckschicht und der dielektrischen Schicht mit hohem k-Wert zu bewirken.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Passivierungsschicht eine Siliciumoxidschicht und eine dielektrische Schicht mit hohem k-Wert umfasst und wobei das Abscheiden der Passivierungsschicht Folgendes umfasst: Abscheiden der Siliciumoxidschicht direkt auf der Deckschicht und Abscheiden der dielektrischen Schicht mit hohem k-Wert direkt auf der Siliciumoxidschicht.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, ferner umfassend: Strukturieren des Substrats, um einen Hohlraum auszubilden, wobei die Vorrichtungsschicht in dem Hohlraum durch epitaktisches Wachstum aufgebracht wird.
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