DE102022100792A1 - Tiefe grabenisolation zur reduzierung der kreuzkopplung - Google Patents

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Wei-Chieh Chiang
Keng-Yu Chou
Chun-Hao Chuang
Wen-Hau Wu
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Abstract

Einige Ausführungsformen betreffen einen CMOS-Bildsensor, der auf einem Substrat angeordnet ist. Eine Mehrzahl von Pixelbereichen, die jeweils eine Mehrzahl von Fotodioden aufweisen, ist so konfiguriert, dass sie Strahlung empfängt, die in eine Rückseite des Substrats eintritt. An Grenzbereichen der Pixelbereiche ist eine tiefe Grenz-Grabenisolationsstruktur (BDTI-Struktur) angeordnet, die eine erste Gruppe von BDTI-Segmenten, die sich in einer ersten Richtung erstrecken, und eine zweite Gruppe von BDTI-Segmenten aufweist, die sich in einer zu der ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung erstrecken, um die Fotodiode seitlich zu umschließen. Die BDTI-Struktur weist ein erstes Material auf. In der BDTI-Struktur ist eine tiefe Pixel-Grabenisolationsstruktur (PDTI-Struktur) angeordnet, die sich über der Fotodiode befindet. Die PDTI-Struktur weist ein zweites Material auf, das von dem ersten Material verschieden ist, und sie weist ein erstes PDTI-Segment auf, das sich in der ersten Richtung erstreckt, sodass das erste PDTI-Segment von der BDTI-Struktur umschlossen ist.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldung
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 5. Mai 2021 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 63/184.423, die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen ist.
  • Hintergrund
  • Digitalkameras und optische Bildgebungsvorrichtungen verwenden Bildsensoren. Bildsensoren können optische Bilder in digitale Daten umwandeln, die als digitale Bilder dargestellt werden können. Ein Bildsensor weist eine Pixelmatrix (oder -gitter) zum Detektieren von Licht und zum Aufzeichnen einer Intensität (Helligkeit) des detektierten Lichts auf. Die Pixelmatrix reagiert auf das Licht durch Speichern einer Ladung für jedes Pixel. Die gespeicherte Ladung dient dann zum Bereitstellen (zum Beispiel mittels anderer Schaltungen) eines Farb- und Helligkeitssignals zur Verwendung in einer geeigneten Anwendung, wie etwa einer Digitalkamera oder Digitalanzeige. Pixelsensoren treten oft als ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCDs) oder CMOS-Vorrichtungen (CMOS: komplementärer Metalloxidhalbleiter) in Erscheinung. CMOS-Pixelsensoren bieten einen niedrigeren Energieverbrauchs, eine kleinere Größe und eine schnellere Datenverarbeitung als CCD-Pixelsensoren. Außerdem ermöglichen CMOS-Pixelsensoren eine direkte digitale Ausgabe von Daten und haben in der Regel niedrigere Herstellungskosten als CCD-Pixelsensoren.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Vielmehr können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zugunsten einer klaren Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1 zeigt eine Schnittansicht einiger Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors mit einer tiefen Grenz-Grabenisolationsstruktur (BDTI-Struktur) und einer tiefen Pixel-Grabenisolationsstruktur (PDTI-Struktur).
    • Die 2 bis 4 zeigen verschiedene Draufsichten von Ausführungsformen, die dem CMOS-Bildsensor von 1 entlang einer Linie A - A' entsprechen.
    • Die 5 bis 10 zeigen Draufsichten einiger weiterer Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors.
    • Die 11 bis 15 zeigen Schnittansichten einiger weiterer Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors, bei denen die BDTI und die PDTI unterschiedliche Tiefen haben.
    • Die 16 bis 19 zeigen Schnittansichten einiger weiterer Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors mit verschiedenen detaillierteren BDTI- und PDTI-Strukturen.
    • Die 20 und 21 zeigen jeweils eine Schnittansicht und eine entsprechende Draufsicht einiger weiterer Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors.
    • Die 22 bis 29 zeigen jeweils eine Schnittansicht und eine entsprechende Draufsicht einiger weiterer Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors.
    • 30 zeigt eine Schnittansicht einiger Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors mit einem BEOL-Metallisierungsstapel (BEOL: Back End of Line).
    • Die 31 bis 35 sind eine Reihe von Schnittansichten, die kollektiv ein erstes Verfahren zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors gemäß einigen Ausführungsformen zeigen.
    • Die 36 bis 40 sind eine Reihe von Schnittansichten, die kollektiv ein zweites Verfahren zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors gemäß einigen Ausführungsformen zeigen.
    • Die 41 bis 45 sind eine Reihe von Schnittansichten, die kollektiv ein drittes Verfahren zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors gemäß einigen Ausführungsformen zeigen.
    • Die 46 bis 52 sind eine Reihe von Schnittansichten, die kollektiv ein viertes Verfahren zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors gemäß einigen Ausführungsformen zeigen.
    • Die 53 bis 59 sind eine Reihe von Schnittansichten, die kollektiv ein fünftes Verfahren zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors gemäß einigen Ausführungsformen zeigen.
    • 60 zeigt ein Ablaufdiagramm einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors mit einer BDTI-Struktur und einer PDTI-Struktur.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element hergestellt werden können, sodass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachocheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen der in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90° gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können entsprechend interpretiert werden.
  • Zahlreiche tragbare elektronische niedrige Geräte (z. B. Kameras, Mobiltelefone, Computer usw.) enthalten einen Bildsensor zum Aufnehmen von Bildern. Ein Beispiel für einen solchen Bildsensor ist ein CMOS-Bildsensor (CIS), der eine Matrix von einzelnen Pixelbereichen aufweist, die einer Anordnung von Farbfiltern entspricht. Somit können aufgrund der Anordnung von Farbfiltern die einzelnen Pixel unterschiedlichen Farben entsprechen und können kollektiv ein digitales Bild mit diesen Farben bereitstellen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen CMOS-Bildsensor mit einer PDTI-Struktur (PDTI: tiefe Pixel-Grabenisolation), die in jedem einzelnen Pixelbereich angeordnet ist, und ein zugehöriges Herstellungsverfahren. Bei einigen Ausführungsformen hat der CMOS-Bildsensor eine Mehrzahl von Pixelbereichen, die auf einem Substrat angeordnet sind und jeweils eine Fotodiode aufweisen, die so konfiguriert ist, dass sie Strahlung, die in das Substrat von seiner Rückseite eintritt, in ein elektrisches Signal umwandelt. Eine BDTI-Struktur (BDTI: tiefe Grenz-Grabenisolation) weist Segmente auf, die die Fotodioden seitlich umschließen, die sich von der Rückseite des Substrats bis in eine erste Tiefe in dem Substrat erstrecken, wobei die Fotodioden in Öffnungen zwischen den Segmenten angeordnet sind. Eine PDTI-Struktur ist in jedem einzelnen Pixelbereich so angeordnet, dass sie sich von der Rückseite des Substrats bis in eine zweite Tiefe in dem Substrat erstreckt und sich über der Fotodiode befindet. Die BDTI-Struktur weist ein Metall oder Polysilizium auf oder ist daraus hergestellt, und die PDTI-Struktur weist ein Oxid oder ein dielektrisches Material auf oder ist daraus hergestellt. Die BDTI-Struktur und die PDTI-Struktur verringern eine Kreuzkopplung von Photonen zwischen benachbarten Pixeln und erhöhen eine Quantenausbeute für die Pixel im Vergleich zu anderen CMOS-Bildsensoren.
  • 1 zeigt eine Schnittansicht 100 einiger Ausführungsformen eines CMOS-Bildsensors mit einer PDTI-Struktur. Der CMOS-Bildsensor weist ein Substrat 102 mit einer Vorderseite 122 und einer Rückseite 124 auf. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 102 jede Art von Halbleiterkörper (z. B. Silizium/CMOS-Grundmaterial, SiGe usw.) aufweisen, wie etwa einen Halbleiterwafer oder einen oder mehrere Dies, sowie jede andere Art von Halbleiter- und/oder Epitaxialschichten, die auf dem Substrat hergestellt sind und/oder in anderer Weise mit diesem assoziiert sind. Das Substrat 102 weist eine Mehrzahl von Pixelbereichen auf, die in dem Substrat 102 in einer Matrix von Zeilen und/oder Spalten angeordnet sein können, wie etwa Pixelbereiche 103a, 103b und 103c, die in 1 gezeigt sind. Die Pixelbereiche 103a, 103b und 103c weisen jeweilige Fotodioden 104 auf, die so konfiguriert sind, dass sie einfallende Strahlung 120 (z. B. Photonen) in ein elektrisches Signal umwandeln. Bei einigen Ausführungsformen weist die Fotodiode 104 eine dotierte Schicht 108 in dem Substrat 102, die eine erste Dotierungsart (z. B. eine n-Dotierung) hat, und einen angrenzenden Bereich des Substrats 102 auf, der eine zweite Dotierungsart (z. B. eine p-Dotierung hat, die von der ersten Dotierungsart verschieden ist. Die dotierte Schicht 108 und der angrenzende Bereich des Substrats 102 bilden einen Verarmungsbereich in einem Grenzflächenbereich einer pn-Übergangsstruktur. Wenn ein Photon mit einer ausreichenden Energie auf die Fotodiode 104 auftritt, entsteht ein Elektron-Loch-Paar, das dann durch das eingebaute elektrische Feld des Verarmungsbereichs aus dem pn-Übergang ausgeräumt wird. Auf diese Weise entsteht ein Fotostrom.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist eine Mehrzahl von Farbfiltern 116 über der Rückseite 124 des Substrats 102 angeordnet. Die mehreren Farbfilter 116 sind jeweils so konfiguriert, dass sie spezielle Wellenlängen der einfallenden Strahlung 120 durchlassen. Zum Beispiel kann ein erstes Farbfilter 116a (z. B. ein rotes Farbfilter) Licht mit Wellenlängen in einem ersten Bereich durchlassen, während ein zweites Farbfilter 116b Licht mit Wellenlängen in einem zweiten Bereich, der von dem ersten Bereich verschieden ist, durchlassen kann und ein drittes Farbfilter 116c Licht mit Wellenlängen in einem dritten Bereich, der von dem ersten und dem zweiten Bereich verschieden ist, durchlassen kann. Zum Beispiel kann die Mehrzahl von Farbfiltern 116 ein chipintegriertes RGB-on-Chip-Farbfilter auf jedem Pixel in einer Bayer-Struktur umfassen, die aus einer 2×2-Farbelementarzelle mit zwei grünen Filtern an diagonalen Positionen und einem blauen und einem roten Filter an außerdiagonalen Positionen besteht. Bei einigen Ausführungsformen kann die Mehrzahl von Farbfiltern 116 in einer Gitterstruktur über dem Substrat 102 angeordnet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann sich die Gitterstruktur über einer dielektrischen Schicht 126 befinden, und sie kann einen Metallrahmen 128 aufweisen, der von einem dielektrischen Material 130 umschlossen ist. Bei einigen Ausführungsformen können die dielektrische Schicht 126 und das dielektrische Material 130 dasselbe dielektrische Material, z. B. Siliziumdioxid (SiO2), sein.
  • Über der Mehrzahl von Farbfiltern 116 ist eine Mehrzahl von Mikrolinsen 118 angeordnet. Jeweilige Mikrolinsen 118 sind seitlich zu den Farbfiltern 116 ausgerichtet und sind über den Pixelbereichen 103a, 103b und 103c angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen haben die mehreren Mikrolinsen 118 jeweils eine im Wesentlichen ebene Unterseite, die an die Mehrzahl von Farbfiltern 116 angrenzt, und eine gewölbte Oberseite. Die gewölbte Oberseite ist so konfiguriert, dass sie die einfallende Strahlung 120 (z. B. Licht) zu den tieferliegenden Pixelbereichen 103a, 103b und 103c fokussiert. Während des Betriebs des CMOS-Bildsensors wird die einfallende Strahlung 120 mittels der Mikrolinsen 118 zu den tieferliegenden Pixelbereichen 103a, 103b und 103c fokussiert. Wenn einfallende Strahlung mit ausreichender Energie auf die Fotodiode 104 auftritt, entsteht ein Elektron-Loch-Paar, das einen Fotostrom erzeugt. Es ist zu beachten, dass in 1 die Mikrolinsen 118 zwar als an dem Bildsensor von 1 befestigt dargestellt sind, aber es versteht sich, dass der Bildsensor keine chipintegrierten Mikrolinsen aufweisen kann und die Mikrolinsen später in einem gesonderten Herstellungsschritt an dem Bildsensor befestigt werden können.
  • In dem Substrat 102 ist eine BDTI-Struktur 111 so angeordnet, dass sie sich von der Rückseite 124 bis zu einer ersten Tiefe d1 in dem Substrat 102 erstreckt. Die BDTI-Struktur 111 umschließt jede Fotodiode 104 seitlich und isoliert benachbarte Pixelbereiche gegeneinander. Die BDTI-Struktur 111 weist ein erstes Material auf, wie etwa ein Metall oder Polysilizium. Zum Beispiel ist bei Ausführungsformen, bei denen das erste Material ein Metall ist, das Metall Aluminium, Kupfer und/oder Wolfram. Die BDTI-Struktur 111 hat außerdem eine erste Grabenbreite w1, die entlang einer Ebene gemessen wird, die der Linie A - A' entspricht.
  • In jedem einzelnen Pixelbereich 103a, 103b und 103c ist eine PDTI-Struktur 110 so angeordnet, dass sie sich von der Rückseite 124 des Substrats 102 bis zu einer zweiten Tiefe d2 in dem Substrat 102 erstreckt und sich über der Fotodiode 104 befindet. Die PDTI-Struktur 110 weist ein zweites Material auf, das von dem ersten Material verschieden ist, und bei einigen Ausführungsformen ist das zweite Material ein dielektrisches Material oder ein Oxidmaterial. Die PDTI-Struktur 110 weist ein erstes PDTI-Segment 110a auf, das eine zweite Grabenbreite w2 hat, die entlang einer Ebene gemessen wird, die der Linie A - A' entspricht. Eine Unterseite der PDTI-Struktur 110 kann sich über einer Oberseite der dotierten Schicht 108 befinden (wie dargestellt), oder alternativ kann eine Oberseite des dotierten Bereichs bis zu einer Tiefe d2 der PDTI-Struktur 110 „angehoben“ sein (wie durch eine Strichlinie 108a dargestellt ist).
  • Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Grabenbreite w2 kleiner als die erste Grabenbreite w1, und w2 kann etwa 10 % bis 90 % von w1 betragen und beträgt in einigen Fällen 45 % bis 55 % von w1. In anderen Fällen sind w2 und w1 gleichgroß. Bei einigen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis der zweiten Grabenbreite w2 zu der ersten Grabenbreite w1 etwa 1 : 1 bis etwa 1 : 4. Außerdem ist bei einigen Ausführungsformen die erste Tiefe d1 größer als die zweite Tiefe d2. Ein Verhältnis der ersten Tiefe d1 zu der zweiten Tiefe d2 kann etwa 1: 2 bis etwa 1: 6 betragen. Die BDTI-Struktur 111 erstreckt sich von einer planaren Oberseite des Substrats 102 bis zu einer Position unter einer Oberseite der dotierten Schicht 108, während sich die PDTI-Struktur 110 von der planaren Oberseite des Substrats 102 bis zu einer Position über der Oberseite der dotierten Schicht 108 erstreckt. Die dotierte Schicht 108 und die PDTI-Struktur 110 können durch das Substrat 102 getrennt sein.
  • Es versteht sich, dass in der vorliegenden Erfindung eine BDTI-Struktur, die aus einem Metall oder Polysilizium hergestellt ist, eine Kreuzkopplung im Vergleich zu einer aus Oxid hergestellten BDTI-Struktur verringert. Eine BDTI-Struktur, die aus einem Metall oder Polysilizium hergestellt ist, mindert aber auch die Quantenausbeute (QE) im Vergleich zu einer BDTI-Struktur aus Oxid. Somit kann dadurch, dass die BDTI-Struktur 111 aus einem Metall oder Polysilizium hergestellt wird, während die PDTI-Struktur 110 ein dielektrisches Material ist, eine gute Mischung aus niedriger Kreuzkopplung und hoher QE ermöglicht werden.
  • Zum Beispiel zeigt für einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine nachstehende Tabelle 1 einige Ergebnisse eines Vergleichs der QE für Rot/Grün/Blau-Peaks mit der prozentualen Kreuzkopplung zwischen benachbarten Pixeln für unterschiedliche Konfigurationen. Tabelle 1: QE und Kreuzkopplung für PDTI- und BDTI-Strukturen mit verschiedenen Materialzusammensetzungen
    PDTI-Struktur-Material Oxid Aluminium Oxid (w1) Oxid (w1)
    BDTI-Struktur-Material Oxid Aluminium Aluminium (w1) Aluminium (w2 > w1)
    Normierte QE R/G/B (%) 81/100/91 69/88/73 78/100/91 75/101/92
    Kreuzkopplung (%) 16,9 13,1 13,1 12,3
  • Wie in der vorstehenden Tabelle 1 gezeigt ist, wird durch Herstellen der PDTI-Struktur 110 aus Oxid und der BDTI-Struktur 111 aus einem Metall wie Aluminium eine höhere Quantenausbeute als in dem Fall erzielt, dass die PDTI-Struktur 110 und die BDTI-Struktur 111 beide aus Aluminium hergestellt werden. Außerdem wird durch Herstellen der PDTI-Struktur 110 aus Oxid und der BDTI-Struktur 111 aus einem Metall wie Aluminium eine signifikant niedrigere Kreuzkopplung als in dem Fall erzielt, dass die PDTI-Struktur 110 und die BDTI-Struktur 111 beide aus Oxid hergestellt werden. Somit wird bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein CMOS-Bildsensor bereitgestellt, der ein gutes Gleichgewicht aus verbesserter QE und reduzierter Kreuzkopplung ermöglicht, was eine gute Lösung für einige Anwendungen ist.
  • 2 zeigt eine Draufsicht 200 eines CMOS-Bildsensors, die der Darstellung von 1 entlang der Linie A - A' entspricht. Die BDTI-Struktur 111 umschließt jeweilige Pixelbereiche 103a bis 103i seitlich und isoliert diese Pixelbereiche seitlich gegeneinander, sodass die Kreuzkopplung zwischen den Pixelbereichen reduziert wird. Somit ist die BDTI-Struktur 111 an Grenzbereichen der Pixelbereiche 103a bis 103i angeordnet, und sie weist eine erste Gruppe von BDTI-Segmenten 111a, die sich in einer ersten Richtung 202 erstrecken, und eine zweite Gruppe von BDTI-Segmenten 111b auf, die sich in einer zweiten Richtung 204 erstrecken, die senkrecht zu der ersten Richtung 202 ist, um die Fotodioden 104 seitlich zu umschließen. Die PDTI-Struktur 110 ist über den einzelnen Pixelbereichen angeordnet und begrenzt die einfallende Strahlung 120 und lenkt sie nach unten zu der Fotodiode 104 des entsprechenden Pixelbereichs, sodass die Quantenausbeute des Bildsensors verbessert wird. In jedem Pixel weist die PDTI-Struktur 110 ein erstes PDTI-Segment 110a auf, das sich in der ersten Richtung 202 erstreckt, sodass das erste PDTI-Segment 110a von der BDTI-Struktur 111 umschlossen wird. Das erste PDTI-Segment 110a ist ein lineares Segment entlang einer Mittellinie des Pixels und ist von innersten Rändern der BDTI-Struktur 111 beabstandet, sodass das erste PDTI-Segment 110a beim Verlängern das Pixel in zwei gleichgroße Bereiche halbieren würde.
  • 3 zeigt eine weitere Draufsicht 300 eines CMOS-Bildsensors, die der Darstellung von 1 entlang der Linie A - A' entspricht. In 3 ist die BDTI-Struktur 111 auch wieder an Grenzbereichen der Pixelbereiche angeordnet, und sie weist eine erste Gruppe von BDTI-Segmenten 111a, die sich in einer ersten Richtung 202 erstrecken, und eine zweite Gruppe von BDTI-Segmenten 111b auf, die sich in einer zweiten Richtung 204 erstrecken, die senkrecht zu der ersten Richtung 202 ist, um die Fotodioden 104 seitlich zu umschließen. In jedem Pixel weist die PDTI-Struktur 110 von 3 ein erstes PDTI-Segment 110a, das sich in der ersten Richtung 202 erstreckt, sowie ein zweites PDTI-Segment 110b auf, das sich in der zweiten Richtung 204 erstreckt, sodass das erste PDTI-Segment 110a und das zweite PDTI-Segment 110b eine „plus“- oder „t“-Form bilden, die von der BDTI-Struktur 111 umschlossen wird. Das erste PDTI-Segment 110a erstreckt sich entlang einer Mittellinie des Pixels in der ersten Richtung 202, und das zweite PDTI-Segment 110b erstreckt sich entlang einer Mittellinie des Pixels in der zweiten Richtung 204, sodass das erste und das zweite PDTI-Segment 110a und 110b beim Verlängern das entsprechende Pixel in vier gleichgroße Quadranten teilen würden.
  • 4 zeigt eine noch weitere Draufsicht 400 eines CMOS-Bildsensors, die der Darstellung von 1 entlang der Linie A - A' entspricht. In 4 ist die BDTI-Struktur 111 auch wieder an Grenzbereichen der Pixelbereiche angeordnet, und sie weist eine erste Gruppe von BDTI-Segmenten 111a, die sich in einer ersten Richtung 202 erstrecken, und eine zweite Gruppe von BDTI-Segmenten 111b auf, die sich in einer zweiten Richtung 204 erstrecken, die senkrecht zu der ersten Richtung 202 ist, um die Fotodioden 104 seitlich zu umschließen. Außerdem weist die BDTI-Struktur 111 Vorsprünge 402 auf, die sich von einer inneren Seitenwand der BDTI-Struktur 111 für jedes Pixel nach innen erstrecken. In jedem Pixel weist die PDTI-Struktur 110 von 4 ein erstes PDTI-Segment 110a, das sich in der ersten Richtung 202 erstreckt, und ein zweites PDTI-Segment 110b auf, das sich in der zweiten Richtung 204 erstreckt (sodass z. B. eine „plus“- oder „t“-Form entsteht), aber andere PDTI-Strukturen, wie etwa die lineare PDTI-Struktur von 2, oder weitere PDTI-Strukturen, die hier dargestellt sind, könnten ebenfalls in jedes Pixel integriert werden. In 4 sind die Vorsprünge 402 zu dem ersten und dem zweiten PDTI-Segment 110a und 110b jedes Pixels ausgerichtet, sodass jedes Pixel einen oberen Vorsprung, einen unteren Vorsprung, einen linken Vorsprung und einen rechten Vorsprung aufweist und die Vorsprünge in der ersten und der zweiten Richtung zueinander ausgerichtet sind.
  • Die 5 bis 10 zeigen weitere Draufsichten 500, 600, 700, 800, 900 bzw. 1000 von Bildsensoren gemäß einigen Ausführungsformen, die eine BDTI-Struktur 111 und eine PDTI-Struktur 110 aufweisen, die aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind. Somit kann bei diesen Ausführungsformen die PDTI-Struktur 110 aus einem dielektrischen Material wie Siliziumdioxid hergestellt werden, und die BDTI-Struktur 111 kann aus einem Metall oder Polysilizium hergestellt werden.
  • Es versteht sich, dass die 5 bis 10 als weitere Beispiele für die Strukturen der PDTI-Struktur 110 und der BDTI-Struktur 111 zusätzlich zu denen angesehen werden können, die in den 1 bis 4 gezeigt sind, und abgewandelt werden können. Die in den 5 bis 10 gezeigten Strukturen und andere Abwandlungen können in den Bildsensor integriert werden, der unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben worden ist. Wie in den 5 und 7 gezeigt ist, kann die PDTI-Struktur 110 ein erstes Segment und ein zweites Segment aufweisen, die sich in einem mittleren Bereich des Pixelbereichs kreuzen. Und während in den 2 bis 5 die äußeren Ränder der PDTI-Struktur 110 von den inneren Rändern der BDTI-Struktur 111 beabstandet sind, zeigt 7 ein Beispiel, in dem die PDTI-Struktur 110 äußere Ränder hat, die die inneren Ränder der BDTI-Struktur 111 direkt kontaktieren. Wie in den 6 und 8 bis 10 gezeigt ist, kann die PDTI-Struktur 110 Segmente aufweisen, die voneinander beabstandet sind. Die Segmente können sich symmetrisch entlang einer Mittellinie des Pixelbereichs erstrecken. Die Segmente können in derselben Struktur in jedem Pixel verteilt sein (siehe z. B. 8 bis 10), oder sie können von einem Pixel zu einem anderen Pixel gedreht werden (siehe z. B. 6). Ein mittlerer Bereich des Substrats 102 des Pixelbereichs kann von der PDTI-Struktur 110 bedeckt sein (siehe z. B. 5, 7, 10), oder er kann der einfallenden Strahlung ausgesetzt sein (siehe z. B. 6, 8,9).
  • Die 11 bis 15 sind Schnittansichten von CMOS-Bildsensoren, die verschiedene relative Tiefen für die PDTI-Struktur 110 und die BDTI-Struktur 111 zeigen. In jedem Beispiel hat die BDTI-Struktur 111 eine erste Tiefe d1, und die PDTI-Struktur 110 hat eine zweite Tiefe d2. Im Gegensatz zu den 1 bis 4, die Beispiele zeigen, in denen eine Mikrolinse eine entsprechende Fotodiode bedeckt, bedeckt in den Beispielen der 11 bis 15 eine Mikrolinse zwei Fotodioden (z. B. ein 2×1-Rechteck von oben betrachtet) oder vier Fotodioden (z. B. ein 2×2-Quadrat von oben betrachtet) für die Anordnung. In anderen Fällen könnte eine Mikrolinse anderen Anzahlen von Fotodioden entsprechen, wobei alle diese Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen sollen.
  • 11 zeigt einen CMOS-Bildsensor 1100, bei dem die erste Tiefe d1 gleich der zweiten Tiefe d2 ist. Außerdem sind die erste und die zweite Tiefe größer als 50 % und kleiner als 100 % der Gesamtdicke des Substrats 102.
  • 12 zeigt einen CMOS-Bildsensor 1200, bei dem die erste Tiefe d1 größer als die zweite Tiefe d2 ist, wobei ein Verhältnis der ersten Tiefe d1 zu der zweiten Tiefe d2 etwa 2: 1 bis etwa 6 : 1 betragen kann. Somit ist in 12 die zweite Tiefe kleiner als die halbe erste Tiefe, wobei in einigen Fällen die erste Tiefe mehr als 50 % der Gesamtdicke des Substrats 102 beträgt.
  • 13 zeigt einen CMOS-Bildsensor 1300, bei dem die erste Tiefe d1 größer als die zweite Tiefe d2 ist, wobei ein Verhältnis der ersten Tiefe d1 zu der zweiten Tiefe d2 etwa 6 : 5 bis etwa 2 : 1 betragen kann. Somit beträgt in 13 die zweite Tiefe mehr als die halbe erste Tiefe, wobei in einigen Fällen die erste Tiefe mehr als 50 % der Gesamtdicke des Substrats 102 beträgt.
  • 14 zeigt einen CMOS-Bildsensor 1400, bei dem die erste Tiefe d1 gleich der Gesamtdicke des Substrats 102 ist, wobei die zweite Tiefe kleiner als die erste Tiefe ist. In einigen Fällen ist die zweite Tiefe kleiner als 25 % der Gesamtdicke des Substrats 102, während sie in anderen Fällen 25 % bis 50 % der Gesamtdicke des Substrats 102 beträgt und in noch weiteren Fällen mehr als 50 % der Gesamtdicke des Substrats 102 beträgt.
  • 15 zeigt einen CMOS-Bildsensor 1500, bei dem die erste Tiefe d1 und die zweite Tiefe d2 gleich der Gesamtdicke des Substrats 102 sind. Mit diesem Ansatz kann die beste Isolation zwischen Pixeln erreicht werden, aber aufgrund der längeren Ätzung, die zum Durchätzen der Gesamtdicke des Substrats 102 benötigt wird, kann bei diesem Ansatz auch zusätzliche Bearbeitungszeit erforderlich sein.
  • Die 16 bis 19 zeigen weitere detaillierte Beispiele von Schnittansichten von CMOS-Bildsensoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Bei einer Ausführungsform 1600 von 16 belegt eine zusammenhängende dielektrische High-k-Schicht 1602 innere Seitenwände eines BDTI-Grabens 1601 und innere Seitenwände eines PDTI-Grabens 1603. Eine Oxidschicht 1604 füllt einen Rest des BDTI-Grabens 1601, um eine PDTI-Struktur herzustellen, und sie belegt innere Seitenwände der dielektrischen High-k-Schicht 1602 in dem BDTI-Graben 1601. Eine Metall- oder Polysiliziumschicht 1606, wie etwa Aluminium, füllt einen Rest des BDTI-Grabens 1601, um eine BDTI-Struktur herzustellen. Eine Oberseite der Metall- oder Polysiliziumschicht 1606 ist bündig, auf gleicher Höhe oder planar mit einer Oberseite der Oxidschicht 1604.
  • 17 zeigt eine weitere Ausführungsform 1700, bei der eine zusammenhängende dielektrische High-k-Schicht 1702 innere Seitenwände eines BDTI-Grabens 1601 und innere Seitenwände eines PDTI-Grabens 1603 belegt. Eine Oxidschicht 1704 füllt einen Rest des PDTI-Grabens 1603 und belegt innere Seitenwände der dielektrischen High-k-Schicht 1702 in dem BDTI-Graben 1601. Eine Metall- oder Polysiliziumschicht 1706, wie etwa Aluminium, füllt einen Rest des BDTI-Grabens 1601, um eine BDTI-Struktur herzustellen. Im Gegensatz zu 16, wo eine Oberseite der Metall- oder Polysiliziumschicht 1606 bündig, auf gleicher Höhe oder planar mit einer Oberseite der Oxidschicht 1604 ist, hat in 17 die Metallschicht 1706 eine Oberseite, die sich über der Oberseite der Oxidschicht 1704 erstreckt und sich auf einer Höhe mit den Farbfiltern 116 befindet.
  • 18 zeigt eine weitere Ausführungsform 1800, bei der eine erste dielektrische High-k-Schicht 1802 innere Seitenwände eines PDTI-Grabens 1603 belegt und sich über der Oberseite des Substrats in den Pixelbereichen erstreckt. Eine erste Oxidschicht 1804 füllt einen Rest des PDTI-Grabens 1603, um die PDTI-Struktur herzustellen, und sie erstreckt sich über der Oberseite des Substrats, aber sie endet an äußeren Seitenwänden einer zweiten dielektrischen High-k-Schicht 1806, die auf innere Seitenwände eines BDTI-Grabens 1601 begrenzt ist und dieselbe Zusammensetzung wie oder eine andere Zusammensetzung als die erste dielektrische High-k-Schicht 1802 haben kann. Eine zweite Oxidschicht 1808, die dieselbe Zusammensetzung wie die erste Oxidschicht 1804 haben kann und zum Beispiel Siliziumdioxid sein kann oder eine andere Zusammensetzung als die erste Oxidschicht 1804 haben kann, belegt innere Seitenwände der zweiten dielektrischen High-k-Schicht 1806 in dem BDTI-Graben 1601 und erstreckt sich über der ersten Oxidschicht 1804 über der Oberseite des Substrats in den Pixelbereichen. Eine Metall- oder Polysiliziumschicht 1810, wie etwa Aluminium, füllt einen Rest des BDTI-Grabens 1601, um die BDTI-Struktur herzustellen. Eine Oberseite der Metallschicht ist bei einigen Ausführungsformen bündig, auf gleicher Höhe oder planar mit einer Oberseite der zweiten Oxidschicht 1808.
  • 19 zeigt eine weitere Ausführungsform 1900, bei der eine erste dielektrische High-k-Schicht 1902 innere Seitenwände eines BDTI-Grabens 1601 belegt und sich über der Oberseite des Substrats erstreckt. Eine zweite dielektrische High-k-Schicht 1904 belegt innere Seitenwände des PDTI-Grabens 1603, und sie erstreckt sich nach oben über die erste dielektrische High-k-Schicht 1902 hinaus und setzt sich über der Oberseite des Substrats fort. Eine erste Oxidschicht 1906 belegt innere Seitenwände der ersten dielektrischen High-k-Schicht 1902 in dem BDTI-Graben 1601 und erstreckt sich über der ersten dielektrischen High-k-Schicht 1902 über der Oberseite des Substrats, um an äußeren Seitenwänden der zweiten dielektrischen High-k-Schicht 1904 zu enden. Eine zweite Oxidschicht 1908, die dieselbe Zusammensetzung wie die erste Oxidschicht 1906 haben kann und zum Beispiel Siliziumdioxid sein kann oder eine andere Zusammensetzung als die erste Oxidschicht 1906 haben kann, füllt einen Rest des PDTI-Grabens 1603, um die PDTI-Struktur herzustellen. Eine Metall- oder Polysiliziumschicht 1910, wie etwa Aluminium, füllt einen Rest des BDTI-Grabens 1601, um die BDTI-Struktur herzustellen. Eine Oberseite der Metall- oder Polysiliziumschicht 1910 ist bei einigen Ausführungsformen bündig, auf gleicher Höhe oder planar mit einer Oberseite der ersten Oxidschicht 1906.
  • 20 zeigt eine weitere Ausführungsform eines CMOS-Bildsensors 2000, wobei der linke Teil von 20 eine Schnittansicht zeigt und der rechte Teil eine entsprechende Draufsicht entlang einer Schnittlinie B - B' zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die BDTI-Struktur 111 ein zusammenhängender Ring, der ein Metall oder Polysilizium aufweist und mehrere Pixel seitlich umschließt. Die PDTI-Struktur 110 ist eine gitterförmige Struktur, die ein dielektrisches Material aufweist. Die PDTI-Struktur 110 weist eine erste Gruppe von Segmenten, die sich parallel zueinander in einer ersten Richtung erstrecken und mit einem ersten Abstand zwischen Mittellinien der ersten Segmente beabstandet sind, und eine zweite Gruppe von Segmenten auf, die sich parallel zueinander in einer zweiten Richtung erstrecken und mit einem zweiten Abstand zwischen Mittellinien der ersten Segmente beabstandet sind. Die erste Richtung ist senkrecht zu der zweiten Richtung, und bei einigen Ausführungsformen ist der erste Abstand gleich dem zweiten Abstand. Äußere Ränder von Mikrolinsen 118 sind über äußeren Rändern der jeweiligen Pixel ausgerichtet und sind bei einigen Ausführungsformen über den PDTI- und/oder den BDTI-Strukturen ausgerichtet.
  • Es ist zu beachten, dass diese Anordnung dazu führt, dass ausgewählte Pixel (z. B. ein mittleres Pixel 104e) auf allen vier Seiten von der PDTI-Struktur 110 umschlossen sind, während einige Randpixel (z. B. 104b, 104d, 104f, 104h) auf drei Seiten von der PDTI-Struktur 110 umschlossen sind und die restliche Seite von der BDTI-Struktur 111 umschlossen ist, und Eckpixel (z. B. 104a, 104c, 104g, 104i) auf zwei Seiten von der PDTI-Struktur 110 und auf den anderen zwei Seiten von der BDTI-Struktur 111 umschlossen sind. Dadurch können einige der Pixel entsprechend dieser festgelegten Konfiguration einen besseren Kreuzkopplungsschutz als andere erhalten, wobei der Umfang des Kreuzkopplungsschutzes für ein Pixel der Anzahl von Rändern entspricht, die PDTI-Segmente gegenüber BDTI-Segmenten für dieses Pixel sind. Bei einigen Ausführungsformen haben alle Farbfilter 116 über einer gegebenen BDTI-Struktur dieselbe Farbe. Zum Beispiel können in 20 die Farbfilter 116a so konfiguriert sein, dass sie Licht mit einer ersten Wellenlänge (z. B. blaues Licht) durchlassen, während sie in der Regel Licht mit anderen Wellenlängen nicht durchlassen, und die Farbfilter 116b können so konfiguriert sein, dass sie Licht mit einer zweiten Wellenlänge (z. B. rotes Licht) durchlassen, während sie in der Regel Licht mit anderen Wellenlängen nicht durchlassen.
  • 21 zeigt einen CMOS-Bildsensor 2100, der dem von 20 etwas ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass der CMOS-Bildsensor 2100 16 Pixel (104a bis 104p) hat, die von jeder BDTI-Struktur 111 umschlossen sind, wie in der Draufsicht von 21 gezeigt ist, während der CMOS-Bildsensor 2000 von 20 nur 9 Pixel (104a bis 104i) hat, die von jeder BDTI-Struktur 111 umschlossen sind.
  • Die 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 und 29 zeigen weitere Ausführungsformen 2200, 2300, 2400, 2500, 2000, 2700, 2800 bzw. 2900 von CMOS-Bildsensoren, die eine BDTI-Struktur und eine PDTI-Struktur aufweisen, die gemäß einigen Ausführungsformen aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind. Die 22 bis 29 zeigen jeweils eine Schnittansicht und eine entsprechende Draufsicht wie angegeben. In jeder dieser Figuren haben einige der Pixel eine äußere Begrenzung, die vollständig von einer metallischen BDTI-Struktur umschlossen ist, während andere Pixel eine äußere Begrenzung haben, die nur teilweise von der metallischen BDTI-Struktur umschlossen ist, wobei ein Rest der äußeren Begrenzung von einer Oxid-BDTI-Struktur umschlossen ist. Außerdem weist bei diesen Ausführungsformen die BDTI-Struktur 111 ein dielektrisches Material (zum Beispiel Siliziumdioxid oder ein High-k-Dielektrikum) auf, während die PDTI-Struktur 110 ein Metall oder Polysilizium aufweist. Die 22 bis 29 zeigen nur eine kleine Anzahl von Strukturen für die PDTI-Struktur 110, aber es versteht sich, dass die anderen Strukturen, die hier für die PDTI-Strukturen beschrieben und/oder dargestellt sind, ebenfalls aus Metall oder Polysilizium hergestellt werden können, und die anderen Strukturen, die hier für die BDTI-Strukturen beschrieben und/oder dargestellt sind, ebenfalls aus einem dielektrischen Material hergestellt werden können.
  • Außerdem zeigen die Ausführungsformen der 22 bis 29 jeweils ein Neutralfilter (ND-Filter) (2202, 2302, 2402, 2502, 2602, 2702, 2802 bzw. 2902), das über mindestens einem der Pixel in der BDTI-Struktur 111 angeordnet ist. Zum Beispiel hat in 22 jede der zwei dargestellten BDTI-Strukturen ein mittleres Pixel, das ein ND-Filter 2202 über der Oberseite der entsprechenden Fotodiode aufweist, während die anderen Pixel in den BDTI-Strukturen kein ND-Filter über ihren entsprechenden Fotodioden aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen weist das ND-Filter Ti, TiN, W oder eine Dünnschicht aus einem Metall auf, oder es ist daraus hergestellt. Im Gegensatz zu den Farbfiltern, die nur eine festgelegte Wellenlänge durchlassen, während sie andere Lichtwellenlängen abschwächen, reduzieren die ND-Filter die Intensität aller Wellenlängen oder Farben des Lichts in gleicher Weise. Daher weist das mittlere Pixel in einer BDTI-Struktur ein Farbfilter und ein ND-Filter auf, während die anderen Pixel in der BDTI-Struktur lediglich ein Farbfilter aufweisen.
  • 30 zeigt eine Schnittansicht 3000 einiger weiterer Ausführungsformen eines integrierten Chips, der einen Bildsensor mit einer PDTI-Struktur aufweist. Neben ähnlichen Elementen, die vorstehend dargestellt und beschrieben worden sind, ist bei einigen Ausführungsformen eine floatende Diffusionswanne 3004 zwischen den benachbarten Pixelbereichen 103a und 103b von der Vorderseite 122 des Substrats 102 bis zu einer Position in dem Substrat 102 angeordnet. Ein Transfergate 3002 ist auf der Vorderseite 122 des Substrats 102 an einer Position seitlich zwischen der Fotodiode 104 und der floatenden Diffusionswanne 3004 angeordnet. Während des Betriebs steuert das Transfergate 3002 einen Ladungstransport von der Fotodiode 104 bis zu der floatenden Diffusionswanne 3004. Wenn ein Ladungspegel in der floatenden Diffusionswanne 3004 ausreichend hoch ist, wird ein Sourcefolgertransistor (nicht dargestellt) aktiviert, und entsprechend einer Operation eines Zeilenwähltransistors (nicht dargestellt), der zum Adressieren verwendet wird, werden Ladungen selektiv ausgegeben. Zum Rücksetzen der Fotodiode 104 zwischen Belichtungsperioden kann ein Rücksetztransistor (nicht dargestellt) verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen ist eine STI-Struktur 3012 (STI: flache Grabenisolation) an Grenzbereichen der Pixelbereiche 103a und 103b von der Vorderseite 122 des Substrats 102 bis zu einer Position in dem Substrat 102 so angeordnet, dass sie die Fotodiode 104 umschließt. Die STI-Struktur 3012 und die BDTI-Struktur 111 können vertikal ausgerichtet sein (z. B. eine gemeinsame Mittellinie haben).
  • Bei einigen Ausführungsformen ist ein BEOL-Metallisierungsstapel 3010 auf der Vorderseite 122 des Substrats 102 angeordnet. Der BEOL-Metallisierungsstapel 3010 weist eine Mehrzahl von metallischen Interconnect-Schichten auf, die in einer oder mehreren Zwischenebenendielektrikum-Schichten (ILD-Schichten) 3016 angeordnet sind. Die ILD-Schichten 3016 können eine dielektrische Low-k-Schicht (d. h., ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 3,9), eine dielektrische Ultra-low-k-Schicht und/oder ein Oxid (z. B. Siliziumoxid) umfassen. Auf demselben integrierten Chip des Bildsensors kann eine Logikgate-Vorrichtung 3020 angeordnet sein, die durch eine logische STI-Struktur 3014 getrennt sein kann. Die logische STI-Struktur 3014 kann dieselben Abmessungen wie oder andere Abmessungen als die STI-Struktur 3012 haben. In den ILD-Schichten 3016 sind leitfähige Kontakte 3006 angeordnet. Die leitfähigen Kontakte 3006 erstrecken sich von dem Transfergate 3002 und der floatenden Diffusionswanne 3004 bis zu einer oder mehreren metallischen Drahtschichten 3008. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die leitfähigen Kontakte 3006 ein leitfähiges Metall, wie zum Beispiel Kupfer oder Wolfram, aufweisen.
  • Kommen wir nun zu den 31 bis 60, in denen verschiedene Ausführungsformen von Herstellungsabläufen zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors mit einer BDTI-Struktur und einer PDTI-Struktur zu sehen sind. Insbesondere zeigen die 31 bis 35 einige Ausführungsformen von Schnittansichten, die einen ersten Herstellungsablauf zeigen; die 36 bis 40 zeigen einige Ausführungsformen von Schnittansichten, die einen zweiten Herstellungsablauf zeigen; die 41 bis 45 zeigen einige Ausführungsformen von Schnittansichten, die einen dritten Herstellungsablauf zeigen; die 46 bis 52 zeigen einige Ausführungsformen von Schnittansichten, die einen vierten Herstellungsablauf zeigen; die 53 bis 59 zeigen einige Ausführungsformen von Schnittansichten, die einen fünften Herstellungsablauf zeigen; und 60 zeigt einige Ausführungsformen eines Ablaufdiagramms, das einen Herstellungsablauf zeigt. Diese Verfahren und andere Verfahren, die hier dargestellt und/oder beschrieben werden, werden zwar als eine Reihe von Schritten oder Ereignissen dargestellt, aber es dürfte wohlverstanden sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellte Reihenfolge von Schritten beschränkt ist. Daher können bei einigen Ausführungsformen die Schritte in anderen Reihenfolgen als dargestellt und/oder gleichzeitig ausgeführt werden. Außerdem können bei einigen Ausführungsformen die dargestellten Schritte oder Ereignisse in mehrere Schritte oder Ereignisse unterteilt werden, die zu verschiedenen Zeitpunkten oder gleichzeitig mit anderen Schritten oder Teilschritten ausgeführt werden können. Bei einigen Ausführungsformen können einige dargestellte Schritte oder Ereignisse entfallen, und es können andere nicht-dargestellte Schritte oder Ereignisse integriert werden.
  • Kommen wir nun zu den 31 bis 35, in denen eine Reihe von Schnittansichten zu sehen ist, die kollektiv ein erstes Verfahren zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors mit einer BDTI-Struktur und einer PDTI-Struktur zeigen. Wie in einer Schnittansicht 3100 von 31 gezeigt ist, wird ein Substrat 102 bereitgestellt. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 102 jede Art von Halbleiterkörper (z. B. Silizium/CMOS-Grundmaterial, SiGe usw.), wie etwa einen Halbleiterwafer oder einen oder mehrere Dies auf einem Wafer, sowie jede andere Art von Halbleiter- und/oder Epitaxialschichten umfassen, die auf dem Substrat 102 hergestellt sind und/oder in anderer Weise damit assoziiert sind. Das Substrat 102 kann mit einem Schutz-Implantationsprozess oder einem abgestuften epitaxialen Aufwachsprozess mit einer ersten Dotierungsart (z. B. einer p-Dotierung) hergestellt werden. In dem Substrat 102 wird eine Fotodiode durch Abscheiden einer dotierten Schicht 108 mit einer zweiten Dotierungsart (z. B. einem n-Dotanden wie Phosphor) in einer Vorderseite 122 des Substrats 102 hergestellt.
  • Obwohl es in 31 nicht dargestellt ist, kann ein BEOL-Metallisierungsstapel mit einer Mehrzahl von metallischen Interconnect-Schichten, die in einer ILD-Schicht angeordnet sind (siehe zum Beispiel den BEOL-Metallisierungsstapel 3010 von 30), über der Vorderseite 122 des Substrats 102 hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der BEOL-Metallisierungsstapel dadurch hergestellt werden, dass eine ILD-Schicht, die eine oder mehrere Schichten aus ILD-Material umfasst, über der Vorderseite 122 des Substrats 102 abgeschieden wird. Anschließend wird die ILD-Schicht geätzt, um Durchkontaktierungsöffnungen und/oder Metallgräben zu erzeugen. Die Durchkontaktierungsöffnungen und/oder Metallgräben werden dann mit einem leitfähigen Material gefüllt, um die Mehrzahl von metallischen Interconnect-Schichten herzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann die ILD-Schicht durch Aufdampfung (z. B. PVD, CVD usw.) abgeschieden werden. Die Mehrzahl von metallischen Interconnect-Schichten kann mit einem Abscheidungsverfahren und/oder einem Plattierungsverfahren (z. B. Elektroplattierung, stromlose Plattierung usw.) hergestellt werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Mehrzahl von metallischen Interconnect-Schichten zum Beispiel Wolfram, Kupfer oder Aluminium-Kupfer aufweisen. Dann kann die ILD-Schicht an ein Handle-Substrat (nicht dargestellt) gebondet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann für den Bondprozess eine Zwischenbondungs-Oxidschicht verwendet werden, die zwischen der ILD-Schicht und dem Handle-Substrat angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen kann der Bondprozess ein Schmelzbondprozess sein.
  • Wie außerdem in der Schnittansicht 3100 von 31 gezeigt ist, wird das Substrat 102 zur Weiterbearbeitung auf einer Rückseite 124 gewendet, die der Vorderseite 122 gegenüberliegt. Das Substrat 102 wird selektiv geätzt, um einen BDTI-Graben 1601 in der Rückseite 124 des Substrats 102 zwischen benachbarten Pixelbereichen 103a und 103b zu erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 102 dadurch geätzt werden, dass zunächst auf der Rückseite 124 des Substrats 102 eine Maskierungsschicht 3104 hergestellt wird und das Substrat 102 anschließend mit einem Ätzmittel in Bereichen behandelt wird, die nicht von der Maskierungsschicht 3104 bedeckt sind. Das Substrat 102 wird mit dem Ätzmittel geätzt, um den BDTI-Graben 1601 so zu erzeugen, dass er sich in das Substrat 102 bis zu einer Tiefe erstreckt, die niedriger als die Oberseite der dotierten Schicht 108 ist. Bei einigen Ausführungsformen kann der BDTI-Graben 1601 in einer Tiefe in dem Substrat 102 über einer Unterseite der dotierten Schicht 108 enden. Bei einigen alternativen Ausführungsformen, die nicht in 31 gezeigt sind, kann der BDTI-Graben 1601 eine Tiefe in dem Substrat 102 erreichen, die niedriger als die Unterseite der dotierten Schicht 108 ist.
  • Wie in einer Schnittansicht 3200 von 32 gezeigt ist, wird ein zweiter Ätzprozess durchgeführt, um einen PDTI-Graben 1603 in der Rückseite 124 des Substrats 102 in einzelnen Pixelbereichen 103a und 103b zu erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 102 dadurch geätzt werden, dass zunächst auf der Rückseite 124 des Substrats 102 eine Maskierungsschicht 3204 hergestellt wird und das Substrat 102 anschließend mit einem Ätzmittel in Bereichen behandelt wird, die nicht von der Maskierungsschicht 3204 bedeckt sind. Das Substrat 102 wird mit dem Ätzmittel geätzt, um den PDTI-Graben 1603 so zu erzeugen, dass er sich in das Substrat 102 erstreckt und über der dotierten Schicht 108 befindet. Bei einigen Ausführungsformen kann der PDTI-Graben 1603 in einer Tiefe in dem Substrat 102 über der dotierten Schicht 108 enden. Bei einigen alternativen Ausführungsformen, die nicht in 32 gezeigt sind, kann der PDTI-Graben 1603 eine Tiefe in dem Substrat 102 erreichen, die niedriger als die Unterseite der dotierten Schicht 108 ist.
  • Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Maskierungsschicht 3104 von 31 und die Maskierungsschicht 3204 von 32 ein Fotoresist oder ein Nitrid (z. B. SiN) aufweisen, das mit einem Fotolithografieprozess strukturiert wird. Bei verschiedenen Ausführungsformen können das Ätzmittel von 31 und das Ätzmittel von 32 jeweils ein Trockenätzmittel mit einer Ätzchemikalie, die eine Fluorspezies (z. B. CF4, CHF3, C4F8 usw.) enthält, oder ein Nassätzmittel sein, z. B. Fluorwasserstoffsäure (HF) oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH). Das Substrat 102 kann gedünnt werden, um seine Dicke zu reduzieren, bevor der PDTI-Graben 1603 erzeugt wird, und um Strahlung durch die Rückseite 124 des Substrats 102 zu der Fotodiode 104 durchzulassen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 102 durch Ätzen seiner Rückseite gedünnt werden. Bei anderen Ausführungsformen kann das Substrat 102 durch mechanisches Schleifen seiner Rückseite 124 gedünnt werden. Die Reihenfolge, in der BDTI-Graben 1601 und der PDTI-Graben 1603 erzeugt werden, ist austauschbar, d. h., der BDTI-Graben 1601 kann vor oder nach dem PDTI-Graben 1603 erzeugt werden.
  • Wie in einer Schnittansicht 3300 von 33 gezeigt ist, werden der PDTI-Graben 1603 und der BDTI-Graben 1601 mit dielektrischem Material gefüllt. Bei einigen Ausführungsformen wird eine ARC-Schicht (ARC: Antireflexbelag; nicht dargestellt) konform entlang Seitenwänden des PDTI-Grabens 1603 und des BDTI-Grabens 1601 abgeschieden, und eine dielektrische High-k-Schicht 1602 wird entlang inneren Seitenwänden des PDTI-Grabens 1603 und BDTI-Grabens 1601 (und/oder entlang inneren Seitenwänden der ARC-Schicht, falls vorhanden) konform abgeschieden. Die dielektrische High-k-Schicht 1602 kann mit Abscheidungsverfahren hergestellt werden und kann Aluminiumoxid (AlO), Hafniumoxid (HfO), Tantaloxid (TaO) oder andere dielektrische Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante aufweisen, die größer als die von Siliziumoxid ist.
  • Wie in einer Schnittansicht 3400 von 34 gezeigt ist, wird auf der dielektrischen High-k-Schicht 1602 eine Oxidschicht 1604 so hergestellt, dass sie einen Rest der PDTI-Gräben füllt, aber die BDTI-Gräben nur teilweise füllt. Bei einigen Ausführungsformen können sich die Oxidschicht 1604 und die dielektrische High-k-Schicht 1602 über der Rückseite 124 des Substrats 102 zwischen dem PDTI-Graben 1603 und dem BDTI-Graben 1601 erstrecken.
  • Wie in einer Schnittansicht 3500 von 35 gezeigt ist, wird eine Metall- oder Polysiliziumschicht 1606 so hergestellt, dass sie einen Rest des BDTI-Grabens 1601 füllt. Bei einigen Ausführungsformen wird nach dem Herstellen der Metall- oder Polysiliziumschicht 1606 ein Planarisierungsprozess durchgeführt, um eine planare Oberfläche zu erzeugen, die sich entlang einer Oberseite der Oxidschicht 1604 und der Metall- oder Polysiliziumschicht 1606 erstreckt. Anschließend kann eine Mehrzahl von Farbfiltern und Mikrolinsenstrukturen über der Rückseite 124 des Substrats 102 hergestellt werden, um die Struktur bereitzustellen, die bereits in 16 gezeigt worden ist.
  • Kommen wir nun zu den 36 bis 40, in denen eine Reihe von Schnittansichten zu sehen ist, die kollektiv ein zweites Verfahren zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors mit einer BDTI-Struktur und einer PDTI-Struktur darstellen.
  • Wie in einer Schnittansicht 3600 von 36 gezeigt ist, wird ein Substrat 102 bereitgestellt. In dem Substrat 102 wird eine Fotodiode dadurch hergestellt, dass eine dotierte Schicht 108 mit einer zweiten Dotierungsart (z. B. einem n-Dotanden wie Phosphor) in einer Vorderseite 122 des Substrats 102 hergestellt wird. Obwohl es in 36 nicht dargestellt ist, kann ein BEOL-Metallisierungsstapel mit einer Mehrzahl von metallischen Interconnect-Schichten, die in einer ILD-Schicht angeordnet sind (siehe zum Beispiel den BEOL-Metallisierungsstapel 3010 von 30), über der Vorderseite 122 des Substrats 102 hergestellt werden. Nach dem Herstellen des BEOL-Metallisierungsstapels wird das Substrat 102 zur Weiterbearbeitung auf einer der Vorderseite 122 gegenüberliegenden Rückseite 124 gewendet. Das Substrat 102 wird selektiv geätzt, um einen BDTI-Graben 1601 in der Rückseite 124 des Substrats 102 zwischen benachbarten Pixelbereichen 103a und 103b zu erzeugen und um einen PDTI-Graben 1603 in der Rückseite 124 des Substrats 102 in einzelnen Pixelbereichen 103a und 103b zu erzeugen (siehe z. B. die vorhergehenden 31 und 32 und die entsprechende Beschreibung). Die Reihenfolge, in der BDTI-Graben 1601 und der PDTI-Graben 1603 erzeugt werden, ist austauschbar, d. h., der BDTI-Graben 1601 kann vor oder nach dem PDTI-Graben 1603 erzeugt werden.
  • Wie in einer Schnittansicht 3700 von 37 gezeigt ist, werden der PDTI-Graben 1603 und der BDTI-Graben 1601 teilweise mit dielektrischem Material gefüllt. Bei einigen Ausführungsformen wird eine ARC-Schicht (nicht dargestellt) konform entlang Seitenwänden des PDTI-Grabens 1603 und des BDTI-Grabens 1601 abgeschieden, und eine dielektrische High-k-Schicht 1702 wird entlang inneren Seitenwänden des PDTI-Grabens 1603 und des BDTI-Grabens 1601 (und/oder entlang inneren Seitenwänden der ARC-Schicht, falls vorhanden) konform abgeschieden. Die dielektrische High-k-Schicht 1702 kann mit Abscheidungsverfahren hergestellt werden und kann Aluminiumoxid (AlO), Hafniumoxid (HfO), Tantaloxid (TaO) oder andere dielektrische Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante aufweisen, die größer als die von Siliziumoxid ist.
  • Wie in einer Schnittansicht 3800 von 38 gezeigt ist, wird auf der dielektrischen High-k-Schicht 1702 eine Oxidschicht 1704 so hergestellt, dass sie einen Rest der PDTI-Gräben füllt, aber die BDTI-Gräben nur teilweise füllt. Bei einigen Ausführungsformen können sich die Oxidschicht 1704 und die dielektrische High-k-Schicht 1702 über der Rückseite 124 des Substrats 102 zwischen dem PDTI-Graben 1603 und dem BDTI-Graben 1601 erstrecken. Bei einigen Ausführungsformen können die dielektrische High-k-Schicht 1702 und die Oxidschicht 1704 durch physikalische Aufdampfung (PVD), Atomlagenabscheidung (ALD) oder chemische Aufdampfung (CVD) abgeschieden werden.
  • Wie in einer Schnittansicht 3900 von 39 gezeigt ist, wird eine Metall- oder Polysiliziumschicht 1706 so hergestellt, dass sie einen Rest des BDTI-Grabens 1601 füllt. Bei einigen Ausführungsformen wird nach dem Herstellen der Metall- oder Polysiliziumschicht 1706 ein Planarisierungsprozess durchgeführt, um eine planare Oberfläche zu erzeugen, die sich entlang einer Oberseite der Oxidschicht 1704 und der Metall- oder Polysiliziumschicht 1706 erstreckt.
  • Wie in einer Schnittansicht 4000 von 40 gezeigt ist, wird eine fotolithografische Maske über der Metall- oder Polysiliziumschicht 1706 hergestellt, und eine Ätzung wird durchgeführt, um die Metall- oder Polysiliziumschicht 1706 zu ätzen, um die Struktur von 40 bereitzustellen. Obwohl es in 40 nicht dargestellt ist, kann anschließend eine Mehrzahl von Farbfiltern und Mikrolinsenstrukturen über der Rückseite 124 des Substrats 102 hergestellt werden, um die Struktur bereitzustellen, die bereits in 17 gezeigt worden ist.
  • Kommen wir nun zu den 41 bis 45, in denen eine Reihe von Schnittansichten zu sehen ist, die kollektiv ein drittes Verfahren zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors mit einer BDTI-Struktur und einer PDTI-Struktur darstellen. Wie in einer Schnittansicht 4100 von 41 gezeigt ist, wird ein Substrat 102 bereitgestellt. In dem Substrat 102 wird eine Fotodiode dadurch hergestellt, dass eine dotierte Schicht 108 mit einer zweiten Dotierungsart (z. B. einem n-Dotanden wie Phosphor) in einer Vorderseite 122 des Substrats 102 hergestellt wird. Obwohl es in 41 nicht dargestellt ist, kann ein BEOL-Metallisierungsstapel mit einer Mehrzahl von metallischen Interconnect-Schichten, die in einer ILD-Schicht angeordnet sind (siehe zum Beispiel den BEOL-Metallisierungsstapel 3010 von 30), über der Vorderseite 122 des Substrats 102 hergestellt werden.
  • Wie außerdem in der Schnittansicht 4100 von 41 gezeigt ist, wird das Substrat 102 zur Weiterbearbeitung auf einer Rückseite 124 gewendet, die der Vorderseite 122 gegenüberliegt. Das Substrat 102 wird selektiv geätzt, um einen PDTI-Graben 1603 in der Rückseite 124 des Substrats 102 in benachbarten Pixelbereichen 103a und 103b zu erzeugen.
  • Wie in einer Schnittansicht 4200 von 42 gezeigt ist, wird dann ein Fotoresiststift 4202 in dem PDTI-Graben 1603 hergestellt, und das Substrat wird selektiv geätzt, um einen BDTI-Graben 1601 in dem Substrat zu erzeugen.
  • Wie in einer Schnittansicht 4300 von 43 gezeigt ist, werden der PDTI-Graben 1603 und der BDTI-Graben 1601 teilweise mit dielektrischem Material gefüllt. Bei einigen Ausführungsformen wird eine ARC-Schicht (nicht dargestellt) konform entlang Seitenwänden des PDTI-Grabens 1603 und des BDTI-Grabens 1601 abgeschieden, und eine dielektrische High-k-Schicht 1602 wird entlang inneren Seitenwänden des PDTI-Grabens 1603 und des BDTI-Grabens 1601 (und/oder entlang inneren Seitenwänden der ARC-Schicht, falls vorhanden) konform abgeschieden. Die dielektrische High-k-Schicht 1602 kann mit Abscheidungsverfahren hergestellt werden und kann Aluminiumoxid (AlO), Hafniumoxid (HfO), Tantaloxid (TaO) oder andere dielektrische Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante aufweisen, die größer als die von Siliziumoxid ist.
  • Wie in einer Schnittansicht 4400 von 44 gezeigt ist, wird auf der dielektrischen High-k-Schicht 1602 eine Oxidschicht 1604 so hergestellt, dass sie einen Rest der PDTI-Gräben füllt, aber die BDTI-Gräben nur teilweise füllt. Bei einigen Ausführungsformen können sich die Oxidschicht 1604 und die dielektrische High-k-Schicht 1602 über der Rückseite 124 des Substrats 102 zwischen dem PDTI-Graben 1603 und dem BDTI-Graben 1601 erstrecken. Bei einigen Ausführungsformen können die dielektrische High-k-Schicht 1602 und die Oxidschicht 1604 durch PVD, ALD oder CVD abgeschieden werden.
  • Wie in einer Schnittansicht 4500 von 45 gezeigt ist, wird eine Metall- oder Polysiliziumschicht 1606 so hergestellt, dass sie einen Rest des BDTI-Grabens 1601 füllt. Bei einigen Ausführungsformen wird nach dem Herstellen der Metall- oder Polysiliziumschicht 1606 ein Planarisierungsprozess durchgeführt, um eine planare Oberfläche zu erzeugen, die sich entlang einer Oberseite der Oxidschicht 1604 und der Metall- oder Polysiliziumschicht 1606 erstreckt. Obwohl es in 45 nicht dargestellt ist, kann anschließend eine Mehrzahl von Farbfiltern und Mikrolinsenstrukturen über der Rückseite 124 des Substrats 102 hergestellt werden, um die Struktur bereitzustellen, die bereits in 16 gezeigt worden ist.
  • Kommen wir nun zu den 46 bis 52, in denen eine Reihe von Schnittansichten zu sehen ist, die kollektiv ein viertes Verfahren zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors mit einer BDTI-Struktur und einer PDTI-Struktur darstellen. Wie in einer Schnittansicht 4600 von 46 gezeigt ist, wird ein Substrat 102 bereitgestellt. In dem Substrat 102 wird eine Fotodiode dadurch hergestellt, dass eine dotierte Schicht 108 mit einer zweiten Dotierungsart (z. B. einem n-Dotanden wie Phosphor) in einer Vorderseite 122 des Substrats 102 hergestellt wird. Obwohl es in 46 nicht dargestellt ist, kann ein BEOL-Metallisierungsstapel mit einer Mehrzahl von metallischen Interconnect-Schichten, die in einer ILD-Schicht angeordnet sind (siehe zum Beispiel den BEOL-Metallisierungsstapel 3010 von 30), über der Vorderseite 122 des Substrats 102 hergestellt werden. Nach dem Herstellen des BEOL-Metallisierungsstapels wird das Substrat 102 zur Weiterbearbeitung auf einer der Vorderseite 122 gegenüberliegenden Rückseite 124 gewendet. Das Substrat 102 wird selektiv geätzt, um einen PDTI-Graben 1603 in der Rückseite 124 des Substrats 102 zwischen benachbarten Pixelbereichen 103a und 103b zu erzeugen.
  • Wie in einer Schnittansicht 4700 von 47 gezeigt ist, wird eine ARC-Schicht (nicht dargestellt) konform entlang Seitenwänden des PDTI-Grabens 1603 abgeschieden, und eine erste dielektrische High-k-Schicht 1802 wird entlang inneren Seitenwänden des PDTI-Grabens 1603 (und/oder entlang inneren Seitenwänden der ARC-Schicht, falls vorhanden) konform abgeschieden. Die erste dielektrische High-k-Schicht 1802 kann mit Abscheidungsverfahren hergestellt werden und kann Aluminiumoxid (AlO), Hafniumoxid (HfO), Tantaloxid (TaO) oder andere dielektrische Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante aufweisen, die größer als die von Siliziumoxid ist.
  • Wie in einer Schnittansicht 4800 von 48 gezeigt ist, wird auf der ersten dielektrischen High-k-Schicht 1802 eine erste Oxidschicht 1804 so hergestellt, dass sie einen Rest der PDTI-Gräben füllt, und optional wird ein CMP-Prozess (CMP: chemisch-mechanische Polierung) durchgeführt. Bei einigen Ausführungsformen können sich die erste Oxidschicht 1804 und die erste dielektrische High-k-Schicht 1802 über der Rückseite 124 des Substrats 102 erstrecken. Bei einigen Ausführungsformen können die erste dielektrische High-k-Schicht 1802 und die erste Oxidschicht 1604 durch PVD, ALD oder CVD abgeschieden werden.
  • Wie in einer Schnittansicht 4900 von 49 gezeigt ist, wird das Substrat 102 selektiv geätzt, um einen BDTI-Graben 1601 an äußeren Grenzen von benachbarten Pixelbereichen 103a und 103b zu erzeugen.
  • Wie in einer Schnittansicht 5000 von 50 gezeigt ist, wird eine zweite dielektrische High-k-Schicht 1806 entlang inneren Seitenwänden des BDTI-Grabens 1601 und über der Oberseite der ersten Oxidschicht 1804 hergestellt.
  • Wie in einer Schnittansicht 5100 von 51 gezeigt ist, wird eine zweite Oxidschicht 1808 über der zweiten dielektrischen High-k-Schicht 1806 hergestellt. Die zweite Oxidschicht 1808 füllt den BDTI-Graben 1601 teilweise.
  • Wie in einer Schnittansicht 5200 von 52 gezeigt ist, wird eine Metall- oder Polysiliziumschicht 1810 so hergestellt, dass sie einen Rest des BDTI-Grabens 1601 füllt. Bei einigen Ausführungsformen wird nach dem Herstellen der Metall- oder Polysiliziumschicht 1810 ein Planarisierungsprozess durchgeführt, um eine planare Oberfläche zu erzeugen, die sich entlang einer Oberseite der zweiten Oxidschicht 1808 und der Metall- oder Polysiliziumschicht 1810 erstreckt. Obwohl es in 52 nicht dargestellt ist, kann anschließend eine Mehrzahl von Farbfiltern und Mikrolinsenstrukturen über der Rückseite 124 des Substrats 102 hergestellt werden, um die Struktur bereitzustellen, die bereits in 18 gezeigt worden ist.
  • Kommen wir nun zu den 53 bis 59, in denen eine Reihe von Schnittansichten zu sehen ist, die kollektiv ein fünftes Verfahren zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors mit einer BDTI-Struktur und einer PDTI-Struktur darstellen. Wie in einer Schnittansicht 5300 von 53 gezeigt ist, wird ein Substrat 102 bereitgestellt. In dem Substrat 102 wird eine Fotodiode dadurch hergestellt, dass eine dotierte Schicht 108 mit einer zweiten Dotierungsart (z. B. einem n-Dotanden wie Phosphor) in einer Vorderseite 122 des Substrats 102 hergestellt wird. Obwohl es in 53 nicht dargestellt ist, kann ein BEOL-Metallisierungsstapel mit einer Mehrzahl von metallischen Interconnect-Schichten, die in einer ILD-Schicht angeordnet sind (siehe zum Beispiel den BEOL-Metallisierungsstapel 3010 von 30), über der Vorderseite 122 des Substrats 102 hergestellt werden.
  • Wie außerdem in der Schnittansicht 5300 von 53 gezeigt ist, wird nach dem Herstellen des BEOL-Metallisierungsstapels das Substrat 102 zur Weiterbearbeitung auf einer der Vorderseite 122 gegenüberliegenden Rückseite 124 gewendet. Das Substrat 102 wird selektiv geätzt, um einen BDTI-Graben 1601 in der Rückseite 124 des Substrats 102 entlang äußeren Grenzen der Pixelbereiche 103a und 103b zu erzeugen.
  • Wie in einer Schnittansicht 5400 von 54 gezeigt ist, wird eine ARC-Schicht (nicht dargestellt) konform entlang Seitenwänden des BDTI-Grabens 1601 abgeschieden, und eine erste dielektrische High-k-Schicht 1902 wird entlang inneren Seitenwänden des BDTI-Grabens 1601 (und/oder entlang inneren Seitenwänden der ARC-Schicht, falls vorhanden) konform abgeschieden. Die erste dielektrische High-k-Schicht 1902 kann mit Abscheidungsverfahren hergestellt werden und kann Aluminiumoxid (AlO), Hafniumoxid (HfO), Tantaloxid (TaO) oder andere dielektrische Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante aufweisen, die größer als die von Siliziumoxid ist.
  • Wie in einer Schnittansicht 5500 von 55 gezeigt ist, wird auf der ersten dielektrischen High-k-Schicht 1902 eine erste Oxidschicht 1906 so hergestellt, dass sie die BDTI-Gräben teilweise füllt, und optional wird ein CMP-Prozess durchgeführt. Bei einigen Ausführungsformen können sich die erste Oxidschicht 1906 und die erste dielektrische High-k-Schicht 1902 über der Rückseite 124 des Substrats 102 erstrecken. Bei einigen Ausführungsformen können die erste dielektrische High-k-Schicht 1902 und die erste Oxidschicht 1906 durch PVD, ALD oder CVD abgeschieden werden.
  • Wie in einer Schnittansicht 5600 von 56 gezeigt ist, wird eine Metall- oder Polysiliziumschicht 1910 so hergestellt, dass sie einen Rest des BDTI-Grabens 1601 füllt. Bei einigen Ausführungsformen wird nach dem Herstellen der Metall- oder Polysiliziumschicht 1910 ein Planarisierungsprozess durchgeführt, um eine planare Oberfläche zu erzeugen.
  • Wie in einer Schnittansicht 5700 von 57 gezeigt ist, wird das Substrat 102 selektiv geätzt, um einen PDTI-Graben 1603 in den Pixelbereichen 103a und 103b zu erzeugen.
  • Wie in einer Schnittansicht 5800 von 58 gezeigt ist, wird eine zweite dielektrische High-k-Schicht 1904 entlang inneren Seitenwänden des PDTI-Grabens 1603 und über der Oberseite der Struktur hergestellt.
  • Wie in einer Schnittansicht 5900 von 59 gezeigt ist, wird eine zweite Oxidschicht 1908 über der zweiten dielektrischen High-k-Schicht 1904 hergestellt. Die zweite Oxidschicht 1908 füllt den Rest des PDTI-Grabens 1603. Bei einigen Ausführungsformen wird nach dem Herstellen der zweiten Oxidschicht 1908 ein Planarisierungsprozess durchgeführt, um eine planare Oberfläche zu erzeugen, die sich entlang einer Oberseite der zweiten Oxidschicht 1908 und der Metall- oder Polysiliziumschicht 1910 erstreckt. Obwohl es in 59 nicht dargestellt ist, kann anschließend eine Mehrzahl von Farbfiltern und Mikrolinsenstrukturen über der Rückseite 124 des Substrats 102 hergestellt werden, um die Struktur bereitzustellen, die bereits in 19 gezeigt worden ist.
  • 60 zeigt ein Ablaufdiagramm einiger Ausführungsformen eines Verfahrens 6000 zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors, der eine PDTI-Struktur über einer Fotodiode und eine BDTI-Struktur aufweist, die die PDTI-Struktur seitlich umschließt.
  • In einem Schritt 6002 wird ein Substrat bereitgestellt. In einer Vorderseite des Substrats wird eine Fotodiode hergestellt, die eine dotierte Schicht mit einer ersten Dotierungsart (z. B. einer n-Dotierung) und einen angrenzenden Bereich des Substrats aufweist, der eine zweite Dotierungsart (z. B. eine p-Dotierung) hat. Das Substrat kann mit einer Schutz-Implantation oder einem abgestuften epitaxialen Aufwachsprozess mit der zweiten Dotierungsart (z. B. einer p-Dotierung) hergestellt werden. Die dotierte Schicht kann durch Implantieren von Dotandenspezies mit der ersten Dotierungsart (z. B. einem n-Dotanden wie Phosphor) hergestellt werden. Durch das Implantieren von Dotandenspezies entsteht ein dotierter Bereich, der einer Fotodiode in einem Pixelbereich der Vorderseite des Halbleitersubstrats entspricht.
  • In einem Schritt 6004 wird das Substrat zur Weiterbearbeitung gewendet. Eine Rückseite des Substrats wird selektiv geätzt, um einen BDTI-Graben so zu erzeugen, dass er sich in das Substrat hinein erstreckt. Der BDTI-Graben wird zwischen benachbarten Pixelbereichen erzeugt und umschließt eine äußere Begrenzung des Pixelbereichs.
  • In einem Schritt 6006 wird ein zweiter Ätzprozess durchgeführt, um einen PDTI-Graben so zu erzeugen, dass er sich in das Substrat über der Fotodiode und innerhalb der äußeren Begrenzung der Pixelbereiche erstreckt.
  • In einem Schritt 6008 wird der BDTI-Graben mit dielektrischem Material gefüllt, um eine BDTI-Struktur herzustellen.
  • In einem Schritt 6010 wird der PDTI-Graben mit leitfähigem Material wie Metall oder Polysilizium gefüllt, um eine PDTI-Struktur herzustellen.
  • In einem Schritt 6012 werden Farbfilter und Mikrolinsen über der Rückseite des Halbleitersubstrats hergestellt.
  • Einige Ausführungsformen betreffen einen CMOS-Bildsensor, der auf einem Substrat angeordnet ist. Eine Mehrzahl von Pixelbereichen, die jeweils eine Mehrzahl von Fotodioden aufweisen, ist so konfiguriert, dass sie Strahlung empfängt, die in eine Rückseite des Substrats eintritt. An Grenzbereichen der Pixelbereiche ist eine tiefe Grenz-Grabenisolationsstruktur (BDTI-Struktur) angeordnet, die eine erste Gruppe von BDTI-Segmenten, die sich in einer ersten Richtung erstrecken, und eine zweite Gruppe von BDTI-Segmenten aufweist, die sich in einer zu der ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung erstrecken, um die Fotodiode seitlich zu umschließen. Die BDTI-Struktur weist ein erstes Material auf. In der BDTI-Struktur ist eine tiefe Pixel-Grabenisolationsstruktur (PDTI-Struktur) angeordnet, die sich über der Fotodiode befindet. Die PDTI-Struktur weist ein zweites Material auf, das von dem ersten Material verschieden ist, und sie weist ein erstes PDTI-Segment auf, das sich in der ersten Richtung erstreckt, sodass das erste PDTI-Segment von der BDTI-Struktur umschlossen ist.
  • Einige weitere Ausführungsformen betreffen ein Verfahren. Bei dem Verfahren wird ein Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite erhalten. In der Vorderseite des Substrats wird eine Mehrzahl von Fotodioden hergestellt, wobei eine Fotodiode einem Pixelbereich entspricht. Die Rückseite des Substrats wird selektiv geätzt, um einen BDTI-Graben (BDTI: tiefe Grenz-Grabenisolation) so zu erzeugen, dass er sich in die Rückseite des Substrats erstreckt. Der BDTI-Graben umschließt eine äußere Begrenzung des Pixelbereichs seitlich und trennt den Pixelbereich seitlich von benachbarten Pixelbereichen. Die Rückseite des Substrats wird selektiv geätzt, um einen PDTI-Graben (PDTI: tiefe Pixel-Grabenisolation) so zu erzeugen, dass er sich in die Rückseite des Substrats über der Fotodiode und innerhalb der äußeren Begrenzung des Pixelbereichs erstreckt. Der BDTI-Graben wird mit einem ersten Material gefüllt, um eine BDTI-Struktur herzustellen. Der PDTI-Graben wird mit einem zweiten Material gefüllt, um eine PDTI-Struktur herzustellen, die seitlich von der BDTI-Struktur umschlossen ist und über der Fotodiode angeordnet ist.
  • Bei noch weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung einen CMOS-Bildsensor. Der CMOS-Bildsensor weist ein Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite auf, die der Vorderseite gegenüberliegt. Der CMOS-Bildsensor weist weiterhin eine Mehrzahl von Pixelbereichen auf, die jeweils eine Mehrzahl von Fotodioden aufweisen, die so konfiguriert sind, dass sie Strahlung empfangen, die in das Substrat von der Rückseite eintritt. Eine tiefe Grenz-Grabenisolationsstruktur (BDTI-Struktur) erstreckt sich von der Rückseite des Substrats bis zu einer ersten Tiefe in das Substrat und ist an einer äußeren Begrenzung der Mehrzahl von Pixelbereichen angeordnet. Die BDTI-Struktur weist ein erstes Material auf und hat eine innerste Begrenzung, die die Mehrzahl von Pixelbereichen in einer Draufsicht seitlich umschließt. Eine tiefe Pixel-Grabenisolationsstruktur (PDTI-Struktur) erstreckt sich von der Rückseite des Substrats bis zu einer zweiten Tiefe in das Substrat. Die PDTI-Struktur weist eine erste Gruppe von Segmenten, die sich in einer ersten Richtung erstrecken, und eine zweite Gruppe von Segmenten auf, die die erste Gruppe von Segmenten senkrecht traversiert und von der BDTI-Struktur seitlich umschlossen ist. Die PDTI-Struktur weist ein zweites Material auf, das von dem ersten Material verschieden ist, und die erste Gruppe von Segmenten und die zweite Gruppe von Segmenten trennen benachbarte Pixelbereiche seitlich voneinander.
  • Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (20)

  1. CMOS-Bildsensor mit: einem Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt; einer Mehrzahl von Pixelbereichen, die jeweils eine Mehrzahl von Fotodioden aufweisen, die so konfiguriert sind, dass sie Strahlung empfangen, die in das Substrat von der Rückseite eintritt; einer tiefen Grenz-Grabenisolationsstruktur (BDTI-Struktur), die an Grenzbereichen der Pixelbereiche angeordnet ist und eine erste Gruppe von BDTI-Segmenten, die sich in einer ersten Richtung erstrecken, und eine zweite Gruppe von BDTI-Segmenten aufweist, die sich in einer zu der ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung erstrecken, um die Fotodiode seitlich zu umschließen, wobei die BDTI-Struktur ein erstes Material aufweist; und einer tiefen Pixel-Grabenisolationsstruktur (PDTI-Struktur), die in der BDTI-Struktur angeordnet ist und sich über der Fotodiode befindet, wobei die PDTI-Struktur ein von dem ersten Material verschiedenes zweites Material aufweist und ein erstes PDTI-Segment aufweist, das sich in der ersten Richtung erstreckt, sodass das erste PDTI-Segment von der BDTI-Struktur umschlossen ist.
  2. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei das erste Material der BDTI-Struktur ein Metall oder Polysilizium umfasst und das zweite Material der PDTI-Struktur ein Oxid umfasst.
  3. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 2, wobei das erste Material Aluminium, Kupfer oder Wolfram umfasst und das zweite Material Siliziumdioxid umfasst.
  4. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei das erste Material ein Oxid umfasst und das zweite Material ein Metall oder Polysilizium umfasst.
  5. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erstes BDTI-Segment der ersten Gruppe von BDTI-Segmenten eine in der ersten Richtung gemessene erste Querschnittsbreite hat und das erste PDTI-Segment eine in der ersten Richtung gemessene zweite Querschnittsbreite hat, wobei die erste Querschnittsbreite größer als die zweite Querschnittsbreite ist und die erste und die zweite Querschnittsbreite in einer ersten Tiefe von der Rückseite des Substrats gemessen werden.
  6. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiterhin ein zweites PDTI-Segment aufweist, das sich in der zweiten Richtung erstreckt und das erste PDTI-Segment halbiert, sodass das erste und das zweite PDTI-Segment von der BDTI-Struktur umschlossen werden.
  7. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 6, wobei das erste und das zweite PDTI-Segment äußerste Enden haben, die durch einen Bereich des Substrats vollständig von der BDTI-Struktur getrennt sind.
  8. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 5, der weiterhin ein zweites PDTI-Segment aufweist, das sich in der zweiten Richtung erstreckt, sodass das erste und das zweite PDTI-Segment eine PDTI-Struktur mit einer Ringform in einer Draufsicht bereitstellen.
  9. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die PDTI-Struktur eine erste Mehrzahl von ersten PDTI-Segmenten, die sich parallel zueinander in der ersten Richtung erstrecken, und eine zweite Mehrzahl von zweiten PDTI-Segmenten aufweist, die sich parallel zueinander und senkrecht zu der ersten Mehrzahl von ersten PDTI-Segmenten erstrecken.
  10. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die BDTI-Struktur Vorsprünge aufweist, die sich von inneren Seitenwänden der BDTI-Struktur nach innen erstrecken, wobei die Vorsprünge zu äußeren Enden des ersten PDTI-Segments ausgerichtet sind.
  11. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die BDTI-Struktur von der Rückseite des Substrats bis zu einer ersten Tiefe in dem Substrat erstreckt und sich die PDTI-Struktur von der Rückseite des Substrats bis zu einer zweiten Tiefe in dem Substrat erstreckt, wobei die zweite Tiefe kleiner als die erste Tiefe ist.
  12. CMOS-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiterhin eine Mehrzahl von Farbfiltern aufweist, die auf der Rückseite des Substrats entsprechend der Mehrzahl von Fotodioden der Mehrzahl von Pixelbereichen angeordnet sind, wobei sich die Mehrzahl von Farbfiltern über der PDTI-Struktur befindet.
  13. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 12, der weiterhin eine Mehrzahl von Mikrolinsen über der Mehrzahl von Farbfiltern aufweist, wobei jeweilige Mikrolinsen entsprechend zu der Mehrzahl von Farbfiltern ausgerichtet sind.
  14. Verfahren mit den folgenden Schritten: Erhalten eines Substrats mit einer Vorderseite und einer Rückseite; Herstellen einer Mehrzahl von Fotodioden in der Vorderseite des Substrats, wobei eine Fotodiode einem Pixelbereich entspricht; selektives Ätzen der Rückseite des Substrats, um einen BDTI-Graben (BDTI: tiefe Grenz-Grabenisolation) so zu erzeugen, dass er sich in die Rückseite des Substrats erstreckt, wobei der BDTI-Graben eine äußere Begrenzung des Pixelbereichs seitlich umschließt und den Pixelbereich seitlich von benachbarten Pixelbereichen trennt; selektives Ätzen der Rückseite des Substrats, um einen PDTI-Graben (PDTI: tiefe Pixel-Grabenisolation) so zu erzeugen, dass er sich in die Rückseite des Substrats über der Fotodiode und innerhalb der äußeren Begrenzung des Pixelbereichs erstreckt; Füllen des BDTI-Grabens mit einem ersten Material, um eine BDTI-Struktur herzustellen; und Füllen des PDTI-Grabens mit einem zweiten Material, um eine PDTI-Struktur herzustellen, die seitlich von der BDTI-Struktur umschlossen ist und über der Fotodiode angeordnet ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das erste Material ein Metall umfasst und das zweite Material ein Oxid umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das erste Material ein Oxid umfasst und das zweite Material ein Metall umfasst.
  17. CMOS-Bildsensor mit: einem Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt; einer Mehrzahl von Pixelbereichen, die jeweils eine Mehrzahl von Fotodioden aufweisen, die so konfiguriert sind, dass sie Strahlung empfangen, die in das Substrat von der Rückseite eintritt; einer tiefen Grenz-Grabenisolationsstruktur (BDTI-Struktur), die sich von der Rückseite des Substrats bis zu einer ersten Tiefe in das Substrat erstreckt und an einer äußeren Begrenzung der Mehrzahl von Pixelbereichen angeordnet ist, wobei die BDTI-Struktur ein erstes Material aufweist und eine innerste Begrenzung hat, die die Mehrzahl von Pixelbereichen in einer Draufsicht seitlich umschließt; und einer tiefen Pixel-Grabenisolationsstruktur (PDTI-Struktur), die sich von der Rückseite des Substrats bis zu einer zweiten Tiefe in das Substrat erstreckt, wobei die PDTI-Struktur eine erste Gruppe von Segmenten, die sich in einer ersten Richtung erstrecken, und eine zweite Gruppe von Segmenten aufweist, die die erste Gruppe von Segmenten senkrecht traversiert und von der BDTI-Struktur seitlich umschlossen ist, und die PDTI-Struktur ein zweites Material aufweist, das von dem ersten Material verschieden ist, wobei die erste Gruppe von Segmenten und die zweite Gruppe von Segmenten benachbarte Pixelbereiche seitlich voneinander trennen.
  18. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 17, wobei äußere Enden der erste Gruppe von Segmenten von der innersten Begrenzung der BDTI-Struktur beabstandet sind.
  19. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 17 oder 18, wobei ein mittleres Pixel, das in der BDTI-Struktur angeordnet ist, auf allen Seiten vollständig von der PDTI-Struktur seitlich umschlossen ist und ein Randpixel in der BDTI-Struktur vier Ränder hat, wobei drei Ränder des Randpixels der PDTI-Struktur entsprechen und ein Rand des Randpixels der BDTI-Struktur entspricht.
  20. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 17 oder 18, wobei ein mittleres Pixel, das in der BDTI-Struktur angeordnet ist, auf allen Seiten vollständig von der PDTI-Struktur seitlich umschlossen ist und ein Eckpixel in der BDTI-Struktur vier Ränder hat, wobei zwei Ränder des Eckpixels der PDTI-Struktur entsprechen und zwei Ränder des Eckpixels der BDTI-Struktur entsprechen.
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