DE102022200236B4

DE102022200236B4 - Verfahren zum post-cmos kompatiblen strukturierten abscheiden einer reinen bor-schicht und sensorsystem

Info

Publication number: DE102022200236B4
Application number: DE102022200236.9A
Authority: DE
Inventors: Andrei Steuer; Stefan Dreiner; Christopher Zeidler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2022-01-12
Filing date: 2022-01-12
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2042-01-13
Also published as: DE102022200236A1

Abstract

Verfahren zum post-CMOS kompatiblen strukturierten Abscheiden einer reinen Bor-schicht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:Bereitstellen eines Siliziumsubstrats (201) mit einem fertig prozessierten CMOS-Bauelement (200) einschließlich einer zugehörigen elektronischen Signalverarbeitungsschaltung,Aufbringen einer Oxidschicht (220) auf das CMOS-Bauelement (200), wobei die Oxidschicht (220) mittels ALD-Verfahren auf dem Siliziumsubstrat (201) abgeschieden wird, und wobei der Schritt des Abscheidens der Oxidschicht (220) beinhaltet, dass ein Oxid, mit Ausnahme von Silizium(di)oxid, abgeschieden wird,Strukturieren der Oxidschicht (220), indem ein erster Teil (230) der Oxidschicht (220) entfernt wird, um einen darunterliegenden Abschnitt (231) des Siliziumsubstrats (201) freizulegen, wobei ein zweiter Teil der Oxidschicht (220) auf dem CMOS-Bauelement (200) verbleibt,strukturiertes Abscheiden einer reinen Bor-Schicht (250) auf dem Siliziumsubstrat (201), wobei es sich bei dem strukturierten Abscheiden um eine selektive Abscheidung handelt, bei der die reine Bor-Schicht (250) selektiv zu dem verbliebenen zweiten Teil (240) der Oxidschicht (220) auf dem freigelegten Abschnitt (231) des Siliziumsubstrats (201) abgeschieden wird,wobei die reine Bor-Schicht (250) im CMOS-BEOL d.h. nach erfolgter Fertigstellung des CMOS-Bauelements (200), in einem post-CMOS kompatiblen Temperaturbereich abgeschieden wird.

Description

Das hierin beschriebene innovative Konzept betrifft ein Verfahren, das eine strukturierte Abscheidung einer reinen Bor-Schicht unter Einhaltung einer CMOS-Kompatibilität erlaubt.
Reine Bor-Schichten bieten besondere Eigenschaften, die sie attraktiv zur Herstellung von unterschiedlichen mikroelektronischen Bauteilen machen. Diese besonderen Eigenschaften sind einerseits, dass eine reine Bor-Schicht einen pn-Übergang (Diode) zu einem n-Typ-Silizium erzeugt, der keine Dotierung erfordert und andererseits, dass reine Bor-Schichten nahezu keine Degradation bei der Detektion von energiereicher Bestrahlung, z.B. mit einer Wellenlänge < 400 nm, wie beispielsweise UV (Ultraviolette Strahlung), VUV (Vakuumultraviolettstrahlung) oder EUV (Extremultraviolette Strahlung), aufweisen. Daher sind reine Bor-Schichten insbesondere attraktiv für die Herstellung von Photodetektoren.
Als Beispiel für eine reine Bor-Schicht sei das sogenannte PureB genannt. Die Hauptanwendung von PureB liegt darin, dass diese Schicht als extrem dünne (wenige Nanometer) Schicht abgeschieden und somit beispielsweise als Elektrode für Photodioden verwendet werden kann. Dabei spielt insbesondere der Einsatz als Photodetektor für UV-Strahlung bei Wellenlängen zwischen 5 nm und 200 nm eine Rolle. Darüber hinaus kann PureB auch als Passivierungsschicht für Silizium-Oberflächen verwendet werden.
Um beim Beispiel des Photodetektors zu bleiben, sollte das reine Bor zur Herstellung eines Photodetektors einerseits sehr dünn sein (wenige Nanometer) und andererseits aber auch gut strukturiert werden können. Eine Möglichkeit zur Strukturierung wären die in der Mikroelektronik üblichen photolithographischen Prozesse. Aufgrund der geringen Dicke des PureB ist die Strukturierung mittels Photolithographie jedoch nicht praktikabel.
Um also eine sehr dünne und zugleich strukturierte Bor-Schicht herzustellen, wäre eine selektive bzw. strukturierte Abscheidung von reinem Bor von Vorteil.
Generell werden zum Abscheiden von reinem Bor im Stand der Technik bisher im Wesentlichen zwei Verfahren angewandt. Es handelt sich hierbei einerseits um CVD (Chemical Vapor Deposition) und andererseits um MBE (Molecular Beam Epitaxy). Beim MBE-Verfahren findet das Aufwachsen von Bor allerdings nicht selektiv statt, weshalb das Aufwachsen mittels MBE als Verfahren für ein selektives bzw. strukturiertes Abscheiden ausscheidet.
Unter Anwendung von CVD hingegen kann das reine Bor selektiv (z. B. gegenüber Siliziumdioxid - SiO₂) abgeschieden werden. Darüber hinaus kann die zuvor angesprochene gewünschte geringe Schichtdicke mittels CVD-Verfahren reproduzierbar realisiert werden.
Für die Herstellung von leistungsfähigen Photodetektoren wäre es außerdem vorteilhaft, den Sensor als CMOS-Bauteil mit einer integrierten Auslese-Schaltung aufzubauen. Dazu kann der Photodetektor entweder als FSI-Detektor (FSI: Front Side Illumination) oder als BSI-Detektor (BSI: Back Side Illumination) ausgelegt werden. In beiden Fällen kann die Bor-Schicht allerdings erst im post-CMOS-Prozess, d.h. nach erfolgter Herstellung der Auslese-Elektronik und weiterer CMOS-Strukturen, aufgebracht werden. Dies liegt daran, dass einerseits die Strukturierung von reinem Bor im Rahmen eines gewöhnlichen CMOS-Prozesses kompliziert ist und andererseits nach der erfolgten Abscheidung des reinen Bors keine hohen Temperaturen (> 700°C) mehr zum Einsatz kommen dürfen, da ansonsten das Bor ins Silizium diffundieren kann, wodurch die reine Bor-Schicht aufgelöst werden würde.
Ursprünglich wurde die selektive bzw. strukturierte Abscheidung von reinem Bor aber bewusst für hohe Temperaturen (> 700°C) entwickelt, denn bei geringeren Temperaturen verschlechtert sich die Selektivität der Abscheidung von reinem Bor, da die Beweglichkeit der beteiligten Moleküle abnimmt. Das heißt, es besteht hier ein Zielkonflikt zwischen einer (zum Zwecke des strukturierten Abscheidens) gewünschten hohen Selektivität, die man nur im Temperaturbereich um ca. 700°C erreicht, und einer CMOS-Kompatibilität, die bei derartig hohen Temperaturen jedoch nicht gegeben ist.
Bei der Herstellung von CMOS-Bauelementen kann das reine Bor, technisch bedingt, also nur im BEOL (Back End-of-Line), d.h. nach erfolgter Fertigstellung des CMOS-Bauelements aufgebracht werden. Dies wiederum setzt jedoch voraus, dass die reine Bor-Schicht bei niedrigen Temperaturen (< 450°C) abgeschieden wird, da ansonsten die integrierte Auslese-Elektronik (insbesondere die metallische Verdrahtung) beschädigt werden könnte. Die Abscheidung bei niedrigen Temperaturen ist jedoch problematisch, da die Selektivität der Bor-Abscheidung bei niedrigen Temperaturen deutlich schlechter ist und somit das Risiko besteht, dass diskrete Bauelemente nicht ausreichend voneinander isoliert werden können, da sie durch die Bor-Schicht kurzgeschlossen werden.
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, eignet sich zum strukturierten Abscheiden von reinem Bor das CVD-Verfahren besonders gut. Das CVD-Verfahren kann hierbei in zwei Kategorien unterteilt werden: Zum Einen eine Abscheidung im Temperaturbereich größer als 400°C und zum Anderen eine Abscheidung im Temperaturbereich von kleiner/gleich 400°C.
Bei der Abscheidung im Temperaturbereich größer als 400°C handelt es sich hauptsächlich um das zuvor erwähnte Abscheiden im Temperaturbereich von etwa 700°C. Hier wird das reine Bor auf Silizium abgeschieden, wobei die Abscheidung auf Silizium selektiv zu thermischem Siliziumdioxid stattfindet. Thermisches Siliziumdioxid ist ein hochwertiges Oxid, das jedoch aufwändig in der Herstellung ist. Zudem werden zur Herstellung von thermischem Siliziumdioxid Temperaturen von weit über 700°C (i.d.R. zwischen 800°C und 1200°C) benötigt. Neben thermischem Oxid wird zur Selektivität bei der Abscheidung im Temperaturbereich von 700°C auch TEOS-Oxid (TEOS: Tetraethylorthosilicate) verwendet, das mittels LPCVD-Verfahren erzeugt werden kann (LPCVD: Low Pressure Chemical Vapor Deposition).
Bei der CVD-Abscheidung von reinem Bor im Temperaturbereich von ≤ 400 °C wird nahezu ausschließlich thermisches Siliziumdioxid verwendet, um die gewünschte Selektivität der Abscheidung von reinem Bor gegenüber Silizium zu realisieren. Wie eingangs bereits erwähnt, handelt es sich bei thermischem Siliziumdioxid um ein hochwertiges Oxid, das aufwändig in der Herstellung ist und hohe Temperaturen zur Erzeugung benötigt. Diese hohen Temperaturen sind jedoch nicht post-CMOS kompatibel, d.h. metallische CMOS-Strukturen würden hierbei irreparabel geschädigt werden.
Beispielsweise beschreibt die Veröffentlichung NERALLA, S.: Chemical Vapor Deposition - Recent Advances and Applications in Optical, Solar Cells and Solid State Devices; United Stated of America: North Carolina Agricultural and Technical State University, 31. August 2016 (Kapitel 6, MOHAMMADI, V.; NIHTIANOV, S.: Low-Temperature PureB CVD Technology for CMOS Compatible Photodetectors); S. 137-157; ISBN 978-953-51-2573-0; https://cdn.intechopen.com/pdfs/51153.pdf [DOI: 10.5772/63344] ein Verfahren zum Abscheiden von Siliziumoxid mittels CVD.
Weitere Verfahren zum Abscheiden von Bor auf Siliziumoxidschichten oder Siliziumnitridschichten sind in den Druckschriften US 2016 / 0 056 015 A1 , US 2013/0 264 481 A1 und US 2020 / 0 212 246 A1 beschrieben.
Es besteht also ein weiterer Zielkonflikt, denn die gewünschte CMOS-Kompatibilität ist nur in einem Temperaturbereich von ca. ≤ 400°C gegeben. Um bei diesen verhältnismäßig niedrigen Temperaturen jedoch eine ausreichend hohe Selektivität zum strukturierten Abscheiden von reinem Bor auf Silizium zu erreichen, muss hochqualitatives thermisches SiO₂ verwendet werden. Die Herstellung von hochwertigem thermischen SiO₂ ist jedoch bei CMOS Bauelementen, hinsichtlich der zeitlichen Prozessabfolge, nur auf den Zeitraum vor der ersten Metallabscheidung beschränkt, denn danach darf eine Temperatur von 400°C bis 450°C nicht mehr überschritten werden, was die Herstellung von hochperformanten CMOS-Bauteilen mit reinem Bor (z.B. CMOS-Photodetektoren) wirtschaftlich unattraktiv macht.
Und es kommt noch ein weiteres Problem hinzu. Um nämlich eine selektive Abscheidung von reinem Bor auf Silizium überhaupt durchführen zu können, sollte die Silizium-Oberfläche vorab vollständig vom nativen Siliziumdioxid befreit werden. Dies wird üblicherweise durch den Einsatz von Flusssäure (Fluorwasserstoffsäure - HF) bewerkstelligt.
Der Einsatz von Flusssäure vor dem Abscheiden von reinem Bor ist jedoch insofern problematisch, als dass üblicherweise im CMOS Back-End-Of-Line Siliziumoxide von geringer Qualität zum Einsatz kommen, die besonders anfällig für Flusssäure sind. Das heißt, die Flusssäure würde aufgebaute bzw. erzeugte Siliziumoxid-Strukturen des CMOS-Bauteils angreifen, was natürlich nicht gewünscht ist. Deshalb kommt der Einsatz von Flusssäure, als Vorbereitung für die Abscheidung von reinem Bor nicht in Frage, weil dadurch das CMOS im Back-End-Of-Line beschädigt werden kann. Gleichzeitig ist jedoch der Einsatz von Flusssäure zwingend notwendig, um die Silizium-Oberfläche für die selektive Abscheidung von reinem Bor vorzubereiten.
Neben der stark schwankenden Selektivität haben also alle Siliziumoxide den Nachteil, dass diese durch Flusssäure angegriffen werden. Eine HF-Behandlung von Silizium-Oberflächen vor der Abscheidung von reinem Bor ist aber erforderlich, um einerseits alle möglicherweise vorhandenen nativen Oxide von der Silizium-Oberfläche zu entfernen und andererseits die Silizium-Oberfläche mit Wasserstoff-Bindungen abzusättigen, die dann für eine selektive Abscheidung von reinem Bor notwendig sind.
Zusammenfassend kann man also festhalten, dass bisher bekannte Verfahren zum selektiven bzw. strukturierten Abscheiden von reinem Bor (z.B. zur Herstellung eines leistungsfähigen CMOS-Photodetektors) in den aller meisten Fällen nicht post-CMOS-tauglich sind, da die Temperaturen zum Abscheiden des reinen Bors meist mehr als 450°C betragen. Das Abscheiden von reinem Bor kann auch nicht im CMOS-FEOL (Front End-of-Line) integriert werden, da das Bor bei den in der CMOS-Herstellung üblichen Temperaturen von über 700°C durch Diffusion aufgelöst werden würde. Ganz abgesehen davon wäre eine Strukturierung von reinem Bor im Rahmen einer CMOS-FEOL-Prozessierung auch nicht praktikabel.
Andere bekannte Verfahren, die reines Bor bei Temperaturen kleiner oder gleich 450 °C abscheiden, wären prinzipiell CMOS-tauglich. Sie haben jedoch den Nachteil, dass diese Verfahren auf hochwertige SiO₂-Schichten (zum Beispiel thermisch erzeugtes SiO₂) angewiesen sind, um eine selektive Abscheidung des reinen Bors zu gewährleisten. Bei qualitativ schlechteren Siliziumoxiden ist die Selektivität gegenüber reinem Bor deutlich schlechter, weshalb das Abscheiden von reinem Bor auf derartigen Siliziumoxiden nicht reproduzierbar durchführbar ist. Das qualitativ höherwertige thermisch erzeugte Siliziumoxid wäre demnach vorzuziehen. Es hat jedoch den ganz entscheidenden Nachteil, dass es zur Erzeugung hohe Temperaturen benötigt, was dieses Verfahren wiederum nicht post-CMOS-tauglich macht.
Es wäre demnach wünschenswert, bisher bekannte Verfahren zum selektiven bzw. strukturierten Abscheiden von reinem Bor auf Silizium dahingehend zu verbessern, dass diese CMOS-kompatibel sind, gleichzeitig eine hohe Selektivität (zum Zwecke des reproduzierbaren strukturierten Abscheidens) aufweisen und dabei dennoch kostengünstig durchführbar sind.
Dies wird ermöglicht mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Sensorsystem gemäß Anspruch 11. Weitere Ausführungsformen und vorteilhafte Aspekte dieses Verfahrens bzw. Sensorsystems sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
Erfindungsgemäß wird hierin ein Verfahren zum strukturierten Abscheiden einer reinen Borschicht auf Silizium vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet hierbei, unter anderem, das Bereitstellen eines Siliziumsubstrats, welches ein fertig prozessiertes CMOS-Bauelement einschließlich einer zugehörigen elektronischen Schaltung aufweist. Ferner wird eine Oxidschicht auf das Siliziumsubstrat aufgebracht.
Beispielsweise kann ein Oxid auf dem Siliziumsubstrat abgeschieden werden, wobei das abgeschiedene Oxid eine Oxidschicht auf dem Siliziumsubstrat bildet. Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Oxidschicht um ein Oxid mit Ausnahme von Silizium(di-)oxid, wobei diese Oxidschicht mittels ALD-Verfahren (ALD: Atomic Layer Deposition) auf dem Siliziumsubstrat abgeschieden wird. Die Oxidschicht kann hierbei nicht nur rein auf das Siliziumsubstrat sondern insbesondere auch auf das CMOS-Bauelement aufgebracht bzw. abgeschieden werden, sodass die erzeugte Oxidschicht auch das CMOS-Bauelement zumindest abschnittsweise, und bevorzugt vollständig, bedeckt. Das Verfahren beinhaltet ferner einen Schritt des Strukturierens der Oxidschicht. Hierbei wird ein erster Teil der Oxidschicht entfernt, um einen darunterliegenden Abschnitt des Siliziumsubstrats freizulegen. Dieser Abschnitt kann dementsprechend auch als ein freigelegter Abschnitt bezeichnet werden. Während, wie soeben erwähnt, also ein erster Teil der Oxidschicht entfernt wird, verbleibt ein zweiter Teil der Oxidschicht hingegen auf dem Siliziumsubstrat beziehungsweise auf dem CMOS-Bauelement. Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet außerdem ein strukturiertes Abscheiden einer reinen Bor-Schicht auf dem Siliziumsubstrat. Bei dem besagten strukturierten Abscheiden handelt es sich um eine selektive Abscheidung, bei der die reine Bor-Schicht selektiv zu dem verbliebenen zweiten Teil der Oxidschicht auf dem freigelegten Abschnitt des Siliziumsubstrats abgeschieden wird. Hierbei ist es wichtig, dass das Oxid eine hohe Selektivität gegenüber dem Bor aufweist. Denn dadurch erfolgt gleichzeitig mit dem Abscheiden des Bors eine Strukturierung der abgeschiedenen Bor-Schicht, sodass die Bor-Schicht auch ohne anschließende Lithographie oder sonstige Strukturierungsprozesse fertig strukturiert ist. Der verbleibende zweite Teil der Oxidschicht bildet sozusagen eine Art Strukturierungsmaske für das abzuscheidende Bor. Es sind also keine weiteren nachfolgenden Prozesse zur Strukturierung der Bor-Schicht notwendig. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren unter anderem dadurch aus, dass die reine Bor-Schicht im CMOS-BEOL (BEOL: Back End Of Line), d.h. nach erfolgter Fertigstellung des CMOS-Bauelements, bei CMOS-kompatiblen Temperaturen abgeschieden wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die fertige CMOS Struktur (insbesondere die Metallschicht-Verdrahtung) keinen Schaden nimmt. Bei der erfindungsgemäß verwendeten Oxidschicht handelt es sich um Oxide mit Ausnahme von Siliziumoxid (SiO₂), und insbesondere mit Ausnahme von thermischem SiO₂, da das thermische SiO₂ zur Erzeugung hohe Temperaturen benötigt, weshalb das thermische SiO₂ dementsprechend nicht mehr im BEOL, d.h. nach dem Aufbringen eines ersten Metalls, in CMOS-Prozessen verwendet werden kann. Das heißt, thermisches SiO₂ bietet zwar eine hohe Selektivität, aber zur Erzeugung sind hohe Temperaturen erforderlich, sodass thermisches SiO₂ nicht post-CMOS tauglich ist. Nicht-thermische Siliziumoxide hingegen können auch bei geringeren, und somit post-CMOS tauglichen, Temperaturen erzeugt werden. Bei den nicht-thermischen Siliziumoxiden ist jedoch die Selektivität gegenüber reinem Bor deutlich schlechter, weshalb das selektive bzw. strukturierte Abscheiden von reinem Bor auf derartigen Siliziumoxiden nicht reproduzierbar durchführbar ist. Neben der Selektivität haben alle Siliziumoxide den Nachteil, dass diese durch Flusssäure (HF) angegriffen werden. Eine HF-Behandlung der Si-Oberfläche vor der Abscheidung von reinem Bor ist aber erforderlich, um einerseits alle möglicherweise vorhandenen nativen Oxide von der Si-Oberfläche zu entfernen und andererseits die Si-Oberfläche mit Wasserstoffbindungen abzusättigen, die dann für die selektive Abscheidung von reinem Bor notwendig sind. Das erfindungsgemäße Verfahren, das bewusst auf den Einsatz von Siliziumoxiden verzichtet, bietet hingegen eine Möglichkeit für einen optimalen und flexiblen Einsatz von reinem Bor in einem CMOS-Bauelement (z.B. Photodetektor) in Kombination mit einer funktionsfähigen Schaltung, z.B. Auslese-Elektronik. Eine geringe Abscheidetemperatur des reinen Bors (z.B. T <= 450°C) macht das Verfahren post-CMOS kompatibel. Es wird eine stark selektive Oxidschicht bereitgestellt, die bei niedrigen Temperaturen abgeschieden werden kann, und zudem robust gegenüber Flusssäure-Dampf ist. Darüber hinaus kann diese selektive Oxidschicht mit den in der CMOS-Technologie üblichen Verfahren strukturiert werden.
Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Blockdiagramm einzelner Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2A einen gegenständlich dargestellten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform am Beispiel eines Querschnitts eines CMOS-Bauelements mit einem Siliziumsubstrat in einem Ausgangsstadium,
2B einen gegenständlich dargestellten weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform, wobei eine Oxidschicht auf das CMOS-Bauelement aufgebracht wird,
2C einen gegenständlich dargestellten weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform, wobei eine die Oxidschicht auf dem CMOS-Bauelement strukturiert wird, und
2D einen gegenständlich dargestellten weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform, wobei reines Bor in Form einer reinen Bor-Schicht auf der strukturierten Oxidschicht aufgebracht wird.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Verfahrensschritte, die im Rahmen der vorliegenden Offenbarung abgebildet bzw. beschrieben sind, können auch in einer anderen als der abgebildeten beziehungsweise beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Außerdem sind Verfahrensschritte, die ein bestimmtes Merkmal einer Vorrichtung betreffen mit ebendiesem Merkmal der Vorrichtung austauschbar, was ebenso anders herum gilt.
In der vorliegenden Offenbarung wird das sogenannte PureB lediglich als ein nicht-limitierendes Beispiel einer reinen Bor-Schicht genannt. Außerdem wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel zur Herstellung von CMOS-Bauelementen beschrieben, wobei Photodetektoren bzw. Photosensoren lediglich als nicht-limitierende Beispiele für CMOS-Bauelemente genannt sind. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch zur Herstellung anderer, eine reine Bor-Schicht aufweisender, CMOS-Bauelemente.
Zunächst zeigt 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Block 101 wird ein Siliziumsubstrat bereitgestellt. Das Siliziumsubstrat weist ein fertig prozessiertes CMOS-Bauelement einschließlich einer zugehörigen elektronischen Schaltung auf.
In Block 102 wird eine Oxidschicht auf das Siliziumsubstrat aufgebracht. Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Oxidschicht um ein Oxid mit Ausnahme von Silizium(di-)oxid, wobei diese Oxidschicht mittels ALD-Verfahren (ALD: Atomic Layer Deposition) auf dem Siliziumsubstrat abgeschieden wird. Die Oxidschicht kann insbesondere auf dem Siliziumsubstrat abgeschieden werden. Die Oxidschicht kann zudem auf dem, in das Siliziumsubstrat integrierte, CMOS-Bauelement aufgebracht werden. Die Oxidschicht kann außerdem auf der zugehörigen elektronischen Schaltung aufgebracht werden.
In Block 103 wird die Oxidschicht strukturiert. Hierbei wird ein erster Teil der Oxidschicht entfernt, um einen darunterliegenden Abschnitt des Siliziumsubstrats freizulegen. Ein zweiter Teil der Oxidschicht verbleibt hierbei auf dem Siliziumsubstrat.
In Block 104 findet ein strukturiertes Abscheiden einer reinen Bor-Schicht auf dem Siliziumsubstrat statt. Bei dem strukturierten Abscheiden handelt es sich um eine selektive Abscheidung, bei der die reine Bor-Schicht selektiv zu dem verbliebenen zweiten Teil der Oxidschicht auf dem freigelegten Abschnitt des Siliziumsubstrats abgeschieden wird.
Block 105 gibt eine wichtige Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verfahrens an. Die reine Bor-Schicht wird nämlich im CMOS-BEOL (BEOL: Back End Of Line), d.h. post-CMOS nach erfolgter Fertigstellung des CMOS-Bauelements, bei CMOS-kompatiblen Temperaturen abgeschieden.
Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf die 2A bis 2D strukturell beschrieben werden. Die 2A bis 2D zeigen einzelne Verfahrensschritte am Beispiel eines CMOS-Bauelements mit einem zu prozessierenden Siliziumsubstrat, auf dem eine reine Bor-Schicht unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens strukturiert abgeschieden wird.
Die 2A bis 2D beschreiben das Aufbringen einer reinen Bor-Schicht am nicht-limitierenden Beispiel eines CMOS-Photodetektors unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei kann nach der Vorbereitung der Photodetektor-Herstellung im Rahmen des CMOS-Prozesses das reine Bor als Anoden-Elektrode aufgebracht werden, wobei die Anode gleichzeitig die Öffnung für die Transmission der Strahlung darstellt. Die reine Bor-Schicht kann dabei einerseits die Aufgabe einer Elektrode (Anode) übernehmen und kann andererseits als Passivierung der Oberfläche des Photodetektors, zum Beispiel bei hochenergetischer Strahlung (UV), oder als Partikeldetektor dienen.
2A zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines CMOS-Bauelements 200. In diesem Fall handelt es sich bei dem CMOS-Bauelement 200 um einen Photodetektor. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch bei anderen CMOS-Bauelementen zur Anwendung kommen.
Das CMOS-Bauelement 200 (z.B. Photodetektor) kann im CMOS-Prozess, zum Beispiel in einem Siliziumsubstrat 201 eines ersten Dotierungstyps (z.B. p-Typ) realisiert werden. In diesem Substrat 201 kann eine Wanne 203 eines unterschiedlichen zweiten Dotierungstyps (z.B. n-Typ) implantiert sein. In dieser Wanne 203 können wiederum Kontakt-Implantationen 204 des ersten Dotierungstyps (z.B. p-Typ) vorgesehen sein. Die Kontakt-Implantationen 204 können später für die Kontaktierung der abgeschiedenen reinen Bor-Schicht (als Anode der Diode) dienen.
Neben dem CMOS-Bauelement 200 selbst können auch andere (hier nicht explizit dargestellte) Bauelemente, wie z.B. Transistoren, Widerstände, Kapazitäten und dergleichen, im Rahmen desselben Prozesses realisiert werden. Aus diesen Bauelementen wiederum können zum Beispiel Schaltungselemente hergestellt werden, die zur Verarbeitung des Signals des CMOS-Bauelements 200 verwendet werden können. Dementsprechend kann das CMOS-Bauelement 200 eine (hier nicht explizit dargestellte) zugehörige elektronische Signalverarbeitungsschaltung aufweisen.
Die zugehörige elektronische Signalverarbeitungsschaltung kann in das Siliziumsubstrat 201 integriert sein. Alternativ kann die zugehörige elektronische Signalverarbeitungsschaltung als separate Schaltung gefertigt sein, die beispielsweise auf dem Siliziumsubstrat 201 angeordnet und mittels Bond-Verfahren mit dem CMOS-Bauteil 200 verbunden sein kann.
Das CMOS-Bauelement 200 kann weitere Bauteilstrukturen 214 aufweisen. Diese weiteren Bauteilstrukturen 214 können beispielsweise ein oder mehrere Metallisierungslagen bzw. Metallschichten (metal layer) aufweisen, die als Verdrahtungsebenen zur elektrischen Signalführung genutzt werden können. Die Gesamtheit der Verdrahtungsebenen kann auch ganz allgemein als Metallisierung bezeichnet werden.
In dem in 2A abgebildeten Beispiel sind rein exemplarisch zwei Metallisierungsebenen 211, 212 gezeigt. Zwischen den Metallisierungsebenen 211, 212 kann ein Isolationsmaterial 213 angeordnet sein. Das Isolationsmaterial 213 kann beispielsweise ein Oxid aufweisen bzw. aus einem Oxid bestehen. Das Isolationsmaterial 213 kann beispielsweise Siliziumoxid (SiO₂) aufweisen bzw. aus SiO₂ bestehen. Die Oxide des Isolationsmaterials 213 werden bei einem CMOS-Prozess auch als BEOL-Oxide bezeichnet.
Bei einem CMOS-Prozess werden ein oder mehrere Schichten des Isolationsmaterials 213 als Zwischenschichten zur Herstellung der Metallisierung verwendet. Wie eingangs erwähnt, kann die Metallisierung eine oder mehrere Metall-Ebenen 211, 212 aufweisen. Je mehr Metall-Ebenen 211, 212 verwendet werden, desto mehr dazwischen angeordneten Schichten des Isolationsmaterials 213 werden benötigt. Das heißt, zwischen den einzelnen Metall-Ebenen bzw. Metallschichten 211, 212 sollte jeweils eine Schicht des Isolationsmaterials 213 zum Zwecke der elektrischen Isolierung der einzelnen Metallschichten 211, 212 untereinander vorgesehen sein.
Nach der Herstellung der Metallisierung 211, 212 können die Schichten des Isolationsmaterials 213 oberhalb des Siliziumsubstrats 201 sowie in anderen ausgewählten Bereichen (z.B. zwischen den beiden Bauteilstrukturen 214) entfernt werden. In diesen Bereichen sollten dabei keine Metallflächen 211, 212 enthalten sein. Dadurch ergibt sich zum Beispiel ein in etwa U-förmiger Querschnitt wie er in 2A gezeigt ist.
2B zeigt einen weiteren Verfahrensschritt. Hier wird in einem post-CMOS-Schritt, d.h. nach Fertigstellung des CMOS-Bauelements 200, eine Oxidschicht 220 auf das CMOS-Bauelement 200 einschließlich der zugehörigen elektronischen Signalverarbeitungsschaltung aufgebracht. Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Oxidschicht um ein Oxid mit Ausnahme von Silizium(di-)oxid, wobei diese Oxidschicht mittels ALD-Verfahren (ALD: Atomic Layer Deposition) auf dem Siliziumsubstrat abgeschieden wird. Die Oxidschicht 220 kann hierbei auch auf das Siliziumsubstrat 201 sowie auf die weiteren Bauteilstrukturen 214 aufgebracht werden. Die Oxidschicht 220 kann also derart aufgebracht werden, dass sie das gesamte CMOS-Bauelement 200, wie in 2B abgebildet, vollständig bedeckt. Die Oxidschicht 220 wird erfindungsgemäß unter Anwendung eines ALD-Verfahrens erzeugt.
Die Oxidschicht 220 kann eine Schichtdicke von 50 nm bis 150 nm, oder von 80 nm bis 120 nm, oder von etwa 100 nm aufweisen. Mit der ALD-Methode können hierbei auch steile Flanken zuverlässig beschichtet werden. Somit können auch die vertikalen Flanken der weiteren Bauteilstrukturen 214 zuverlässig beschichtet werden. Die aufgebrachte Oxidschicht 220 kann dadurch als Passivierungsschicht und als Schutz der weiteren Bauteilstrukturen 214, und insbesondere der darin enthaltenen BEOL-Oxide 213, vor ungewolltem Angriff durch Flusssäure-Dampf dienen, was später noch näher erläutert wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Abscheidung der Oxidschicht 220 in einem post-CMOS kompatiblen Temperaturbereich ausgeführt werden, in dem das fertiggestellte CMOS-Bauelement 200, und insbesondere deren Metallisierungslagen 211, 212, nicht beschädigt werden. Dies wäre beispielsweise ein Temperaturbereich von ≤ 450°C, vorzugsweise von ≤ 400°C. Das Abscheiden der Oxidschicht 220 kann beispielsweise vorteilhaft bei einer Temperatur von etwa 300°C erfolgen, sodass das Abscheiden der Oxidschicht 220 kompatibel zu dem bereits erzeugten CMOS-Bauelement 200 ist. Das Abscheiden der Oxidschicht 220 kann also im sogenannten CMOS-BEOL (BEOL: Back End-of-Line), d.h. post-CMOS nach erfolgter Fertigstellung des CMOS-Bauelements 200, durchgeführt werden.
2C zeigt einen weiteren Verfahrensschritt. Hier kann die zuvor abgeschiedene Oxidschicht 220 strukturiert werden, um einerseits die Silizium-Oberfläche 231, auf der später das reine Bor abgeschieden werden soll freizulegen, und andererseits, um die Metallisierung 211 zur Kontaktierung freizulegen. Zudem können die zuvor angesprochenen elektrischen Kontakte bzw. Kontakt-Implantationen 204 freigelegt werden.
Es kann in diesem Verfahrensschritt also ein erster Teil 230 der Oxidschicht 220 entfernt werden, um einen darunterliegenden Abschnitt 231 des Siliziumsubstrats 201 freizulegen. Auf diesem freigelegten Abschnitt 231 des Siliziumsubstrats 201 soll anschließend das reine Bor abgeschieden werden. Ein zweiter Teil 240 der Oxidschicht 220 verbleibt auf dem Siliziumsubstrat 201 bzw. auf dem CMOS-Bauelement 200. Der zweite Teil 240 der Oxidschicht 220 kann außerdem auf den weiteren Bauteilstrukturen 214 verbleiben, mit Ausnahme von den oben erwähnten freigelegten Abschnitten zum Freilegen der Metallisierung 211, 212 zur elektrischen Kontaktierung des CMOS-Bauelements 200.
Zum Strukturieren der Oxidschicht 220 können Photolithographie-Verfahren und/oder subtraktive Ätzverfahren zum Einsatz kommen. Bei der Strukturierung der Oxidschicht 220 sollte beachtet werden, dass die Silizium-Oberfläche 231, auf die später das reine Bor abgeschieden werden soll, möglichst keine Schäden davonträgt. Deshalb sieht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vor, dass die Oxidschicht 220 in zwei Stufen strukturiert (z.B. geätzt) wird.
In einer ersten Stufe kann ein Großteil, d.h. 50% oder mehr (z.B. 50% - 90 %), des zu entfernenden ersten Teils 230 der Oxidschicht 220 mittels einem trockenchemischen Verfahren entfernt werden. Vorzugsweise kann in der ersten Stufe nahezu der gesamte zu entfernende erste Teil 230 der Oxidschicht 220 entfernt werden. In der ersten Stufe können zum Beispiel Plasma-Ätzverfahren mit BCl₃- Chemie angewendet werden. Dabei kann ein Großteil der Oxidschicht 220 entfernt werden.
In einer zweiten Stufe kann dann der Rest des zu entfernenden ersten Teils 230 der Oxidschicht 220, z.B. mittels einem Gasphasen- oder einem nasschemischen Verfahren, entfernt werden. In der zweiten Stufe können vorzugsweise Verfahren eingesetzt werden, die die freigelegte Silizium-Oberfläche 231 wenig schädigen. Das können zum Beispiel Gasphasen- oder nasschemische Verfahren mit Flusssäure sein.
In einem weiteren, jedoch rein optionalen Verfahrensschritt, kann der freigelegte Abschnitt 231 des Siliziumsubstrats 201 mit Flusssäure-Dampf behandelt werden. Dies kann vorbereitend für die direkt im Anschluss darauffolgende Abscheidung des reinen Bors erfolgen. Die Behandlung mit Flusssäure-Dampf dient der Entfernung möglicher nativer Oxide, die sich auf der zuvor freigelegten Silizium-Oberfläche 231 ausbilden können, sowie der Terminierung der freigelegten Silizium-Oberfläche 231 mit Wasserstoff. In diesem Schritt kann die Oxidschicht 220, die sich auch auf den vertikalen Flanken der weiteren Bauteilstrukturen 214 befindet, als Schutz der BEOL-Oxide 213 vor der Flusssäure, welche die Silizium-Oberfläche 231 von Siliziumoxid befreien und mit Wasserstoff terminieren soll, dienen.
Erfindungsgemäß wird das Material der abgeschiedenen Oxidschicht 220 dabei derart gewählt, dass sie robuster gegenüber einer Flusssäure-Dampf-Behandlung ist als die BEOL-Oxide 213. Hierfür eignen sich prinzipiell alle Oxide, mit Ausnahme von Siliziumoxid SiO₂, denn SiO₂ wäre ebenfalls anfällig für Flusssäure-Dampf und würde die BEOL-Oxide 213, die ihrerseits meist aus geringwertigem SiO₂ bestehen, nicht ausreichend schützen können.
Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, haben kostengünstige aber dafür qualitativ geringwertige Siliziumoxide den Nachteil, dass sie keine ausreichend hohe Selektivität gegenüber reinem Bor aufweisen und somit nicht für ein selektives bzw. strukturiertes Abscheiden von reinem Bor geeignet sind. Qualitativ höherwertiges SiO₂ hingegen würde zwar eine ausreichend hohe Selektivität aufweisen. Zur Herstellung von hochwertigem, sogenannten thermischen, SiO₂ sind jedoch Temperaturen nötig, die nicht post-CMOS kompatibel sind. Aus diesen Gründen scheidet SiO₂ als Material für die Abscheidung der Oxidschicht 220 gemäß dem hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren aus.
Ein vorteilhaftes Oxid, das als Oxidschicht in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann, ist hingegen Aluminiumoxid Al₂O₃. Aluminiumoxid weist eine hohe Selektivität gegenüber reinem Bor auf, sodass das reine Bor selektiv bzw. strukturiert darauf abgeschieden werden kann. Eine Al₂O₃ Schicht 220 kann bei post-CMOS kompatiblen Temperaturen abgeschieden werden. Darüber hinaus weist Al₂O₃ eine große Resistenz gegenüber Flusssäure auf. Somit kann eine abgeschiedene Al₂O₃ Schicht 220, insbesondere im Bereich der vertikalen Flanken der weiteren Bauteilstrukturen 214, die darin enthaltenen BEOL-Oxide 213 vor einem Angriff durch Flusssäure-Dampf schützen.
Wie in 2D gezeigt ist, kann also nun auf den freigelegten Abschnitt 231 des Siliziumsubstrats 201, gegebenenfalls nach einer optionalen Behandlung mit Flusssäure-Dampf, das reine Bor 250 aufgebracht werden. Das reine Bor kann auch auf die freigelegten Kontakte bzw. Kontakt-Implantationen 204 aufgebracht werden. Sofern das reine Bor, wie nachfolgend beschrieben wird, auf die elektrischen Kontakte 204 aufgebracht wird, kann die reine Bor-Schicht 250 als eine Elektrode (Kathode/Anode) dienen.
Das reine Bor wird also zunächst auf dem zuvor freigelegten ersten Abschnitt 231 des Siliziumsubstrats 201 aufgebracht. Das heißt, dieser freigelegte erste Abschnitt 231 definiert denjenigen Abschnitt auf dem CMOS-Bauelement 200 bzw. auf dem Siliziumsubstrat 201, auf dem später die reine Bor-Schicht 250 platziert werden soll. Zum Erzeugen der Bor-Schicht 250 kann das reine Bor abgeschieden werden, beispielsweise mittels CVD-Verfahren bei post-CMOS kompatiblen Temperaturen im Bereich von weniger als 450°C oder sogar weniger als 400°C.
Ein wichtiger Punkt bei dem hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, dass das reine Bor selektiv gegenüber dem verbleibenden zweiten Teil 240 der zuvor abgeschiedenen Oxidschicht 220 abgeschieden wird. Das heißt, das abgeschiedene reine Bor lagert sich kaum bis gar nicht an dem verbleibenden zweiten Teil 240 der Oxidschicht 220 ab. Das reine Bor lagert sich somit hauptsächlich, und vorzugsweise ausschließlich, auf dem zuvor freigelegten Abschnitt 231 des Siliziumsubstrats 201 an und bildet dort eine reine Bor-Schicht 250 aus. Zur Erinnerung: Der freigelegte Abschnitt 231 des Siliziumsubstrats 201 ist derjenige Abschnitt, der zuvor mit dem ersten Teil der Oxidschicht 220 bedeckt war, und von dem dieser erste Teil 231 der Oxidschicht 220 anschließend entfernt wurde.
Aus den oben genannten Gründen wird also das reine Bor in Form einer reinen Bor-Schicht 250 auf dem CMOS-Bauelement 200 bzw. auf dem Siliziumsubstrat 201 abgeschieden. Dies wird durch das selektive Abscheiden gegenüber dem bestehenbleibenden zweiten Teil 240 der Oxidschicht 220 erreicht. Auch hierfür eignet sich Al₂O₃ als Material für die Oxidschicht 220 besonders gut, da es eine hohe Selektivität gegenüber reinem Bor aufweist. Da also das reine Bor bereits in Form einer strukturierten Schicht 250 abgeschieden wird, kann diese Art der Abscheidung auch als eine strukturierte Abscheidung des reinen Bors bezeichnet werden.
Es kann also, im Anschluss an eine optionale Flusssäure-Behandlung, reines Bor selektiv (gegenüber der Oxidschicht 220) auf der freigelegten Silizium-Oberfläche 231 des Siliziumsubstrats 201 abgeschieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet demnach ein strukturiertes Abscheiden einer reinen Bor-Schicht 250 auf dem CMOS-Bauelement 200 bzw. auf dem Siliziumsubstrat 201, wobei es sich bei dem strukturierten Abscheiden um eine selektive Abscheidung handelt, bei der reines Bor selektiv zu dem verbliebenen zweiten Teil 240 der Oxidschicht 220 auf dem freigelegten Abschnitt 231 des Siliziumsubstrats 201 abgeschieden wird. Potentielle weitere Schritte können optional noch eingefügt werden, wie zum Beispiel die Abscheidung von Anti-Reflektionsschichten auf der reinen Bor-Schicht 250.
Das hierin beschriebene erfindungsgemäße Verfahren kann also angewendet werden, um reines Bor strukturiert (z.B. selektiv gegenüber der abgeschiedenen Oxidschicht 220) auf einem Substrat, und insbesondere auf einem Siliziumsubstrat 201 mit einem CMOS-Bauelement 200 und einer zugehörigen Signalverarbeitungsschaltung, in Form einer reinen Bor-Schicht 250 abzuscheiden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise zur Herstellung von Photosensor-Systemen eingesetzt werden. Hierbei kann die reine Bor-Schicht 250 als Elektrode oder Diode für den Photodetektor ausgestaltet sein. Wenn die reine Bor-Schicht 250 dünn genug ist, z.B. 2 nm bis 10 nm kann sie auch als transmissive Schicht genutzt werden, die durchlässig für Licht ist.
Sofern die reine Bor-Schicht 250 elektrisch kontaktiert wird (z.B. mittels der elektrischen Kontakte 204), kann sie als stromführendes Element, z.B. als eine Elektrode oder als eine Diode eingesetzt werden. Durch die Verwendung einer integrierten PureB-Diode mit Auslese-Elektronik kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein kompakter und kostengünstiger CMOS-basierter Sensor realisiert werden, verglichen mit einer diskreten PureB-Diode mit zusätzlicher bzw. separater Auslese-Elektronik.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft daher ein Sensorsystem mit einem CMOS-Bauteil 200 mit zugehöriger elektronischer Signalverarbeitungsschaltung und mindestens einer abgeschiedenen reinen Bor-Schicht 250, wobei dieses Sensorsystem unter Anwendung des hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird.
Das Sensorsystem kann ein Photosensor sein, wobei das CMOS-Bauteil 200 in diesem Fall ein Photodetektor sein kann, und wobei die reine Bor-Schicht 250 als eine transmissive photosensitive Schicht dienen kann, die als eine Elektrode des Photodetektors ausgestaltet ist.
Ein derartiger erfindungsgemäß hergestellter Photosensor kann als ein rückseitenbeleuchteter BSI-Photosensor (BSI: Back Side Illuminated), oder als ein frontseitenbeleuchteter FSI-Photosensor (FSI: Front Side Illuminated) ausgestaltet sein.
Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren nochmals in anderen Worten zusammengefasst werden:

Die hier dargestellte Erfindung zeigt einen Weg, mit dem eine reine Bor-Schicht 250 auf geeignete CMOS-Bauelemente 200 inklusive Auslese-Elektronik aufgebracht werden kann. Dabei sollen die oben genannten Vorteile einer reinen Bor-Schicht 250 ausgenutzt werden können. Zusätzlich soll das vorgestellte Verfahren ermöglichen, reines Bor bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen (T < 450°C) selektiv auf Silizium abzuscheiden. Zur Realisierung der Selektivität und zum Schutz der während des CMOS-Prozesses erzeugten Siliziumoxid-Strukturen 214 wird dabei eine Oxidschicht 220, mit Ausnahme von Siliziumoxid, mittels ALD abgeschieden und strukturiert.

Wie in den 2A bis 2D gezeigt ist, kann das hierin beschriebene erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte (stichpunktartig zusammengefasst) aufweisen:

1. CMOS-Prozess abschließen
2. Prozess zum Freilegen der Si-Oberfläche 231 (z.B. Strukturieren einer Öffnung in den BEOL-Oxiden 213 zum Freilegen der n-Wanne 203)
3. Abscheiden der Oxidschicht 220 (z.B. Al₂O₃ z.B mittels ALD)
4. Öffnen der Oxidschicht 220 an den Metall-Pads 211
5. Strukturieren der Oxidschicht 220 (optional zweistufig z.B. trocken- und nasschemisch) zum Freilegen der Si-Oberfläche 231
6. optionale HF-Dampf-Behandlung der Si-Oberfläche 231 zur Vorbereitung der Abscheidung des reinen Bors
7. selektives bzw. strukturiertes Abscheiden des reinen Bors auf der freigelegten Si-Oberfläche 231 bei niedrigen post-CMOS konformen Temperaturen (z.B. T < 450°C) zum Erzeugen einer reinen Bor-Schicht 250

Das erfindungsgemäße Verfahren hat folgende Vorteile:

• Möglichkeit für einen optimalen und flexiblen Einsatz von reinem Bor in einem CMOS-Bauelement (z.B. Photodetektor) in Kombination mit einer funktionsfähigen Auslese-Elektronik
• geringe Abscheidetemperatur des reinen Bors (T <= 450°C)
• Bereitstellen einer stark selektiven Schicht, welche robust gegenüber Flusssäure ist und bei niedrigen Temperaturen abgeschieden werden kann
• die selektive Schicht kann zudem mit den in der CMOS-Technologie üblichen Verfahren strukturiert werden

Die hier dargestellte Erfindung ist eine Methode spezifisch zur Strukturierung einer reinen Bor-Schicht 250. Die Strukturierung kann dabei durch die selektive Abscheidung des reinen Bors zwischen einer Oxidschicht 220 und Silizium 231 realisiert werden. Zusätzlich kann die Oxidschicht 220 dazu verwendet werden, um die Flusssäure-empfindlichen Schichten 213 des CMOS-Prozesses bei der Vorbereitung der Abscheidung des reinen Bors zu schützen.
Als ein Beispiel wird hierin vorgeschlagen, Aluminiumoxid (Al₂O₃) als Oxidschicht 220 zu verwenden, gegenüber der das reine Bor selektiv abgeschieden werden kann. Die Verwendung von Al₂O₃ als Oxidschicht 220 für das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei unter anderem aus folgenden Gründen vorteilhaft:

• Al₂O₃ kann bei Temperaturen von z.B. 300°C abgeschieden werden und ist somit post-CMOS tauglich
• es gibt post-CMOS kompatible Verfahren, mit denen Al₂O₃ strukturiert werden kann
• im Gegensatz zu üblichen Dielektrika des CMOS BEOL ist Al₂O₃ robuster gegenüber HF-Dampf und eignet sich besonders gut als Schutzschicht für das post-processing von CMOS-Bauelementen und Schaltungen bei der Vorbereitung der Abscheidung von reinem Bor
• zusätzlich zum Schutz gegen Flusssäure dient Al₂O₃ auch als selektives Material bei der strukturierten Abscheidung von reinem Bor

Ein wichtiger Vorteil bei der Verwendung von Al₂O₃ ist, dass es bei niedrigen Temperaturen (T < 450°C) abgeschieden werden kann und somit post-CMOS tauglich ist. Aufgrund der Abscheidemethode ALD kann das Al₂O₃ zudem auf nahezu beliebig strukturierten Oberflächen homogen abgeschieden werden und schützt zum Beispiel auch vertikale Seitenwände innerhalb von Bauteilstrukturen 214 mit hohem Aspektverhältnis. Darüber hinaus schützt Al₂O₃ die darunter liegenden SiO₂-Schichten, wenn die Silizium-Oberfläche 231, auf der das reine Bor abgeschieden wird, vom nativen Oxid entfernt wird. Zuletzt ist Al₂O₃ dazu geeignet, um reines Bor selektiv auf der Si-Oberfläche 231 abzuscheiden, ohne dass sich das reine Bor auch auf dem Al₂O₃ niederschlägt.
Die Erfindung kann prinzipiell bei allen CMOS-Bauelementen 200 eingesetzt werden, die eine Schicht aus reinem Bor verwenden. Dadurch, dass die vorgeschlagene Vorgehensweise post-CMOS tauglich ist, ist die Anwendung beispielsweise bei jedem CMOS-Photodetektor einsetzbar. Dabei können die CMOS-Detektoren sowohl, wie ausgeführt, von der Vorderseite beleuchtet sein, als auch von der Rückseite. Insbesondere können die Photodetektoren mit oder ohne Auslese-Elektronik realisiert sein.
Es ist vorstellbar, dass die reine Bor-Schicht 250 auch für andere CMOS-Bauelemente (nicht nur Photodetektoren) eingesetzt wird. Auch für diese Art von CMOS-Bauelementen (z.B. speziell ausgeführte Dioden, Transistoren, Widerstände, Kapazitäten) kann das hier vorgestellte Verfahren angewendet werden, da es post-CMOS tauglich ist.
Allgemeiner Ablauf

1. (2A) Erzeugung eines CMOS-Photodetektors 200 inklusive Auslese-Elektronik im Rahmen eines CMOS-Prozesses. Die Erzeugung eines Photodetektors 200 inklusive Auslese-Elektronik kann insbesondere auch durch ein Bond-Verfahren geschehen und der Photodetektor 200 kann zum Beispiel ein von der Rückseite beleuchteter Photodetektor sein. Dabei werden der Photodetektor 200 bzw. die Ausleseelektronik soweit fertiggestellt, dass nur noch die PureB-Schicht 250 abgeschieden werden muss. Bei der Herstellung des Photodetektors 200 bzw. der Ausleseelektronik können alle in der CMOS-Technologie üblichen Verfahren (z.B. Lithographie, Ätzverfahren, Schichterzeugung und weitere übliche Verfahren) zum Einsatz kommen.
2. (2B) Abscheiden einer Oxidschicht 220 (z.B. Al₂O₃) mit Ausnahme von Silizium (di-)oxid mittels ALD (atomic layer deposition). Insbesondere findet die Erzeugung der Oxidschicht 220 bei einer Temperatur statt, die für eine bereits fertiggestellte CMOS-Schaltung 200 nicht schädlich ist. Das ist zum Beispiel bei Temperaturen T < 450°C der Fall.
3. (2C) Die Oxidschicht 200 kann in zwei Schritten strukturiert werden, um einerseits einen möglichst hohen Durchsatz bei der Bearbeitung zu ermöglichen und andererseits die Oberfläche 231 des Siliziumsubstrats 201 möglichst schonend freizulegen. Bei der Strukturierung werden die Bereiche der Oxidschicht 220 entfernt, wo im späteren Verlauf die PureB-Schicht 250 aufgebracht werden soll. Im ersten Schritt wird die Oxidschicht 220 mit einem geeigneten trockenchemischen Verfahren (zum Beispiel einem Plasma-Ätzverfahren) zu einem Teil 230 entfernt. Das Plasma-Ätzverfahren ermöglicht eine schnelle Entfernung der Oxidschicht 220 und ist gleichzeitig gerichtet (anisotrop), so dass die zu öffnenden Bereiche gut definiert werden können. In einem zweiten Schritt kann ein geeignetes Gasphasen- oder nasschemisches Verfahren angewendet werden. Das Verfahren im zweiten Schritt soll insbesondere eine offen liegende Si-Oberfläche 231 kaum bis gar nicht angreifen (z.B. aufrauen). Neben dem zweistufigen Verfahren können auch andere, geeignete Verfahren zum Einsatz kommen, die entweder einstufig sind oder mehr als zwei Stufen haben.
4. (2D) Vor dem Abscheiden des reinen Bors kann ein HF-Ätzverfahren angewendet werden, bei dem mögliche Siliziumoxid-Reste auf der Si-Oberfläche 231 entfernt werden. Unmittelbar nach diesem Prozessschritt kann das reine Bor abgeschieden werden, sodass bei der Abscheidung nur die Oberflächen 231 des Siliziumsubstrats 201 (wo das reine Bor abgeschieden werden soll), der Oxidschicht 220 und mögliche Metallflächen 204 (z.B. Al, Cu oder Verbindungen davon) offen liegen. Das abgeschiedene reine Bor wird selektiv zur Oxidschicht 220 abgeschieden. Das abgeschiedene reine Bor lagert sich in dem freigelegten Abschnitt 231 des Siliziumsubstrats 201 in Form einer reinen Bor-Schicht 250 an. Das Abscheiden des reinen Bors kann bei einer Temperatur stattfinden, die kleiner als 450°C ist.
5. Nach dem Abscheiden des reinen Bors können noch weitere Prozessschritte zum Einsatz kommen, um zum Beispiel eine Anti-Reflektionsschicht auf der reinen Bor-Schicht 250 zu erzeugen oder mögliche galvanische Kontakte zu Bauelementen oder der Auslese-Elektronik herzustellen.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien des hierin beschriebenen innovativen Konzepts dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass das hierin beschriebene Konzept lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.

Claims

Verfahren zum post-CMOS kompatiblen strukturierten Abscheiden einer reinen Bor-schicht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Siliziumsubstrats (201) mit einem fertig prozessierten CMOS-Bauelement (200) einschließlich einer zugehörigen elektronischen Signalverarbeitungsschaltung, Aufbringen einer Oxidschicht (220) auf das CMOS-Bauelement (200), wobei die Oxidschicht (220) mittels ALD-Verfahren auf dem Siliziumsubstrat (201) abgeschieden wird, und wobei der Schritt des Abscheidens der Oxidschicht (220) beinhaltet, dass ein Oxid, mit Ausnahme von Silizium(di)oxid, abgeschieden wird, Strukturieren der Oxidschicht (220), indem ein erster Teil (230) der Oxidschicht (220) entfernt wird, um einen darunterliegenden Abschnitt (231) des Siliziumsubstrats (201) freizulegen, wobei ein zweiter Teil der Oxidschicht (220) auf dem CMOS-Bauelement (200) verbleibt, strukturiertes Abscheiden einer reinen Bor-Schicht (250) auf dem Siliziumsubstrat (201), wobei es sich bei dem strukturierten Abscheiden um eine selektive Abscheidung handelt, bei der die reine Bor-Schicht (250) selektiv zu dem verbliebenen zweiten Teil (240) der Oxidschicht (220) auf dem freigelegten Abschnitt (231) des Siliziumsubstrats (201) abgeschieden wird, wobei die reine Bor-Schicht (250) im CMOS-BEOL d.h. nach erfolgter Fertigstellung des CMOS-Bauelements (200), in einem post-CMOS kompatiblen Temperaturbereich abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Abscheidens der Oxidschicht (220) beinhaltet, dass eine Aluminiumoxidschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oxidschicht (220) nach der Fertigstellung des CMOS-Bauelements im CMOS-BEOL in einem post-CMOS kompatiblen Temperaturbereich abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strukturieren der Oxidschicht (220) in einem zweistufigen Prozess erfolgt, wobei in einer ersten Stufe ein Großteil des zu entfernenden ersten Teils (230) der Oxidschicht (220) mittels einem trockenchemischen Verfahren entfernt wird, und wobei in einer zweiten Stufe der Rest des zu entfernenden ersten Teils (230) der Oxidschicht (220) mittels einem Gasphasen- oder einem nasschemischen Verfahren entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei in der ersten Stufe ein Plasmaätzverfahren mit BCl₃-Chemie eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei in der zweiten Stufe ein nasschemisches Verfahren mit Flusssäure eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als weiterer Verfahrensschritt, unmittelbar vor dem strukturierten Abscheiden der reinen Bor-Schicht (250), der freigelegte Abschnitt (231) des Siliziumsubstrats (201) mit Flusssäure-Dampf behandelt wird, um natives Oxid von dem freigelegten Abschnitt (231) des Siliziumsubstrats (201) zu entfernen und/oder um den freigelegten Abschnitt (231) des Siliziumsubstrats (201) mit Wasserstoffbindungen zu terminieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das strukturierte Abscheiden beinhaltet, dass sich die reine Bor-Schicht (250) ausschließlich auf dem freigelegten Abschnitt (231) des Siliziumsubstrats (201) und nicht auf dem verbleibenden zweiten Teil (240) der Oxidschicht (220) anlagert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der freigelegte Abschnitt (231) des Siliziumsubstrats (201) mindestens zwei elektrische Kontakte (204) aufweist, und wobei der Schritt des selektiven Abscheidens der reinen Bor-Schicht (250) beinhaltet, dass die reine Bor-Schicht (250) auch auf diesen mindestens zwei Kontakten (204) selektiv abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Signalverarbeitungsschaltung als integrierte Schaltung in dem Siliziumsubstrat (201) ausgestaltet ist, oder wobei die elektronische Signalverarbeitungsschaltung als separate Schaltung gefertigt ist, die auf dem Siliziumsubstrat (201) angeordnet und mittels Bond-Verfahren mit dem CMOS-Bauteil (200) verbunden ist.
Sensorsystem mit einem CMOS-Bauteil (200) mit zugehöriger elektronischer Signalverarbeitungsschaltung und mindestens einer abgeschiedenen reinen Bor-Schicht (250), hergestellt unter Anwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Sensorsystem nach Anspruch 11, wobei das Sensorsystem ein Photosensor ist, wobei das CMOS-Bauteil (200) ein Photodetektor ist, und wobei die reine Bor-Schicht (250) als eine transmissive photosensitive Schicht dient, die als eine Elektrode des Photodetektors ausgestaltet ist.
Sensorsystem nach Anspruch 12, wobei der Photosensor als ein rückseitenbeleuchteter BSI-Photosensor ausgestaltet ist, oder wobei der Photosensor als ein frontseitenbeleuchteter FSI-Photosensor ausgestaltet ist.