DE102023105034A1 - Isolationsstrukturen in bildsensoren - Google Patents

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Abstract

Offenbart werden eine optische Vorrichtung mit Isolationsstrukturen und ein Verfahren zum Herstellen derselben. Die optische Vorrichtung weist ein Substrat aufweisend eine erste Fläche und eine zweite Fläche, welche der ersten Fläche entgegengesetzt angeordnet ist, eine erste und eine zweite Strahlungserfassungsvorrichtung, welche im Substrat angeordnet sind, und eine erste Isolationsstruktur, welche im Substrat angeordnet ist, auf. Das Substrat weist eine erste Fläche und eine zweite Fläche, welche der ersten Fläche entgegengesetzt angeordnet ist, auf. Die optische Vorrichtung weist ferner eine zweite Isolationsstruktur, welche im Substrat und an der ersten Fläche der ersten Isolationsstruktur angeordnet ist, auf. Die zweite Isolationsstruktur weist eine Metallstruktur und eine dielektrische Schicht, welche die Metallstruktur umgibt, auf. Die zweite Isolationsstruktur erstreckt sich vertikal über der ersten Fläche des Substrats.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/327,018 , eingereicht am 4. April 2022 unter dem Titel „Halbleitervorrichtung und deren Herstellungsverfahren“, deren Offenbarung durch Bezugnahme vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Bildsensoren werden dazu verwendet, einfallende sichtbare und nicht sichtbare Strahlung, wie zum Beispiel sichtbares Licht und Infrarotlicht, zu erfassen. Komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Bildsensoren (CMOS-Bildsensoren) (CIS) und Sensoren mit ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD-Sensoren) werden in verschiedensten Anwendungen, wie zum Beispiel digitalen Standbildkameras, Mobiltelefonen, Tablets und Digitalbrillen, verwendet. Diese Bildsensoren benutzen eine Anordnung von Pixeln, welche die einfallende Strahlung absorbieren (zum Beispiel erfassen) und diese dann in elektrische Signale umwandeln. Ein Beispiel für einen Bildsensor ist ein rückseitig beleuchteter Bildsensor (BSI-Bildsensor), welcher Strahlung von einer „Rückseite“ eines Substrats des BSI-Bildsensors erfasst.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung lassen sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen.
    • 1 stellt eine Querschnittsansicht eines BSI-Bildsensors mit Isolationsstrukturen im Einklang mit einigen Ausführungsformen dar.
    • 2 stellt eine Querschnittsansicht eines BSI-Bildsensors mit Isolationsstrukturen und Gitterstrukturen im Einklang mit einigen Ausführungsformen dar.
    • 3 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines BSI-Bildsensors mit Isolationsstrukturen im Einklang mit einigen Ausführungsformen.
    • Die 4-18 stellen Querschnittsansichten eines BSI-Bildsensors mit Isolationsstrukturen in verschiedenen Stadien seines Fertigungsprozesses im Einklang mit einigen Ausführungsformen dar.
    • 19 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines BSI-Bildsensors mit Isolationsstrukturen und Gitterstrukturen im Einklang mit einigen Ausführungsformen.
    • Die 20 - 24 stellen Querschnittsansichten eines BSI-Bildsensors mit Isolationsstrukturen und Gitterstrukturen in verschiedenen Stadien seines Fertigungsprozesses im Einklang mit einigen Ausführungsformen dar.
  • Im Folgenden werden veranschaulichende Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen kennzeichnen dieselben Bezugsziffern im Allgemeinen identische, funktionell ähnliche und/oder strukturell ähnlich Elemente. Sofern nicht anders angegeben gilt die Erörterung von Elementen auch für das/die jeweils andere/n Elemente mit denselben Markierungen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenlegung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Umsetzen verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands bereit. Spezifische Beispiele von Komponenten und Anordnungen sind nachfolgend beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Dabei handelt es sich selbstverständlich nur um Beispiele, welche nicht als Einschränkung auszulegen sind. Zum Beispiel kann der Prozess zum Bilden eines ersten Elements über einem zweiten Element in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, in welchen das erste Element und das zweite Element in direktem Kontakt miteinander gebildet sind, und kann ebenfalls Ausführungsformen umfassen, in welchen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element gebildet sein können, sodass das erste Element und das zweite Element nicht in direktem Kontakt miteinander sein können. Wie hierin verwendet bedeutet die Bildung eines ersten Elements auf einem zweiten Element, dass das erste Element in direktem Kontakt mit dem zweiten Element ausgebildet ist. Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung Bezugsziffern und/oder -zeichen in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung schreibt für sich selbst keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Begriffe räumlicher Beziehungen, wie zum Beispiel „unter“, „darunter“, „tiefer“, „über“, „obere/r/s“ und dergleichen, können hierin zum Zweck einer einfacheren Beschreibung dazu verwendet werden, die Beziehung eines in den Figuren dargestellten Elements zu (einem) anderen Element(en) zu beschreiben. Die Begriffe räumlicher Beziehungen sollen dazu dienen, verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung bei der Verwendung oder im Betrieb zusätzlich zur in den Figuren abgebildeten Ausrichtung einzuschließen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) angeordnet sein, und die hierin verwendeten Begriffe räumlicher Beziehungen können somit auch dementsprechend ausgelegt werden.
  • Es ist festzuhalten, dass Bezugnahmen in der Patentschrift auf „Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“, „eine Beispielausführungsform“, „beispielhaft/als oder zum Beispiel“, etc. angeben, dass die beschriebene Ausführungsform ein bestimmtes Merkmal/Element, eine bestimmte Struktur oder Eigenschaft aufweisen kann, wobei jedoch nicht jede Ausführungsform notwendigerweise dieses bestimmte Merkmal/Element oder diese bestimmte Struktur oder Eigenschaft aufweisen muss. Ferner beziehen sich derartige Formulierungen nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform. Wenn ferner ein bestimmtes Merkmal/Element, eine bestimmte Struktur oder Eigenschaft in Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben wird, so wäre eine auf dem Gebiet ausgebildete Person in der Lage, dieses Merkmal/Element, diese Struktur oder Eigenschaft auch in Verbindung mit anderen Ausführungsformen umzusetzen, unabhängig davon, ob dies ausdrücklich beschrieben ist, oder nicht.
  • Es versteht sich, dass die hierin verwendete Formulierung oder Terminologie dem Zweck der Beschreibung und nicht der Einschränkung dient, sodass die Terminologie oder Formulierung der vorliegenden Patentschrift von den Fachleuten des relevanten Fachgebiets im Lichte der hierin enthaltenen Lehren auszulegen ist.
  • In einigen Ausführungsformen können die Begriffe „ungefähr“ und „im Wesentlichen“ einen Wert einer bestimmten Menge angeben, welcher innerhalb von 5 % des Wertes variiert (z.B. ±1 %, ±2 %, ±3 %, ±4 %, ±5 % des Wertes). Diese Werte sind selbstverständlich nur Beispiele, und sollen keinesfalls als Einschränkung ausgelegt werden. Die Begriffe „ungefähr“ und „im Wesentlichen“ können sich auf einen Prozentsatz der Werte gemäß der Auslegung durch die Fachleute des relevanten Gebiets angesichts der hierin offenbarten Lehren beziehen.
  • Ein BSI-Bildsensor weist eine Anordnung von Pixelstrukturen (welche Fotodioden, Transistoren und andere Komponenten umfassen können) in einem Substrat (zum Beispiel einem Halbleitersubstrat) auf. Die Pixelstrukturen sind dazu eingerichtet, eine elektromagnetische Strahlung (zum Beispiel Infrarotstrahlung), welche auf das Substrat projiziert wird, aufzunehmen (oder zu absorbieren) und Photonen aus der aufgenommenen Strahlung in elektrische Signale umzuwandeln. In der Folge werden die elektrischen Signale zu verarbeitenden Komponenten, welche am BSI-Bildsensor angebracht sind, weitergeleitet. Die Pixelstrukturen sind über einer Interconnect-Struktur angeordnet, welche dazu eingerichtet ist, die innerhalb der Pixelstrukturen erzeugten elektrischen Signale zu geeigneten verarbeitenden Komponenten weiterzuleiten.
  • Im BSI-Bildsensor ist die Interconnect-Struktur mit einer Vorderseitenfläche des Substrats gekoppelt, und Farbfilter und Mikrolinsen sind mit einer Rückseitenfläche des Substrats gekoppelt, um Licht mit minimaler oder keiner Beeinträchtigung von den Elementen der Interconnect-Struktur und/oder der Pixelstrukturen zu sammeln. Infolgedessen weisen BSI-Bildsensoren eine verbesserte Leistung bei schwachem Licht sowie eine höhere Quanteneffizienz (QE) (zum Beispiel einen höheren Prozentsatz der Umwandlung von Photonen in Elektronen) auf als vorderseitig beleuchtete Bildsensoren.
  • Eine Herausforderung bei BSI-Bildsensoren ist das Reduzieren oder Beseitigen von Übersprechen zwischen benachbarten Pixelstrukturen. Die Pixelstrukturen, welche nebeneinander angeordnet sind, können die Funktion der jeweils anderen beinträchtigen. Dieses Übersprechen kann auftreten, wenn Licht von einer Pixelstruktur in eine benachbarte Pixelstruktur gelangt, was bewirkt, dass die benachbarte Pixelstruktur das Licht erfasst. Derartiges Übersprechen kann die Präzision und die Quanteneffizienz des BSI-Bildsensors reduzieren.
  • Die vorliegende Offenbarung stellt Beispiel-BSI-Bildsensoren mit Isolationsstrukturen zwischen benachbarten Pixelstrukturen sowie Beispielverfahren zum Bilden der BSI-Bildsensoren bereit. In einigen Ausführungsformen kann der BSI-Bildsensor einen Stapel von Isolationsstrukturen aufweisen, welche zwischen benachbarten Pixelstrukturen angeordnet sind, um die benachbarten Pixelstrukturen optisch voneinander zu isolieren. In einigen Ausführungsformen kann der Stapel von Isolationsstrukturen eine flache Grabenisolationsstruktur (STI-Struktur), welche an der Vorderseitenfläche des Substrats des BSI-Bildsensors angeordnet ist, und eine tiefe Grabenisolationsstruktur (DTI-Struktur), welche an oder in physischem Kontakt mit der STI-Struktur angeordnet ist, aufweisen.
  • In einigen Ausführungsformen kann sich die DTI-Struktur auf 80 nm bis ungefähr 130 nm über der Rückseitenfläche des Substrats des BSI-Bildsensor erstrecken. In einigen Ausführungsformen kann die STI-Struktur eine oder mehrere dielektrische Schichten aufweisen, und die DTI-Struktur kann eine Metallfüllschicht und eine dielektrische Auskleidung, welche die Metallfüllschicht umgibt, aufweisen. Dadurch dass die DTI-Struktur eine solche Metallfüllschicht aufweist und sich die DTI-Struktur über der Rückseitenfläche des Substrats erstreckt, kann das Übersprechen zwischen benachbarten Pixelstrukturen im Wesentlichen minimiert oder beseitigt werden, was die Quanteneffizienz des BSI-Bildsensors verbessert.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Quanteneffizienz des BSI-Bildsensors weiter verbessert werden, indem die Rückseitenfläche des Substrats gerillte Bereiche aufweist, welche im Wesentlichen auf die Pixelstrukturen ausgerichtet sind. In einigen Ausführungsformen kann unter Verwendung der gerillten Bereiche zusammen mit den DTI-Strukturen die Quanteneffizienz des BSI-Bildsensors zum Erfassen von Licht im Nahinfrarotbereich (zum Beispiel zwischen einer Wellenlänge von ungefähr 800 nm und einer Wellenlänge von ungefähr 1000 nm) im Vergleich zu BSI-Bildsensoren ohne die gerillten Bereiche und/oder die DTI-Strukturen um ungefähr das 0,5-fache bis ungefähr das 1,5-fache verbessert werden.
  • 1 stellt eine Querschnittsansicht eines BSI-Bildsensors 100 (auch als ein „optisches Bauelement 100“ bezeichnet) im Einklang mit einigen Ausführungsformen dar. In einigen Ausführungsformen kann der BSI-Bildsensor (i) ein Substrat 102 aufweisend eine Rückseitenfläche 102B und eine Vorderseitenfläche 102F, (ii) eine Interconnect-Struktur 104 angeordnet an der Vorderseitenfläche 102A des Substrats 102, (iii) Pixelstrukturen 106A und 106B angeordnet im Substrat 102, (iv) STI-Strukturen 108 angeordnet im Substrat 102, (v) DTI-Strukturen 110 angeordnet auf den STI-Strukturen 108, (vi) eine Antireflexionsbeschichtung (ARC) 112 angeordnet an der Rückseitenfläche 102B, (vii) eine Passivierungsschicht 114 angeordnet auf der ARC 112, (viii) eine dielektrische Schicht 116 angeordnet auf der Passivierungsschicht 114, (ix) Farbfilter 118A und 118B angeordnet in der dielektrischen Schicht 116, (x) Mikrolinsen 120A und 120B angeordnet auf der dielektrischen Schicht 116 und (xi) eine Metallabschirmungsschicht 122 aufweisen.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Substrat 102 ein Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Silizium, Germanium (Ge), Silizium-Germanium (SiGe), eine Silizium-auf-Isolator-Struktur (SOI-Struktur) und eine Kombination derselben, sein. Ferner kann das Substrat 102 mit p-Dotierstoffen (z.B. Bor, Indium, Aluminium oder Gallium) oder n-Dotierstoffen (z.B. Phosphor oder Arsen) dotiert sein.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Rückseitenfläche 102B eine erste Anordnung regelmäßig gerillter Bereiche 102Ga und eine zweite Anordnung regelmäßig gerillter Bereiche 102Gb aufweisen. Die erste Anordnung regelmäßig gerillter Bereiche 102Ga kann im Wesentlichen auf die Pixelstruktur 106A ausgerichtet sein, und die zweite Anordnung regelmäßig gerillter Bereiche 102Gb kann im Wesentlichen auf die Pixelstruktur 106B ausgerichtet sein. Im Vergleich zu BSI-Bildsensoren mit planaren Rückseitenflächen und ohne regelmäßig gerillte Bereiche in den Rückseitenflächen der Substrate können diese Anordnungen regelmäßig gerillter Bereiche 102Ga und 102Gb eine größere Einfallsfläche für Strahlungsbündel 124, welche auf jede der Pixelstrukturen 106A und 106B einfallen, bereitstellen. Die größere Einfallsfläche kann die Quanteneffizienz der Pixelstrukturen 106A und 106B des BSI-Bildsensors 100 verbessern.
  • In einigen Ausführungsformen können die gerillten Bereiche 102Ga und 102Gb ein dreieckig geformtes Querschnittsprofil aufweisen, wie in 1 gezeigt. In einigen Ausführungsformen können die gerillten Bereiche 102Ga und 102Gb andere Querschnittsprofile, wie zum Beispiel rechteckig geformte Profile und halboval geformte Profile, aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die gerillten Bereiche 102Ga und 102Gb mehrfache Reflexionen einfallender Strahlungsbündel 124 an den inneren Seitenwänden der gerillten Bereiche 102Ga und 102Gb ermöglichen, ohne dass diese gerillten Bereiche 102Ga und 102Gb verlassen. Solche mehrfachen Reflexionen einfallender Strahlungsbündel 124 können die Wahrscheinlichkeit und die Menge der einfallenden Strahlungsbündel 124, welche durch die Pixelstrukturen 106A und 106B absorbiert und verarbeitet werden, erhöhen, und somit die Quanteneffizienz des BSI-Bildsensors 100 verbessern. In einigen Ausführungsformen kann jeder der gerillten Bereiche der ersten und der zweiten Anordnung gerillter Bereiche 102Ga - 102Gb einen Winkel A von ungefähr 60° bis ungefähr 90° zwischen inneren Seitenwänden der gerillten Bereiche aufweisen, um mehrfache Reflexionen der einfallenden Strahlungsbündel 124 an den inneren Seitenwänden der gerillten Bereiche 102Ga und 102Gb zu ermöglichen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Interconnect-Struktur 104 eine dielektrische Zwischenmetallschicht (IMD-Schicht) 104A und Metallleitungen 104B, Metalldurchkontaktierungen 104C und Erfassungsbauelemente 104D, welche in der IMD-Schicht 104A angeordnet sind, aufweisen. Die Metallleitungen 104B und die Metalldurchkontaktierungen 104C bilden Verbindungen (Interconnects, zum Beispiel Verdrahtung) zwischen den Pixelstrukturen 106A und 106B und anderen Komponenten (in 1 nicht gezeigt). In einigen Ausführungsformen können die Metallleitungen 104B und die Metalldurchkontaktierungen 104C ein elektrisch leitfähiges Material, wie zum Beispiel Kupfer (Cu), Ruthenium (Ru), Kobalt (Co), eine Kupferlegierung (zum Beispiel Cu-Ru, Cu-Al oder Kupfer-Mangan (CuMn)) und irgendwelche anderen geeigneten leitfähigen Materialien, enthalten. Das Layout der Metallleitungen 104B und der Metalldurchkontaktierungen 104C ist nur beispielhaft und keinesfalls einschränkend dargestellt, und der Umfang dieser Offenbarung umfasst auch andere Layoutvarianten der Metallleitungen 104B und der Metalldurchkontaktierungen 104C. Die Anzahl und die Anordnung der Metallleitungen 104B und der Metalldurchkontaktierungen 104C kann sich von den in 1 gezeigten unterscheiden.
  • In einigen Ausführungsformen können die Erfassungsbauelemente 104D eine Anordnung von Feldeffekttransistoren (FETs) und/oder Speicherzellen sein, welche mit entsprechenden der Pixelstrukturen 106A und 106B elektrisch verbunden und dazu eingerichtet sind, ein elektrisches Signal, welches in jenen Bereichen infolge eines Prozesses der Umwandlung von Licht in Ladung produziert wird, auszulesen. In einigen Ausführungsformen kann die Interconnect-Struktur 104 über eine Pufferschicht (in 1 nicht gezeigt) an einem Trägersubstrat (in 1 nicht gezeigt), welches eine Unterstützung für die darauf hergestellten Strukturen (zum Beispiel die Interconnect-Schicht 104, das Substrat 102, etc.) bereitstellen kann, angebracht sein. Das Trägersubstrat kann ein Siliziumwafer, ein Glassubstrat oder irgendein anderes geeignetes Material sein.
  • In einigen Ausführungsformen können die Pixelstrukturen 106A und 106B (welche auch als „Strahlungserfassungsbereiche 106A und 106B“ oder „Strahlungserfassungsbauelemente 106A und 106B“ bezeichnet werden) im Substrat 102 angeordnet sein. Zu Beispielzwecken sind in 1 zwei Pixelstrukturen 106A und 106B gezeigt, wobei zusätzliche Pixelstrukturen 106A und 106B im Substrat 102 umgesetzt sein können. Die Pixelstrukturen 106A und 106B erfassen eine Strahlung, wie zum Beispiel Strahlungsbündel 124, welche in die Pixelbereiche 105A beziehungsweise 105B eintreten und in unterschiedlichen Einfallswinkeln an der Rückseitenfläche 102B auftreffen. In einigen Ausführungsformen kann jede der Pixelstrukturen 106A und 106B eine Fotodiode aufweisen, welche Photonen der Strahlungsbündel 124 in elektrische Ladung umwandeln können. In einigen Ausführungsformen können die Pixelstrukturen 106A und 106B Fotodioden, Transistoren, Verstärker oder andere ähnliche Bauelemente sowie Kombinationen derselben aufweisen.
  • In einigen Ausführungsformen können die Pixelstrukturen 106A und 106B durch einen Stapel von Isolationsstrukturen 107 elektrisch und optisch voneinander isoliert sein. In einigen Ausführungsformen kann jeder der Stapel von Isolationsstrukturen 107 eine STI-Struktur 108 und eine DTI-Struktur 110 aufweisen. Die STI-Strukturen 108 können im Substrat 102 angeordnet sein, und Oberflächen der STI-Strukturen 108, welche der Interconnect-Struktur 104 zugewandt sind, können im Wesentlichen koplanar mit der Vorderseitenfläche 102F sein. In einigen Ausführungsformen können die STI-Strukturen 108 ein dielektrisches Material, wie zum Beispiel Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, fluordotiertes Silikatglas (FSG), ein dielektrisches Material mit niedrigem k-Wert (zum Beispiel ein Material mit einem k-Wert von weniger als 3,9) und irgendwelche anderen geeigneten dielektrischen Materialien, enthalten.
  • In einigen Ausführungsformen können die DTI-Strukturen 110 an oder in physischem Kontakt mit den STI-Strukturen 108 angeordnet sein. Die DTI-Strukturen 110 können ohne wesentliche Zwischenräume an den Grenzflächen zwischen den DTI-Strukturen 110 und den STI-Strukturen 108 auf den STI-Strukturen 108 ausgebildet sein, um im Wesentlichen jegliche optische Undichtigkeit zwischen den Pixelbereichen 105A und 105B und/oder zwischen den Pixelstrukturen 106A und 106B zu minimieren oder zu vermeiden, und somit die Quanteneffizienz der Pixelstrukturen 106A und 106B verbessern. Falls Zwischenräume an den Grenzflächen zwischen den DTI-Strukturen 110 und den STI-Strukturen 108 vorhanden sind, können Strahlungsbündel 124 (zum Beispiel Photonen), welche in den Pixelbereich 105A eintreten, durch die Zwischenräume in den Pixelbereich 105B gelangen, und umgekehrt.
  • In einigen Ausführungsformen können sich die DTI-Strukturen 110 über eine Distanz D1 entlang einer Z-Achse über der Rückseitenfläche 102B erstrecken. Derartige Ausdehnungen der DTI-Strukturen 110 über dem Substrat 102 können im Wesentlichen minimieren oder verhindern, dass Strahlungsbündel 124 (zum Beispiel Photonen), welche mit Einfallswinkeln von mehr als 0 Grad in den Pixelbereich 105A eintreten, zum Pixelbereich 105B gelangen, und umgekehrt. Infolgedessen kann durch das Ausdehnen der DTI-Strukturen 110 über das Substrat 102 eine größere Menge von Photonen erfasst und durch die Pixelstrukturen 106A und 106B verarbeitet werden, und somit die Quanteneffizienz des BSI-Bildsensors 100 verbessern. In einigen Ausführungsformen kann die Distanz D1 in einem Bereich von ungefähr 80 nm bis ungefähr 130 nm liegen. Innerhalb dieses Bereichs für die Distanz D1 können die DTI-Strukturen 110 die Quanteneffizienz des BSI-Bildsensors 100 verbessern, ohne sich negativ auf die Größe und die Fertigungskosten des BSI-Bildsensors 100 auszuwirken.
  • In einigen Ausführungsformen kann jede der DTI-Strukturen 110 eine Metallfüllschicht 110A, eine dielektrische Schicht 110B, welche die Metallfüllschicht 110 umgibt, und eine dielektrische Schicht 110C mit hohem k-Wert, welche die dielektrische Schicht 110B umgibt, aufweisen. Die dielektrische Schicht 110B und die dielektrische Schicht mit hohem k-Wert 110C können die Metallfüllschicht 110A vom Substrat 102 und/oder den Pixelstrukturen 106A und 106B elektrisch isolieren. Die Metallfüllschicht 110A kann Photonen im Pixelbereich 105A derart blockieren, dass sie nicht durch die dielektrischen Materialien in den Pixelbereich 105B gelangen, und umgekehrt. Ferner kann die Metallfüllschicht 110A mehrere Reflexionen der Strahlungsbündel 124 (zum Beispiel Photonen) in den Pixelbereichen 105A und 105B ermöglichen, ohne dass diese die Pixelbereiche 105A und 105B verlassen. Solche mehrfachen Reflexionen der Strahlungsbündel 124 können die Menge an Strahlungsbündeln 124, welche durch die Pixelstrukturen 106A und 106B absorbiert und verarbeitet werden, erhöhen, und somit die Quanteneffizienz des BSI-Bildsensors 100 verbessern. In einigen Ausführungsformen können unter Verwendung der Metallfüllschicht 110A DTI-Strukturen mit einer Breite entlang einer X-Achse, welcher geringer ist als eine Breite von DTI-Strukturen, welche mit dielektrischen Schichten und ohne Metallfüllschichten gebildet sind, gebildet werden, da Strahlungsbündel durch eine Metallschicht wirksamer blockiert werden können als durch eine dielektrische Schicht von im Wesentlichen derselben Dicke. Infolgedessen kann mit den DTI-Strukturen 110 ein kleinerer und kompakterer BSI-Bildsensor 100 gebildet werden, ohne dessen Quanteneffizienz negativ zu beeinflussen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Metallfüllschicht 110A einen metallischen Werkstoff, wie zum Beispiel Wolfram (W), Aluminium (Al), Kobalt (Co), Ruthenium (Ru) und irgendwelche anderen geeigneten metallischen Werkstoffe, enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 110B Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder ein anderes geeignetes Oxid- und/oder Nitrid-Isoliermaterial enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht mit hohem k-Wert 110C ein Material mit hohem k-Wert, wie zum Beispiel Hafniumoxid (HfO2), Aluminiumoxid (Al2O3), irgendwelche anderen geeigneten dielektrischen Materialien mit hohem k-Wert und eine Kombination derselben, enthalten.
  • In einigen Ausführungsformen können die STI-Strukturen 108 eine Höhe H1 von ungefähr 150 nm bis ungefähr 250 nm entlang einer Z-Achse und eine Breite W1 von ungefähr 300 nm bis ungefähr 500 nm entlang einer X-Achse aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die DTI-Strukturen 110 eine Höhe H2 von ungefähr 5 µm bis ungefähr 10 µm entlang einer Z-Achse und eine Breite W2 von ungefähr 300 nm bis ungefähr 400 nm entlang einer X-Achse aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Höhe H2 größer sein als die Höhe H1, um ein Übersprechen zwischen den Pixelstrukturen 106A und 106B ausreichend zu verhindern. In einigen Ausführungsformen kann die Breite W1 der STI-Strukturen 108 größer sein als die Breite W2 der DTI-Strukturen 110, um Photonen derart ausreichend zu blockieren, dass sie nicht in benachbarte Pixelstrukturen gelangen, da die STI-Strukturen 108 im Unterschied zu den DTI-Strukturen 110 möglicherweise keine Metallschichten aufweisen. Wie oben erörtert, können Photonen durch eine Metallschicht wirksamer blockiert werden als durch eine dielektrische Schicht von im Wesentlichen derselben Dicke. In einigen Ausführungsformen kann die Metallfüllschicht 110A eine Dicke T1 von ungefähr 70 nm bis ungefähr 150 nm entlang einer X-Achse aufweisen, die dielektrische Schicht 110B kann eine Dicke T2 von ungefähr 100 nm bis ungefähr 150 nm entlang einer X-Achse aufweisen, und die dielektrische Schicht mit hohem k-Wert 110C kann eine Dicke T3 von ungefähr 10 nm bis ungefähr 20 nm entlang einer X-Achse aufweisen. Innerhalb der oben erwähnten Bereiche der Dicken T2 und T3 können die dielektrische Schicht 110B und die dielektrische Schicht mit hohem k-Wert 110C die Metallfüllschicht 110A ausreichend vom Substrat 102 und/oder den Pixelstrukturen 106A und 106B isolieren, ohne sich negativ auf die Größe und die Fertigungskosten des BSI-Bildsensors 100 auszuwirken. Innerhalb der oben erwähnten Bereiche der Höhen H1 und H2, der Breiten W1 und W2 und der Dicke T1 können die STI-Strukturen 108 und die DTI-Strukturen 110 ein Übersprechen zwischen den Pixelstrukturen 106A und 106B im Wesentlichen minimieren oder verhindern, ohne sich negativ auf die Größe und die Fertigungskosten des BSI-Bildsensors 100 auszuwirken.
  • Die ARC 112 kann an der Rückseitenfläche 102B angeordnet sein, um einfallende Strahlungsbündel 124 daran zu hindern, von den Pixelstrukturen 106A und 106B weg reflektiert zu werden. In einigen Ausführungsformen kann die ARC 112 ein dielektrisches Material mit hohem k-Wert, wie zum Beispiel Hafniumoxid (HfO2), Tantalpentoxid (Ta2O5), Zirkondioxid (ZrO2), Aluminiumoxid (Al2O3) und irgendwelche anderen geeigneten dielektrischen Materialien mit hohem k-Wert, enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die ARC 112 eine Dicke T4 von ungefähr 1 nm bis ungefähr 50 nm aufweisen. Innerhalb dieses Bereichs für die Dicke T4 kann die ARC 112 ausreichend verhindern, dass Strahlungsbündel 124, welche auf die Pixelstrukturen 106A und 106B einfallen, die Pixelbereiche 105A und 105B verlassen, ohne sich negativ auf die Größe und die Fertigungskosten des BSI-Bildsensors 100 auszuwirken. In einigen Ausführungsformen können die ARC 112 und die dielektrische Schicht mit hohem k-Wert 110C dasselbe Material aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Passivierungsschicht 114 an der ARC 112 angeordnet sein, und kann ein dielektrisches Material, wie zum Beispiel Siliziumoxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumoxynitrid (SiON) oder irgendein anderes geeignetes dielektrisches Material, enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 116 eine Oxidschicht aufweisen.
  • In einigen Ausführungsformen können Farbfilter 118A und 118B in der dielektrischen Schicht 116 angeordnet sein, und obere Flächen der Farbfilter 118A und 118B können im Wesentlichen koplanar mit der oberen Fläche der dielektrischen Schicht 116 sein. Die Farbfilter 118A und 118B können im Wesentlichen auf die Pixelstrukturen 106A beziehungsweise 106B ausgerichtet sein. In einigen Ausführungsformen können die Farbfilter 118A und 118B einen Polymerwerkstoff enthalten. In einigen Ausführungsformen können Mikrolinsen 120A und 120B an den Farbfiltern 118A beziehungsweise 118B angeordnet sein.
  • In einigen Ausführungsformen kann eine Metallabschirmungsschicht 122 (auch als „Schwarzwertkorrekturschicht 122“ bezeichnet) an der Rückseitenfläche 102B und in der dielektrischen Schicht 116, der Passivierungsschicht 114 und der ARC 112 angeordnet sein. Die Metallabschirmungsschicht 122 schirmt einen Schwarzreferenzsensor (nicht gezeigt) des BSI-Bildsensors 100 gegen die Strahlungsbündel 124 ab. Der Schwarzreferenzsensor kann dazu verwendet werden, Schwarzwertreferenzsignale im BSI-Bildsensor 100 zu erzeugen. In Folge der Abschirmung kann der Schwarzreferenzsensor ein Schwarzreferenzsignal für die Bildverarbeitung im BSI-Bildsensor 100 bereitstellen.
  • 2 stellt eine Querschnittsansicht eines BSI-Bildsensors 200 (auch als ein „optisches Bauelement 200“ bezeichnet) im Einklang mit einigen Ausführungsformen dar. Die Erörterung des BSI-Bildsensors 100 gilt auch für den BSI-Bildsensor 200, sofern nicht anderweitig vermerkt.
  • In einigen Ausführungsformen kann der BSI-Bildsensor 200 zusätzlich zu den Elementen des BSI-Bildsensors 100 Metallgitterstrukturen 226 aufweisen. Die Metallgitterstrukturen 226 können in der dielektrischen Schicht 116 angeordnet und im Wesentlichen auf die DTI-Strukturen 110 ausgerichtet sein. In einigen Ausführungsformen können die Metallgitterstrukturen 226 für eine einfachere Fertigung um einen Abstand D2 von ungefähr 100 nm bis ungefähr 300 nm entlang der Z-Achse von den DTI-Strukturen 110 entfernt sein. In einigen Ausführungsformen können die Gitterstrukturen eine Breite W3 von ungefähr 100 nm bis ungefähr 300 nm entlang einer X-Achse aufweisen. Innerhalb dieses Bereichs der Breite W3 können die Metallgitterstrukturen 226 ein Übersprechen zwischen den Pixelstrukturen 106A und 106B im Wesentlichen minimieren oder verhindern, ohne sich negativ auf die Größe und die Fertigungskosten des BSI-Bildsensors 200 auszuwirken. In einigen Ausführungsformen kann die Breite W3 größer oder kleiner als W2 sein.
  • 3 ist ein Ablaufdiagramm eines Beispielverfahrens 300 zum Herstellen des BSI-Bildsensors 100, welcher in 1 gezeigt ist, im Einklang mit einigen Ausführungsformen. Zu Zwecken der Veranschaulichung werden die in 3 dargestellten Vorgänge unter Bezugnahme auf den Beispielfertigungsprozess zum Fertigen des BSI-Bildsensors 100, welcher in den 4-18 dargestellt ist, beschrieben. Die 4-18 sind Querschnittsansichten des BSI-Bildsensors 100 in verschiedenen Stadien der Fertigung im Einklang mit einigen Ausführungsformen. Abhängig von spezifischen Anwendungen können Vorgänge in einer anderen Reihenfolge oder gar nicht ausgeführt werden. Dabei ist festzuhalten, dass das Verfahren 300 keinen vollständigen BSI-Bildsensor 100 produzieren kann. Demzufolge versteht sich, dass zusätzliche Prozesse vor dem, während des und/oder nach dem Verfahren 300 bereitgestellt werden können, und dass einige andere Prozesse hierin möglicherweise nur kurz beschrieben sind. Elemente in den 4-18 mit denselben Markierungen wie Elemente in 1 sind oben beschrieben worden.
  • Bezugnehmend auf 3 werden bei Vorgang 305 Pixelstrukturen und STI-Strukturen durch eine Vorderseitenfläche eines Substrats hindurch gebildet. Zum Beispiel werden, wie in 4 gezeigt, die Pixelstrukturen 106A und 106B und die STI-Strukturen 108 durch eine Vorderseitenfläche 102F des Substrats 102 hindurch gebildet. In einigen Ausführungsformen kann nach der Bildung der STI-Strukturen 108 die Interconnect-Struktur 104 an der Vorderseitenfläche 102F gebildet werden.
  • Bezugnehmend auf 3 werden bei Vorgang 310 gerillte Bereiche an einer Rückseitenfläche des Substrats gebildet. Wie in 5 gezeigt, werden die gerillten Bereiche 102Ga und 102Gb zum Beispiel an der Rückseitenfläche 102B des Substrats 102 gebildet. In einigen Ausführungsformen können die gerillten Bereiche 102Ga und 102Gb gebildet werden, indem ein fotolithografischer Prozess und ein Ätzprozess an der Rückseitenfläche 102B ausgeführt werden. In einigen Ausführungsformen können die dreieckig geformten Querschnittsprofile der gerillten Bereiche 102Ga und 102Gb gebildet werden, indem ein anisotroper Trockenätzprozess gefolgt von einem Nassätzprozess durch eine strukturierte Maskierungsschicht (nicht gezeigt), welche an der Rückseitenfläche 102B ausgebildet ist, hindurch ausgeführt werden.
  • Bezugnehmend auf 3 werden bei Vorgang 315 eine ARC und eine Passivierungsschicht auf den gerillten Bereichen gebildet. Wie in 6 gezeigt, werden die ARC 112 und die Passivierungsschicht 114 zum Beispiel auf den gerillten Bereichen 102Ga und 102Gb gebildet. In einigen Ausführungsformen kann die Bildung der ARC 112 das Aufbringen eines dielektrischen Materials mit hohem k-Wert auf der Struktur von 5 unter Verwendung eines Atomlagenabscheidungsprozesses (ALD-Prozesses), eines chemischen Dampfabscheidungsprozesses (CVD-Prozesses) oder irgendeines anderen geeigneten Abscheidungsprozesses für ein dielektrisches Material mit hohem k-Wert umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Bildung der Passivierungsschicht 114 das Aufbringen eines Oxidmaterials auf der ARC 112 unter Verwendung eines ALD-Prozesses, eines CVD-Prozesses oder irgendeines anderen geeigneten Abscheidungsprozesses für ein Oxidmaterial umfassen. Der Bildung der Passivierungsschicht 114 kann eine Bildung einer Siliziumoxidschicht 716 auf der Passivierungsschicht 114 folgen, wie in 7 gezeigt. Die Bildung der Siliziumoxidschicht 716 kann das Aufbringen der Siliziumoxidschicht 716 mit einer Dicke T5 von ungefähr 100 nm bis ungefähr 200 nm auf der Struktur von 6 unter Verwendung eines CVD-Prozesses umfassen.
  • Bezugnehmend auf 3 werden bei Vorgang 320 DTI-Strukturen durch die Rückseitenfläche des Substrats hindurch gebildet. Wie zum Beispiel unter Bezugnahme auf die 8 - 13 beschrieben, werden die DTI-Strukturen 110 durch die Rückseitenfläche 102B hindurch gebildet. In einigen Ausführungsformen kann die Bildung der DTI-Strukturen 110 die aufeinanderfolgenden Vorgänge (i) Bilden von Isolationsgräben 810 mit einer Breite W2 auf den STI-Strukturen 108, wie in 8 gezeigt, (ii) Bilden einer dielektrischen Schicht mit hohem k-Wert 910 auf der Struktur von 8 zum Bilden der Struktur von 9, (iii) Bilden einer Oxidschicht 1010 auf der Struktur von 9 zum Bilden der Struktur von 10, (iv) Entfernen von Abschnitten der dielektrischen Schicht mit hohem k-Wert 910 und der Oxidschicht 1010 außerhalb der Isolationsgräben 810 unter Verwendung eines Ätzprozesses zum Bilden der Struktur von 11, (v) Aufbringen einer Metallschicht 1210 auf der Struktur von 11 zum Füllen der Isolationsgräben 810 und zum Bilden der Struktur von 12 und (vi) Entfernen von Abschnitten der Metallschicht 1210 außerhalb der Isolationsgräben 810 unter Verwendung eines Ätzprozesses zum Bilden der Struktur von 13 umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Bildung der Isolationsgräben 810 (i) das Bilden einer strukturierten Fotolackschicht (nicht gezeigt) unter Verwendung eines fotolithografischen Prozesses auf der Struktur von 7 und (ii) das Ausführen eines Ätzprozesses auf der Siliziumoxidschicht 716, der Passivierungsschicht 114, der ARC 112 und dem Substrat 102 durch die strukturierte Fotolackschicht hindurch umfassen, um Rückseitenflächen der STI-Strukturen 108 freizulegen, wie in 8 gezeigt.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Bildung der dielektrischen Schicht mit hohem k-Wert 910 das Aufbringen einer im Wesentlichen konformen Schicht aus Hf02 und Al2O3 auf oberen Flächen der Siliziumoxidschicht 716, entlang der Seitenwände der Isolationsgräben 810 und auf freigelegten Oberflächen der STI-Strukturen 108 unter Verwendung eines ALD-Prozesses umfassen, wie in 9 gezeigt. In einigen Ausführungsformen kann die Bildung der Oxidschicht 1010 das Aufbringen einer im Wesentlichen konformen Schicht aus Siliziumoxid auf der dielektrischen Schicht mit hohem k-Wert 910 unter Verwendung eines ALD-Prozesses umfassen, wie in 10 gezeigt.
  • Der Bildung der DTI-Strukturen 110 kann eine Bildung einer Siliziumoxidschicht 1416 auf der Struktur von 13 zum Bilden der Struktur von 14 folgen. Die Bildung der Siliziumoxidschicht 1416 kann das Aufbringen einer Siliziumoxidschicht (nicht gezeigt) auf der Struktur von 13 unter Verwendung eines CVD-Prozesses und das Ausführen eines chemisch-mechanischen Polierprozesses (CMP-Prozesses) an der aufgebrachten Siliziumoxidschicht zum Bilden der Siliziumoxidschicht 1416 mit einer Dicke T6 von ungefähr 80 nm bis ungefähr 130 nm auf den DTI-Strukturen 110 umfassen. Die Siliziumoxidschicht 1416 kann als eine Pufferschicht dienen, um die DTI-Strukturen 110 davor zu schützen, während der nachfolgenden Bearbeitung des BSI-Bildsensors 100 geätzt zu werden. Innerhalb des oben erwähnten Bereichs der Dicke T6 kann die Siliziumoxidschicht 1416 das Ätzen der DTI-Strukturen 110 während des nachfolgenden Bearbeitens ausreichend verhindern, ohne sich negativ auf die Größe und die Fertigungskosten des BSI-Bildsensors 100 auszuwirken.
  • Bezugnehmend auf 3 wird bei Vorgang 325 eine Metallabschirmungsschicht auf der Rückseitenfläche des Substrats gebildet. Wie zum Beispiel unter Bezugnahme auf die 15 und 16 beschrieben, wird eine Metallabschirmungsschicht 122 auf der Rückseitenfläche 102B gebildet. In einigen Ausführungsformen kann die Bildung der Metallabschirmungsschicht 122 die aufeinanderfolgenden Vorgänge (i) Bilden einer a strukturierten Fotolackschicht (nicht gezeigt) unter Verwendung eines fotolithografischen Prozesses an der Struktur von 14, (ii) Ausführen eines Ätzprozesses an den Siliziumoxidschichten 716 und 1416, der Passivierungsschicht 114 und der ARC 112 durch die strukturierte Fotolackschicht hindurch zum Bilden einer Öffnung 1522, wie in 15 gezeigt, (iii) Aufbringen einer im Wesentlichen konformen Schicht aus Metall (nicht gezeigt) an oberen Flächen der Siliziumoxidschicht 1416, entlang der Seitenwände der Öffnung 1522 und der freigelegten Rückseitenfläche 102B in der Öffnung 1522, (iv) Bilden einer strukturierten Maskierungsschicht (nicht gezeigt) an der aufgebrachten, im Wesentlichen konformen Schicht aus Metall und (v) Ätzen der aufgebrachten, im Wesentlichen konformen Schicht aus Metall durch die strukturierte Maskierungsschicht hindurch zum Bilden der Struktur von 16 umfassen.
  • Der Bildung der Metallabschirmungsschicht 122 kann die Bildung einer Siliziumoxidschicht 1716 folgen, wie in 17 gezeigt. In einigen Ausführungsformen kann die Bildung der Siliziumoxidschicht 1716 das Aufbringen einer Schicht von Siliziumoxid (nicht gezeigt) auf der Struktur von 16 und das Ausführen eines CMP-Prozesses an der aufgebrachten Schicht aus Siliziumoxid umfassen, um die obere Fläche der Siliziumoxidschicht 1716 im Wesentlichen auf eine Ebene mit der oberen Fläche der Metallabschirmungsschicht 122 zu bringen, wie in 17 gezeigt. Die Siliziumoxidschichten 716, 1416 und 1716 können die dielektrische Schicht 116 bilden.
  • Bezugnehmend auf 3 werden bei Vorgang 330 Farbfilter und Mikrolinsen an der Rückseitenfläche des Substrats gebildet. Wie zum Beispiel in 18 gezeigt, können die Farbfilter 118A und 118B in der dielektrischen Schicht 116 gebildet werden, und die Mikrolinsen 120A und 120B können auf den Farbfiltern 118A beziehungsweise 118B gebildet werden.
  • 19 ist ein Ablaufdiagramm eines Beispielverfahrens 1900 zum Fertigen des BSI-Bildsensors 200, welcher in 2 gezeigt ist, im Einklang mit einigen Ausführungsformen. Zu Zwecken der Veranschaulichung werden die in 19 dargestellten Vorgänge unter Bezugnahme auf den Beispielfertigungsprozess zum Fertigen des BSI-Bildsensors 200, welcher in den 20 - 24 dargestellt ist, beschrieben. Die 20 - 24 sind Querschnittsansichten des BSI-Bildsensors 200 in verschiedenen Stadien der Fertigung im Einklang mit einigen Ausführungsformen. Abhängig von spezifischen Anwendungen können Vorgänge in einer anderen Reihenfolge oder gar nicht ausgeführt werden. Dabei ist festzuhalten, dass das Verfahren 1900 keinen vollständigen BSI-Bildsensor 200 produzieren kann. Demzufolge versteht sich, dass zusätzliche Prozesse vor dem, während des und/oder nach dem Verfahren 1900 bereitgestellt werden können, und dass einige andere Prozesse hierin möglicherweise nur kurz beschrieben sind. Die Elemente in den 20 - 24 mit denselben Markierungen wie Elemente in den 1-2 sind oben beschrieben worden.
  • Bezugnehmend auf 19 sind die Vorgänge 1905 - 1920 ähnlich den Vorgängen 305 - 320 von 3. Nach Vorgang 1920 ist eine Struktur ähnlich der Struktur von 14 gebildet worden. Die nachfolgende Bearbeitung der Struktur von 14 bei den Vorgängen 1925 - 1930 wird unter Bezugnahme auf die 20 - 24 beschrieben.
  • Bezugnehmend auf 19 werden bei Vorgang 1925 Metallgitterstrukturen und eine Metallabschirmungsschicht auf der Rückseitenfläche des Substrats gebildet. Wie unter Bezugnahme auf die 20 - 22 beschrieben, werden zum Beispiel die Metallgitterstrukturen 226 und die Metallabschirmungsschicht 122 auf der Rückseitenfläche 102B gebildet. In einigen Ausführungsformen kann die Bildung der Metallgitterstrukturen 226 und der Metallabschirmungsschicht 122 die aufeinanderfolgenden Vorgänge (i) Bilden einer strukturierten Fotolackschicht (nicht gezeigt) unter Verwendung eines fotolithografischen Prozesses an einer Struktur, welche ähnlich der Struktur von 14 ist, (ii) Ausführen eines Ätzprozesses an den Siliziumoxidschichten 716 und 1416, der Passivierungsschicht 114 und der ARC 112 durch die strukturierte Fotolackschicht hindurch zum Bilden einer Öffnung 2022, wie in 20 gezeigt, (iii) Aufbringen einer im Wesentlichen konformen Metallschicht 2122 an oberen Flächen der Siliziumoxidschicht 1416, entlang der Seitenwände der Öffnung 2022 und der freigelegten Rückseitenfläche 102B in der Öffnung 1522, wie in 21 gezeigt, (iv) Bilden einer strukturierten Maskierungsschicht (nicht gezeigt) an der Metallschicht 2122 und (v) Ätzen der Metallschicht 2122 durch die strukturierte Maskierungsschicht hindurch zum Bilden der Struktur von 22 umfassen. In einigen Ausführungsformen können die Metallgitterstrukturen 122 ohne das Bilden der Metallabschirmungsschicht 122 bei Vorgang 1925 gebildet werden. Das bedeutet, die Metallabschirmungsschicht 122 wird bei Vorgang 1925 möglicherweise nicht gebildet.
  • Der Bildung der Metallgitterstrukturen 226 und der Metallabschirmungsschicht 122 kann die Bildung einer Siliziumoxidschicht 1716 folgen, wie in 23 gezeigt. In einigen Ausführungsformen kann die Bildung der Siliziumoxidschicht 1716 das Aufbringen einer Schicht von Siliziumoxid (nicht gezeigt) auf der Struktur von 22 und das Ausführen eines CMP-Prozesses an der aufgebrachten Schicht aus Siliziumoxid umfassen, um die obere Fläche der Siliziumoxidschicht 1716 im Wesentlichen auf eine Ebene mit den oberen Flächen der Metallgitterstrukturen 226 und der Metallabschirmungsschicht 122 zu bringen, wie in 23 gezeigt. Die Siliziumoxidschichten 716, 1416 und 1716 können die dielektrische Schicht 116 bilden.
  • Bezugnehmend auf 19 werden bei Vorgang 1930 Farbfilter und Mikrolinsen an der Rückseitenfläche des Substrats gebildet. Wie zum Beispiel in 24 gezeigt, können die Farbfilter 118A und 118B in der dielektrischen Schicht 116 gebildet werden, und die Mikrolinsen 120A und 120B können auf den Farbfiltern 118A beziehungsweise 118B gebildet werden.
  • Die vorliegende Offenbarung stellt Beispiel-BSI-Bildsensoren (zum Beispiel die BSI-Bildsensoren 100 und 200) mit Isolationsstrukturen (zum Beispiel den DTI-Strukturen 110 und den STI-Strukturen 108) zwischen benachbarten Pixelstrukturen (zum Beispiel den Pixelstrukturen 106A und 106B) sowie Beispielverfahren (zum Beispiel die Verfahren 300 und 1900) zum Bilden der BSI-Bildsensoren bereit. In einigen Ausführungsformen kann der BSI-Bildsensor einen Stapel von Isolationsstrukturen aufweisen, welche zwischen benachbarten Pixelstrukturen angeordnet sind, um die benachbarten Pixelstrukturen optisch voneinander zu isolieren. In einigen Ausführungsformen kann der Stapel von Isolationsstrukturen eine flache Grabenisolationsstruktur (STI-Struktur), welche an der Vorderseitenfläche (zum Beispiel der Vorderseitenfläche 102F) des Substrats (zum Beispiel des Substrats 102) des BSI-Bildsensors angeordnet ist, und eine tiefe Grabenisolationsstruktur (DTI-Struktur), welche auf oder in physischem Kontakt mit der STI-Struktur angeordnet ist, aufweisen.
  • In einigen Ausführungsformen kann sich die DTI-Struktur auf 80 nm bis ungefähr 130 nm über der Rückseitenfläche (zum Beispiel der Rückseitenfläche 102B) des Substrats des BSI-Bildsensor erstrecken. In einigen Ausführungsformen kann die STI-Struktur eine oder mehrere dielektrische Schichten aufweisen, und die DTI-Struktur kann eine Metallfüllschicht (zum Beispiel die Metallfüllschicht 110A) und eine dielektrische Auskleidung (zum Beispiel die dielektrischen Schichten 110B und 110C), welche die Metallfüllschicht umgibt, aufweisen. Dadurch dass die DTI-Struktur eine solche Metallfüllschicht aufweist und sich die DTI-Struktur über der Rückseitenfläche des Substrats erstreckt, kann das Übersprechen zwischen benachbarten Pixelstrukturen (zum Beispiel den Pixelstrukturen 106A und 106B) im Wesentlichen minimiert oder beseitigt werden, wodurch die Quanteneffizienz des BSI-Bildsensors verbessert wird.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Quanteneffizienz des BSI-Bildsensors weiter verbessert werden, indem die Rückseitenfläche des Substrats gerillte Bereiche (zum Beispiel die gerillten Bereiche 102Ga und 102Gb) aufweist, welche im Wesentlichen auf die Pixelstrukturen ausgerichtet sind. In einigen Ausführungsformen kann unter Verwendung der gerillten Bereiche zusammen mit den DTI-Strukturen die Quanteneffizienz des BSI-Bildsensors zum Erfassen von Licht im Nahinfrarotbereich (zum Beispiel zwischen einer Wellenlänge von ungefähr 800 nm und einer Wellenlänge von ungefähr 1000 nm) im Vergleich zu BSI-Bildsensoren ohne die gerillten Bereiche und/oder die DTI-Strukturen um ungefähr das 0,5-fache bis ungefähr das 1,5-fache verbessert werden.
  • In einigen Ausführungsformen weist eine optische Vorrichtung ein Substrat, welches eine erste Fläche und eine zweite Fläche, welche der ersten Fläche entgegengesetzt angeordnet ist, aufweist, ein erstes und ein zweites Strahlungserfassungsbauelement, welche im Substrat angeordnet sind, eine erste Isolationsstruktur, welche im Substrat angeordnet ist und eine erste Fläche und eine zweite Fläche, welche der ersten Fläche entgegengesetzt angeordnet ist, aufweist, und eine zweite Isolationsstruktur, welche im Substrat und an der ersten Fläche der ersten Isolationsstruktur angeordnet ist, auf. Die zweite Isolationsstruktur weist eine Metallschicht und eine dielektrische Schicht, welche die Metallschicht umgibt, auf. Die zweite Isolationsstruktur erstreckt sich vertikal über der ersten Fläche des Substrats.
  • In einigen Ausführungsformen weist eine optische Vorrichtung ein Substrat, welches eine Vorderseitenfläche und eine Rückseitenfläche aufweist, erste und zweite Pixelstrukturen, welche im Substrat angeordnet sind, eine STI-Struktur, welche zwischen der ersten und der zweiten Pixelstruktur angeordnet ist, eine DTI-Struktur, welche an der STI-Struktur angeordnet ist, und eine Gitterstruktur, welche an der Rückseitenfläche des Substrats und im Wesentlichen ausgerichtet auf die DTI-Struktur angeordnet ist, auf. Die DTI-Struktur weist eine Metallschicht und eine dielektrische Auskleidung, welche entlang der Seitenwände der Metallschicht und an der STI-Struktur angeordnet ist, auf.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren das Bilden erster und zweiter Strahlungserfassungsbauelemente durch eine erste Fläche eines Substrats hindurch, das Bilden einer ersten Isolationsstruktur durch die erste Fläche des Substrats und zwischen den ersten und den zweiten Strahlungserfassungsbauelementen, das Bilden gerillter Bereiche an einer zweite Fläche des Substrats, welche der ersten Fläche des Substrats entgegengesetzt angeordnet ist, das Bilden eines Isolationsgrabens durch die zweite Fläche des Substrats und an der ersten Isolationsstruktur, das Bilden einer dielektrischen Schicht im Isolationsgraben und das Bilden einer Metallschicht auf der dielektrischen Schicht. Die dielektrische Schicht erstreckt sich vertikal über der zweiten Fläche des Substrats.
  • Die vorstehende Offenbarung stellt Merkmale und Elemente mehrerer Ausführungsformen derart dar, dass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen können. Ausgebildete Fachleute sollten erkennen, dass sie die vorliegende Offenbarung problemlos als eine Grundlage zum Entwickeln oder Modifizieren anderer Prozesse und Strukturen zum Ausführen derselben Zwecke und/oder Erzielen derselben Vorteile der hierin vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Ausgebildete Fachleute sollten ferner erkennen, dass derartige äquivalente Konstruktionen nicht vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abweichen, und dass sie dabei verschiedenste Änderungen, Ersetzungen und Neuerungen vornehmen können, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 63327018 [0001]

Claims (20)

  1. Optische Vorrichtung, aufweisend: ein Substrat, welches eine erste Fläche und eine zweite Fläche, welche der ersten Fläche entgegengesetzt angeordnet ist, aufweist; eine erste und eine zweite Strahlungserfassungsvorrichtung, welche im Substrat angeordnet sind; eine erste Isolationsstruktur, welche im Substrat und zwischen der ersten und der zweiten Strahlungserfassungsvorrichtung angeordnet ist, wobei die erste Isolationsstruktur eine erste Fläche und eine zweite Fläche, welche der ersten Fläche entgegengesetzt angeordnet ist, aufweist; und eine zweite Isolationsstruktur, welche im Substrat und an der ersten Fläche der ersten Isolationsstruktur angeordnet ist, aufweisend: eine Metallstruktur; und eine dielektrische Schicht, welche die Metallstruktur umgibt; wobei sich die zweite Isolationsstruktur vertikal über der ersten Fläche des Substrats erstreckt.
  2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Fläche der ersten Isolationsstruktur im Wesentlichen koplanar mit der zweiten Fläche des Substrats ist.
  3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, wobei eine Höhe der zweiten Isolationsstruktur größer ist als eine Höhe der ersten Isolationsstruktur.
  4. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Breite der ersten Isolationsstruktur größer ist als eine Breite der zweiten Isolationsstruktur.
  5. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich die zweite Isolationsstruktur vertikal über eine Distanz von ungefähr 80 nm bis ungefähr 130 nm über der ersten Fläche des Substrats erstreckt.
  6. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Schicht mit der ersten Fläche der ersten Isolationsstruktur in physischem Kontakt ist.
  7. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Schicht aufweist: eine Oxidschicht, welche die Metallstruktur umgibt; und eine dielektrische Schicht mit hohem k-Wert, welche die Oxidschicht umgibt, wobei sich die Materialien der Oxidschicht und der dielektrischen Schicht mit hohem k-Wert voneinander unterscheiden.
  8. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die dielektrische Schicht aufweist: eine Siliziumoxidschicht, welche die Metallstruktur umgibt; und eine dielektrische Schicht mit hohem k-Wert, welche Hafniumoxid und Aluminiumoxid enthält, und die Oxidschicht umgibt.
  9. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Metallstruktur Wolfram oder Aluminium enthält.
  10. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Fläche des Substrats gerillte Bereiche aufweist, welche im Wesentlichen auf die erste und die zweite Strahlungserfassungsvorrichtung ausgerichtet sind.
  11. Optische Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die gerillten Bereiche dreieckig geformte Profile aufweisen.
  12. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Pufferschicht an der zweiten Isolationsstruktur.
  13. Optische Vorrichtung, aufweisend: ein Substrat aufweisend eine Vorderseitenfläche und eine Rückseitenfläche; eine erste und ein zweite Pixelstruktur, welche im Substrat angeordnet sind; eine flache Grabenisolationsstruktur (STI-Struktur), welche zwischen der ersten und der zweiten Pixelstruktur angeordnet ist; eine tiefe Grabenisolationsstruktur (DTI-Struktur), welche auf der STI-Struktur angeordnet ist, die DTI-Struktur aufweisend: eine Metallstruktur; und eine dielektrische Auskleidung, welche entlang der Seitenwände der Metallstruktur und an der STI-Struktur angeordnet ist; und eine Gitterstruktur, welche an der Rückseitenfläche des Substrats angeordnet und im Wesentlichen auf die DTI-Struktur ausgerichtet ist.
  14. Optische Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die dielektrische Auskleidung aufweist: eine Siliziumoxidschicht, welche die Metallstruktur umgibt; und eine dielektrische Schicht mit hohem k-Wert, welche Hafniumoxid und Aluminiumoxid enthält, und die Oxidschicht umgibt.
  15. Optische Vorrichtung Anspruch 13 oder 14, wobei die Metallstruktur Wolfram oder Aluminium enthält.
  16. Optische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 15, ferner aufweisend eine Pufferschicht zwischen der Metallstruktur und der Gitterstruktur.
  17. Verfahren, umfassend: Bilden einer ersten und einer zweiten Strahlungserfassungsvorrichtung durch eine erste Fläche eines Substrats; Bilden einer Isolationsstruktur durch die erste Fläche des Substrats und zwischen der ersten und der zweiten Strahlungserfassungsvorrichtung; Bilden gerillter Bereiche an einer zweiten Fläche des Substrats, welcher der ersten Fläche des Substrats entgegengesetzt angeordnet ist; Bilden eines Isolationsgrabens durch die zweite Fläche des Substrats hindurch und an der ersten Isolationsstruktur; Bilden einer dielektrischen Schicht im Isolationsgraben, wobei sich die dielektrische Schicht vertikal über der zweiten Fläche des Substrats erstreckt; und Bilden einer Metallschicht an der dielektrischen Schicht.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bilden der dielektrischen Schicht umfasst: Aufbringen einer dielektrischen Schicht mit hohem k-Wert entlang der Seitenwände des Isolationsgrabens und an der ersten Isolationsstruktur; und Aufbringen einer Oxidschicht auf der dielektrischen Schicht mit hohem k-Wert, wobei sich die Materialien der Oxidschicht und der dielektrischen Schicht mit hohem k-Wert voneinander unterscheiden.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, ferner umfassend Bilden einer Gitterstruktur auf der Metallschicht.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend Bilden einer Pufferschicht zwischen der Metallschicht und der Gitterstruktur.
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