DE10239643B3

DE10239643B3 - Verfahren zur Passivierung von CMOS- oder BiCMOS-IC's mit integrierten fotoempfindlichen Strukturen

Info

Publication number: DE10239643B3
Application number: DE2002139643
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr. Bach
Original assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Current assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-08-30

Abstract

Es wird eine Ausführungsform von in CMOS-ICs integrierten fotoempfindlichen Strukturen angegeben und das diesen entsprechende Herstellungsverfahren.

Description

Integrierte Schaltkreise moderner CMOS-Technologien haben als essentiellen Bestandteil durch pn-Übergänge isolierte Gebiete unterschiedlicher Leitfähigkeit, die als Drain/Source, Wannen oder als integrierte Widerstände wirken. Es bietet sich an, diese dem Prozeß immanenten Diodenstrukturen auch als Detektoren für optische Signale zu verwenden (Fotodioden) und damit auf einem Chip Sensor und Auswerteelektronik zu integrieren. Dieser Weg wird praktisch auch beschritten. Kamera-Chips auf CMOS-Basis sind eine Alternative gegenüber CCD-Kameras. Ein wesentliches Problem liegt darin, daß die auf der fertig prozessierten Siliziumscheibe liegenden isolierenden Deckschichten aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid prinzipiell für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zwar transparent aber in ihrer Dicke nicht angepaßt sind, so daß es zu Intensitätsverlusten kommt. Im allgemeinen liegen 3 bis 5 und teilweise noch mehr verschiedene Schichten übereinander, die eine Gesamtschichtdicke von 1 bis 3 μm und mehr ergeben. Die Dicke dieses Schichtaufbaus liegt also in der Größenordnung der Lichtwellenlängen (bis einige Vielfache), so daß infolge von Interferenzen an dünnen Schichten je nach Wellenlänge und aktueller Schichtdicke der Anteil des durchgehenden Lichtes reduziert sein kann. Speziell zum quantitativen Detektieren monochromatischen Lichtes kann bereits die normale Prozeßtoleranz der Dicke bei der Schichtabscheidung (+/– 10%) auf einer einzelnen Siliziumscheibe Gebiete maximaler Transmission und auch Gebiete maximaler Reflexion ergeben, d.h., die transmittierte Lichtmenge einer monochromatischen Lichtquelle, die in der Fotodiode ankommt, kann bezogen auf eine Siliziumscheibe bis 40% schwanken. Das ist auch für andere Licht benutzende Bauelementstrukturen, wie Fotogates und Fotowiderstände – alle zusammen im folgenden Text als fotoempfindliche Strukturen bezeichnet – ungünstig.
Daher geht das allgemeine Bestreben dahin, auf den lichtempfindlichen Bereichen der Schaltung Schichten aufzubringen, welche eine maximale Transparenz gewährleisten.

So sind aus der JP 64-049 282 A IC's mit integrierten Fotodioden bekannt, bei denen sich auf den fotoempfindlichen Bereichen eine Antireflexschicht aus Siliziumnitrid befindet. Aus der DE 695 19 983 T2 ist ein IC mit integrierten Fotodioden bekannt, bei dem sich auf den lichtempfindlichen Gebieten der Schaltung ein Siliziumoxid mit einer optischen Dicke von bevorzugt 30 nm. Auf die mögliche Verwendung der üblichen Passivierungsschichten des CMOS- bzw. Bipolar-Prozesses als Antireflexschichten wird in der DE 100 22 660 A1 hingewiesen.

Hinweise auf die Herstellungsweise sind lediglich der JP 64-049 282 A zu entnehmen. Es handelt sich dabei um die dem Fachmann naheliegenden folgenden Verfahrensschritte:

– Herstellung eines IC's mit Fotodiode, wobei zur Passivierung der Schaltung nach der letzten Metallisierungsebene Mehrfachschichten zur Passvierung aufgebracht werden.
– Das Gebiet über der lichtempfindlichen Struktur geöffnet wird.
– Auf dem gebiet über der liochtempfindlichen Struktur eine Schicht mit einer der optischen Dicke angepaßten Dicke für maximale Transparenz gebildet wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Herstellungsprozeß so zu gestalten, daß der Prozeß weniger Verfahrensschritte umfaßt und im Bereich der fotoempfindlichen Strukturen der Schaltung eine der im Prozeß angewendeten Passivierungsschichten als Antireflexschicht zu gestalten, so daß die Lichtrefelexionsverluste vermindert werden und eine größere Gleichmäßigkeit der Lichttransparenz in der Verteilung über die einzelne Siliziumscheibe und bezogen auf die verchiedenen Siliziumscheiben untereinander gewährleistet ist.

Zweck der Erfindung ist die Verbesserung der CMOS/BiCMOS-Technologien mit integrierten fotoempfindlichen Strukturen bezüglich Kosten durch Ausbeutesteigerung und durch möglichst geringen Fertigungsmehraufwand.

Bei der Lösung der Aufgabe wird der CMOS- bzw. BiCMOS-Prozeß zunächst unverändert bis einschließlich der letzten Metallisierung ausgeführt. Das üblicherweise danach abzuscheidende Schichtsystem hat mehrere Aufgaben zu erfüllen: elektrische Isolation zur Umwelt, mechanischer Schutz, Schutz gegenüber Feuchte und gegebenenfalls auch Getterwirkung (z.B. durch eingebauten Phosphor). Beispielhaft wird von einem üblichen Doppelschichtsystem bestehend aus einer ersten Schicht aus Siliziumoxinitrid, gefolgt von einer Schicht aus Siliziumnitrid ausgegangen. In der erfindungsgemäßen Prozeßfolge wird das Siliziumoxinitrid standardgemäß abgeschieden (falls dieses gettern soll, können Getterzentren eingebracht werden). Danach erfolgt ein fotolithografischer Prozeß, bei dem die lichtempfindlichen Gebiete freigelegt werden. Dabei werden im Bereich der fotoempfindlichen Strukturen alle Schichten über der Siliziumoberfläche entfernt, was bedingt durch die Grenzfläche SiO₂/Si ausreichend präzise möglich ist. Es versteht sich, daß die Öffnungen der Fotomaske hinreichend großen Abstand zu Metallleitbahnen und zu an die Oberfläche stoßenden pn-Übergängen haben müssen (pn-Übergänge dürfen nicht freigelegt werden). Nach dem Entfernen der Lackmaske wird dann die abschließende Siliziumnitridschicht mit einer Schichtdicke von 260 nm abgeschieden. Die Schicht dieser Dicke hat zum Beispiel für Wellenlängen von 410 nm und 700 nm ein Transmissionsmaximum (siehe 1). Zusammen mit der Empfindlichkeitskurve des Siliziums ergibt sich eine breite, unbeeinträchtigte Empfindlichkeit der Fotodetektoren ohne nennenswerte spektrale Absenkung im sichtbaren Bereich (z.B. n-Well/p-Substrat, siehe 2).

Bei Bedarf kann die Schichtdicke so modifiziert werden, daß für eine gegebene Wellenlänge maximale Transmission auftritt.

Schichtdickentoleranzen um 10% haben nur noch marginalen Einfluß.

Untersuchungen haben gezeigt, daß Siliziumnitrid auf Silizium am fertigen CMOS-Chip keine Probleme bzgl. mechanischem Streß erzeugt, zumal keine nennenswerten thermischen Belastungen mehr folgen. Die Aufgaben der Passivierung werden nachgewiesenermaßen uneingeschränkt erfüllt. Nach dieser Siliziumnitridschicht folgt standardgemäß die Strukturierung der Bondpads.

Claims

Verfahren zur Passivierung von CMOS/ -oder BiCMOS-IC's mit integrierten fotoempfindlichen Strukturen, wie Fotodioden, Fotogates oder Fotowiderständen, wobei zur Passivierung der Schaltungen nach der letzten Metallisierungsebene Mehrfachschichten aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß alle Passivierungsschichten mit Ausnahme der letzten auf der Siliziumscheibe abgeschieden werden, danach die Gebiete über den lichtempfindlichen Strukturen mittels eines fotolithografischen Prozesses geöffnet werden, folgend die letzte Passivierungschicht mit einer der optischen Dicke angepaßten Dicke für maximale Transparenz (Transmission) auf der gesamten Silizium scheibe abgeschieden wird und danach die Öffnung der Bondpads erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Passivierungsschicht eine Siliziumnitridschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Passivierungsschicht eine Siliziumoxidschicht ist.