DE112015000383T5

DE112015000383T5 - Anti Reflexionsschicht für Rückseiten beleuchteten Sensor

Info

Publication number: DE112015000383T5
Application number: DE112015000383.5T
Authority: DE
Inventors: Shinya Otsuka; John Fielden; Venkatraman Iyer; Masaharu Muramatsu; Hisanori Suzuki; Yasuhito Yoneta; Jehn-Huar Howard Chern; David L. Brown; Yung-Ho Alex Chuang
Original assignee: KLA Tencor Corp
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK; KLA Corp
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2016-10-13
Also published as: US20170338257A1; US9748294B2; WO2015147963A3; US10269842B2; US20150200216A1; TWI675463B; WO2015147963A2; JP6691704B2; TW201532260A; JP2017509142A

Abstract

Ein Bildsensor für Licht mit kurzer Wellenlänge umfasst eine Halbleitermembran, Schaltungselemente, die auf einer Oberfläche der Halbleitermembran ausgebildet sind, und eine reine Borschicht auf der anderen Oberfläche der Halbleitermembran. Eine antireflektierende oder schützende Schicht ist auf der Oberseite der reinen Borschicht ausgebildet. Dieser Bildsensor hat eine hohe Effizienz und hohe Stabilität selbst bei kontinuierlicher Nutzung mit hohem Fluss über mehrere Jahre hinweg. Der Bildsensor kann unter Anwendung einer CCD-(ladungsgekoppeltes Bauelement) oder CMOS-(komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter)Technik hergestellt werden. Der Bildsensor kann ein zweidimensionaler Flächensensor oder ein eindimensionaler Array-Sensor sein.

Description

VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung 61/926 107 mit dem Titel „Anti-Reflexionsschicht für Rückseiten beleuchteten Sensor”, die am 10. Januar 2014 eingereicht wurde und hiermit durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist.
Die vorliegende Anmeldung ist mit der US-Patentanmeldung 12/476 190 verwandt mit dem Titel „Antireflektierende Beschichtung für Sensoren, die für Inspektionssysteme mit hohem Durchsatz geeignet sind”, die von Brown am 1. Juni 2009 eingereicht wurde und aktuell nicht weiterverfolgt wird.
HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
Gebiet der Offenbarung
Die vorliegende Anmeldung betrifft Bildsensoren, die zur Erfassung von Strahlung für Wellenlängen im tiefen UV(DUV)-Bereich und Vakuum-UV(VUV)-Bereich geeignet sind, und betrifft Verfahren zur Herstellung derartiger Bildsensoren. Diese Sensoren sind zur Verwendung in Inspektionssystemen für Photomasken, Retikel oder Scheiben und für andere Anwendungen geeignet.
Stand der Technik
Die Industrie für integrierte Schaltungen erfordert Inspektionswerkzeuge mit zunehmend hoher Auflösung, um immer noch kleinere Strukturmerkmale integrierter Schaltungen, von Photomasken, Retikel, Solarzellen, ladungsgekoppelten Bauelementen, usw. aufzulösen, sowie um Defekte zu erkennen, deren Größe von gleicher Größenordnung oder kleiner ist als die Größe dieser Strukturelemente.
Inspektionssysteme, die bei kleinen Wellenlängen arbeiten, beispielsweise Wellenlängen, die kleiner als ungefähr 250 nm sind, können in vielen Fällen eine derartige Auflösung bereitstellen. Insbesondere für die Inspektion einer Photomaske oder Retikels ist es wünschenswert, die Inspektion unter Anwendung einer Wellenlänge vorzunehmen, die identisch ist oder nahe bei der Wellenlänge liegt, die für die Lithographie verwendet wird, d. h., nahe bei 193,4 nm für die aktuelle Generation der Lithographie und nahe bei 13,5 nm für künftige EUV-Lithographie, da Phasenverschiebungen des Inspektionslichtes, die durch die Strukturmuster hervorgerufen werden, identisch oder sehr ähnlich zu denen sind, die während der Lithographie hervorgerufen werden. Für die Inspektion von strukturierten Halbleiterscheiben können Inspektionssysteme, die über einen relativ breiten Bereich an Wellenlängen hinweg arbeiten, etwa für einen Wellenlängenbereich, der Wellenlängen im nahen UV-, DUV- und/oder VUV-Bereich enthält, vorteilhaft sein, da ein weiter Bereich an Wellenlängen die Empfindlichkeit für kleine Änderungen in der Schichtdicke oder den Strukturabmessungen verringern kann, die ansonsten große Änderungen der Reflexivität bei einer einzelnen Wellenlänge hervorrufen können.
Um kleine Defekte oder Teilchen auf Photomasken, Retikel und Halbleiterscheiben zu erfassen, sind hohe Verhältnisse im Signal-zu-Rauschen erforderlich. Es sind hohe Photonenflussdichten erforderlich, um hohe Signal-zu-Rauschen-Verhältnisse sicherzustellen, wenn bei hoher Geschwindigkeit inspiziert wird, da statistische Schwankungen in der Anzahl der detektierten Photonen (Poisson-Rauschen) eine fundamentale Grenze für das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis sind. In vielen Fällen werden ungefähr 100000 oder mehr Photonen pro Pixel benötigt. Da Inspektionssysteme typischerweise 24 Stunden pro Tag bei nur kurzen Unterbrechungen im Betrieb sind, sind die Sensoren einer hohen Strahlendosis nach nur wenigen Betriebsmonaten ausgesetzt.
Ein Photon mit einer Vakuumwellenlänge von 250 nm hat eine Energie von ungefähr 5 eV. Die Bandlücke von Siliziumdioxid liegt bei ungefähr 10 eV. Obwohl auf den ersten Blick Photonen mit einer derartigen Wellenlänge von Siliziumdioxid nicht absorbiert werden können, muss Siliziumdioxid, das auf eine Siliziumoberfläche aufgewachsen ist, einige offene Bindungen an der Grenzfläche zu dem Silizium aufweisen, da die Siliziumdioxid-Struktur nicht in perfekter Weise an den Siliziumkristall angepasst werden kann. Da ferner das Einzel-Dioxin amorph ist, gibt es mit großer Wahrscheinlichkeit auch einige offene Bindungen in dem Material. In der Praxis gibt es eine nicht vernachlässigbare Dichte an Defekten und Verunreinigungen innerhalb des Oxids sowie an der Grenzfläche zu dem darunter liegenden Halbleiter, die Photonen mit DUV-Wellenlängen insbesondere jene, mit kleinerer Wellenlänge als ungefähr 250 nm, absorbieren können. Ferner können bei hoher Strahlungsflussdichte zwei Hochenergie-Photonen in der Nähe der gleichen Position innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne eintreffen (Nanosekunden oder Pikosekunden), was dazu führen kann, dass Elektronen in das Leitungsband des Siliziumdioxids durch Absorptionsereignisse in rascher Folge oder durch Zwei-Photonen-Absorption angeregt werden können.
Ein weiteres Erfordernis für Sensoren, die für die Inspektion, Messtechnik und zugehörige Anwendungen verwendet werden, ist eine hohe Empfindlichkeit. Wie zuvor erläutert ist, sind hohe Signal-zu-Rauschen-Verhältnisse erforderlich. Wenn der Sensor nicht einen großen Anteil der einfallenden Photonen in ein Signal umwandelt, dann ist eine Lichtquelle mit hoher Intensität erforderlich, um die gleiche Inspektiond- und Messgeschwindigkeit im Vergleich mit einem Inspektion- oder Messsystem mit einem effizienten Sensor beizubehalten. Eine Lichtquelle mit höherer Intensität würde die Geräteoptik und die Probe, die gerade inspiziert oder vermessen wird, mit höheren Lichtintensitäten beaufschlagen, wodurch möglicherweise eine Schädigung oder Degradation im Lauf der Zeit hervorgerufen werden. Eine Lichtquelle mit höherer Intensität würde auch teurer sein oder insbesondere für DUV- und VUV-Wellenlängen nicht verfügbar sein. Silizium reflektiert einen hohen Anteil von DUV- und VUV-Licht, das darauf auftritt. Beispielsweise reflektiert bei einer Wellenlänge in der Nähe von 193 nm Silizium mit einer Oxidschicht von 2 nm auf seiner Oberfläche (etwa eine native Oxidschicht) ungefähr 65% des darauf einfallenden Lichts. Das Aufwachsen einer Oxidschicht von ungefähr 21 nm auf der Siliziumoberfläche reduziert die Reflexivität auf ungefähr 40% für Wellenlängen in der Nähe von 193 nm. Ein Detektor mit 40% Reflexivität ist deutlich effizienter als einer mit 65% Reflexivität, so dass eine geringere Reflexivität und damit eine höhere Effizienz wünschenswert sind.
Antireflektierende Beschichtungen werden üblicherweise auf optischen Elementen, etwa Linsen und Spiegeln, verwendet. Jedoch sind viele Beschichtungsmaterialien und Prozesse, die für optische Elemente üblicherweise eingesetzt werden, oft nicht kompatibel mit Sensoren auf Siliziumsbasis. Beispielsweise werden Elektronen und Ionen gestützte Abscheidetechniken häufig für optische Beschichtungen eingesetzt. Derartige Beschichtungsprozesse können generell nicht verwendet werden, um Halbleitebauelemente zu beschichten, da die Elektronen oder Ionen ausreichend Ladung auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements aufbringen können, um einen elektrischen Durchbruch hervorzurufen, was zu Schäden an den auf dem Halbleiterbauelement hergestellten Schaltungen führt.
DUV- und VUV-Wellenlängen werden von Silizium stark absorbiert. Derartige Wellenlängen werden zumeist innerhalb von 10 nm oder einigen wenigen zehn nm der Oberfläche des Siliziums absorbiert. Die Effizienz eines Sensors, der bei DUV- oder VUV-Wellenlängen arbeitet, hängt davon ab, welcher Anteil der durch die absorbierten Photonen erzeugten Elektronen gesammelt werden kann, bevor die Elektronen rekombinieren. Siliziumdioxid kann eine Grenzfläche mit Silizium mit hoher Qualität mit einer geringen Defektdichte erzeugen. Die meisten anderen Materialien einschließlich von vielen, die üblicherweise für antireflektierende Beschichtungen verwendet werden, wenn sie direkt auf Silizium abgeschieden werden, führen zu einer sehr hohen Dichte elektronischer bzw. elektrischer Defekte an der Oberfläche des Siliziums. Eine hohe Dichte elektrischer Defekte auf der Oberfläche des Siliziums ist für einen Sensor gegebenenfalls nicht problematisch sein, der dafür gedacht ist, bei sichtbaren Wellenlängen zu arbeiten, da derartige Wellenlängen typischerweise ungefähr 100 nm oder mehr in das Silizium eindringen, bevor sie absorbiert werden, und sie daher wenig durch die elektrischen Defekte auf der Siliziumoberfläche beeinflusst werden. Jedoch werden DUV- und VUV-Wellenlängen nahe an der Siliziumoberfläche absorbiert, so dass elektrische Defekte auf der Oberfläche und/oder eingefangene Ladungen innerhalb der Schicht(en) auf der Oberfläche dazu führen können, dass ein merklicher Anteil der erzeugten Elektronen an oder in der Nähe der Siliziumoberfläche rekombiniert und damit verloren ist, was zu einer geringen Effizienz des Sensors führt.
Daher besteht ein Bedarf für einen Bildsensor, der in der Lage ist, hoch energetische Photonen effizient zu erfassen, aber dennoch einige oder alle der vorhergehenden Nachteile zu überwinden.
ÜBERBLICK DIE OFFENBARUNG
Es sind Verfahren zur Herstellung von Bildsensoren mit hoher Quanten-Effizienz zur Bildgebung bzw. Bilderzeugung mit DUV und/oder VUV beschrieben. Bildsensoren, die gemäß diesem Verfahren hergestellt sind, sind für eine lange Gebrauchsdauer unter hohen Flüssen von DUV- und VUV-Strahlen geeignet. Diese Verfahren umfassen Prozessschritte zur Bildung von lichtempfindlichen aktiven und/oder passiven Schaltungselementen in einer Schicht auf einer Halbleiter-(vorzugsweise Silizium-)Scheibe.
Ein anschauliches Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors umfasst: Bilden einer Epitaxieschicht auf einem Substrat, bilden einer Gate-Schicht auf der Epitaxieschicht, wobei die Gate-Schicht eine oder mehrere Schichten aus dielektrischen Materialien, etwa Siliziumdioxid und Siliziumnitrid aufweist, Bilden von Schaltungselementen auf der Gate-Schicht, die Polysilizium und dielektrische Materialien aber keine Metallschichten oder Metallverbindungen aufweisen, Dünnen des Substrats, um zumindest einen Teilbereich der Epitaxieschicht freizulegen (die freigelegte Epitaxieschicht wird hierin als eine Halbleitermembran bezeichnet) und mindestens Teilbereiche der Epitaxieschicht freizulegen, Bilden einer reinen Borschicht direkt auf den freigelegten Bereichen der Epitaxieschicht und Bilden einer oder mehrerer antireflektierender Schichten direkt auf der Oberfläche der Borschicht. Im hierin verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Schaltungselemente” lichtempfindliche Bauelemente, etwa ladungsgekoppelte Bauelemente und Fotodioden, andere Halbleitebauelemente, etwa Transistoren, Dioden, Widerstände und Kondensatoren, und elektrische Zwischenverbindungen (häufig als Verbindungen bezeichnet) zwischen diesen. In dieser ersten anschaulichen Ausführungsform enthalten die vor der Bor-Abscheidung hergestellten Schaltungselemente keine Metallzwischenverbindungen. Diese Schaltungselemente werden unter Anwendung standardmäßiger Halbleiterherstellungsprozesse hergestellt, wozu gehören, ohne einschränkend zu sein, Photolithographie, Abscheidung, Ätzung, Ionenimplantation und Wärmebehandlung. Das Dünnen der Probe (beispielsweise eine Scheibe) kann unter Anwendung von chemischen Ätzen und/oder Polieren ausgeführt werden. Zu beachten ist, dass dieses Dünnen die Empfindlichkeit des Bildsensors für Licht erhöhen kann, das auf die Rückseitenfläche einfällt. Es wird eine antireflektierende Beschichtung auf der Borschicht hergestellt. Diese antireflektierende Beschichtung kann eine oder mehrere Materialschichten umfassen. Mindestens eine der Schichten kann unter Anwendung einer Atomlagenabscheide-(ALD-)Technik abgeschieden werden. Diese antireflektierende Beschichtung erhöht die Durchlässigkeit mindestens einer interessierenden Wellenlänge in dem Bildsensor. In einer Ausführungsform kann mindestens ein freigelegter Bereich der Epitaxieschicht nach dem Dünnen des Substrats und vor der Herstellung der Borschicht dotiert werden. Nachdem die Borschicht und die antireflektierende Schicht auf der Rückseitenfläche abgeschieden sind, können die Schaltungen auf der Vorderfläche fertig gestellt werden, einschließlich der Herstellung von Metallverbindungen.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors umfasst: Bilden einer Epitaxieschicht auf einem Substrat, anschließendes Herstellen von Schaltungselementen auf der Epitaxieschicht. Dieser Schritt kann die Herstellung von Metallverbindungen beinhalten. Es können eine Hantierungsscheibe oder eine Schutzschicht auf den Schaltungselementen gebildet werden. Das Substrat wird dann gedünnt, um zumindest einen Teil der Epitaxieschicht freizulegen. Wie zuvor angegeben ist, kann dieses Dünnen die Empfindlichkeit des Bildsensors für Licht erhöhen, das auf die Rückseitenfläche auftrifft. Es wird eine reine Borschicht auf der Oberfläche der Epitaxieschicht hergestellt, die in dem Dünnungsprozess freigelegt wurde. Es wird eine antireflektierende Beschichtung auf der Borschicht erzeugt. Diese antireflektierende Beschichtung erhöht die Durchlässigkeit mindestens einer interessierenden Wellenlänge in dem Bildsensor. Diese antireflektierende Beschichtung kann eine oder mehrere Materialschichten umfassen. Mindestens eine der Schichten kann unter Anwendung einer Atomlagenabscheide-(ALD-)Technik abgeschieden werden.
Bildsensoren mit hoher Quanten-Effizienz und langer Lebensdauer für DUV-, und/oder VUV-Strahlung. Diese Bildsensoren werden von der Rückseite her gedünnt, so dass sie sehr empfindlich für Strahlung sind, die auf der Rückseite der Bildsensoren auftrifft (wobei diese Bildsensoren Rückseiten beleuchtet sind). Direkt auf der Rückseitenfläche der Epitaxieschicht wird eine dünne (beispielsweise mit einer Dicke zwischen ungefähr 2 nm und ungefähr 20 nm) Schicht aus hochreinem amorphen Bor abgeschieden. In einigen Ausführungsformen werden eine oder mehrere weitere Materialschichten auf dem Bor aufgebracht. Die Dicke und das Material jeder Schicht können so gewählt werden, dass die Durchlässigkeit bei einer interessierenden Wellenlänge für den Bildsensor erhöht wird.
Die hierin beschriebenen Bildsensoren können hergestellt werden unter Anwendung von CCD-(ladungsgekoppeltes Bauelement) oder CMOS-(komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter-)Techniken. Die Bildsensoren können zweidimensionale Flächensensoren oder eindimensionale Array-Sensoren sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein anschauliches Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors.
2 zeigt eine alternative anschauliche Technik zur Herstellung eines Bildsensors.
3A–3G zeigen anschauliche Querschnitte einer Scheibe, die dem mit Bezug zu 1 beschriebenen Verfahren unterzogen wird.
4A–4H zeigen anschauliche Querschnitte einer Scheibe, die dem mit Bezug zu 2 beschriebenen Verfahren unterzogen wird.
5 zeigt eine anschauliche Detektoranordnung mit einem Bildsensor, einer Siliziumzwischenschicht und anderer Elektronik.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine anschauliche Technik 100 zur Herstellung eines Bildsensors. Im Schritt 101 können Schaltungselemente unter Anwendung standardmäßiger Halbleiterbearbeitungsschritte, etwa Lithographie, Abscheidung, Ionenimplantation, Wärmebehandlung und Ätzung erzeugt werden. Es können CCD- und/oder CMOS-Sensorelemente und Bauelemente während des Schritts 101 geschaffen werden. Diese Schaltungselemente werden in einer Epitaxieschicht auf der Vorderfläche der Scheibe geschaffen und werden daher als Vorderseiten-Schaltungselemente bezeichnet. In bevorzugten Ausführungsformen hat die Epitaxieschicht-(Epi-)Schicht eine Dicke von ungefähr 10 μm bis 40 μm. In bevorzugten Ausführungsformen werden sowohl die Epi-Schicht als auch das Substrat mit p-artige Dotierstoffen (etwa Bor) dotiert, aber die Epi-Schicht hat eine viel kleinere Dotierstoffkonzentration (im Folgenden und in den Figuren als p-Dotierung bezeichnet) als die Substratsscheibe (im Folgenden und in den Figuren als p+ Dotierung bezeichnet). Typischerweise liegt der Widerstand der Epitaxieschicht bei ungefähr 10 bis 100 Ωcm und der Substratswiderstand ist kleiner als ungefähr 0,01 Ωcm. Obwohl Polysilizium-Verbindungen im Schritt 101 hergestellt werden können, werden Metall-Zwischenverbindungen generell in diesem Schritt nicht erzeugt, da Metall in nachfolgenden Hochtemperaturverarbeitungsschritten geschädigt wird.
Im Schritt 103 können die aktiven Sensorbereiche oder sogar die gesamte Scheibe von der Rückseite her gedünnt werden. Diese Dünnung umfasst typischerweise eine Kombination aus Polieren und Ätzen, um die Epi-Schicht freizulegen. In einer Ausführungsform wird die Scheibe von der Rückseite her poliert, bis die Scheibe eine Dicke von ungefähr 200 μm bis 300 μm aufweist. Anschließend werden die Vorderfläche und die Randbereiche um die aktiven Sensorbereiche herum mit einem Material geschützt, etwa mit Photolack oder einem anderen geeigneten Material. An diesem Punkt wird ein chemisches Ätzmittel verwendet, um die Substratscheiben über dem aktiven Sensorbereich weg zu ätzen, wodurch der aktive Sensorbereich freigelegt wird. Da die Substratscheibe eine wesentlich höhere Dotierstoffkonzentration und Defektdichte hat als die Epi-Schicht ist die Ätzrate für das Substrathalbleitermaterial wesentlich höher als für die Epi-Schicht. Der Ätzprozess verlangsamt sich, wenn er die Epi-Schicht erreicht, woraus sich ein Bereich einer Membran mit gleichmäßiger Dicke ergibt. In einer weiteren Ausführungsform wird die Bildsensor-Scheibe mit einer Hantierungsscheibe verbunden, die aus Quarz, Silizium, Saphir oder anderem Material sein kann. Anschließend wird ein Polierprozess verwendet, um die gesamte Scheibe zu polieren, bis lediglich die Epi-Schicht übrig bleibt.
Im Schritt 105 kann eine Schutzschicht auf der Vorderseitenfläche abgeschieden werden, um die Vorderseiten-Schaltungselemente während der Schritte 107–111 zu schützen. Insbesondere muss jegliches freiliegendes Silizium oder Polysilizium auf der Vorderseitenfläche geschützt werden, da Bor dazu neigt, sich bevorzugt auf Silizium abzuscheiden. In einigen Ausführungsformen kann der Schritt 105 vor dem Schritt 103 ausgeführt werden, so dass die Schutzschicht einen zusätzlichen Schutz für die Vorderseitenfläche während des Prozesses der Rückseitendünnung (Schritt 103) bieten kann. In einigen Ausführungsformen kann die Schutzschicht eine Siliziumnitridschicht umfassen, die beispielsweise unter Anwendung Plasma verstärkter CVD-Abscheidung aufgebracht wird.
Im Schritt 107 kann die Rückseitenfläche gereinigt und für die Borabscheidung vorbereitet bzw. aufbereitet werden. Während dieser Reinigung sollten natürliches Oxid und jegliche Kontaminationsstoffe einschließlich von organischen Stoffen und Metallen von der Rückseitenfläche entfernt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Reinigung unter Anwendung von wässriger HF-Lösung oder eines RCA-Reinigungsprozesses (der eine gut bekannte Gruppe aus Reinigungsschritten einschließlich der Entfernung von organischen Kontaminationsstoffen, der dünnen Oxidschicht und ionischer Kontaminationen ist) ausgeführt werden. Nach Reinigung und während der Aufbereitung wird die Scheibe vorzugsweise unter Anwendung der Marangoni-Trocknungstechnik (oberflächenspannungsbasierte Trocknungstechnik) oder einer ähnlichen Technik getrocknet, um die Oberfläche trocken und frei von Wasserresten zu halten. In bevorzugten Ausführungsformen wird die Scheibe in einer kontrollierten Atmosphäre während der Schritte 107–109 (unter Verwendung von beispielsweise trockenem Stickstoff) geschützt, um ein erneutes Wachsen von natürlichem Oxid zu minimieren.
Im Schritt 109 kann die Scheibe auf einer hohen Temperatur für einige Minuten in einer reduzierenden Umgebung gehalten werden, etwa in einem verdünnten Wasserstoffgas oder einem Wasserstoffgas bei geringem Druck. In bevorzugten Ausführungsformen kann die Scheibe auf einer Temperatur von ungefähr 800°C bis 850°C für ungefähr 1–4 Minuten gehalten werden. Diese hohe Temperatur kann jegliche native Oxidschicht entfernen, die sich nach dem Schritt 107 möglicherweise erneut gebildet hat.
Im Schritt 111 wird eine amorphe Schicht aus reinem Bor auf der Rückseite der Rückseitenfläche abgeschieden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Abscheidung unter Anwendung einer Mischung von Gasen aus Diboran und Wasserstoff bei einer Temperatur von ungefähr 650–800°C ausgeführt werden, um die hoch reine amorphe Borschicht zu erzeugen. Die Dicke der Borschicht hängt von der beabsichtigten Anwendung des Sensors ab. Typischerweise liegt die Dicke der Borschicht zwischen ungefähr 2 nm und 20 nm. Vorzugsweise liegt die Dicke der Borschicht zwischen ungefähr 3 nm und 10 nm. Die minimale Dicke wird generell durch das Erfordernis einer lochfreien gleichmäßigen Schicht begrenzt. Die maximale Dicke hängt im Allgemeinen von der Absorption der interessierenden Wellenlängen durch Bor ab. Zu beachten ist, dass die Schritte 109 und 111 auch in einer gleichen Prozessanlage und bevorzugt in der gleichen Prozesskammer ausgeführt werden können, wodurch sichergestellt ist, dass die Schritte 109 und 111 in rascher Abfolge ausgeführt werden können, ohne die Möglichkeit einer Oberflächenkontamination oder eines Oxidwachstums zwischen den Schritten. Mehr Details im Hinblick auf die Borabscheidung können entnommen werden aus „Chemische Dampfabscheidung von a-Borschichten auf Silizium für gesteuerte p⁺-n-Übergangsbildung mit gesteuerter Nanometer-Tiefe”, Sarubbi et al, J. Elektronisches Material, Bd. 39, Seiten 162–173, 2010, was hiermit durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist.
Die Reinheit und das Fehlen von Löchern in der Borschicht sind wesentlich für die Empfindlichkeit und die Lebensdauer der hierin offenbarten Bildsensoren. Wenn eine natürlich Oxidschicht nicht von der Epi-Schichtoberfläche vor dem Abscheiden des Bors entfernt wird, dann wird das natürliche Oxid von DUV, VUV oder anderen Photonen mit hoher Energie beeinflusst und kann eine Degradation des Sensorverhaltens während der Verwendung hervorrufen. Selbst wenn das gesamte natürliche Oxid vor der Borabscheidung entfernt wird aber in der Borschicht Löcher vorhanden sind, besteht nach der Verarbeitung die Möglichkeit, dass Sauerstoff die Epi-Schicht durch diese Löcher erreicht und die Oberfläche dieser Schicht kann oxidieren.
Im Schritt 112 werden andere Schichten auf der Borschicht während oder unmittelbar nach dem Schritt 111 abgeschieden. Diese anderen Schichten können antireflektierende Beschichtungen umfassen, die aus einem oder mehreren Materialien aufgebaut sind, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Hafniumdioxid, Magnesiumfluorid und Lithium-Fluorid. Eine oder mehrere dieser Schichten können unter Anwendung von ALD abgeschieden werden. Ein Vorteil der Verwendung eines ALD-Prozesses für die Abscheidung von antireflektierenden Schichten besteht darin, dass ALD-Prozesse typischerweise eine sehr genaue (eine einzige Monoschicht) Steuerung der Dicke der abgeschiedenen Schicht bzw. Schichten erlauben. Antireflektierende Schichten für kurze Wellenlängen, etwa DUV- und VUV-Wellenlängen, sind vorzugsweise dünne (etwa eine Dicke zwischen ungefähr 10 nm und 20 nm). Die Steuerung der Schichtdicke auf eine oder zwei Atomanlagen (einige Zehntel eines nm) hat den Vorteil der Beibehaltung einer konsistenten Reflexivität (und somit Empfindlichkeit) von Sensor zu Sensor. Obwohl die antireflektierende Beschichtung durch DUV, VUV oder andere Strahlung beeinflusst werden kann, schirmt die Anwesenheit der Borschicht zwischen der antireflektierenden Beschichtung und der Epi-Schicht die Epi-Schicht vor Ladungen und Einfangzentren in der antireflektierenden Beschichtung ab und stellt sicher, dass die Empfindlichkeit des Bildsensors nicht wesentlich abnimmt. In einer alternativen Ausführungsform kann der Schritt 112 zwischen den Schritten 115 und 117 ausgeführt werden. Wenn alle Prozessschritte, die bei der Abscheidung der antireflektierenden Beschichtung beteiligt sind, Temperaturen von weniger als ungefähr 450°C beinhalten, ist es möglich, die antireflektierende Beschichtung auf Scheiben oder Sensoren abzuscheiden, die Metallverbindungen bereits darauf ausgebildet haben. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von ALD für die Abscheidung der Schicht oder der Schichten, die die antireflektierende Beschichtung enthalten, besteht darin, dass ALD-Prozesse normalerweise Temperaturen von deutlich weniger als 450°C beinhalten.
Im Schritt 113 kann die Vorderseiten-Schutzschicht entfernt oder strukturiert werden, um die Herstellung von Verbindungen auf der Vorderfläche vorzubereiten. In einigen Ausführungsformen kann dieses Entfernen/Strukturieren das Ätzen der Vorderseitenfläche in wässriger HF beinhalten, da die Borschicht relativ undurchdringlich für wässriges HF ist.
Im Schritt 115 können Verbindungen bzw. Zwischenverbindungen auf der Vorderfläche strukturiert und hergestellt werden. Diese Zwischenverbindungen können aus Al, Cu oder einem weiteren Metall gebildet werden. Nach Abschluss der Herstellung der Zwischenverbindungen kann eine Passivierungsschicht auf der Vorderseitenfläche abgeschieden werden, um diese Zwischenverbindungen zu schützen.
Im Schritt 117 können die fertig gestellten Schaltungselemente in ein Gehäuse eingebracht werden. Die Gehäusebearbeitung kann eine Flip-Chip-Verbindung oder ein Draht-Bonding eines Chips zu einem Substrat beinhalten. Das Gehäuse kann ein Fenster aufweisen, das interessierende Wellenlängen durchlässt oder kann einen Flansch oder eine Dichtung als Grenzfläche zu einer Vakuumdichtung aufweisen.
2 zeigt eine alternative anschauliche Technik 200 zur Herstellung eines Bildsensors. In dieser Ausführungsform können die Schaltungselemente im Schritt 201 unter Anwendung standardmäßiger Halbleiterbearbeitungsschritte einschließlich von Lithographie, Abscheidung, Ionenimplantation, Wärmebehandlung und Ätzung hergestellt werden. In einer Ausführungsform können auch CCD- und/oder CMOS-Sensorelemente und Bauelemente im Schritt 201 geschaffen werden. Diese Schaltungselemente werden in einer Epi-Schicht auf der Vorderseitenfläche der Scheibe erzeugt. In bevorzugten Ausführungsformen hat die Epi-Schicht eine Dicke zwischen ungefähr 10 μm bis 40 μm. Die Epi-Schicht hat eine geringe Dotierstoffkonzentration (p–). In einer Ausführungsform können Zwischenverbindungen, etwa Metallzwischenverbindungen, ebenfalls im Schritt 201 geschaffen werden.
Im Schritt 203 kann die Vorderseitenfläche der Scheibe geschützt werden. Dieser Schutz kann die Abscheidung einer oder mehrerer Schutzschichten auf den Schaltungselementen, die während des Schritts 201 gebildet wurden, beinhalten. Dieser Schutz kann zusätzlich oder alternativ das Anbringen der Scheibe an einer Hantierungsscheibe, etwa einer Siliziumsscheibe, einer Quarzscheibe oder einer Scheibe, die aus einem anderen Material hergestellt ist, beinhalten.
Schritt 205 beinhaltet die Dünnung der Scheibe von der Rückseite her, um die Epitaxieschicht in mindestens den aktiven Sensorbereichen freizulegen. Dieser Schritt kann Polieren, Ätzen oder beides beinhalten. In einigen Ausführungsformen wird die gesamte Scheibe von hinten gedünnt. In anderen Ausführungsformen werden lediglich die aktiven Sensorbereiche bis hinab zu der Epitaxieschicht gedünnt.
Schritt 207 umfasst die Reinigung und Vorbereitung der Rückseitenfläche vor der Borabscheidung. Während dieser Reinigung sollten das native Oxid und jegliche Kontaminationsstoffe, einschließlich von organischen Stoffen und Metallen, von der Rückseitenfläche entfernt werden. In einer Ausführungsform kann diese Reinigung unter Anwendung einer wässrigen HF-Lösung oder unter Anwendung eines RCA-Reinigungsprozesses ausgeführt werden. Nach der Reinigung und während der Aufbereitung kann die Scheibe unter Anwendung der Marangoni-Trocknungstechnik oder einer ähnlichen Technik getrocknet werden, um die Oberfläche trocken und frei von Wasserresten zu halten.
Im Schritt 209 kann die Scheibe zu einer Abscheideanlage in geschützter Umgebung transportiert werden, wodurch es möglich ist, dass die Scheibe während des Schritts 211 geschützt ist. In einer Ausführungsform ist beispielsweise die geschützte Umgebung eine trockene Stickstoffatmosphäre, die das erneute Aufwachsen von natürlichem Oxid minimiert. Die Zeit, die zur Ausführung des Schritts 209 erforderlich ist, sollte minimal gehalten werden, vorzugsweise nicht mehr als ungefähr fünf Minuten.
Im Schritt 211 wird Bor auf der Rückseitenfläche der Scheibe abgeschieden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann diese Abscheidung unter Anwendung einer Mischung der Gase Diboran und Wasserstoff bei einer Temperatur von ungefähr 400–450°C ausgeführt werden, wodurch eine hoch reine amorphe Borschicht geschaffen wird. Die Dicke der abgeschiedenen Borschicht hängt von der beabsichtigten Anwendung für den Sensor ab. Typischerweise liegt die Dicke der Borschicht zwischen ungefähr 3 nm und 10 nm. Die minimale Dicke ist durch das Erfordernis vorgegeben, dass eine lochfrei gleichförmige Schicht entsteht, wohingegen die maximale Dicke von der Absorption der Photonendichte oder der interessierenden geladenen Teilchen durch das Bor abhängt, sowie von der maximalen Zeitdauer, die die Scheibe unter der erhöhten Temperatur gehalten werden kann, wenn es Metallzwischenverbindungen auf der Vorderseite gibt.
Im Schritt 212 können andere Schichten auf der Borschicht abgeschieden werden. Diese anderen Schichten beinhalten antireflektierende Beschichtungen, die aus einem oder mehreren Materialien, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Hafniumdioxid, Magnesiumfluorid und Lithiumfluorid aufgebaut sind. Eine oder mehrere dieser anderen Schichten können unter Anwendung eines ALD-Prozesses abgeschieden werden. Wie zuvor erläutert ist, ist ein Vorteil der Verwendung eines ALD-Prozesses zur Abscheidung einer antireflektierenden Schicht für DUV- oder VUV-Wellenlängen die sehr präzise Steuerung der Schichtdicke, die dadurch möglich ist. Da ferner in der in 2 dargestellten Ausführungsform Metallverbindungen vorhanden sind, ist es bevorzugt, dass die Abscheideprozesse keine Temperaturen über 450°C anwenden. Ein weiterer Vorteil der Anwendung von ALD für die Abscheidung besteht darin, dass die meisten ALD-Prozesse Temperaturen von deutlich unter 450°C anwenden.
In einer Ausführungsform kann die schützende Vorderseitenschicht im Schritt 213 entfernt werden. In einer weiteren Ausführungsform können im Schritt 213 Öffnungen oder Kontaktlöcher in der schützenden Vorderseitenschicht oder Silizium-Durchgangslöcher um die Ränder des Bauelements herum freigelegt werden, wodurch die Verbindung zu den Schaltungsstrukturen ermöglicht wird.
Im Schritt 215 kann die resultierende Struktur in ein geeignetes Gehäuse eingebracht werden. Der Gehäuseschritt kann eine Flip-Chip-Verbindung oder ein Draht-Bonding des Bauelements an das Substrat umfassen. Das Gehäuse kann ein Fenster aufweisen, das interessierenden Wellenlängen durchlässt, oder kann einen Flansch oder eine Dichtung zur Verbindung mit einer Vakuumdichtung aufweisen.
3A–3F zeigen anschauliche Querschnitte einer Scheibe, die dem Verfahren 100 (1) unterzogen wird. 3A zeigt eine Epitaxieschicht-(Epi-)Schicht 302, die auf der Vorderseite eines Substrats 301 gebildet wird. In einer Ausführungsform ist das Substrat 301 ein p+ (d. h., stark p dotiert) Substrat, und die Epi-Schicht 302 ist eine p– Epi-Schicht (d. h., eine Schicht mit geringer Konzentration eines p-Dotierstoffes). 3B zeigt eine Gate-Oxidschicht 303, die auf der Epi-Schicht 302 gebildet ist, eine Siliziumnitrid-(Si₃N₄)Gate-Schicht 304, die auf der Gate-Oxidschicht 303 gebildet wird, und Vorderseiten-Schaltungselemente 305, die auf der Gate-Schicht 304 gebildet werden (Schritt 101). Zu beachten ist, dass abhängig von der Art der Bildsensor-Technik das Gate-Dielektrikum eine, zwei oder drei Schichten aufweisen kann. Die Ausbildung der Vorderseiten-Schaltungselemente umfasst das Implantieren oder Dotieren von Bereichen auf der Vorderseite der Epi-Schicht und kann die Strukturierung der Gate-Schicht beinhalten. 3C zeigt das Substrat 301, wenn es an seiner Rückseitenfläche gedünnt wird, zumindest in gewissen Bereichen, um ein gedünntes Substrat 301A zu bilden, das in Kombination mit der Epi-Schicht 302 eine Halbleitermembran bildet (Schritt 103), und es wird eine Schutzschicht 305A auf den Vorderseiten-Schaltungselementen 305 hergestellt (Schritt 105). 3D zeigt eine optionale dotierte Schicht 303A, die in einem Teil der Epi-Schicht 302 ausgebildet werden kann, der durch das gedünnte Substrat 301A freigelegt ist. Diese Dotierung kann durch Ionenimplantation gefolgt von thermischer Aktivierung, durch Plasma-Dotierung, durch plasmaunterstützte Dotierung oder ähnliche Techniken erfolgen. In einer Ausführungsform kann diese Dotierung während des Schritts 107 als Teil der Aufbereitung der Rückseitenfläche und vor der Hochtemperatur-Oberflächenbehandlung im Schritt 109 ausgeführt werden. 3E zeigt eine reine Borschicht 306, die auf dem gedünnten Substrat 301A und der freigelegten Epi-Schicht 302 gebildet wird (Schritt 111). Da ein gewisser Teil des Bors einige Nanometer in die Epi-Schicht diffundiert, ist es in einigen Ausführungsformen nicht nötig, dass sie die separat dotierte Schicht 303A enthalten. 3F zeigt, dass nach Entfernung oder Öffnung der Schutzschicht 305A (Schritt 113) Vorderseiten-Metall (d. h. Zwischenverbindung) 307 auf den Vorderseiten-Schaltungselementen 305 hergestellt werden kann. 3G zeigt die Herstellung einer oder mehrerer antireflektierender Schichten 308 auf der Borschicht 306. Die antireflektierenden Schichten 308 können jederzeit nach dem Schritt 111 (Abscheidung der Borschicht) aber vor dem Schritt 117 (Einbringen ins Gehäuse) ausgeführt werden. Zumindest ein Teil der antireflektierenden Schichten wird unter Anwendung eines ALD-Prozesses abgeschieden. Wie zuvor erläutert ist, beinhalten Vorteile der Verwendung eines ALD-Prozesses für die Abscheidung von DUV- und VUV-antireflektierenden Schichten die präzise Dickensteuerung und die geringe Bearbeitungstemperatur (für gewöhnlich wesentlich tiefer als 450°C).
4A–4G zeigen anschauliche Querschnitte einer Scheibe, die dem Verfahren 200 (2) unterzogen wird. 4A zeigt eine Epitaxieschicht-(Epi-)Schicht 402, die auf der Vorderseite eines Substrats 401 gebildet wird. In einer Ausführungsform ist das Substrat 401 ein p+ Substrat, und die Epi-Schicht 402 ist eine p– Epi-Schicht. In einer Ausführungsform ist das Substrat eine SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Scheibe mit einer vergrabenen Oxidschicht 402A zwischen dem Substrat 401 und der Epi-Schicht 402. SOI-Scheiben sind im Handel von Soitec (Bernin, Frankreich) und anderen Lieferanten erhältlich. In anderen Ausführungsformen wird die Epi-Schicht direkt auf dem Substrat 401 ohne eine vergrabene Oxidschicht 402A aufgewachsen. 4B zeigt diverse Schaltungselemente 403 mit Zwischenverbindungen, die auf der Epi-Schicht gebildet werden können (Schritt 201) (zu beachten ist, dass die Epi-Schicht gezeigt ist, aber nicht gekennzeichnet ist, um die Zeichnungen nicht unnötig kompliziert zu machen). Da die Zwischenverbindungen auf der Scheibe vor der Dünnung bis zu der Epi-Schicht ausgebildet werden, können diese Zwischenverbindungen unter Anwendung normaler Sub-Mikrometer-CMOS-Bearbeitungstechniken hergestellt werden und können mehrere Schichten mit hochdichten Metallzwischenverbindungen aufweisen. In einigen Ausführungsformen werden mehrere Silizium-Durchgangslöcher (TSV) 403A um einen oder mehrere Ränder des Bildsensor-Arrays herum geschaffen, um eine Verbindung zu den Schaltungselementen 403 zu ermöglichen. 4C zeigt eine Hantierungsscheibe 404, die auf der Oberseite der Schaltungselemente 403 befestigt ist (Schritt 203). Zu beachten ist, dass die Silizium-Durchgangslöcher gezeigt sind, aber nicht bezeichnet sind, um die Zeichnungen nicht übermäßig kompliziert zu machen. In anderen Ausführungsformen kann eine Schutzschicht anstelle der Hantierungsscheibe 404 verwendet werden. 4D zeigt die Scheibe nach dem Dünnen des Substrats 401 bis zu der Epi-Schicht, auf der Schaltungselemente 403 gebildet sind, die in diesem Falle die Halbleitermembran bildet. In einer Ausführungsform wird durch dieses Zurückdünnen die vergrabene Oxidschicht 402A freigelegt. 4E zeigt die Scheibe nach der Reinigung und Aufbereitung der Rückseitenfläche (Schritt 207), was zu einem geätzten Oxid 402B führen kann, das so strukturiert ist, dass die TSV 403A geschützt werden, während die Epi-Schicht in dem Bereich des Bild-Sensor-Arrays freigelegt ist. 4F zeigt eine reine Borschicht 406, nachdem diese auf der Rückseitenfläche der Epi-Schicht 402 gebildet wurde (Schritt 211). 4G zeigt eine oder mehrere antireflektierende Schichten 408, die auf der Oberseite der reinen Borschicht 406 abgeschieden sind. Mindestens eine der antireflektierenden Schichten wird unter Anwendung eines ALD-Prozesses abgeschieden. Wie zuvor erläutert ist, schließen Vorteile der ALD die geringe Prozesstemperatur und die präzise Steuerung der Dicke(n) abgeschiedener Materialien mit ein. 4H zeigt die Scheibe, nachdem das geätzten Oxid 402B und jegliche darüber liegende antireflektierende Schichten entfernt sind und durch eine Metallanschlussfläche 407 ersetzt sind, um eine elektrische Verbindung zu den TSV 403A zu ermöglichen (Schritt 213).
In jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann die antireflektierende Schicht bzw. die Schichten eine Dicke (oder Dicken) haben, die so ausgewählt sind, dass die Durchlässigkeit der einen oder mehreren interessierenden Wellenlängen in dem Siliziumssensor maximiert wird. Wenn die Absorption der antireflektierenden Schichten nicht signifikant ist, dann entspricht die Maximaldurchlässigkeit in das Silizium hinein der minimalen Reflexivität. Beispielsweise können für einen Sensor, der für einen Arbeitsbereich in der Nähe der Wellenlänge von 193 nm vorgesehen ist, die eine oder mehreren Dicken der einen oder mehreren antireflektierenden Schichten so ausgewählt werden, dass die Durchlässigkeit für Wellenlängen in der Nähe von 193 nm maximal ist. Für DUV-Wellenlängen kann amorphes Alumina (Aluminiumoxid) eine wirksame antireflektierende Beschichtung für dünne (< 10 nm) Borschichten auf Silizium bilden. Aluminiumoxid ist für die Abscheidung durch ALD geeignet. Eine Aluminiumoxid-Schichtdicke von ungefähr 16,5 nm auf einer dünnen Borschicht (etwa einer Borschicht mit einer Dicke von 2 bis 3 nm) führt zu einer minimalen Reflexivität von weniger als 10% in der Nähe der Wellenlänge von 193 nm für einen nahezu senkrechten Einfall. Da eine dünne Aluminiumoxidschicht eine vernachlässigbare Absorption in der Nähe der Wellenlänge von 193 nm hat, entspricht dieses Minimum der Reflexivität der maximalen Durchlässigkeit in den Sensor hinein. Ein Vorteil eines ALD-Prozesses zur Abscheidung dieser Art an antireflektierender Schicht gegenüber anderen Abscheidetechniken besteht darin, dass ALD-Prozesse generell keine Hoch-Energie-Ionen oder Elektronen für die Abscheidung benötigen und somit eine geringere Wahrscheinlichkeit für die Schädigung empfindlicher Halbleiterschaltungen besitzen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine sehr präzise Dickensteuerung (ungefähr eine Monoschicht) bei ALD-Prozessen möglich ist. Da antireflektierende Schichten für DUV- und VUV-Wellenlängen dünn sein müssen (etwa 16,5 nm in dem vorhergehenden Beispiel) führt eine präzise Dickensteuerung zu einer besseren Gleichmäßigkeit von Sensor zu Sensor und über den gesamten lichtempfindlichen Bereich eines Sensors.
In einigen Ausführungsformen kann die antireflektierende Beschichtung mehr als eine Schicht aufweisen. Insbesondere wenn der Sensor über einen Bereich von Wellenlängen hinweg arbeiten soll, oder wenn verfügbare Beschichtungsmaterialien einzelnen keine gewünschte niedrigere Reflexivität ergeben, kann eine mehrschichtige antireflektierende Beschichtung ein besseres Verhalten als eine einzelne Schicht zeigen. Wenn beispielsweise eine Siliziumnitrid-Beschichtung anstelle einer Aluminiumoxid-Beschichtung für eine Wellenlänge in der Nähe von 193 nm verwendet wird, ergibt eine einzelne Schicht von 9 nm ein Reflexivitätsminimum in der Nähe von 193 nm von ungefähr 0,8% Reflexivität. Da jedoch Siliziumnitrid DUV-Licht absorbiert, ist der Anteil von Licht bei 193 nm, das in das Silizium durchgelassen wird, tatsächlich kleiner als für die Nitrid-Beschichtung mit 9 nm im Vergleich zu der Aluminiumoxid-Beschichtung mit 16,5 nm (ungefähr 53% im Vergleich zu ungefähr 58%). Die Verringerung der Dicke der Siliziumnitrid-Beschichtung auf ungefähr 8 nm kann die Durchlässigkeit in das Silizium um ungefähr 0,5% verbessern, obwohl die Reflexivität etwas höher ist für die 9 nm-Beschichtung (ungefähr 1,5% gegenüber ungefähr 0,8%). Eine 2-Schicht-Beschichtung mit einer Magnesiumfluorid-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 17 nm auf einer Siliziumnitridschicht von ungefähr 5 nm auf Bohr von 2–3 nm auf dem Siliziumssensor kann die Durchlässigkeit von Licht bei 193 nm in das Silizium hinein auf ungefähr 56% erhöhen, was nahe an den ungefähr 58% liegt, die mit einer Einzelschicht-Aluminiumoxid-Beschichtung erreichbar sind. Dies ist nur ein Beispiel, wie zusätzliche Entspiegelungsschichten es möglich machen, mit nicht idealen Materialien deutliche Verbesserungen bei der Durchlässigkeit der interessierenden Wellenlänge in einen Sensor hinein zu erreichen. Da beide Schichten dünn sind, können ALD-Prozesse vorteilhafterweise eingesetzt werden, um beide Schichten abzuscheiden, um in präziser Weise die Dicken zu steuern.
Die vorhergehenden Beispiele sollen den Schutzbereich der Erfindung, die hierin beschrieben ist, nicht beschränken. Sie sind lediglich als Darstellungen zu betrachten, wie geeignete antireflektierende Schichten für eine oder mehrere interessierenden Wellenlängen ausgewählt werden können, wobei verfügbare Materialien verwendet werden. Die Brechungsindizes der meisten Materialien sind für DUV-Wellenlängen nicht genau bekannt, und die Brechungsindizes eines Materials können für unterschiedliche Abscheidebedingungen unterschiedlich sein, etwa beispielsweise kann sich die Dichte des Materials durch Änderungen der Abscheidebedingungen ändern. Die optimale Schichtdicke der antireflektierende Beschichtung für die vorhergehenden Beispiel kann von den vorhergehenden Werten aufgrund der tatsächlichen Brechungsindizes der Materialien, die von den Werten abweichen, die für die Berechnungen verwendet wurden, unterscheiden. Es ist gut bekannt, wie die Reflexivität und die Absorption dünner Schichten zu berechnen ist. Ein Fachmann kann geeignete Schichtdicken für eine gegebene Wellenlänge oder Wellenlängen berechnen, sobald die Brechungsindizes der Materialien bei diesen Wellenlängen bekannt sind.
Magnesiumfluorid und Kalziumfluorid sind besonders zweckdienliche Materialien für DUV- und VUV-Wellenlängen, da sie Wellenlängen von größer als ungefähr 115 nm und 125 nm nicht stark absorbieren. Aluminiumoxid ist ebenfalls für DUV- und einige VUV-Wellenlängen geeignet. SiO₂ kann für Wellenlängen größer als ungefähr 130 nm geeignet sein. Siliziumnitrid und Hafniumdioxid sind Beispiele von Materialen großem Index, die an dem Ende der langen Wellenlängen des DUV-Spektrums liegen, wo ihre Absorption schwächer ist, aber sie sind nicht so geeignet für VUV-Wellenlängen aufgrund einer relativ starken Absorption derartiger Wellenlängen.
5 zeigt eine anschauliche Detektoranordnung 500 mit einem Bildsensor 504, einem Siliziumzwischenelement bzw. Zwischenschicht 502 und anderer Elektronik gemäß gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Detektoranordnung 500 einen oder mehrere lichtempfindliche Sensoren 504 aufweisen, die auf der Oberfläche einer Zwischenschicht 502 angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen können die eine oder mehrere Zwischenschichten 502 der Anordnung 500, ohne einschränkend zu sein, eine Silizium-Zwischenschicht aufweisen. In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden der eine oder die mehreren lichtempfindlichen Sensoren 504 der Anordnung 500 zurückgedünnt und sind ferner ausgebildet für eine Rückseiten-Beleuchtung mit einer Borschicht und einer oder mehreren antireflektierenden Schichten, die auf der Rückfläche abgeschieden sind, wie zuvor beschrieben ist.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können diverse Schaltungselemente der Anordnung 500 auf der Zwischenschicht 502 angeordnet oder in diese eingebaut sein. In einer Ausführungsform können eine oder mehrere Verstärkerschaltungen (beispielsweise Ladungswandlungsverstärker) (nicht gezeigt) auf der Zwischenschicht 502 oder darin eingebaut sein. In einer weiteren Ausführungsform können eine oder mehrere Wandlerschaltungen 508 (beispielsweise Analog-zu-Digital-Wandlerschaltungen, d. h., Digitalisierer 508) auf der Zwischenschicht 502 angeordnet oder in diese eingebaut sein. In einer weiteren Ausführungsform können eine oder mehrere Treiberschaltungen 506 auf der Zwischenschicht 502 angeordnet oder in diese eingebaut sein. Beispielsweise können die eine oder die mehreren Treiberschaltungen 506 eine Zeitgeber-/serielle Treiberschaltung beinhalten. Beispielsweise können die eine oder die mehreren Treiberschaltungen 506, ohne einschränkend zu sein, eine Takttreiberschaltung oder einer Rücksetz-Treiberschaltung aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform können ein oder mehrere Entkopplungskondensatoren (nicht gezeigt) auf der Zwischenschicht 502 angeordnet oder in diese eingebaut sein. In einer weiteren Ausführungsform sind eine oder mehrere serielle Sender (in 5 nicht gezeigt) gegebenenfalls auf der Zwischenschicht 502 angeordnet oder in dieser eingebaut.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können eine oder mehrere Haltestrukturen zwischen der Bodenfläche des lichtempfindlichen Array-Sensors 504 und der Oberseitenfläche der Zwischenschicht 502 angeordnet sein, um einen physikalischen Träger für den Sensor 504 bereitzustellen. In einer Ausführungsform sind mehrere Lotkugeln 516 zwischen der Bodenfläche des lichtempfindlichen Array-Sensors 504 und der Oberseitenfläche der Zwischenschicht 502 angeordnet, um einen physikalischen Träger für den Sensor 504 bereitzustellen. Es wird hierin erkannt, dass, während das Bildgebungsgebiet des Sensors 504 gegebenenfalls keine externe elektrische Verbindungen aufweist, die Rückdünnung des Sensors 504 bewirkt, dass der Sensor 504 zunehmend biegsam wird. Damit können die Lotkugeln 516 verwendet werden, um den Sensor 504 mit der Zwischenschicht 502 in einer Weise so zu verbinden, dass der bildgebende Bereich des Sensors 504 verstärkt wird. In einer alternativen Ausführungsform kann ein Unterfüllungsmaterial zwischen der Bodenfläche des lichtempfindlichen Array-Sensors 504 und der Oberseitenfläche der Zwischenschicht 502 angeordnet werden, um den physikalischen Träger für den Sensor 504 bereitzustellen. Beispielsweise kann Epoxidharz zwischen der Bodenfläche des lichtempfindlichen Array-Sensors 504 und der Oberseitenfläche der Zwischenschicht 502 vorgesehen werden.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Zwischenschicht 502 und die diversen zusätzlichen Schaltungen (beispielsweise Verstärkerschaltung, Treiberschaltungen 506, Digitalisier-Schaltungen 508 und dergleichen) auf einer Oberfläche eines Substrats 510 angeordnet. In einem weiteren Aspekt umfasst das Substrat 501 ein Substrat mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit (beispielsweise ein Keramiksubstrat). In dieser Hinsicht ist das Substrat 510 ausgebildet, als physikalische Träger für die Anordnung aus Sensor 504/Zwischenschicht 502 zu dienen, während auch Mittel für die Anordnung 500 bereitgestellt werden, um in effizienter Weise Wärme von dem Bildsensor 504 und den diversen anderen Schaltungen (beispielsweise Digitalisierer 506, Treiberschaltung 508, Verstärker, und dergleichen) abzutransportieren. Es wird hierin erkannt, dass das Substrat ein äußerst steifes wärmeleitfähiges Substratmaterial, das im Stand der Technik bekannt ist, umfassen kann. Beispielsweise kann das Substrat 510, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Keramiksubstrat umfassen. Beispielsweise kann das Substrat 510, ohne darauf beschränkt zu sein, Aluminiumnitrid aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Substrat 510 ausgebildet sein, eine Verbindungsfläche zu einem Sockel oder einer darunter liegenden gedruckten Leiterplatte (PCB) bereitzustellen. Beispielsweise, wie in 5 gezeigt ist, kann das Substrat 510 eine Zwischenverbindung zwischen der Zwischenschicht 502 und einem Sockel oder einer PCB über Zwischenverbindungen 512 bereitstellen. Der Fachmann erkennt, dass das Substrat 510 funktionsmäßig mit einer darunter liegenden PCB gekoppelt und ferner elektrisch mit einem Sockel oder einer PCB auf viele Weisen verbunden werden kann, die alle als innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegend zu betrachten sind.
Die diversen Ausführungsformen der Strukturen und Verfahren dieser Erfindung, die zuvor beschrieben sind, sind lediglich anschaulich in Bezug auf die Prinzipien dieser Erfindung und beabsichtigen nicht, den Schutzbereich der Erfindung auf die speziellen beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Beispielsweise können weitere Schritte zu den Flussdiagrammen hinzugefügt werden, die in den 1 und 2 gezeigt sind, oder einige der gezeigten Schritte können in einer anderen Abfolge ausgeführt werden, als gezeigt ist. Daher ist die Erfindung nur durch die folgenden Patentansprüche und ihre Äquivalente beschränkt.

Claims

Ein Bildsensor zur Erfassung von tiefer Ultraviolett-(DUV-)Strahlung und/oder Vakuum-Ultraviolett-(VUV-)Strahlung, extremer Ultraviolett-(DUV-)Strahlung und/oder geladener Teilchen, wobei der Bildsensor umfasst: eine Halbleitermembran mit Schaltungselementen, die auf einer ersten Oberfläche der Halbleitermembran ausgebildet sind; eine reine Borschicht, die auf einer zweiten Oberfläche der Halbleitermembran ausgebildet ist; und eine antireflektierende Beschichtung, die auf der Oberfläche der reinen Borschicht ausgebildet ist, wobei ein Atomlagen-Abscheide-(ALD-Prozess zur Herstellung zumindest eines Teiles der antireflektierende Beschichtung verwendet ist.
Der Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die Halbleitermembran eine Epitaxieschicht mit einer Dicke zwischen ungefähr 10 μm und ungefähr 40 μm aufweist.
Der Bildsensor nach Anspruch 2, der ferner eine dotierte Schicht aufweist, die in der zweiten Oberfläche der Membran ausgebildet ist.
Der Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die reine Borschicht eine Dicke zwischen 2 nm und 20 nm hat.
Der Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die antireflektierende Beschichtung zwei oder mehr Schichten unterschiedlicher Materialien umfasst.
Der Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die antireflektierende Beschichtung Aluminiumoxid aufweist, das durch den ALD-Prozess abgeschieden ist.
Der Bildsensor nach Anspruch 1, der ferner eine Hantierungsscheibe umfasst, die an den Schaltungselementen angebracht ist.
Der Bildsensor nach Anspruch 1, der ferner eine Schutzschicht aufweist, die auf den Schaltungselementen ausgebildet ist.
Der Bildsensor nach Anspruch 4, wobei der Bildsensor ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) oder ein CMOS-Bauelement aufweist.
Ein Bildsensor zu Erfassung von tiefer Ultraviolett-(DUV-)Strahlung und/oder Vakuum-Ultraviolett-(VUV-)Strahlung und/oder extremer Ultraviolett-(EUV-)Strahlung und/oder geladener Teilchen, wobei der Bildsensor umfasst: eine Halbleitersubstratmembran mit Schaltungselementen, die auf einer ersten Oberfläche davon ausgebildet sind; eine reine Borschicht, die auf einer zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist; und eine antireflektierende Beschichtung, die auf der reinen Borschicht ausgebildet ist.
Der Bildsensor nach Anspruch 10, wobei die reine Borschicht eine Dicke zwischen 2 nm und 20 nm hat, und wobei die antireflektierende Beschichtung Aluminiumoxid aufweist.
Der Bildsensor nach Anspruch 11, wobei die reine Borschicht eine Dicke zwischen 3 nm und 10 nm hat, und wobei das Aluminiumoxid eine Dicke von ungefähr 16,5 nm hat.
Der Bildsensor nach Anspruch 11, wobei das Aluminiumoxid durch einen ALD-Prozess abgeschieden ist.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer Epitaxieschicht auf einem Substrat; Bilden einer Gate-Schicht auf dem Substrat; Bilden einer Schicht für Schaltungselemente auf der Gate-Schicht; Dünnen des Substrats zur Erzeugung eines gedünnten Substrats, wobei das gedünnte Substrat zumindest Bereiche der Epitaxieschicht freilegt; Bilden einer reinen Borschicht auf den freigelegten Bereichen der Epitaxieschicht; und Bilden einer antireflektierenden Beschichtung auf der Oberfläche der reinen Borschicht, wobei Bildung der antireflektierenden Beschichtung einen Atomlagen-Abscheide-(ALD-)Prozess umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die antireflektierende Beschichtung mindestens zwei Schichten aus unterschiedlichen Materialien umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die antireflektierende Beschichtung Aluminiumoxid aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, das umfasst: Dotieren mindestens eines freigelegten Bereichs der Epitaxieschicht nach dem Dünnen des Substrats und vor der Bildung der reinen Borschicht.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer Epitaxieschicht auf einem Substrat; Bilden von Schaltungselementen auf der Epitaxieschicht; Anbringen einer Hantierungsscheibe auf den Schaltungselementen; Dünnen des Substrats zum Freilegen der Epitaxieschicht; und Bilden einer reinen Borschicht auf der freigelegten Oberfläche der Epitaxieschicht; und Bilden einer antireflektierenden Beschichtung auf der Oberfläche der reinen Borschicht, wobei das Bilden der antireflektierenden Beschichtung einen Atomlagen-Abscheide-(ALD-)Prozess umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei die antireflektierende Beschichtung mindestens zwei Schichten aus unterschiedlichen Materialien umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei die antireflektierende Beschichtung Aluminiumoxid aufweist.