EP1535339A2 - Integrierte fotoempfindliche strukturen und passivierungsverfahren - Google Patents
Integrierte fotoempfindliche strukturen und passivierungsverfahrenInfo
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- EP1535339A2 EP1535339A2 EP03750301A EP03750301A EP1535339A2 EP 1535339 A2 EP1535339 A2 EP 1535339A2 EP 03750301 A EP03750301 A EP 03750301A EP 03750301 A EP03750301 A EP 03750301A EP 1535339 A2 EP1535339 A2 EP 1535339A2
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Definitions
- CMOS-based camera chips are an alternative to CCD cameras.
- a major problem lies in the fact that the insulating cover layers of silicon oxide and silicon nitride lying on the finished processed silicon wafer are in principle transparent to light in the visible wavelength range, but their thickness is not adapted, so that there is a loss of intensity.
- three to five and sometimes even more different layers lie on top of one another, which give a total layer thickness of 1 ⁇ m to 3 ⁇ m and more.
- the thickness of this layer structure is therefore of the order of magnitude of the light wavelength (up to a few multiples), so that the interference of thin layers, depending on the wavelength and the current layer thickness, can reduce the proportion of the light passing through.
- the normal process tolerance of the thickness during the layer deposition (+ 10%) on a single silicon wafer can result in areas of maximum transmission and also areas of maximum reflection, i.e.
- the amount of light transmitted by a monochromatic light source that arrives in the photodiode can fluctuate up to 40% based on a silicon wafer.
- the invention achieves an improvement in CMOS / BiCMOS technologies with integrated photosensitive structures in terms of costs by increasing the yield and by minimizing the additional manufacturing effort.
- the task is solved in such a way that the last layer of the usual finishing layer system with a defined thickness and high tolerance was applied as the only layer over the areas of the photosensitive structures.
- An unavoidable tolerance of the thickness after the deposition (generally ⁇ 10%) does not lead from amplification to extinguishing the continuous light.
- CMOS or BiCMOS process runs unchanged up to and including the last metallization.
- the layer system usually to be deposited afterwards has to fulfill several tasks:
- the silicon oxynitride is deposited as standard (if this is to getter, getter centers can be introduced). This is followed by a photolithographic process in which the at least one light-sensitive area is exposed. All layers above the silicon surface are removed in the area of the photosensitive structure (s), which is possible with sufficient precision due to the Si0 2 / Si interface. It goes without saying that the openings of the photomask must be at a sufficiently large distance from metal interconnects and from the pn junctions that meet the surface (pn junctions must not be exposed).
- the final silicon nitride layer is then deposited with a preferred layer thickness of 260 nm.
- the layer of this thickness has a transmission for wavelengths of 410 nm and 700 nm Maximum (see Figure 1). Together with the sensitivity curve of the silicon, there is a broad, unimpaired sensitivity of the photodetectors without any notable spectral reduction in the visible range (eg n-well / p-substrate, see FIG. 2).
- the layer thickness can be modified so that maximum transmission occurs for a given wavelength. Layer thickness tolerances of around 10% have only a marginal influence.
- silicon nitride on silicon on the finished CMOS chip does not cause any problems with regard to mechanical stress, especially since there are no significant thermal loads.
- the passivation tasks are proven to be fulfilled without restrictions.
- This silicon nitride layer is normally followed by a structuring of bond pads.
- FIG. 1 is a transmission behavior for the optical layer 2.
- Figure 2 is a sensitivity function for the same layer 2 in silicon.
- Figure 3 is an example of a detail from an IS (IC).
- a layer system 3 which is usually to be deposited thereafter has to fulfill several tasks: electrical insulation from the environment, mechanical protection, protection against moisture and possibly also gettering action (e.g. by means of built-in phosphorus).
- a conventional double-layer system consisting of a first layer of silicon oxynitride, followed by a layer of silicon nitride, is assumed.
- the silicon oxynitride is deposited (if this is to be “gettered”, getter centers can be introduced). This is followed by a photolithographic process in which the at least one light-sensitive region 1 is exposed. All layers above the silicon surface A are removed in the area of the photosensitive structure (s), which is possible with sufficient precision due to the SiO 2 / Si interface. It goes without saying that openings in the photomask are at a sufficiently large distance from metal interconnects and from the pn junctions abutting the surface (pn junctions must not be exposed).
- the final silicon nitride layer 2 is then deposited with a preferred layer thickness of essentially 260 nm.
- the layer of this thickness has, for example, a transmission maximum for wavelengths from 410 nm to 700 nm, see FIG. 1. Together with the sensitivity curve of the silicon, this results in a broad, unimpaired sensitivity of the photodetectors without any significant spectral reduction in the visible range, e.g. n-well / p-substrate, see FIG. 2.
- the layer thickness "d" of layer 2 can be modified so that maximum transmission occurs for a given wavelength.
- Layer thickness tolerances of around 10% have only a marginal influence. Investigations have shown that silicon nitride on silicon on the finished CMOS chip does not cause any problems with regard to mechanical stress, especially since there are no significant thermal loads. The tasks of passivation 3 are proven to be fulfilled without restrictions.
- the silicon nitride layer 2 is normally followed by a structuring of bond pads.
- photosensitive structure e.g. Photodiode.
- d defined optical thickness i.e. defined thickness * refractive index
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Description
Integrierte fotoempfindliche Strukturen und Passivierungsverfahren
Integrierte Schaltkreise moderner CMOS-Technologien haben als essentiellen Bestandteil durch pn-Übergänge isolierte Gebiete unterschiedlicher Leitfähigkeit, die als Drain/Source, Wannen, bzw. 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 drei bis fünf und teilweise noch mehr verschiedene Schichten übereinander, die eine Gesamtschichtdicke von 1μm bis 3μm und mehr ergeben. Die Dicke dieses Schichtaufbaus liegt also in der Größenordnung der Lichtwellenlänge (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 Bauelementestrukturen, wie Fotogates und Fotowiderstände - alle zusammen als "fotoempfindliche Strukturen" bezeichnet - ungünstig.
Es ist Aufgabe der Erfindung, im Bereich der fotoempfindlichen Strukturen der Schaltung Abdeckschichten so zu gestalten, dass Lichtreflexionsverluste vermindert werden und eine größere Gleichmäßigkeit der Lichttransparenz (Transmission) in der Verteilung über eine jeweilige Siliziumscheibe erhalten wird, insbesondere auch bezogen auf verschiedene Siliziumscheiben untereinander.
Die Erfindung erreicht eine Verbesserung der CMOS/BiCMOS-Technologien mit integrierten fotoempfindlichen Strukturen bezüglich Kosten durch Ausbeutesteigerung und durch möglichst geringen Fertigungsmehraufwand.
Die Aufgabe wird so gelöst, dass über den Gebieten der fotoempfindlichen Strukturen als einzige Schicht die zuletzt folgende Schicht des üblichen Abschluss-Schichtsystems mit einer definierten Dicke und hoher Toleranz aufgebracht war.
Über den lichtempfindlichen Gebieten als fotoempfindliche Strukturen (Fotodioden, Fotogates, Fotowiderstände) wird also nur eine einzige Schicht angeordnet, deren optische Dicke (Brechzahl * Schichtdicke) dahingehend auf die transmittierte Wellenlänge abgestimmt wird, dass die Transmission maximal ist (D = λ/4 bzw. ein ungerades Vielfaches davon). Eine unvermeidliche Toleranz der Dicke nach dem Abscheiden (i.A. ±10%) führt noch nicht von Verstärkung zur Auslöschung des durchgehenden Lichtes.
In der Praxis sieht das so aus, dass der CMOS- bzw. BiCMOS-Prozess unverändert bis einschließlich der letzten Metallisierung abläuft. Das üblicherweise danach abzuscheidende Schichtsystem hat mehrere Aufgaben zu erfüllen:
•S Elektrische Isolation zur Umwelt mechanischer Schutz
•S 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 Prozessabfolge (Anspruch 4) wird das Siliziumoxinitrid standardmäßig abgeschieden (falls dieses gettern soll, können Getterzentren eingebracht werden). Danach erfolgt ein fotolithografischer Prozess, bei dem das zumindest eine lichtempfindliche Gebiet freigelegt wird. Dabei werden im Bereich der fotoempfindlichen Struktur(en) alle Schichten über der Siliziumoberfläche entfernt, was bedingt durch die Grenzfläche Si02/Si ausreichend präzise möglich ist. Es versteht sich, dass die Öffnungen der Fotomaske hinreichend großen Abstand zu Metall-Leitbahnen 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 bevorzugten Schichtdicke von 260 nm abgeschieden. Die Schicht dieser Dicke hat zum Beispiel für Wellenlängen von 410 nm und 700 nm ein Transmissions-
Maximum (siehe Figur 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 Figur 2).
Bei Bedarf kann die Schichtdicke so modifiziert werden, dass für eine gegebene Wellenlänge maximale Transmission auftritt. Schichtdicken-Toleranzen um 10% haben nur noch marginalen Einfluss.
Untersuchungen haben gezeigt, dass Siliziumnitrid auf Silizium am fertigen CMOS-Chip keine Probleme bezüglich mechanischem Stress erzeugt, zumal keine nennenswerten thermischen Belastungen mehr folgen. Die Aufgaben der Passivierung werden nachgewiesenermaßen uneingeschränkt erfüllt. Nach dieser Siliziumnitridschicht folgt normalerweise eine Strukturierung von Bondpads.
Beispiele veranschaulichen die Erfindung.
Figur 1 ist ein Transmissionsverhalten für die optische Schicht 2.
Figur 2 ist eine Empfindlichkeitsfunktion für dieselbe Schicht 2 bei Silizium.
Figur 3 ist ein Beispiel eines Ausschnitts aus einer IS (IC).
In der Praxis sieht es so aus, dass ein CMOS- bzw. BiCMOS-Prozess unverändert bis einschließlich der letzten Metallisierung 6 abläuft. Ein üblicherweise danach abzuscheidendes Schichtsystem 3 hat mehrere Aufgaben zu erfüllen: Elektrische Isolation zur Umwelt, mechanischen 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 nach Figur 3 gezeigten Prozessfolge wird das Siliziumoxinitrid abgeschieden (falls dieses "gettem" soll, können Getterzentren eingebracht werden). Danach erfolgt ein fotolithografischer Prozess, bei dem das zumindest eine lichtempfindliche Gebiet 1 freigelegt wird. Dabei werden im Bereich der fotoempfindlichen Struktur(en) alle Schichten über der Siliziumoberfläche A entfernt, was bedingt durch die Grenzfläche SiO2/Si ausreichend präzise möglich ist. Es versteht sich, dass Öffnungen der Fotomaske hinreichend großen Abstand zu Metallleitbahnen und zu an die Oberfläche stoßenden pn-Übergängen haben (pn-Übergänge dürfen nicht freigelegt werden).
Nach dem Entfernen der Lackmaske wird dann die abschließende Siliziumnitridschicht 2 mit einer bevorzugten Schichtdicke von im Wesentlichen 260 nm abgeschieden. Die Schicht dieser Dicke hat zum Beispiel für Wellenlängen von 410 nm bis 700 nm ein Transmissionsmaximum, siehe Figur 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 Figur 2.
Bei Bedarf kann die Schichtdicke "d" von Schicht 2 so modifiziert werden, dass für eine gegebene Wellenlänge eine maximale Transmission auftritt. Schichtdickentoleranzen um 10% haben nur noch marginalen Einfluss.
Untersuchungen haben gezeigt, dass Siliziumnitrid auf Silizium am fertigen CMOS-Chip keine Probleme bezüglich mechanischem Stress erzeugt, zumal keine nennenswerten thermischen Belastungen mehr folgen. Die Aufgaben der Passivierung 3 werden nachgewiesenermaßen uneingeschränkt erfüllt.
Nach der Siliziumnitridschicht 2 folgt normalerweise eine Strukturierung von Bondpads.
Bezugszeichenübersicht:
1 lichtempfindliche Struktur, z.B. Fotodiode.
2 einzige, zuletzt aufzubringende Schicht.
3 Passivierungs-Schichtsystem.
d definierte optische Dicke (d.h. definierte Dicke * Brechzahl).
* * * *
Claims
1. CMOS/BiCMOS-IC mit zumindest einer integrierten fotoempfindlichen Struktur (1 ), wie Fotodiode, Fotogate oder Fotowiderstand, wobei auf dem lichtempfindlichen Gebiet der Schaltung nur eine einzige Schicht (2) als zuletzt aufgebrachte Schicht eines die integrierte Schaltung abschließenden Passivierungschicht-Systems (3;2) und diese eine Schicht (2) eine für eine hohe Transmission gegebene optische Dicke (d) aufweist.
2. CMOS/BiCMOS-IC mit integrierter fotoempfindlicher Strukur (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die einzige Schicht (2) eine Siliziumnitridschicht ist.
3. CMOS/BiCMOS-IC mit integrierten fotoempfindlichen Strukturen nach Anspruch 1 , wobei die einzige Schicht (2) eine Siliziumoxidschicht ist.
4. Verfahren zur Herstellung einer CMOS/BiCMOS integrierten Schaltung mit zumindest einem, bevorzugt mehreren integrierten fotoempfindlichen Strukturen (1), wie Fotodioden, Fotogates oder Fotowiderständen, wobei zur Passivierung der Schaltungen nach einer letzten Metallisierungsebene (6) mehrere Schichten oder eine Mehrfachschicht (3) aufgebracht werden, wobei
(i) alle Passivierungsschichten mit Ausnahme einer letzten Schicht (2) auf der Siliziumscheibe (A) abgeschieden werden, danach die Gebiete über der lichtempfindlichen Struktur (1) mit einem fotolithographischen Prozess geöffnet werden;
(ii) die letzte Passivierungsschicht (2) mit einer, der optischen Dicke angepassten Dicke (d) für eine besonders hohe, insbesondere maximale Transparenz (Transmission) auf der gesamten Siliziumscheibe (A) abgeschieden wird und danach die Öffnung von Bondpads erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die letzte Passivierungsschicht (2) eine Siliziumnitridschicht ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die letzte Passivierungsschicht (2) eine Siliziumoxidschicht ist.
7. Verfahren oder IC nach Anspruch 1 , wobei die Schicht (2) im wesentlichen 260nm dick ist, für eine Transmission von Licht im Bereich von 410nm bis 700nm.
8. CMOS/BiCMOS-IC mit integrierten fotoempfindlichen Strukturen wie Fotodioden, Fotogates und Fotowiderständen, dadurch gekennzeichnet, dass auf den lichtempfindlichen Gebieten der Schaltung nur eine einzige Schicht, nämlich die mit der Zusammensetzung der zuletzt aufzubringenden Schicht eines die integrierte Schaltung abschließenden Passivierungsschichtsystems und diese mit definierter optischer Dicke vorhanden ist.
9. CMOS/BiCMOS-IC mit integrierten fotoempfindlichen Strukturen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einzige Schicht eine Siliziumnitridschicht ist.
10. CMOS/BiCMOS-IC mit integrierten fotoempfindlichen Strukturen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einzige Schicht eine Siliziumoxidschicht ist.
11. Verfahren zur Herstellung von CMOS/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 Passivierungsschicht mit einer der optischen Dicke angepassten Dicke für maximale Transparenz (Transmission) auf der gesamten Siliziumscheibe abgeschieden wird und danach die Öffnung der Bondpads erfolgt.
12. Verfahren zur Herstellung von CMOS/BiCMOS-IC's mit integrierten fotoempfindlichen Strukturen nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die letzte Passivierungsschicht eine Siliziumnitridschicht ist.
13. Verfahren zur Herstellung von CMOS/BiCMOS-IC's mit integrierten fotoempfindlichen Strukturen nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die letzte Passivierungsschicht eine Siliziumoxidschicht ist.
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