DE102021119400A1

DE102021119400A1 - Rückseitenstruktur für bildsensor

Info

Publication number: DE102021119400A1
Application number: DE102021119400.8A
Authority: DE
Inventors: Min-Feng KAO; Dun-Nian Yaung; Jen-Cheng Liu; Wen-Chang Kuo; Shih-Han Huang
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2021-04-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2022-10-27
Also published as: US20220344383A1; KR102699394B1; US20240363664A1; US12062679B2; TW202243224A; JP2022169429A; JP7595037B2; CN115249719A; KR20220147503A; TWI809657B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bildsensor mit einem Bildsensorelement, das von einer rückseitigen Tiefgrabenisolationsstruktur, BDTI-Struktur, umgeben ist, sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren. Bei einigen Ausführungsformen sind ein erstes Bildsensorelement und ein zweites Bildsensorelement dicht nebeneinander in einem Bildsensor-Die angeordnet. Ein dielektrischer Pixelstapel ist entlang einer Rückseite des Bildsensor-Dies über den Bildsensorelementen angeordnet. Der dielektrische Pixelstapel weist eine erste high-k-dielektrische Schicht und eine zweite high-k-dielektrische Schicht auf. Zwischen dem ersten und dem zweiten Bildsensorelement ist eine BDTI-Struktur so angeordnet, dass sie sich von der Rückseite des Bildsensor-Dies bis zu einer Position in dem Bildsensor-Die erstreckt. Die BDTI-Struktur weist eine Grabenfüllschicht auf, die von einem dielektrischen Isolationsstapel umschlossen ist. Der dielektrische Pixelstapel hat eine Zusammensetzung, die von der des dielektrischen Isolationsstapels verschieden ist.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 27. April 2021 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung 63/180.359 , die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
HINTERGRUND
Zahlreiche moderne elektronische Vorrichtungen enthalten optische Bildgebungsvorrichtungen (beispielsweise Digitalkameras), die Bildsensoren verwenden. Ein Bildsensor kann eine Anordnung von Pixelsensoren und Unterstützungslogik aufweisen. Die Pixelsensoren messen einfallende Strahlung (beispielsweise Licht) und wandeln sie in digitale Daten um, und die Unterstützungslogik erleichtert ein Auslesen der Messergebnisse. Eine Art von Bildsensor ist eine rückseitig beleuchtete Bildsensorvorrichtung (BSI-Bildsensorvorrichtung). BSI-Bildsensorvorrichtungen werden zum Erfassen einer Lichtmenge verwendet, die zu einer Rückseite eines Substrats (die einer Vorderseite des Substrats gegenüberliegt, auf der Interconnect-Strukturen mit mehreren Metall- und dielektrischen Schichten hergestellt sind) projiziert wird. BSI-Bildsensorvorrichtungen bieten im Vergleich zu einer vorderseitig beleuchteten Bildsensorvorrichtung (FSI-Bildsensorvorrichtung) eine reduzierte Auslöschung.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Vielmehr können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zugunsten einer klaren Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.

1 zeigt eine Schnittansicht einiger Ausführungsformen eines Bildsensors, der ein Bildsensorelement aufweist, das unter einem dielektrischen Pixelstapel angeordnet ist und von einer BDTI-Struktur (Backside Deep Trench Isolation, BDTI) umschlossen ist.
2 zeigt eine Schnittansicht einiger alternativer Ausführungsformen eines Bildsensors, der ein Bildsensorelement aufweist, das unter einem dielektrischen Pixelstapel angeordnet ist und von einer BDTI-Struktur umschlossen ist.
3 zeigt eine Schnittansicht einiger alternativer Ausführungsformen eines Bildsensors, der ein Bildsensorelement aufweist, das unter einem dielektrischen Pixelstapel angeordnet ist und von einer BDTI-Struktur umschlossen ist.
4 zeigt eine Schnittansicht einiger alternativer Ausführungsformen eines Bildsensors, der ein Bildsensorelement aufweist, das unter einem dielektrischen Pixelstapel angeordnet ist und von einer BDTI-Struktur umschlossen ist.
5 zeigt eine Schnittansicht einiger Ausführungsformen eines integrierten Chips, der einen Bildsensor-Die und einen Logik-Die aufweist, die aneinandergebondet sind, wobei der Bildsensor-Die ein Bildsensorelement aufweist, das unter einem dielektrischen Pixelstapel angeordnet ist und von einer BDTI-Struktur umschlossen ist.
Die 6 bis 20 zeigen einige Ausführungsformen von Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Bildsensors zeigen, der ein Bildsensorelement aufweist, das unter einem dielektrischen Pixelstapel angeordnet ist und von einer BDTI-Struktur umschlossen ist.
Die 21 bis 25 zeigen einige alternative Ausführungsformen von Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Bildsensors zeigen, der ein Bildsensorelement aufweist, das unter einem dielektrischen Pixelstapel angeordnet ist und von einer BDTI-Struktur umschlossen ist.
26 zeigt ein Ablaufdiagramm einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines Bildsensors, der ein Bildsensorelement aufweist, das unter einem dielektrischen Pixelstapel angeordnet ist und von einer BDTI-Struktur umschlossen ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element hergestellt werden können, sodass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können Bezugszeichen in den verschiedenen Beispielen der vorliegenden Erfindung wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt nicht grundsätzlich eine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen der in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können entsprechend interpretiert werden.
IC-Technologien (Integrated Circuit, IC) werden ständig verbessert. Zu diesen Verbesserungen gehört häufig das Verkleinern von Vorrichtungsgeometrien, um niedrigere Fertigungskosten, höhere Vorrichtungsintegrationsdichten, höhere Geschwindigkeiten und eine bessere Leistung zu erzielen. Eine CMOS-Bildsensorvorrichtung (CIS-Vorrichtung) (Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) weist mehrere Pixel auf, die auf oder in einem Substrat angeordnet sind. Ein Pixel hat ein Bildsensorelement zum Empfangen von einfallendem Licht und zum Umwandeln des einfallenden Lichts in ein elektrisches Signal. Durch Verkleinern der Vorrichtungen werden die mehreren Pixel der CIS-Vorrichtung kleiner und sind dichter nebeneinander angeordnet. Um die Quantenausbeute des CIS zu erhöhen und die elektrische und optische Isolation zwischen benachbarten Pixeln des Bildsensors zu verbessern, werden die mehreren Pixel durch eine Isolationsstruktur voneinander getrennt.
Die Isolationsstruktur kann eine rückseitige tiefe Grabenisolationsstruktur (BDTI-Struktur) zwischen benachbarten Pixeln des Bildsensors sein. Eine Art von Bildsensor-Herstellungsprozess umfasst ein Erzeugen eines Gitters von tiefen Isolationsgräben zwischen benachbarten Pixeln und ein anschließendes Herstellen von Schichten aus unterschiedlichen Materialien zum Füllen der tiefen Gräben so, dass sich die Schichten über den Pixeln erstrecken. Das Herstellen einer BDTI-Struktur mit hohem Seitenverhältnis in der skalierten CIS-Vorrichtung stellt jedoch eine Herausforderung dar. Wenn zum Beispiel Querabmessungen der tiefen Isolationsgräben reduziert werden, ist es schwierig, eine tiefe Implantation durchzuführen oder die tiefen Isolationsgräben vollständig zu füllen. Durch ein unvollständiges Füllen der tiefen Isolationsgräben entstehen Hohlräume in der BDTI-Struktur, was die optische und elektrische Leistungsfähigkeit der CIS-Vorrichtung beeinträchtigen kann.
In Anbetracht des Vorstehenden betrifft die vorliegende Erfindung einen Bildsensor mit einer Rückseitenstruktur sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren. Bei einigen Ausführungsformen weist die Rückseitenstruktur eine BDTI-Struktur zwischen benachbarten Pixeln des Bildsensors und einen dielektrischen Pixelstapel über jeweiligen Pixeln des Bildsensors auf. Der dielektrische Pixelstapel weist ein dielektrisches Material auf, das die optische Absorption in den Pixeln verbessert, während die BDTI-Struktur ein anderes dielektrisches Material aufweist, das ein Blooming und eine Kreuzkopplung zwischen den Pixeln reduziert. Durch Verwenden von unterschiedlichen dielektrischen Zusammensetzungen für die BDTI-Struktur zwischen den Pixeln und dem dielektrischen Pixelstapel über den jeweiligen Pixeln kann die BDTI-Struktur besser eingefüllt werden, und der dielektrische Pixelstapel kann mit einer größeren Flexibilität hergestellt werden. Dadurch wird die optische und elektrische Leistungsfähigkeit der CIS-Vorrichtung verbessert.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Bildsensor einen Bildsensor-Die mit einer Vorderseite und einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite auf. Ein erstes Bildsensorelement und ein zweites Bildsensorelement mit einer ersten Dotierungsart sind direkt nebeneinander in dem Bildsensor-Die angeordnet. Der dielektrische Pixelstapel ist entlang der Rückseite des Bildsensor-Dies über dem ersten Bildsensorelement und dem zweiten Bildsensorelement angeordnet. Der dielektrische Pixelstapel weist eine erste high-k-dielektrische Schicht und eine zweite high-k-dielektrische Schicht auf, die über der ersten high-k-dielektrischen Schicht angeordnet ist. Die BDTI-Struktur ist zwischen dem ersten und dem zweiten Bildsensorelement angeordnet und erstreckt sich von der Rückseite des Bildsensor-Dies bis zu einer Position in dem Bildsensor-Die. Die BDTI-Struktur weist eine Grabenfüllschicht auf, die von einem dielektrischen Isolationsstapel umschlossen ist. Wie vorstehend dargelegt worden ist, hat der dielektrische Pixelstapel eine erste Zusammensetzung, die von einer zweiten Zusammensetzung des dielektrischen Isolationsstapels verschieden ist.
Bei einigen weiteren Ausführungsformen erstreckt sich die erste high-k-dielektrische Schicht nach unten entlang der Grabenfüllschicht als Teil des dielektrischen Isolationsstapels. Die zweite high-k-dielektrische Schicht kann auf der ersten high-k-dielektrischen Schicht angeordnet sein und kann sich so erstrecken, dass sie eine Oberseite (obere Oberfläche) der Grabenfüllschicht seitlich bedeckt. Bei einigen alternativen Ausführungsformen enden die erste und die zweite high-k-dielektrische Schicht an einer Seitenwand des dielektrischen Isolationsstapels, und sie kontaktieren diese direkt. Der dielektrische Isolationsstapel kann einen dielektrischen Isolationsbelag (Isolationsauskleidung) aus Siliziumdioxid oder einem dielektrischen High-k-Material aufweisen. Der dielektrische Isolationsstapel kann weiterhin einen leitfähigen Isolationsbelag zwischen dem dielektrischen Isolationsbelag und der Grabenfüllschicht aufweisen. Die Grabenfüllschicht kann ein Metall sein oder daraus bestehen.
1 zeigt eine Schnittansicht eines Bildsensors 100. Der Bildsensor 100 weist einen Bildsensor-Die 134 mit einer Mehrzahl von Pixelbereichen auf, wie etwa in 1 gezeigte Pixelbereiche 103a und 103b, die in einer Matrix von Zeilen und/oder Spalten angeordnet sein können. Die Pixelbereiche 103a und 103b weisen ein erstes Bildsensorelement 104a bzw. ein zweites Bildsensorelement 104b auf, die so konfiguriert sind, dass sie einfallende Strahlung (beispielsweise Photonen) in ein elektrisches Signal umwandeln. Bei einigen Ausführungsformen sind die Bildsensorelemente 104a und 104b Fotodioden-Dotierungssäulen oder Teile einer Fotodioden-Dotierungsschicht 130 oder eine Dotierungswanne mit einer ersten Dotierungsart (beispielsweise einer n-Dotierung mit Dotanden wie Phosphor, Arsen, Antimon usw.). Die Bildsensorelemente 104a und 104b können auf oder in einem benachbarten zweiten Bereich (in 1 nicht dargestellt), wie etwa einem dotierten Substrat oder einer Wanne mit einer von der ersten Dotierungsart verschiedenen zweiten Dotierungsart (beispielsweise einer p-Dotierung mit Dotanden wie Bor, Aluminium, Indium usw.), angeordnet sein.
Der Bildsensor-Die 134 hat eine Vorderseite 122 und eine Rückseite 124. Zwischen dem ersten Bildsensorelement 104a und dem zweiten Bildsensorelement 104b ist eine BDTI-Struktur 111 angeordnet, die sich von der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 bis zu einer Position in dem Bildsensor-Die 134 erstreckt. Bei einigen Ausführungsformen weist die BDTI-Struktur 111 eine Grabenfüllschicht 112 auf, die von einem dielektrischen Isolationsstapel 128 umschlossen ist. Der dielektrische Isolationsstapel 128 kann einen dielektrischen Isolationsbelag 118 aufweisen, der eine Unterseite und Seitenwandflächen der Grabenfüllschicht 112 belegt. Der dielektrische Isolationsstapel 128 kann außerdem einige weitere konforme dielektrische Schichten aufweisen, die ein Blooming und eine Kreuzkopplung zwischen den Pixelbereichen 103a und 103b reduzieren.
Ein dielektrischer Pixelstapel 126 ist entlang der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 über dem ersten Bildsensorelement 104a und dem zweiten Bildsensorelement 104b angeordnet. Der dielektrische Pixelstapel 126 hat eine erste Zusammensetzung, die von einer zweiten Zusammensetzung des dielektrischen Isolationsstapels 128 verschieden ist. Der dielektrische Pixelstapel 126 weist ein dielektrisches Material auf, das die optische Absorption in den Pixelbereichen 103a und 103b verbessert, und er kann eine größere Dicke haben. Durch Verwenden von unterschiedlichen dielektrischen Zusammensetzungen für die BDTI-Struktur 111 und den dielektrischen Pixelstapel 126 kann die BDTI-Struktur 111 besser eingefüllt werden, und der dielektrische Pixelstapel 126 kann mit einer größeren Flexibilität angeordnet werden. Bei einigen Ausführungsformen wird eine ebene Schicht 120 auf dem dielektrischen Pixelstapel 126 hergestellt, um eine ebene Oberseite bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann die ebene Schicht 120 oder eine weitere dielektrische Schicht, die über der ebenen dielektrischen Schicht 120 angeordnet ist, als eine untere Antireflexionsschicht (Bottom Anti Reflective Layer, BARL) zum Reduzieren der Reflexion von einfallenden Photonen dienen. Bei einigen Ausführungsformen kann die ebene Schicht 120 zum Beispiel Siliziumoxidnitrid oder ein oder mehrere andere geeignete Antireflexmaterialien aufweisen oder daraus bestehen. Dadurch wird die optische und elektrische Leistungsfähigkeit des Bildsensors 100 verbessert.
Bei einigen Ausführungsformen weist der dielektrische Pixelstapel 126 eine erste high-k-dielektrische Schicht 114 und eine zweite high-k-dielektrische Schicht 116 auf, die über der ersten high-k-dielektrischen Schicht 114 angeordnet ist. Die zweite high-k-dielektrische Schicht 116 kann direkt auf der ersten high-k-dielektrischen Schicht 114 angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich die erste high-k-dielektrische Schicht 114 nach unten entlang der Unterseite und den Seitenwandflächen der Grabenfüllschicht 112 als Teil des dielektrischen Isolationsstapels 128. Die erste high-k-dielektrische Schicht 114 kann eine konforme Schicht sein. Die zweite high-k-dielektrische Schicht 116 kann eine gesamte Oberseite der Grabenfüllschicht 112 oder der BDTI-Struktur 111 bedecken. Die zweite high-k-dielektrische Schicht 116 kann in der BDTI-Struktur 111 fehlen.
Bei einigen Ausführungsformen ist die erste high-k-dielektrische Schicht 114 Aluminiumoxid (Al₂O₃), Hafniumoxid (Hf02), Hafnium-Siliziumoxid (HfSiO) oder Hafnium-Aluminiumoxid (HfAlO) oder sie besteht daraus. Die zweite high-k-dielektrische Schicht 116 ist Tantaloxid (Ta₂O₅) oder sie besteht daraus. Andere geeignete dielektrische High-k-Materialien liegen ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung. Tantaloxid (Ta₂O₅) oder andere ähnliche dielektrische High-k-Materialien, die beim Herstellen leichter überhängen, sind für die BDTI-Struktur 111 nicht zweckmäßig. Wenn diese Arten von Materialien in einen Isolationsgraben gefüllt werden, können Hohlräume in der BDTI-Struktur 111 entstehen, was die optische und elektrische Leistungsfähigkeit des Bildsensors 100 beeinträchtigen würde. Der dielektrische Isolationsbelag 118 ist oder besteht aus Siliziumdioxid. Alternativ ist der dielektrische Isolationsbelag 118 ein dielektrisches High-k-Material, oder er besteht daraus. Die Grabenfüllschicht 112 ist ein Metall, wie etwa Aluminium, Ruthenium oder dergleichen, oder sie besteht daraus. Alternativ ist die Grabenfüllschicht 112 ein dielektrisches Material, wie etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und/oder ein anderes geeignetes dielektrisches Material, oder sie besteht daraus. Bei einigen Ausführungsformen kann die erste high-k-dielektrische Schicht 114 eine Dicke von etwa 30 Å bis etwa 500 Å (beispielsweise von 120 Å) haben. Der dielektrische Isolationsbelag 118 kann eine Dicke von etwa 50 Å bis etwa 3000 Å (beispielsweise von etwa 200 Å) haben. Die zweite high-k-dielektrische Schicht 116 kann eine Dicke von etwa 200 Å bis etwa 1500 Å (beispielsweise von etwa 400 Å) haben. Bei einigen Ausführungsformen kann die BDTI-Struktur 111 eine Tiefe von etwa 1,5 µm bis etwa 5 µm haben. Eine Querabmessung der BDTI-Struktur 111 kann etwa 0,1 µm bis etwa 0,3 µm betragen. Die Querabmessung der BDTI-Struktur 111 sollte ausreichend sein, um die Herstellung der dielektrischen und leitfähigen Schichten in der BDTI-Struktur durchzuführen (wie es zum Beispiel unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 dargelegt wird).
Die erste high-k-dielektrische Schicht 114 und die zweite high-k-dielektrische Schicht 116 ermöglichen eine Lichtabsorption in den Pixelbereichen 103a und 103b. Die zweite high-k-dielektrische Schicht 116 kann dicker als die erste high-k-dielektrische Schicht 114 sein. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite high-k-dielektrische Schicht 116 mindestens etwa zweimal so dick wie die erste high-k-dielektrische Schicht 114. Die dünnere und konformere erste high-k-dielektrische Schicht 114 trägt zum besseren Füllen von tiefen Gräben und zum Herstellen der BDTI-Struktur 111 mit einer besseren Konformität bei. Die erste high-k-dielektrische Schicht 114 kann außerdem als eine Passivierungsschicht fungieren, die Schäden passiviert, die durch die Grabenätzung entstehen. Der dielektrische Isolationsbelag 118 kann einfallendes Licht absorbieren oder reflektieren, um das Reduzieren des Blooming und der Kreuzkopplung zwischen den Pixelbereichen 103a und 103b zu unterstützen. Die dickere zweite high-k-dielektrische Schicht 116 trägt zum Verbessern der optischen Absorption in den Pixelbereichen 103a und 103b bei.
Bei einigen Ausführungsformen ist eine Mehrzahl von Farbfiltern 154 über der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 angeordnet. Die mehreren Farbfilter 154 sind jeweils so konfiguriert, dass sie spezifische Wellenlängen von einfallender Strahlung durchlassen. Zum Beispiel kann ein erstes Farbfilter (beispielsweise ein rotes Farbfilter) Licht mit Wellenlängen in einem ersten Bereich durchlassen, während ein zweites Farbfilter Licht mit Wellenlängen in einem zweiten Bereich, der von dem ersten Bereich verschieden ist, durchlassen kann. Bei einigen Ausführungsformen kann die Mehrzahl von Farbfiltern 154 in einer Gitterstruktur angeordnet sein, die sich über den Bildsensorelementen 104a und 104b der Pixelbereiche 103a und 103b befindet.
2 zeigt eine Schnittansicht eines Bildsensors 200 mit Bildsensorelementen 104a und 104b, die von einer BDTI-Struktur 111 gemäß einigen weiteren Ausführungsformen umschlossen sind. Elemente des Bildsensors 100, die in 1 und anderen Figuren gezeigt sind, können gegebenenfalls in dem Bildsensor 200 verwendet werden. Außerdem weist bei einigen Ausführungsformen, die zu 1 alternativ sind, der dielektrische Pixelstapel 126 die erste high-k-dielektrische Schicht 114 und die zweite high-k-dielektrische Schicht 116 auf, die an einer Seitenwand des dielektrischen Isolationsstapels 128 enden und diese Seitenwand direkt kontaktieren. Bei einigen Ausführungsformen kann der dielektrische Isolationsstapel 128 den dielektrischen Isolationsbelag 118 aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen ist der dielektrische Isolationsbelag 118 Siliziumdioxid oder er besteht daraus. Alternativ ist der dielektrische Isolationsbelag 118 Aluminiumoxid (Al₂O₃), Hafniumoxid (Hf02), Hafnium-Siliziumoxid (HfSiO) oder Hafnium-Aluminiumoxid (HfAlO) oder er besteht daraus. Tantaloxid (Ta₂O₅) oder andere ähnliche dielektrische High-k-Materialien, die beim Herstellen leichter überhängen, können zum Herstellen der zweiten high-k-dielektrischen Schicht 116 verwendet werden, aber sie sollten nicht für den dielektrischen Isolationsbelag 118 in der BDTI-Struktur 111 zum Einsatz kommen. Wenn diese Arten von Materialien in einen Isolationsgraben gefüllt werden, können Hohlräume in der BDTI-Struktur 111 entstehen, was die optische und elektrische Leistungsfähigkeit des Bildsensors 200 beeinträchtigen würde.
3 zeigt eine Schnittansicht eines Bildsensors 300 mit Bildsensorelementen 104a und 104b, die von einer BDTI-Struktur 111 gemäß einigen weiteren Ausführungsformen umschlossen sind. Elemente der Bildsensoren 100 und 200, die in den 1 und 2 gezeigt sind, und Elemente von Bildsensoren, die in anderen Figuren gezeigt sind, können gegebenenfalls in dem Bildsensor 300 verwendet werden. Außerdem weist bei einigen Ausführungsformen, die zu den 1 und 2 alternativ sind, der dielektrische Isolationsstapel 128 weiterhin einen leitfähigen Isolationsbelag 302 auf, der zwischen dem dielektrischen Isolationsbelag 118 und der Grabenfüllschicht 112 angeordnet ist. Der leitfähige Isolationsbelag 302 kann ein Metall, wie etwa Aluminium, Ruthenium oder dergleichen, sein oder daraus bestehen. Die Grabenfüllschicht 112 kann ein dielektrisches Material, wie etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und/oder ein anderes geeignetes dielektrisches Material, sein oder daraus bestehen. Bei einigen Ausführungsformen kann während des Betriebs der leitfähige Isolationsbelag 302 negativ vorgespannt werden, um positive Ladungen zu induzieren, um Schäden an Seitenwänden der BDTI-Struktur 111 zu beheben und dadurch die Leistung zu verbessern.
4 zeigt eine Schnittansicht eines Bildsensors 400 mit Bildsensorelementen 104a und 104b, die von einer BDTI-Struktur 111 gemäß einigen weiteren Ausführungsformen umschlossen sind. Elemente der Bildsensoren 100 bis 300, die in den 1 bis 3 gezeigt sind, und Elemente von Bildsensoren, die in anderen Figuren gezeigt sind, können gegebenenfalls in dem Bildsensor 400 verwendet werden. Außerdem kann sich bei einigen Ausführungsformen, die zu den 1 bis 3 alternativ sind, die Grabenfüllschicht 112 in der BDTI-Struktur 111 nach oben erstrecken und kann seitlich entlang der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 angeordnet werden. Dann wird die ebene Schicht 120 auf der Grabenfüllschicht 112 als eine untere Antireflexionsschicht (BARL) angeordnet, um die Reflexion von einfallenden Photonen zu reduzieren. Bei einigen Ausführungsformen kann die ebene Schicht 120 zum Beispiel Siliziumoxidnitrid oder ein oder mehrere andere geeignete Antireflexmaterialien umfassen oder daraus bestehen.
5 zeigt eine Schnittansicht eines integrierten Chips 500 mit einem Bildsensor-Die 134 und einem Logik-Die 136, die aneinandergebondet sind, wobei der Bildsensor-Die 134 ein Bildsensorelement 104 hat, das von einer BDTI-Struktur 111 gemäß einigen weiteren Ausführungsformen umschlossen ist. Elemente der Bildsensoren 100 bis 400, die in den 1 bis 4 gezeigt sind, und Elemente von Bildsensoren, die in anderen Figuren gezeigt sind, können gegebenenfalls in dem Bildsensor-Die 134 verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen weist die Fotodioden-Dotierungsschicht 130 eine tiefe n-Matrix-Wanne 131 und eine n-Fotodiodenschicht 132 auf. Die BDTI-Struktur 111 erstreckt sich von der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 durch die tiefe n-Matrix-Wanne 131, wie in 1 gezeigt ist.
Bei einigen Ausführungsformen ist eine dotierte flache Isolationswanne 110 zwischen benachbarten Pixelbereichen 103a und 103b so angeordnet, dass sie sich von der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 bis zu einer Position in der Fotodioden-Dotierungsschicht 130 erstreckt, wobei die dotierte flache Isolationswanne 110 die Pixelbereiche 103a und 103b gegeneinander isoliert. Die dotierte flache Isolationswanne 110 kann eine zweite Dotierungsart (beispielsweise eine p-Dotierung) haben. Bei einigen Ausführungsformen kann ein unterer Teil der BDTI-Struktur 111 in einer ausgesparten Oberseite der dotierten flachen Isolationswanne 110 angeordnet sein. In diesem Fall kann die dotierte flache Isolationswanne 110 weniger als die Hälfte oder weniger als ein Viertel der Tiefe der BDTI-Struktur 111 erreichen. Die dotierte flache Isolationswanne 110 kann vertikal zu der BDTI-Struktur 111 ausgerichtet sein (beispielsweise können sie eine gemeinsame Mittellinie 516 haben). Die BDTI-Struktur 111 und die dotierte flache Isolationswanne 110 funktionieren gemeinsam als Isolationselemente für die Pixelbereiche 103a und 103b, sodass Blooming und Kreuzkopplung zwischen den Pixelbereichen 103a und 103b reduziert werden können. Die dotierte flache Isolationswanne 110 erleichtert auch eine Verarmung der Bildsensorelemente 104 während des Betriebs durch Bereitstellen von weiteren p-Dotanden für die Bildsensorelemente 104, sodass die volle Wannenkapazität verbessert wird.
Bei einigen Ausführungsformen ist eine floatende Diffusionswanne 204 zwischen den benachbarten Pixelbereichen 103a und 103b von der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 bis zu einer Position in der Fotodioden-Dotierungsschicht 130 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich die BDTI-Struktur 111 bis zu einer Position über der floatenden Diffusionswanne 204. Die BDTI-Struktur 111 und die floatende Diffusionswanne 204 können vertikal zueinander ausgerichtet sein (beispielsweise können sie eine gemeinsame Mittellinie 516 haben). Ein Transfergate 202 ist entlang der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 an einer Position seitlich zwischen dem Bildsensorelement 104 und der floatenden Diffusionswanne 204 angeordnet. Das Transfergate 202 kann sich von der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 bis zu einer Position in der n-Fotodiodenschicht 132 erstrecken. Während des Betriebs steuert das Transfergate 202 einen Ladungstransport von dem Bildsensorelement 104 zu der floatenden Diffusionswanne 204. Wenn ein Ladungsniveau in der floatenden Diffusionswanne 204 ausreichend hoch ist, wird ein Sourcefolgertransistor (nicht dargestellt) aktiviert, und Ladungen werden selektiv entsprechend dem Betrieb eines Zeilenauswahltransistors (nicht dargestellt) ausgegeben, der zum Adressieren verwendet wird. Ein Rücksetztransistor (nicht dargestellt) kann zum Rücksetzen des Bildsensorelements 104 zwischen Belichtungsperioden verwendet werden.
Außerdem kann eine STI-Struktur 514 (Shallow Trench Isolation, STI) zwischen benachbarten Pixelbereichen 103a und 103b von der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 bis zu einer Position in der Fotodioden-Dotierungsschicht 130 angeordnet werden. Die STI-Struktur 514 und die BDTI-Struktur 111 können vertikal zueinander ausgerichtet sein (beispielsweise können sie eine gemeinsame Mittellinie haben, die eine gemeinsame Mittellinie mit der dotierten flachen Isolationswanne 110 sein kann oder auch nicht). Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich die dotierte flache Isolationswanne 110 von der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 bis zu einer Position in der Fotodioden-Dotierungsschicht 130, und sie umschließt die STI-Struktur 514. Bei einigen alternativen Ausführungsformen kann die dotierte flache Isolationswanne 110 die STI-Struktur 514 von der Fotodioden-Dotierungsschicht 130 und/oder der BDTI-Struktur 111 trennen. Die BDTI-Struktur 111, die dotierte flache Isolationswanne 110 und die STI-Struktur 514 funktionieren gemeinsam als Isolationselemente für die Pixelbereiche 103a und 103b, sodass Kreuzkopplung und Blooming zwischen den Pixelbereichen 103a und 103b reduziert werden können.
Der Bildsensor-Die 134 kann weiterhin ein Verbundgitter 506 aufweisen, das zwischen und über benachbarten Pixelbereichen 103a und 103b angeordnet ist. Das Verbundgitter 506 kann eine Metallschicht 502 und eine dielektrische Schicht 504 aufweisen, die auf der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 aufeinandergestapelt sind. Ein dielektrischer Belag 508 belegt eine Seitenwand und eine Oberseite des Verbundgitters 506. Die Metallschicht 502 kann eine oder mehrere Schichten aus Wolfram, Kupfer, Aluminium-Kupfer oder Titannidrid umfassen oder daraus bestehen. Die Metallschicht 502 kann eine Dicke von etwa 100 nm bis etwa 500 nm haben. Die dielektrische Schicht 504 kann eine oder mehrere Schichten aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Kombinationen davon umfassen oder daraus bestehen. Die dielektrische Schicht 504 kann eine Dicke von etwa 200 nm bis etwa 800 nm haben. Der dielektrische Belag 508 kann ein Oxid, wie etwa Siliziumdioxid, sein oder daraus bestehen. Der dielektrische Belag 508 kann eine Dicke von etwa 5 nm bis etwa 50 nm haben. Andere geeignete metallische Materialien liegen ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
Auf der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 kann ein Metallisierungsstapel 108 angeordnet werden. Der Metallisierungsstapel 108 umfasst eine Mehrzahl von metallischen Interconnect-Schichten, die in einer oder mehreren Zwischenschichtdielektrikumschichten (ILD-Schichten) 106 angeordnet sind. Die ILD-Schichten 106 können eine dielektrische Low-k-Schicht (d. h., ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 3,9), eine dielektrische Ultra-low-k-Schicht und/oder ein Oxid (beispielsweise Siliziumoxid) umfassen. Bei einigen alternativen Ausführungsformen kann sich die BDTI-Struktur 111 durch die Fotodioden-Dotierungsschicht 130 erstrecken und kann die ILD-Schicht 106 oder eine dielektrische Gateschicht von Transistorvorrichtungen, wie etwa ein Gatedielektrikum des Transfergates 202, erreichen.
Der Logik-Die 136 kann Logikvorrichtungen 142 aufweisen, die über einem Logiksubstrat 140 angeordnet sind. Der Logik-Die 136 kann weiterhin einen Metallisierungsstapel 144 aufweisen, der in einer ILD-Schicht 146 über den Logikvorrichtungen 142 angeordnet ist. Der Bildsensor-Die 134 und der Logik-Die 136 können Vorderseite an Vorderseite, Vorderseite an Rückseite oder Rückseite an Rückseite aneinandergebondet sein. Als ein Beispiel zeigt 5 eine Vorderseite-an-Vorderseite-Bondstruktur, bei der ein Paar dielektrische Zwischen-Bondschichten 138 und 148 und Bondpads 150 und 152 zwischen dem Bildsensor-Die 134 und dem Logik-Die 136 angeordnet sind und die Metallisierungsstapel 108 bzw. 144 mittels einer Schmelz- oder einer eutektischen Bondung aneinanderbonden.
Bei einigen Ausführungsformen ist eine Mehrzahl von Mikrolinsen 156 über der Mehrzahl von Farbfiltern 154 angeordnet. Jeweilige Mikrolinsen 156 sind seitlich zu den Farbfiltern 154 ausgerichtet und sind über den Pixelbereichen 103a und 103b angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen haben die mehreren Mikrolinsen 156 eine im Wesentlichen ebene Unterseite, die an die Mehrzahl von Farbfiltern 154 angrenzt, und eine gewölbte Oberseite. Die gewölbte Oberseite ist so konfiguriert, dass sie einfallende Strahlung 158 zu den darunter befindlichen Pixelbereichen 103a und 103b fokussiert. Während des Betriebs des integrierten Chips 500 wird die einfallende Strahlung 158 mittels der Mikrolinsen 156 zu den darunter befindlichen Pixelbereichen 103a und 103b fokussiert. Wenn einfallende Strahlung oder einfallendes Licht mit ausreichender Energie auf die Bildsensorelemente 104 auftritt, entsteht ein Elektron-Loch-Paar, das einen Fotostrom erzeugt. Es ist zu beachten, dass in 5 die Mehrzahl von Mikrolinsen 156 als an dem Bildsensor befestigt dargestellt ist, aber es versteht sich, dass der Bildsensor keine Mikrolinsen aufweisen kann und die Mikrolinsen später in einem gesonderten Herstellungsschritt an dem Bildsensor befestigt werden können.
Die 6 bis 20 zeigen einige Ausführungsformen von Schnittansichten 600 bis 2000, die ein Verfahren zum Herstellen eines Bildsensors zeigen, der ein Bildsensorelement aufweist, das von einer BDTI-Struktur umschlossen ist. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Herstellung der BDTI-Struktur ein Erzeugen eines tiefen Grabens von einer Rückseite eines Bildsensor-Dies und ein anschließendes Herstellen eines dielektrischen Isolationsstapels entlang Seitenwänden und Unterseiten des tiefen Grabens; und ein Herstellen einer Grabenfüllschicht in einem übrigen Raum des tiefen Grabens. Entlang der Rückseite des Bildsensor-Dies wird ein dielektrischer Pixelstapel über dem Bildsensorelement hergestellt. Durch Herstellen des dielektrischen Pixelstapels und des dielektrischen Isolationsstapels mit unterschiedlichen dielektrischen Zusammensetzungen kann der tiefe Graben besser gefüllt werden, und der dielektrische Pixelstapel kann mit einer größeren Flexibilität hergestellt werden. Dadurch wird die optische und elektrische Leistungsfähigkeit der CIS-Vorrichtung verbessert.
Wie in der Schnittansicht 600 von 6 gezeigt ist, wird ein Substrat 102 für einen Bildsensor-Die 134 bereitgestellt. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 102 jede Art von Halbleiterkörper (beispielsweise Silizium-/Germanium-/CMOS-Grundmaterial, SiGe, SOI usw.), wie etwa einen Halbleiterwafer oder einen oder mehrere Dies auf einem Wafer, sowie jede andere Art von Halbleiter- und/oder Epitaxieschichten umfassen, die darauf hergestellt sind und/oder in anderer Weise damit assoziiert sind. Zum Beispiel wird eine Fotodioden-Dotierungsschicht 130 mit einer ersten Dotierungsart auf oder in einem Handle-Substrat hergestellt, das eine Mehrzahl von Bildsensorelementen 104 aufweist, die in Pixelbereichen 103a und 103b hergestellt sind. Bei einigen Ausführungsformen wird die Fotodioden-Dotierungsschicht 130 dadurch hergestellt, dass eine dotierte Wanne, wie etwa eine tiefe n-Matrix-Wanne 131, in einem p-Substrat oder einer p-Wanne erzeugt wird und dann eine n-Fotodiodenschicht 132 auf der tiefen n-Matrix-Wanne 131 hergestellt wird. Die tiefe n-Matrix-Wanne 131 und die n-Fotodiodenschicht 132 können mit einem Dotierungsprozess hergestellt werden, der zum Beispiel ein Ionenimplantationsprozess oder ein anderer geeigneter Dotierungsprozess sein kann. Bei einigen Ausführungsformen kann die n-Fotodiodenschicht 132 entsprechend strukturierten Maskierungsschichten (nicht dargestellt), die ein Fotoresist aufweisen, selektiv implantiert werden. Bei einigen alternativen Ausführungsformen wird die Fotodioden-Dotierungsschicht 130 mit einem Epitaxieprozess auf dem Substrat 102 hergestellt.
Wie in der Schnittansicht 700 von 7 gezeigt ist, werden bei einigen Ausführungsformen Dotandenspezies in das Substrat 102 implantiert, um dotierte Bereiche zu erzeugen. Durch Implantieren von p-Dotandenspezies in die Fotodioden-Dotierungsschicht 130 zwischen benachbarten Pixelbereichen 103a und 103b kann eine Mehrzahl von dotierten flachen Isolationswannen 110 erzeugt werden. Auf der n-Fotodiodenschicht 132 kann eine p-Pinning-Schicht 133 hergestellt werden. Die Mehrzahl von dotierten flachen Isolationswannen 110 und die p-Pinning-Schicht 133 können von der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 hergestellt werden.
Wie außerdem in 7 gezeigt ist, kann eine Mehrzahl von STI-Strukturen 514 an einer Grenze von und/oder zwischen benachbarten Pixelbereichen 103a und 103b von der Vorderseite des Bildsensor-Dies 134 hergestellt werden. Die eine oder die mehreren STI-Strukturen 514 können durch selektives Ätzen der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 zum Erzeugen von flachen Gräben und anschließendes Abscheiden eines Oxids in den flachen Gräben hergestellt werden. Die STI-Strukturen 514 können jeweils mittig zu den dotierten flachen Isolationswannen 110 ausgerichtet werden.
Wie in der Schnittansicht 800 von 8 gezeigt ist, wird bei einigen Ausführungsformen ein Transfergate 202 über der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 hergestellt. Das Transfergate 202 kann durch Abscheiden und Strukturieren einer dielektrischen Gateschicht und einer Gateelektrodenschicht hergestellt werden, um ein Gatedielektrikum 802 bzw. eine Gateelektrode 804 herzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Graben so erzeugt werden, dass er sich von der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 bis zu einer Position in der n-Fotodiodenschicht 132 erstreckt, und anschließend kann in dem Graben und über der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 das Transfergate 202 hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen wird ein Implantationsprozess in der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 durchgeführt, um eine floatende Diffusionswanne 204 entlang einer Seite des Transfergates 202 oder entlang gegenüberliegenden Seiten eines Paars Transfergates 202 zu erzeugen.
Wie in der Schnittansicht 900 von 9 gezeigt ist, kann bei einigen Ausführungsformen ein Metallisierungsstapel 108 von der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Metallisierungsstapel 108 durch Abscheiden einer ILD-Schicht 106, die eine oder mehrere Schichten aus ILD-Material umfasst, über der Vorderseite 122 des Bildsensor-Dies 134 hergestellt werden. Die ILD-Schicht 106 wird anschließend geätzt, um Durchkontaktierungsöffnungen und/oder metallische Gräben zu erzeugen. Die Durchkontaktierungsöffnungen und/oder die metallischen Gräben werden dann mit einem leitfähigen Material gefüllt, um eine Mehrzahl von metallischen Interconnect-Durchkontaktierungen 510 und Metallleitungen 512 herzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann die ILD-Schicht 106 mit einem Aufdampfverfahren (beispielsweise PVD, CVD usw.) abgeschieden werden. Die Mehrzahl von metallischen Interconnect-Schichten kann mit einem Abscheidungsverfahren und/oder einem Plattierungsverfahren, beispielsweise durch Elektroplattierung, stromlose Plattierung oder dergleichen, hergestellt werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Mehrzahl von metallischen Interconnect-Schichten zum Beispiel Wolfram, Kupfer oder Aluminium-Kupfer aufweisen.
Wie in der Schnittansicht 1000 von 10 gezeigt ist, kann der Bildsensor-Die 134 dann an einen oder mehrere andere Dies gebondet werden. Zum Beispiel kann der Bildsensor-Die 134 an einen Logik-Die 136 gebondet werden, der Logikvorrichtungen 142 aufnehmen soll. Der Bildsensor-Die 134 und der Logik-Die 136 können Vorderseite an Vorderseite, Vorderseite an Rückseite oder Rückseite an Rückseite aneinandergebondet werden. Für den Bondprozess können zum Beispiel ein Paar dielektrische Zwischen-Bondschichten 138 und 148 und Bondpads 150 und 152 zum Bonden der Metallisierungsstapel 108 und 144 des Bildsensor-Dies 134 und des Logik-Dies 136 verwendet werden. Der Bondprozess kann ein Schmelzbondprozess oder ein eutektischer Bondprozess sein. Der Bondprozess kann auch ein Hybridbondprozess mit einer Metall-Metall-Bondung der Bondpads 150 und 152 und einer Dielektrikum-Dielektrikum-Bondung der dielektrischen Zwischen-Bondschichten 138 und 148 sein. An den Hybridbondprozess kann sich ein Temperprozess anschließen, der zum Beispiel bei einer Temperatur von etwa 250 °C bis etwa 450 °C für eine Dauer von etwa 0,5 h bis etwa 4 h durchgeführt werden kann.
Wie in der Schnittansicht 1100 von 11 gezeigt ist, werden bei einigen Ausführungsformen von der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 her tiefe Gräben 1202 erzeugt, die die Bildsensorelemente 104 seitlich trennen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Fotodioden-Dotierungsschicht 130 wie folgt hergestellt werden: Herstellen einer Maskierungsschicht auf der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134; und Behandeln der Fotodioden-Dotierungsschicht 130 in Bereichen, die nicht von der Maskierungsschicht bedeckt sind, mit einem Ätzmittel. Bei einigen alternativen Ausführungsformen wird das Substrat 102 oder die Fotodioden-Dotierungsschicht 130 gründlich tiefengeätzt, wenn die tiefen Gräben 1202 erzeugt werden, und die tiefen Gräben 1202 erstrecken sich durch das Substrat 102 und können auf der ILD-Schicht 106 aufsetzen, sodass eine vollständige Isolation erreicht wird. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Maskierungsschicht ein Fotoresist oder ein Nitrid (beispielsweise SiN) aufweisen, das mit einem Fotolithografieprozess strukturiert wird. Die Maskierungsschicht kann außerdem eine Oxidschicht mit einer Dicke von etwa 200 Ä bis etwa 1000 Å aufweisen, die durch Atomlagenabscheidung (ALD) oder plasmaunterstützte CVD hergestellt wird. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Ätzmittel ein Trockenätzmittel mit einer Ätzchemikalie, die eine Fluorspezies (beispielsweise CF₄, CHF₃, C₄F₈ usw.) enthält, oder ein Nassätzmittel sein, beispielsweise Fluorwasserstoffsäure (HF) oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH). Die tiefen Gräben 1202 können eine Tiefe von etwa 1,5 µm bis etwa 5 µm haben. Eine Querabmessung kann etwa 0,1 µm bis etwa 0,3 µm betragen. Für den Ätzprozess zum Erzeugen der tiefen Gräben 1202 können anisotrope Ätzprozesse, wie etwa Trockenätzung und Nassätzung, verwendet werden, mit denen ein unterätztes Profil erzeugt werden kann. Bei einigen Ausführungsformen kann durch das Ätzen zum Erzeugen der tiefen Gräben 1202 eine Bogenspitze an der oberen Ecke der tiefen Gräben 1202 erzeugt werden, die einen Bogenwinkel von etwa 8° bis etwa 15° von einer oberen Seitenwand der tiefen Gräben 1202 bis zu einer vertikalen Linie senkrecht zu einer seitlichen Ebene der tiefen n-Matrix-Wanne 131 hat. Bei einigen alternativen Ausführungsformen ist der Bogenwinkel kleiner als etwa 8°. Anschließend kann die Bogenspitze mit einem Reinigungsprozess entfernt oder verkleinert werden, sodass eine glatte Seitenwandfläche und ein kleinerer Bogenhals für die tiefen Gräben 1202 zurückbleiben.
Bei einigen Ausführungsformen wird der Bildsensor-Die 134 auf der Rückseite 124 gedünnt, bevor die tiefen Gräben 1202 erzeugt werden. Mit dem Dünnungsprozess kann das p-Substrat (siehe 10) teilweise oder vollständig entfernt werden, sodass Strahlung durch die Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 zu den Bildsensorelementen 104 hindurchgehen kann. Bei einigen Ausführungsformen wird der Bildsensor-Die 134 gedünnt, um die Bildsensorelemente 104 freizulegen, sodass die Strahlung die Fotodiode leichter erreichen kann. Anschließend kann eine BDTI-Struktur (siehe zum Beispiel die BDTI-Struktur 111 von 13) so hergestellt werden, dass sie auf einer Oberfläche der Bildsensorelemente 104 aufsetzt. Der Dünnungsprozess kann durch Ätzen oder mechanisches Schleifen der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 durchgeführt werden. Als Ätzmittel kann zum Beispiel ein Gemisch aus Fluorwasserstoff/Stickstoff/Essigsäure (HNA) verwendet werden. Dann können sich ein chemisch-mechanischer Prozess und eine TMAH-Nassätzung anschließen, um den Bildsensor-Die 134 weiter zu dünnen.
Wie in der Schnittansicht 1200 von 12 gezeigt ist, werden dann bei einigen Ausführungsformen die tiefen Gräben 1202 mit dielektrischen Materialien gefüllt. Bei einigen Ausführungsformen wird in den tiefen Gräben 1202 eine erste high-k-dielektrische Schicht 114 hergestellt. Die erste high-k-dielektrische Schicht 114 kann mit Abscheidungsverfahren hergestellt werden und kann Aluminiumoxid (AlO), Hafniumoxid (HfO) oder andere dielektrische Materialien aufweisen, die eine Dielektrizitätskonstante haben, die größer als die von Siliziumoxid ist. Die erste high-k-dielektrische Schicht 114 belegt Seitenwände und Unterseiten der tiefen Gräben 1202. Bei einigen Ausführungsformen kann die erste high-k-dielektrische Schicht 114 konform abgeschieden werden, und sie kann so hergestellt werden, dass sie sich über der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 zwischen den tiefen Gräben 1202 erstreckt. Bei einigen Ausführungsformen wird dann ein dielektrischer Isolationsbelag 118 auf der ersten high-k-dielektrischen Schicht 114 hergestellt. Der dielektrische Isolationsbelag 118 kann ebenfalls konform abgeschieden werden und so hergestellt werden, dass er sich über der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 erstreckt. Die erste high-k-dielektrische Schicht 114 und der dielektrische Isolationsbelag 118 können durch ALD oder mit anderen geeigneten konformen Abscheidungsverfahren abgeschieden werden. Die erste high-k-dielektrische Schicht 114 kann eine Dicke von zum Beispiel etwa 30 Å bis etwa 500 Å haben. Der dielektrische Isolationsbelag 118 kann eine Dicke von zum Beispiel etwa 50 Å bis etwa 3000 Å haben. Das dielektrische Material, das beim Abscheiden leichter überhängt, sollte nicht als das dielektrische Material zum Füllen der tiefen Gräben 1202 verwendet werden, da durch Füllen dieser Art von Material in die tiefen Gräben 1202 Hohlräume entstehen können, die in den tiefen Gräben 1202 eingeschlossen werden, was die optische und elektrische Leistungsfähigkeit des Bildsensors beeinträchtigen würde.
Wie in der Schnittansicht 1300 von 13 gezeigt ist, wird bei einigen Ausführungsformen eine Grabenfüllschicht 112 hergestellt, um einen Rest der tiefen Gräben 1202 zu füllen. Die Grabenfüllschicht 112 ist ein Metall, wie etwa Aluminium, Ruthenium oder dergleichen, oder sie besteht daraus. Die Grabenfüllschicht 112 kann mit einem physikalischen oder einem chemischen Abscheidungsverfahren abgeschieden werden. Die Grabenfüllschicht 112 kann einem Planarisierungsprozess unterzogen werden, mit dem seitliche Teile der darüber befindlichen Grabenfüllschicht 112, die sich direkt über den Bildsensorelementen 104 befinden, entfernt werden. Dadurch entsteht in dem Substrat 102 eine BDTI-Struktur 111, die sich von der Rückseite 124 bis zu einer Position in der Fotodioden-Dotierungsschicht 130 erstreckt. Die BDTI-Struktur 111 wird zwischen benachbarten Pixelbereichen 103a und 103b hergestellt und isoliert diese gegeneinander.
Wie in der Schnittansicht 1400 von 14 gezeigt ist, können bei einigen Ausführungsformen seitliche Teile des dielektrischen Isolationsbelags 118 aus Bereichen entfernt werden, die sich über den Bildsensorelementen 104 befinden. Bei einigen Ausführungsformen wird der dielektrische Isolationsbelag 118 zum Beispiel durch Nasstauchen unter Verwendung von verdünnter HF teilweise entfernt. Die erste high-k-dielektrische Schicht 114 und der dielektrische Isolationsbelag 118 reduzieren Blooming und Kreuzkopplung zwischen den Pixelbereichen 103a und 103b.
Wie in der Schnittansicht 1500 von 15 gezeigt ist, wird bei einigen Ausführungsformen eine zweite high-k-dielektrische Schicht 116 auf Oberseiten der ersten high-k-dielektrischen Schicht 114 und der Grabenfüllschicht 112 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite high-k-dielektrische Schicht 116 Tantaloxid (Ta₂O₅), oder sie besteht daraus. Die zweite high-k-dielektrische Schicht 116 verbessert die optische Absorption in jeweiligen Pixelbereichen 103a und 103b. Die zweite high-k-dielektrische Schicht 116 kann mit einer größeren Dicke als die erste high-k-dielektrische Schicht 114 hergestellt werden.
Wie in der Schnittansicht 1600 von 16 gezeigt ist, wird dann bei einigen Ausführungsformen eine ebene Schicht 120 auf der zweiten high-k-dielektrischen Schicht 116 hergestellt. Die ebene Schicht 120 kann als eine untere Antireflexionsschicht (BARL) zum Reduzieren der Reflexion von einfallenden Photonen funktionieren. Bei einigen Ausführungsformen kann die ebene Schicht 120 zum Beispiel Siliziumoxidnitrid oder ein oder mehrere andere geeignete Antireflexmaterialien umfassen oder daraus bestehen.
Die 17 bis 19 zeigen einige Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen von Farbfiltern 154 über den Bildsensorelementen 104. Wie in der Schnittansicht 1700 von 17 gezeigt ist, werden eine Metallschicht 502 und eine dielektrische Schicht 504 über dem Substrat 102 entlang der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 aufeinandergestapelt. Die Metallschicht 502 kann eine oder mehrere Schichten aus Wolfram, Kupfer, Aluminium-Kupfer oder Titannidrid umfassen oder daraus bestehen. Andere geeignete Metalle liegen ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung. Die dielektrische Schicht 504 kann eine oder mehrere Schichten aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Kombinationen davon umfassen oder daraus bestehen. Die dielektrische Schicht 504 kann als eine Hartmaskenschicht fungieren.
Wie in der Schnittansicht 1800 von 18 gezeigt ist, werden die Metallschicht 502 und die dielektrische Schicht 504 geätzt, um das Verbundgitter 506 herzustellen. Die Öffnungen 1802 können mittig zu den Bildsensorelementen 104 ausgerichtet werden, sodass das Verbundgitter 506 um die und zwischen den Bildsensorelementen 104 angeordnet wird. Alternativ können die Öffnungen 1802 in mindestens einer Richtung seitlich von den Bildsensorelementen 104 versetzt werden, sodass sich das Verbundgitter 506 zumindest teilweise über den Bildsensorelementen 104 befindet. Dann kann der dielektrische Belag 508 mit einem konformen Abscheidungsverfahren, wie zum Beispiel CVD oder PVD, hergestellt werden. Der dielektrische Belag 508 kann zum Beispiel aus einem Oxid, wie etwa Siliziumdioxid, hergestellt werden.
Wie in der Schnittansicht 1900 von 19 gezeigt ist, werden Farbfilter 154, die Pixelsensoren entsprechen, in den Öffnungen 1802 der entsprechenden Pixelsensoren hergestellt. Die Farbfilterschicht wird aus einem Material hergestellt, das Licht der entsprechenden Farbe durchlässt, während es Licht anderer Farben blockiert. Die Farbfilter 154 können außerdem mit zugewiesenen Farben hergestellt werden. Zum Beispiel werden die Farbfilter 154 abwechselnd mit den zugewiesenen Farben Rot, Grün und Blau hergestellt. Die Farbfilter 154 können so hergestellt werden, dass ihre Oberseiten zu der Oberseite des Verbundgitters 506 ausgerichtet werden. Die Farbfilter 154 können in mindestens einer Richtung seitlich von den Bildsensorelementen 104 der entsprechenden Pixelsensoren versetzt werden. In Abhängigkeit von der Größe des Versatzes können die Farbfilter 154 die Öffnungen der entsprechenden Pixelsensoren und die Öffnungen der Pixelsensoren, die zu den entsprechenden Pixelsensoren benachbart sind, teilweise füllen. Alternativ können die Farbfilter 154 symmetrisch um vertikale Achsen angeordnet sein, die zu Mittellinien der Fotodioden der entsprechenden Pixelsensoren ausgerichtet sind. Der Prozess zum Herstellen der Farbfilter 154 kann für jede der unterschiedlichen Farben der Farbzuweisungen ein Herstellen einer Farbfilterschicht und ein anschließendes Strukturieren der Farbfilterschicht umfassen. Nach ihrer Herstellung kann die Farbfilterschicht planarisiert werden. Das Strukturieren kann wie folgt erfolgen: Herstellen einer Fotoresistschicht mit einer Struktur über der Farbfilterschicht; Aufbringen eines Ätzmittels auf die Farbfilterschicht entsprechend der Struktur der Fotoresistschicht; und Entfernen der strukturierten Fotoresistschicht.
Wie in 20 gezeigt ist, werden Mikrolinsen 156, die den Pixelsensoren entsprechen, über den Farbfiltern 154 der entsprechenden Pixelsensoren hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen können die mehreren Mikrolinsen 156 durch Abscheiden eines Mikrolinsenmaterials über der Mehrzahl von Farbfiltern (beispielsweise durch Aufschleudern oder mit einem Abscheidungsprozess) hergestellt werden. Über dem Mikrolinsenmaterial wird eine Mikrolinsenschablone mit einer gewölbten Oberseite strukturiert. Bei einigen Ausführungsformen kann die Mikrolinsenschablone ein Fotoresistmaterial aufweisen, das mit einer verteilten Belichtungsdosis belichtet wird (beispielsweise wird für ein negatives Fotoresist ein unterer Teil der Wölbung stärker als ein oberer Teil der Wölbung belichtet), entwickelt wird und gehärtet wird, um eine abgerundete Form zu erzeugen. Dann werden die Mikrolinsen 156 durch selektives Ätzen des Mikrolinsenmaterials entsprechend der Mikrolinsenschablone hergestellt.
Die 21 bis 25 zeigen einige alternative Ausführungsformen von Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Bildsensors zeigen, der ein Bildsensorelement aufweist, das unter einem dielektrischen Pixelstapel angeordnet ist und von einer BDTI-Struktur umschlossen ist.
Wie in einer Schnittansicht 2100 von 21 gezeigt ist, wird im Anschluss an 10 bei einigen Ausführungsformen der Bildsensor-Die 134 auf der Rückseite 124 gedünnt, um das Substrat 102 zu entfernen. Mit dem Dünnungsprozess kann das p-Substrat (siehe 10) teilweise oder vollständig entfernt werden, sodass Strahlung durch die Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 zu den Bildsensorelementen 104 hindurchgehen kann. Der Dünnungsprozess kann durch Ätzen oder mechanisches Schleifen der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsformen wird ein dielektrischer Pixelstapel 126 entlang der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 hergestellt, bevor die tiefen Gräben 1202 erzeugt werden. Der dielektrische Pixelstapel 126 kann eine erste high-k-dielektrische Schicht 114 und eine zweite high-k-dielektrische Schicht 116 aufweisen, die auf der Oberseite der ersten high-k-dielektrischen Schicht 114 hergestellt ist. Auf dem dielektrischen Pixelstapel 126 kann eine Hartmaskenschicht 402 hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite high-k-dielektrische Schicht 116 Tantaloxid (Ta₂O₅), oder sie besteht daraus. Die zweite high-k-dielektrische Schicht 116 verbessert die optische Absorption in den jeweiligen Pixelbereichen 103a und 103b.
Wie in einer Schnittansicht 2200 von 22 gezeigt ist, werden die tiefen Gräben 1202 von der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 her durch den dielektrischen Pixelstapel 126 erzeugt, wodurch die Fotodioden-Dotierungsschicht 130 von den Bildsensorelementen 104 seitlich getrennt wird. Die tiefen Gräben 1202 können durch Ätzen des dielektrischen Pixelstapels 126 und der Fotodioden-Dotierungsschicht 130 entsprechend der strukturierten Hartmaskenschicht 402 erzeugt werden.
Wie in einer Schnittansicht 2300 von 23 gezeigt ist, werden bei einigen Ausführungsformen ein dielektrischer Isolationsbelag 118 und eine Grabenfüllschicht 112 hergestellt, um die tiefen Gräben 1202 zu füllen. Bei einigen Ausführungsformen wird der dielektrische Isolationsbelag 118 aus einem dielektrischen High-k-Material wie Al203 hergestellt. Alternativ wird der dielektrische Isolationsbelag 118 aus Siliziumdioxid hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen ist die Grabenfüllschicht 112 ein Metall, wie etwa Aluminium, Ruthenium oder dergleichen, oder sie besteht daraus. Die Grabenfüllschicht 112 kann mit einem physikalischen oder einem chemischen Aufdampfverfahren abgeschieden werden.
Wie in einer Schnittansicht 2400 von 24 gezeigt ist, können bei einigen Ausführungsformen die Grabenfüllschicht 112 und der dielektrische Isolationsbelag 118 einem Planarisierungsprozess oder einem weiteren Ätzprozess unterzogen werden, mit dem seitliche Teile der höherliegenden Grabenfüllschicht 112 und des dielektrischen Isolationsbelags 118 direkt über den jeweiligen Pixelbereichen 103a und 103b entfernt werden. Dadurch wird in dem Substrat 102 eine BDTI-Struktur 111 so hergestellt, dass sie sich von der Rückseite 124 bis zu einer Position in der Fotodioden-Dotierungsschicht 130 erstreckt. Die BDTI-Struktur 111 wird zwischen benachbarten Pixelbereichen 103a und 103b hergestellt, und sie isoliert diese gegeneinander.
Wie in einer Schnittansicht 2500 von 25 gezeigt ist, werden ähnlich wie in den 17 bis 19 Farbfilter 154 über den Pixelbereichen 103a und 103b hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen wird ein Verbundgitter 506 mit einer Metallschicht 502 und einer dielektrischen Schicht 504 über dem Substrat 102 entlang der Rückseite 124 des Bildsensor-Dies 134 angeordnet. Dann wird ein dielektrischer Belag 508 so hergestellt, dass er eine Seitenwand und eine Oberseite des Verbundgitters 506 belegt. Die Metallschicht 502 kann eine oder mehrere Schichten aus Wolfram, Kupfer, Aluminium-Kupfer oder Titannitrid umfassen oder daraus bestehen. Andere geeignete metallische Materialien liegen ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung. Die dielektrische Schicht 504 kann eine oder mehrere Schichten aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Kombinationen davon umfassen oder daraus bestehen. Die dielektrische Schicht 504 kann als eine Hartmaskenschicht funktionieren.
26 zeigt ein Ablaufdiagramm einiger Ausführungsformen eines Verfahrens 2600 zum Herstellen eines Bildsensors, der ein Bildsensorelement aufweist, das von einer BDTI-Struktur umschlossen ist. Das Verfahren 2600 wird hier zwar als eine Reihe von Schritten oder Ereignissen dargestellt und beschrieben, aber es dürfte wohlverstanden sein, dass die dargestellte Reihenfolge dieser Schritte oder Ereignisse nicht in einem beschränkenden Sinn ausgelegt werden darf. Zum Beispiel können einige Schritte in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Schritten oder Ereignissen als den hier dargestellten und/oder beschriebenen stattfinden. Darüber hinaus brauchen hier nicht alle dargestellten Schritte einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Beschreibung zu implementieren. Außerdem können ein oder mehrere der hier beschriebenen Schritte in einem oder mehreren gesonderten Schritten und/oder Phasen ausgeführt werden.
In einem Schritt 2602 wird ein Substrat für einen Bildsensor-Die bereitgestellt. Eine Fotodioden-Dotierungsschicht und eine dotierte Isolationswanne können von einer Vorderseite des Bildsensor-Dies hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen können über dem Substrat verschiedene Epitaxieschichten als die Fotodioden-Dotierungsschicht hergestellt werden, und durch Implantieren von Dotandenspezies in die Epitaxieschichten können Fotodioden-Dotierungssäulen und/oder dotierte Isolationswannen hergestellt werden. Die dotierten Isolationswannen können durch eine selektive Implantation zum Herstellen einer Mehrzahl von Säulen hergestellt werden, die sich in die Fotodioden-Dotierungsschicht erstrecken. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Flache-Grabenisolation-Bereich in der Vorderseite des Bildsensor-Dies dadurch erzeugt werden, dass das Substrat selektiv geätzt wird, um flache Gräben zu erzeugen, und anschließend wird in den flachen Gräben ein Dielektrikum (beispielsweise ein Oxid) abgeschieden. Die 6 und 7 zeigen Schnittansichten, die einigen Ausführungsformen entsprechen, die dem Schritt 2602 entsprechen.
In einem Schritt 2604 wird ein Transfergate auf der Vorderseite des Bildsensor-Dies hergestellt. Dann wird ein Metallisierungsstapel über dem Transfergate hergestellt. Die 8 und 9 zeigen Schnittansichten, die einigen Ausführungsformen entsprechen, die dem Schritt 2604 entsprechen.
In einem Schritt 2606 wird bei einigen Ausführungsformen der Bildsensor an einen oder mehrere andere Dies, wie etwa einen Logik-Die oder andere Bildsensor-Dies, gebondet. 10 zeigt eine Schnittansicht, die einigen Ausführungsformen entspricht, die dem Schritt 2606 entsprechen.
In einem Schritt 2608 wird bei einigen Ausführungsformen das Substrat von der Rückseite her selektiv geätzt, um tiefe Gräben zwischen benachbarten Sensorpixelbereichen zu erzeugen, und entlang Seitenwandflächen und Unterseiten der tiefen Gräben werden Isolationsdielektrika hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen werden die tiefen Gräben und die Isolationsdielektrika nach dem Herstellen eines dielektrischen Pixelstapels hergestellt. Die 11 und 12 bzw. 22 und 23 zeigen Schnittansichten, die einigen Ausführungsformen entsprechen, die dem Schritt 2608 entsprechen.
In einem Schritt 2610 werden übrige Räume in den tiefen Gräben mit einem dielektrischen oder einem metallischen Material gefüllt. 13 oder 23 zeigt eine Schnittansicht, die einigen Ausführungsformen entspricht, die dem Schritt 2610 entsprechen.
In einem Schritt 2612 wird nach oder vor dem Erzeugen der tiefen Gräben ein dielektrischer Pixelstapel entlang der Rückseite des Bildsensor-Dies hergestellt. Die 14 und 15 bzw. 21 und 22 zeigen Schnittansichten, die einigen Ausführungsformen entsprechen, die dem Schritt 2612 entsprechen.
In einem Schritt 2614 werden eine Antireflexionsschicht und ein Verbundgitter auf der Rückseite des Bildsensor-Dies hergestellt. Die 16 bis 18 und 25 zeigen Schnittansichten, die einigen Ausführungsformen entsprechen, die dem Schritt 2614 entsprechen.
In einem Schritt 2616 werden Farbfilter und Mikrolinsen auf der Rückseite des Bildsensor-Dies hergestellt. Die 19, 20 und 25 zeigen Schnittansichten, die einigen Ausführungsformen entsprechen, die dem Schritt 2616 entsprechen.
Bei einigen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung einen Bildsensor mit einem Bildsensor-Die, der eine Vorderseite und eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite hat. Ein erstes Bildsensorelement und ein zweites Bildsensorelement sind dicht nebeneinander in dem Bildsensor-Die angeordnet. Das erste und das zweite Bildsensorelement haben eine erste Dotierungsart. Ein dielektrischer Pixelstapel ist entlang der Rückseite des Bildsensor-Dies über dem ersten und dem zweiten Bildsensorelement angeordnet. Der dielektrische Pixelstapel weist eine erste high-k-dielektrische Schicht und eine zweite high-k-dielektrische Schicht auf, die über der ersten high-k-dielektrischen Schicht angeordnet ist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Bildsensorelement ist eine BDTI-Struktur (BDTI: rückseitige tiefe Grabenisolation) so angeordnet, dass sie sich von der Rückseite des Bildsensor-Dies bis zu einer Position in dem Bildsensor-Die erstreckt. Die BDTI-Struktur weist eine Grabenfüllschicht auf, die von einem dielektrischen Isolationsstapel umschlossen ist. Der dielektrische Pixelstapel hat eine erste Zusammensetzung, die von einer zweiten Zusammensetzung des dielektrischen Isolationsstapels verschieden ist.
Bei einigen alternativen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung einen Bildsensor. Der Bildsensor hat eine Vorderseite und eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite. In dem Bildsensor-Die ist ein Bildsensorelement mit einer ersten Dotierungsart angeordnet. Eine BDTI-Struktur umschließt das Bildsensorelement und erstreckt sich von der Rückseite des Bildsensor-Dies bis zu einer Position in dem Bildsensor-Die. Die BDTI-Struktur weist eine Grabenfüllschicht auf, die von einer ersten high-k-dielektrischen Schicht umschlossen ist. Die erste high-k-dielektrische Schicht ist entlang einer Unterseite und Seitenwandflächen der Grabenfüllschicht angeordnet und erstreckt sich nach oben, um eine Seitenfläche des Bildsensorelements zu bedecken. Auf der ersten high-k-dielektrischen Schicht ist eine zweite high-k-dielektrische Schicht angeordnet, die sich so erstreckt, dass sie eine Oberseite der Grabenfüllschicht seitlich bedeckt.
Bei noch weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bildsensors. Das Verfahren umfasst ein Herstellen einer Fotodioden-Dotierungsschicht mit einer ersten Dotierungsart in einem Substrat von einer Vorderseite eines Bildsensor-Dies; und ein Erzeugen eines tiefen Grabens von einer Rückseite des Bildsensor-Dies, wodurch die Fotodioden-Dotierungsschicht in ein erstes Bildsensorelement und ein zweites Bildsensorelement getrennt wird. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Herstellen einer ersten high-k-dielektrischen Schicht und eines dielektrischen Isolationsbelags entlang einer Unterseite und Seitenwandflächen des tiefen Grabens so, dass sie sich nach oben entlang einer Seitenfläche des ersten Bildsensorelements und des zweiten Bildsensorelements erstrecken. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Herstellen einer Grabenfüllschicht in einem Innenraum des tiefen Grabens; und ein Herstellen einer zweiten high-k-dielektrischen Schicht auf Oberseiten der ersten high-k-dielektrischen Schicht und der Grabenfüllschicht.
Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung 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 63/180359 [0001]

Claims

Bildsensor aufweisend: einen Bildsensor-Die, der eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, die der Vorderseite gegenüberliegt; ein ersten Bildsensorelement und ein zweites Bildsensorelement, die nebeneinander in dem Bildsensor-Die angeordnet sind, wobei das erste Bildsensorelement und das zweite Bildsensorelement eine erste Dotierungsart aufweisen; einen dielektrischen Pixelstapel, der entlang der Rückseite des Bildsensor-Dies über dem ersten Bildsensorelement und dem zweiten Bildsensorelement angeordnet ist, wobei der dielektrische Pixelstapel eine erste high-k-dielektrische Schicht und eine zweite high-k-dielektrische Schicht aufweist, die über der ersten high-k-dielektrischen Schicht angeordnet ist; und eine rückseitige Tiefgrabenisolationsstruktur, BDTI-Struktur, die zwischen dem ersten Bildsensorelement und dem zweiten Bildsensorelement angeordnet ist und sich von der Rückseite des Bildsensor-Dies zu einer Position innerhalb des Bildsensor-Dies erstreckt, wobei die BDTI-Struktur eine Grabenfüllschicht aufweist, die von einem dielektrischen Isolationsstapel umgeben ist, wobei der dielektrische Pixelstapel eine erste Zusammensetzung aufweist, die von einer zweiten Zusammensetzung des dielektrischen Isolationsstapels verschieden ist.
Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die zweite high-k-dielektrische Schicht in der BDTI-Struktur nicht vorhanden ist.
Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die erste high-k-dielektrische Schicht als ein Teil des dielektrischen Isolationsstapels nach unten entlang der Grabenfüllschicht erstreckt.
Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite high-k-dielektrische Schicht eine gesamte obere Oberfläche der BDTI-Struktur bedeckt.
Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste high-k-dielektrische Schicht und die zweite high-k-dielektrische Schicht an einer Seitenwand des dielektrischen Isolationsstapels enden und diese direkt kontaktieren.
Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der dielektrische Isolationsstapel eine dielektrische Isolationsauskleidung aufweist.
Bildsensor nach Anspruch 6, wobei die dielektrische Isolationsauskleidung aus Siliziumdioxid gebildet ist.
Bildsensor nach Anspruch 6 oder 7, wobei der dielektrische Isolationsauskleidung ein dielektrisches High-k-Material enthält.
Bildsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der dielektrische Isolationsstapel ferner eine leitfähige Isolationsauskleidung aufweist, die zwischen der dielektrischen Isolationsauskleidung und der Grabenfüllschicht angeordnet ist.
Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grabenfüllschicht ein Metall ist.
Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine dotierte Isolationswanne mit einer zweiten Dotierungsart, die zwischen dem ersten Bildsensorelement und dem zweiten Bildsensorelement angeordnet ist und sich von der Vorderseite des Bildsensor-Dies zu einer Position innerhalb des Bildsensor-Dies erstreckt, wobei die dotierte Isolationswanne eine untere Fläche aufweist, die durch die BDTI-Struktur ausgespart ist.
Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine flache Grabenisolationsstruktur, STI-Struktur, die zwischen dem ersten Bildsensorelement und dem zweiten Bildsensorelement angeordnet ist und sich von der Vorderseite des Bildsensor-Dies zu einer Position innerhalb des Bildsensor-Dies erstreckt.
Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste high-k-dielektrische Schicht Aluminiumoxid (Al₂O₃), Hafniumoxid (Hf02), Hafnium-Siliziumoxid (HfSiO) oder Hafnium-Aluminiumoxid (HfAlO) enthält.
Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite high-k-dielektrische Schicht Tantaloxid (Ta₂O₅) enthält.
Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite high-k-dielektrische Schicht mindestens etwa zweimal so dick wie die erste high-k-dielektrische Schicht ist.
Bildsensor aufweisend: einen Bildsensor-Die, der eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, die der Vorderseite gegenüberliegt; ein Bildsensorelement, das in dem Bildsensor-Die angeordnet ist, wobei das Bildsensorelement eine erste Dotierungsart aufweist; eine rückseitige Tiefgrabenisolationsstruktur, BDTI-Struktur, die das Bildsensorelement umgibt und sich von der Rückseite des Bildsensor-Dies zu einer Position innerhalb des Bildsensor-Dies erstreckt, wobei die BDTI-Struktur eine Grabenfüllschicht aufweist, die von einer ersten high-k-dielektrischen Schicht umgeben ist, wobei die erste high-k-dielektrische Schicht entlang einer unteren Fläche und Seitenwandfläche der Grabenfüllschicht angeordnet ist und sich nach oben erstreckt, um eine Seitenfläche des Bildsensorelements zu bedecken; und eine zweite high-k-dielektrische Schicht, die auf der ersten high-k-dielektrischen Schicht angeordnet ist und sich seitlich erstreckt, um eine obere Oberfläche der Grabenfüllschicht zu bedecken.
Bildsensor nach Anspruch 16, wobei die zweite high-k-dielektrische Schicht mindestens etwa zweimal so dick wie die erste high-k-dielektrische Schicht ist.
Bildsensor nach Anspruch 16 oder 17, der ferner eine dielektrische Isolationsauskleidung aufweist, die zwischen der ersten high-k-dielektrischen Schicht und der Grabenfüllschicht angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bildsensors, umfassend: Bilden einer Fotodioden-Dotierungsschicht mit einer ersten Dotierungsart in einem Substrat von einer Vorderseite eines Bildsensor-Dies her; Bilden eines Tiefgrabens von einer Rückseite des Bildsensor-Dies her, wodurch die Fotodioden-Dotierungsschicht in ein erstes Bildsensorelement und ein zweites Bildsensorelement getrennt wird; Bilden einer ersten high-k-dielektrischen Schicht und einer dielektrischen Isolationsauskleidung entlang einer unteren Fläche und Seitenwandfläche des Tiefgrabens, wobei sie sich nach oben entlang einer Seitenfläche des ersten Bildsensorelements und des zweiten Bildsensorelements erstrecken; Bilden einer Grabenfüllschicht in einem Innenraum des Tiefgrabens; und Bilden einer zweiten high-k-dielektrischen Schicht auf oberen Oberflächen der ersten high-k-dielektrischen Schicht und der Grabenfüllschicht.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die erste high-k-dielektrische Schicht, die dielektrische Isolationsauskleidung und die Grabenfüllschicht durch eine Reihe von Abscheidungsprozessen gebildet werden, an die sich ein Planarisierungsprozess anschließt, um seitliche Teile der dielektrischen Isolationsauskleidung und der Grabenfüllschicht direkt über dem ersten Bildsensorelement und dem zweiten Bildsensorelement zu entfernen.