-
BILDSENSOR UND VERFAHREN ZU
SEINER HERSTELLUNG
-
HINTERGRUND
-
Ein
Bildsensor ist ein Halbleiterbauelement zum Umwandeln eines optischen
Bilds in ein elektrisches Signal. Der Bildsensor wird grob als ladungsgekoppelter
(CCD) Bildsensor oder als Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Bildsensor
(CIS) klassifiziert.
-
Im
Allgemeinen ist eine Fotodiode eines Bildsensors durch Zonenimplantation
in einem Substrat mit Ausleseschaltungen ausgebildet. Da jedoch die
Größe einer
Fotodiode zwecks Erhöhung
der Anzahl von Bildpunkten ohne Erhöhung einer Chipgröße immer
kleiner wird, verkleinert sich die Fläche eines Licht empfangenden
Bereichs, so dass eine Bildqualität abnimmt.
-
Da
ferner eine Stapelhöhe
nicht im selben Maße
wie die Verkleinerung der Fläche
des Licht empfangenden Bereichs abnimmt, nimmt auch die Anzahl von
auf den Licht empfangenden Bereich fallenden Photonen aufgrund der
Beugung des Lichts ab, was als Beugungsscheibchen bezeichnet wird.
-
Als
Alternative zum Überwinden
dieser Einschränkung
wurde versucht, eine Fotodiode unter Verwendung von amorphem Silizium
(Si) auszubilden, oder eine Ausleseschaltung in einem Si-Substrat
auszubilden und unter Verwendung eines Verfahrens wie Wafer-auf-Wafer-Bonden
eine Fotodiode auf der Ausleseschaltung auszubilden ("dreidimensionaler
(3D) Bildsensor" genannt).
Die Fotodiode ist mit der Ausleseschaltung durch eine Metallleitung verbunden.
-
Nach
einer verwandten Technik erfolgt die Bauelementisolation zwischen
Bildpunkten nicht vollständig.
-
Außerdem kann
entsprechend einem Bildsensor nach der verwandten Technik aufgrund peripherer
Faktoren wie eine Leitung und eine Temperatur, die einen Dunkelstrom
verursachen kann, ein Leckstrom erzeugt werden.
-
Ferner
tritt nach einer verwandten Technik, da sowohl die Source als auch
das Drain des Transfertransistors stark mit n-Typ-Fremdstoffen dotiert
ist, ein Phänomen
der Ladungsaufteilung auf, wie in 19 dargestellt
ist. Wenn das Phänomen
der Ladungsaufteilung auftritt, wird die Empfindlichkeit eines ausgegebenen
Bilds verringert und ein Bildfehler kann erzeugt werden.
-
Da
sich eine Photoladung nicht schnell zwischen der Fotodiode und der
Ausleseschaltung bewegt, wird ferner nach der verwandten Technik
ein Dunkelstrom erzeugt oder nehmen Sättigung und Empfindlichkeit
ab.
-
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
-
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Bildsensor und
ein Verfahren zu seiner Herstellung.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
wird ein Bildsensor bereitgestellt, der umfassen kann: ein erstes
Substrat, das einen Bildpunktbereich, in dem eine Ausleseschaltung
vorgesehen ist, und einen peripheren Bereich, in dem eine periphere
Schaltung vorgesehen ist, umfasst; ein Zwischenschichtdielektrikum auf
dem ersten Substrat, wobei das Zwischenschichtdielektrikum mit der
Ausleseschaltung verbundene erste Lei tungen und eine mit der peripheren Schaltung
verbundene zweite Leitung umfasst; eine kristalline Halbleiterschicht
auf einem Bereich des Zwischenschichtdielektrikums, der dem Bildpunktbereich
entspricht; eine erste Fotodiode und eine zweite Fotodiode in der
kristallinen Halbleiterschicht, wobei die erste Fotodiode und die
zweite Fotodiode durch Bauelementisolationsgräben getrennt sind, wobei die erste
Fotodiode und die zweite Fotodiode mit entsprechenden der ersten
Leitungen verbunden sind; eine Bauelement-Isolierschicht auf der
kristallinen Halbleiterschicht einschließlich in den Bauelementisolationsgräben; eine
durch die Bauelement-Isolierschicht auf der kristallinen Halbleiterschicht
verlaufende obere Elektrodenschicht zum Verbinden mit einem Bereich
der ersten Fotodiode; ein Freilegungsbereich in der oberen Elektrodenschicht,
wobei der Freilegungsbereich einen oberen Bereich der ersten Fotodiode
selektiv freilegt; und eine Passivierungsschicht auf dem ersten
Substrat, auf dem der Freilegungsbereich vorgesehen ist.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
kann ein Dummy-Bildpunkt an einem Rand des Bildpunktbereichs eines
Chips vorgesehen sein. Dieser Dummy-Bildpunkt kann zur Prüfung verwendet
werden.
-
Des
Weiteren kann ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors umfassen:
Ausbilden einer Ausleseschaltung auf einem Bildpunktbereich eines
ersten Substrats und einer peripheren Schaltung auf einem peripheren
Bereich des ersten Substrats; Ausbilden eines Zwischenschichtdielektrikums,
das mit der Ausleseschaltung verbundene erste Leitungen und eine
mit der peripheren Schaltung auf dem ersten Substrat verbundene
zweite Leitung umfasst; Ausbilden eines zweiten Substrats, das eine
kristalline Halbleiterschicht umfasst; Ausbilden einer Fotodiodenschicht
in der kristallinen Halbleiterschicht; Bon den des ersten Substrats
mit dem zweiten Substrat, das die Fotodiodenschicht umfasst; Entfernen
eines Bereich des zweiten Substrats, um die Fotodiodenschicht auf
dem ersten Substrat freizulegen; Ausbilden von Bauelementisolationsgräben in der
kristallinen Halbleiterschicht, die Gebiete der Fotodiodenschicht
separieren, um eine erste Fotodiode und eine zweite Fotodiode auszubilden,
die jeweils mit den ersten Leitungen verbunden sind; Ausbilden einer Bauelement-Isolierschicht
auf der kristallinen Halbleiterschicht einschließlich in den Bauelementisolationsgräben; Ausbilden
einer oberen Elektrodenschicht auf der Bauelement-Isolierschicht
derart, dass die obere Elektrodenschicht mit einem Bereich der ersten
Fotodiode verbunden ist; Entfernen eines Bereichs der oberen Elektrodenschicht,
um einen Freilegungsbereich auszubilden, der ein oberes Gebiet der
ersten Fotodiode selektiv freilegt; und Ausbilden einer Passivierungsschicht
auf dem Zwischenschichtdielektrikum, auf dem der Freilegungsbereich ausgebildet
ist.
-
Die
Einzelheiten von einer oder mehr Ausführungsformen werden in den
begleitenden Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt.
Weitere Merkmale werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen
sowie aus den Ansprüchen
ersichtlich sein.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die 1 bis 16 sind
Querschnittsansichten, die einen Prozess zur Herstellung eines Bildsensors
gemäß einer
Ausführungsform
darstellen.
-
17 ist
eine partielle Detailansicht eines Bildsensors gemäß einer
anderen Ausführungsform.
-
18 ist
eine Ansicht, die eine Photoladungsausgabestruktur einer Ausleseschaltung
gemäß einer
Ausführungsform
darstellt.
-
19 ist
eine Ansicht, die eine Photoladungsausgabestruktur einer Ausleseschaltung
gemäß einer
verwandten Technik darstellt.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Ausführungsformen
eines entsprechenden Bildsensors und ein Verfahren zu seiner Herstellung werden
im Einzelnen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
-
16 ist
eine Querschnittsansicht eines Bildsensors gemäß einer Ausführungsform.
-
Der
Bildsensor kann umfassen: ein erstes Substrat 100, das
einen Bildpunktbereich A, in dem eine Ausleseschaltung 120 ausgebildet
ist, und einen peripheren Bereich B, in dem eine periphere Schaltung
ausgebildet ist, umfasst; ein auf dem ersten Substrat 100 ausgebildetes
Zwischenschichtdielektrikum 160 mit Leitungen 150 und 150a zum
Verbinden mit der Ausleseschaltung 120 und Leitung 170 zum
Verbinden mit der peripheren Schaltung; eine kristalline Halbleiterschicht 200 auf
einem Bereich des Zwischenschichtdielektrikums 160, der
dem Bildpunktbereich A entspricht; eine erste Fotodiode 205 und
eine zweite Fotodiode 205a, die in der kristallinen Halbleiterschicht 200 ausgebildet,
durch einen Bauelementisolationsgraben 235 (siehe 8)
für jedes
Bildpunktelement isoliert und mit den Leitungen 150 beziehungsweise 150a verbunden
sind; eine Bauelement-Isolierschicht 250, die auf der kri stallinen
Halbleiterschicht 200 ausgebildet ist, die den Bauelementisolationsgraben 235 umfasst;
eine obere Elektrodenschicht 260, die zum Verbinden mit
einem Bereich der ersten Fotodiode 205 durch die Bauelement-Isolierschicht 250 verläuft; ein
Freilegungsbereich 265, der in der oberen Elektrodenschicht 260 ausgebildet
ist, um ein oberes Gebiet der ersten Fotodiode 205 selektiv
freizulegen; und eine Passivierungsschicht 270, die auf
dem ersten Substrat 100 und einschließlich im Freilegungsbereich 265 ausgebildet
ist.
-
Die
erste Fotodiode 205 kann ein Hauptbildpunkt sein, der mit
der oberen Elektrodenschicht 260 durch ein erstes Durchkontaktierungsloch 255 elektrisch
verbunden ist, um eine wesentliche Arbeit auszuführen. Die zweite Fotodiode 205a kann
ein Dummy-Bildpunkt sein, der nicht mit der oberen Elektrodenschicht 260 verbunden
ist. Da die als Dummy-Bildpunkt dienende zweite Fotodiode 205a einen Leckfaktor
der oberen Elektrodenschicht 260 ausschließen kann,
kann sie als Referenzbildpunkt zum Messen eines exakten Leckstroms
verwendet werden. Beispielsweise kann die zweite Fotodiode 205a bei
einem Randgebiet eines Chips vorgesehen sein.
-
Eine
erste Passivierungsschicht 270 und eine zweite Passivierungsschicht 280 können auf dem
ersten Substrat 100 angeordnet sein, auf dem die obere
Elektrodenschicht 260 ausgebildet ist. Die erste Passivierungsschicht 270 kann
auf der Bauelement-Isolierschicht 250 durch den ersten
Freilegungsbereich 265 der oberen Elektrodenschicht 260 ausgebildet
sein.
-
Die
Bauelement-Isolierschicht 250 kann in der kristallinen
Halbleiterschicht 200 ausgebildet sein, um die Fotodiode 205 für jedes
Bildpunktelement zu isolieren.
-
Ferner
können
die erste Passivierungsschicht 270 und die zweite Passivierungsschicht 280 auf
dem Zwischenschichtdielektrikum 160 ausgebildet sein, auf
dem die kristalline Halbleiterschicht 200 ausgebildet ist,
um die Fotodiode 205 und die Leitung 170 des peripheren
Bereichs B zu schützen.
-
Bezugsziffern,
die bei 16 nicht erläutert werden, werden unten
bei einem Herstellungsverfahren erläutert.
-
Nachstehend
wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß einer
Ausführungsform
mit Bezug auf 1 bis 16 beschrieben.
-
Unter
Bezugnahme auf 1 können Ausleseschaltungen und
Leitungen 150 und 150a auf dem Bildpunktbereich
A des ersten Substrats 100 ausgebildet werden.
-
Das
erste Substrat 100 kann ein einkristallines oder polykristallines
Siliziumsubstrat sein, und es kann ein mit p-Typ-Fremdstoffen oder n-Typ-Fremdstoffen
dotiertes Substrat sein. Ein Bauelement-Isolationsgebiet 110 kann
im ersten Substrat 100 ausgebildet werden, um ein aktives
Gebiet festzulegen. Die Ausleseschaltung 120, die einen
Transistor für
jedes Bildpunktelement umfasst, kann in dem aktiven Gebiet ausgebildet
werden.
-
Die
Ausleseschaltung 120 und die Leitung 150 werden
unter Bezugnahme auf 2 im Einzelnen beschrieben.
-
Unter
Bezugnahme auf 2 kann die Ausleseschaltung 120 einen
Transfertransistor Tx 121, einen Resettransistor Rx 123,
einen Treibertransistor Dx 125 und einen Auswahltransistor
Sx 127 umfassen. Nach dem Ausbilden von Gates für die Transisto ren
können
Ionenimplantationsgebiete ausgebildet werden, die ein schwebendes
Diffusionsgebiet FD 131 und Source/Drain-Gebiete 133, 135 und 137 der jeweiligen
Transistoren umfassen. Indessen kann die Ausleseschaltung 120 in
verschiedenartigen Ausführungsformen
aus 3Tr, 4Tr oder 5Tr gebildet sein.
-
Das
Ausbilden der Ausleseschaltung 120 auf dem ersten Substrat 100 kann
das Ausbilden eines elektrischen Übergangsgebiets 140 im
ersten Substrat 100 und das Ausbilden eines Anschlussgebiets 147 eines
ersten Leitungstyps, das mit der Leitung 150 auf dem elektrischen Übergangsgebiet 140 verbunden
ist, umfassen.
-
Beispielsweise
kann das elektrische Übergangsgebiet 140 ein
PN-Übergang 140 sein,
ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
Beispielsweise kann das elektrische Übergangsgebiet 140 eine
Ionenimplantationsschicht 143 des ersten Leitungstyps,
die auf einer Wanne 141 eines zweiten Leitungstyps (oder
einer Epitaxieschicht eines zweiten Leitungstyps) ausgebildet ist,
und eine Ionenimplantationsschicht 145 des zweiten Leitungstyps,
die auf der Ionenimplantationsschicht 143 des ersten Leitungstyps
ausgebildet ist, umfassen. Beispielsweise kann der PN-Übergang 140 ein
P0 (145)/N- (143)/P- (141) Übergang
sein, wie in 2 dargestellt, ist jedoch nicht
hierauf beschränkt.
In einer Ausführungsform
kann das erste Substrat 100 mit Fremdstoffen des zweiten
Leitungstyps dotiert sein.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
ist ein Bauelement derart gestaltet, dass eine Potentialdifferenz zwischen
einer Source und einem Drain eines Transfertransistors Tx erzeugt
wird, so dass eine Photoladung vollständig ausgegeben werden kann.
Demgemäß kann,
da eine von der Fotodiode erzeugte Photoladung vollständig an
ein schwebendes Diffusionsgebiet ausgegeben wird, die Empfindlichkeit
eines ausgegebenen Bilds erhöht
werden.
-
Das
heißt,
dass gemäß einer
Ausführungsform
das elektrische Übergangsgebiet 140 im
ersten Substrat 100 ausgebildet ist, wo die Ausleseschaltung 120 ausgebildet
ist, um die Erzeugung einer Potentialdifferenz zwischen der Source
und dem Drain auf den Seiten des Transfertransistors Tx 121 zu
ermöglichen,
so dass eine Photoladung vollständig ausgegeben
werden kann.
-
Nachstehend
wird eine Ausgabestruktur einer Photoladung gemäß einer Ausführungsform
im Einzelnen beschrieben.
-
Im
Unterschied zu einem Knoten einer schwebenden Diffusion FD 131,
bei dem es sich um einen N+-Übergang
handelt, wird der PNP P/N/P-Übergang 140,
bei dem es sich um ein elektrisches Übergangsgebiet 140 handelt
und an den eine angelegte Spannung nicht vollständig übertragen wird, bei einer vorbestimmten
Spannung abgeschnürt.
Diese Spannung wird als "Haftspannung" bezeichnet, die
von den Dotierungskonzentrationen des P0-Gebiets 145 und
des N–-Gebiets 143 abhängt.
-
Im
Besonderen bewegt sich ein von der Fotodiode 205 erzeugtes
Elektron zum PNP-Übergang 140 und
wird an den Knoten der schwebenden Diffusion FD 131 übertragen
und in eine Spannung umgewandelt, wenn der Transfertransistor Tx 121 eingeschaltet
wird.
-
Da
ein maximaler Spannungswert des P0/N–/P-Übergangs 140 eine
Haftspannung wird und ein maximaler Spannungswert des Knotens der schwebenden
Diffusion FD 131 eine Schwellenspannung Vth eines Vdd-Rx 123 wird,
kann ein von der Fotodiode 205 im oberen Bereich eines
Chips erzeugtes Elektron durch eine Po tentialdifferenz zwischen
beiden Seiten des Transfertransistors Tx 121 ohne Ladungsaufteilung
vollständig
an den Knoten der schwebenden Diffusion FD 131 ausgegeben
werden, wie es in 18 dargestellt ist.
-
Das
heißt,
dass gemäß einer
Ausführungsform
der P0/N–/P-Wannen-Übergang – kein N+/P-Wannen-Übergang – im ersten
Substrat ausgebildet ist, um zu ermöglichen, dass während des Rücksetzvorgangs
eines aktiven Pixelsensors (APS) mit 4 Transistoren eine + Spannung
an das N-Gebiet 143 des P0/N–/P-Wannen-Übergangs angelegt wird und
ein Massepotential an P0 145 und an die P-Wanne 141 angelegt
wird, so dass bei einer vorbestimmten oder einer höheren Spannung
als bei einer Bipolartransistor-(BJT)-Struktur eine Abschnürung am P0/N–/P-Wannen-Doppelübergang
erzeugt wird. Diese wird als Haftspannung bezeichnet. Daher wird eine
Potentialdifferenz zwischen der Source und dem Drain des Transfertransistors
Tx 121 erzeugt, um eine Photoladung von der N-Wanne an
die schwebende Diffusion FD 131 durch den Transfertransistor Tx
vollständig
auszugeben und so ein Phänomen
der Ladungsaufteilung während
der Ein/Aus-Schaltungen des Transfertransistors Tx zu verhindern.
-
Daher
können
im Unterschied zu einem Fall, in dem eine Fotodiode wie bei einer
verwandten Technik einfach mit einem N+-Übergang verbunden ist, Beschränkungen
wie Sättigungsreduktion
und Empfindlichkeitsreduktion vermieden werden.
-
Sodann
kann ein Anschlussgebiet 147 des ersten Leitungstyps zwischen
der Fotodiode und der Ausleseschaltung ausgebildet sein, um einen
Pfad für
die schnelle Bewegung einer Photoladung bereitzustellen, so dass
eine Dunkelstromquelle mini miert wird und Sättigungsreduktion und Empfindlichkeitsreduktion
verhindert werden können.
-
Zu
diesem Zweck kann gemäß einer
Ausführungsform
ein n+-dotiertes Gebiet wie das Anschlussgebiet 147 des
ersten Leitungstyps für
einen ohmschen Kontakt auf der Oberfläche des P0/N–/P-Übergangs 140 ausgebildet
sein. Das N+-Gebiet 147 kann so ausgebildet sein, dass
es durch P0 145 verläuft,
um das N–-Gebiet 143 zu
kontaktieren.
-
Indessen
kann die Breite des Anschlussgebiets 147 des ersten Leitungstyps
minimiert werden, um zu verhindern, dass das Anschlussgebiet 147 des ersten
Leitungstyps eine Leckquelle wird. Zum diesem Zweck kann in einer
Ausführungsform
nach dem Ätzen
eines Durchkontaktierungslochs für
einen ersten Metallkontakt 151a eine Plug-Implantation
ausgeführt
werden. In einer anderen Ausführungsform können Ionenimplantationsstrukturen
(nicht dargestellt) ausgebildet werden, und dann kann das Anschlussgebiet 147 des
ersten Leitungstyps unter Verwendung der Ionenimplantationsstrukturen
als Ionenimplantationsmaske ausgebildet werden.
-
Das
heißt,
dass ein Grund dafür,
in dieser Ausführungsform
nur einen kontaktbildenden Bereich lokal und stark mit n-Typ-Fremdstoffen zu dotieren,
darin besteht, die Bildung eines ohmschen Kontakts zu erleichtern
und zugleich ein Dunkelsignal zu minimieren. Im Falle der starken
Dotierung des gesamten Transfertransistors (Tx Source) wie bei einer verwandten
Technik kann ein Dunkelsignal durch eine freie Bindung in der Si-Oberfläche verstärkt werden.
-
Ein
Zwischenschichtdielektrikum 160 und eine Leitung 150 können auf
dem ersten Substrat 100 ausgebildet sein. Die Leitung 150 kann
den ersten Metallkontakt 151a, ein erstes Metall 151,
ein zweites Metall 152, ein drittes Metall 153 und
einen vierten Metallkontakt 154a umfassen, doch sind die Ausführungsformen
nicht hierauf beschränkt.
-
Die
Leitung 150 kann für
jedes Bildpunktelement ausgebildet sein, um die Fotodiode 205 mit
der Ausleseschaltung 120 zu verbinden, um eine Photoladung
der Fotodiode 205 zu übertragen.
Während die
mit der Ausleseschaltung 120 verbundene Leitung 150 ausgebildet
wird, kann auch eine mit dem peripheren Bereich B verbundene Leitung 170 ausgebildet
werden. Die Leitungen 150 und 170 können aus
verschiedenartigen leitenden Materialien inklusive Metall, einer
Legierung oder Silizid ausgebildet sein.
-
Die
im Bildpunktbereich A ausgebildeten Leitungen 150 sind
für jedes
Bildpunktelement ausgebildet, um eine Photoladung der Fotodiode
an die Ausleseschaltung 120 zu übertragen. Beispielsweise ist die
erste Leitung 150 des Bildpunktbereichs A mit einem Bildpunktelement
verbunden, das eine wesentliche Arbeit ausführt, und die zweite Leitung 150a kann
mit einem Dummy-Bildpunkt verbunden sein. Während des Prozessschritts zum
Ausbilden des dritten Metalls 153 der Leitung 150,
kann eine Kontaktfläche 180 im
peripheren Bereich B ausgebildet werden.
-
Unter
Bezugnahme auf 3 kann ein zweites Substrat 20,
das eine kristalline Halbleiterschicht 200 umfasst, vorbereitet
werden. Das zweite Substrat 20 ist ein einkristallines
oder polykristallines Siliziumsubstrat und kann ein mit p-Typ-Fremdstoffen oder
n-Typ-Fremdstoffen dotiertes Substrat sein. Die kristalline Halbleiterschicht 200 kann
durch Ausführen eines
epitaktischen Prozesses auf dem zweiten Substrat 20 ausgebildet
werden.
-
Unter
Bezugnahme auf 4 kann eine Fotodiodenschicht 201 in
der kristallinen Halbleiterschicht 200 ausgebildet werden.
Die Fotodiodenschicht 201 kann durch Herstellen eines ersten Fremdstoffgebiets 220 vom
n-Typ und eines zweiten Fremdstoffgebiets 230 vom p-Typ
in der kristallinen Halbleiterschicht 200 mittels Ionenimplantation
ausgebildet werden. Entsprechend kann ein PN-Übergang in der kristallinen
Halbleiterschicht 200 ausgebildet werden.
-
Außerdem kann
eine ohmsche Kontaktschicht 210 durch Implantieren von
hochkonzentrierten n-Typ-Fremdstoffen in die Oberfläche des
ersten Fremdstoffgebiets 220 ausgebildet werden.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
kann ein Ladungsspeichervermögen
erhöht
werden, da das erste Fremdstoffgebiet 220 dicker als das
zweite Fremdstoffgebiet 230 ausgebildet wird. Das heißt, dass
die N-Schicht dicker ausgebildet wird, um eine Verarmungsfläche zu vergrößern, so
dass ein Vermögen, das
eine Photoladung aufnehmen kann, verbessert werden kann.
-
Obgleich
nicht dargestellt, kann eine Wasserstoffionenschicht zwischen der
kristallinen Halbleiterschicht 200 und dem zweiten Substrat 20 ausgebildet
werden. Alternativ kann ein Dielektrikum zwischen der kristallinen
Halbleiterschicht 220 und dem zweiten Substrat 20 vergraben
werden. Das Dielektrikum kann durch einen Nassätzprozess entfernt werden,
nachdem das zweite Substrat 20 entfernt wurde. Die Wasserstoffionenschicht
und das Dielektrikum sind zum Trennen des zweiten Substrats von der
kristallinen Halbleiterschicht 200 vorgesehen.
-
Unter
Bezugnahme auf 5 sind das erste Substrat 100 und
das zweite Substrat 20, das die kristalline Halbleiterschicht 200 umfasst,
miteinander gebondet. Die Oberfläche
der ohmschen Kontaktschicht 210 kann auf dem Zwischenschichtdielektrikum 160 angeordnet
werden, bei dem es sich um die Oberfläche des ersten Substrats 100 handelt,
und dann wird das Bonden ausgeführt.
Dann sind die untere Leitung 150 und die ohmsche Kontaktschicht 210 elektrisch
verbunden.
-
Unter
Bezugnahme auf 6 kann das zweite Substrat 20 entfernt
werden, um die Fotodiodenschicht 201 freizulegen. Das heißt, dass
die kristalline Halbleiterschicht 200 eines Dünnfilms
auf dem ersten Substrat 100 verbleibt, wenn das zweite
Substrat 20 entfernt wird. Beispielsweise kann das zweite Substrat 20 unter
Verwendung eines Messers oder eines Prozesses zum chemisch-mechanischen
Polieren (CMP) unter Verwendung einer Wasserstoffionenschicht (nicht
dargestellt) oder einer Dielektrikumschicht (nicht dargestellt)
als Bezug entfernt werden.
-
Unter
Bezugnahme auf 7 können Bauelementisolationsstrukturen 240 auf
der kristallinen Halbleiterschicht 200 ausgebildet werden.
Die Bauelementisolationsstrukturen 240 können ausgebildet werden,
indem ein Dielektrikum wie eine Oxidschicht auf der Fotodiodenschicht 201 ausgebildet
wird und dann dasselbe strukturiert wird, so dass es die kristalline
Halbleiterschicht 200 selektiv freilegen kann. Außerdem können die
Bauelementisolationsstrukturen 240 einen Bereich der kristallinen
Halbleiterschicht 200 freilegen, der dem peripheren Bereich
B entspricht.
-
Unter
Bezugnahme auf 8 können Bauelementisolationsgräben 235 in
der kristallinen Halbleiterschicht 200 ausgebildet werden.
Die Bauelementisolationsgräben 235 können durch
selektives Ätzen
der kristallinen Halbleiterschicht 200 unter Verwendung
der Bauelementisolationsstrukturen 240 als Ätzmaske
ausgebildet werden. Hierdurch wird die Fotodiodenschicht 201 im
Bildpunktbereich A durch die Bauelementisolationsgräben 235 isoliert
und kann mit der für
jedes Bildpunktelement getrennten Leitung 150 verbunden
werden.
-
Das
heißt,
dass die mit der Leitung 150 verbundene erste Fotodiode 205 ein
Bildpunktelement sein kann, das in einer wesentlichen Weise arbeitet, und
die mit der Leitung 150a verbundene zweite Fotodiode 205a kann
ein Dummy-Bildpunkt sein. Ferner wird, während die Isolationsgräben zum
Festlegen der ersten und zweiten Fotodioden 205 und 205a ausgebildet
werden, ein Bereich der kristallinen Halbleiterschicht 200 im
peripheren Bereich B entfernt, so dass ein Bereich des Zwischenschichtdielektrikums 160 und
der Leitung 170 im peripheren Bereich B freiliegen.
-
Unter
Bezugnahme auf 9 kann eine Bauelement-Isolierschicht 250 auf
dem ersten Substrat 100 ausgebildet werden, auf dem die
Bauelementisolationsgräben 235 ausgebildet
sind. Die Bauelement-Isolierschicht 250 kann unter Verwendung
eines transparenten Dielektrikums wie einer Oxidschicht ausgebildet
werden. Da die Bauelement-Isolierschicht 250 auf dem Zwischenschichtdielektrikum 160 ausgebildet
wird, während
das Innere der Bauelementisolationsgräben 235 gefüllt wird,
können
die ersten und zweiten Fotodioden 205 und 205a voneinander
isoliert werden. Da außerdem
die Bauelement-Isolierschicht 250 über der gesamten Oberfläche des
Zwischenschichtdielektrikums 160 ausgebildet wird, kann
sie die ersten und zweiten Fotodioden 205 und 205a und
die Leitung 170 im peripheren Bereich B schützen.
-
Unter
Bezugnahme auf 10 können erste und zweite Durchkontaktierungslöcher 255 und 257 in
der Bauelement-Isolierschicht 250 ausgebildet werden. Die
ersten und zweiten Durchkontaktierungslöcher 255 und 257 können durch
Entfernen von Bereichen der Bauelement-Isolierschicht 250 ausgebildet
werden und sie können
eine Teiloberfläche
der ersten Fotodiode 205 beziehungsweise die Leitung 170 freilegen.
-
Unter
Bezugnahme auf 11 kann eine obere Elektrodenschicht 260 auf
der Bauelement-Isolierschicht 250 einschließlich in
den ersten und zweiten Durchkontaktierungslöchern 255 und 257 ausgebildet
werden. Die obere Elektrodenschicht 260 kann durch Abscheiden
eines leitenden Materials auf der Bauelement-Isolierschicht 250,
welche die ersten und zweiten Durchkontaktierungslöcher 255 und 257 umfasst,
ausgebildet werden. Beispielsweise kann die obere Elektrodenschicht 260 aus
einer opaken Metallschicht wie Ti, Al, Cu, Co und W ausgebildet
werden.
-
Die
obere Elektrodenschicht 260 kann durch das erste Durchkontaktierungsloch 255 mit
der für
jedes Bildpunktelement isolierten ersten Fotodiode 205 elektrisch
verbunden sein. Außerdem
kann die obere Elektrodenschicht 260 durch das zweite Durchkontaktierungsloch 257 mit
der Leitung 170 im peripheren Bereich B elektrisch verbunden
sein. Die obere Elektrodenschicht 260 erstreckt sich vom
ersten Durchkontaktierungsloch 255 zum zweiten Durchkontaktierungsloch 257,
um die obere Oberfläche
der zweiten Fotodiode 205a abzuschirmen. Daher kann auf
die zweite Fotodiode 205a gerichtetes Licht durch die obere
Elektrodenschicht 260 blockiert werden.
-
Die
obere Elektrodenschicht 260 ist nur mit der ersten Fotodiode 205 (nicht
mit der zweiten Fotodiode 205a) verbunden, so dass die
erste Fotodiode 205 eine wesentliche Arbeit ausführt. Da
ferner die obere Elektrodenschicht 262 mit der zweiten
Fotodiode 205a nicht elektrisch verbunden ist, kann die zweite
Fotodiode 205a als Dummy-Bildpunkt dienen. Im Allgemeinen
kann ein Leckstromfaktor beim Messen eines Leckstroms auf eine untere
Leitung und eine obere Leitung zurückzuführen sein. Gemäß einer
Ausführungsform,
bei der kein Leckstrom der Leitung 150 erzeugt wird, ist
der Dummy-Bildpunkt
nicht mit der oberen Elektrodenschicht 260 verbunden, bei der
es sich um eine Reset-Leitung handelt, so dass ein Leckstromfaktor
der Reset-Leitung ausgeschlossen werden kann und daher eine genaue
Messung eines Leckstroms vorgenommen werden kann. Da dieser Leckstrom
einen direkten Einfluss auf ein Dunkelsignal hat, wird die zweite
Fotodiode 205a als Dummy-Bildpunkt verwendet, so dass die
zweite Fotodiode 205a als Referenzbildpunkt für ein Dunkelsignal
verwendet werden kann.
-
Da
ferner die obere Elektrodenschicht 260 als Blockierschicht
der zweiten Fotodiode 205a dient, werden Signaldifferenzen
aufgrund der Temperatur auf der Innen- und der Außenseite
verglichen, so dass ein mit einem Hotpixel in Verbindung stehendes ausgegebenes
Bild verbessert werden kann.
-
Unter
Bezugnahme auf 12 kann ein erster Freilegungsbereich 265 in
der oberen Elektrodenschicht 260 ausgebildet werden, um
ein Licht empfangendes Gebiet der für jedes Bildpunktelement ausgebildeten
ersten Fotodiode 205 freizulegen. Der erste Freilegungsbereich 265 kann
das Licht empfangende Gebiet der ersten Fotodiode 205 durch
Entfernen eines Be reichs der oberen Elektrodenschicht 260 in
Entsprechung mit der für
jedes Bildpunktelement ausgebildeten ersten Fotodiode 205 sicherstellen.
-
Außerdem kann,
während
der erste Freilegungsbereich 265 ausgebildet wird, ein
zweiter Freilegungsbereich 267 ausgebildet werden, der
einen Bereich der Bauelement-Isolierschicht 250 freilegt, welcher
der Kontaktfläche 180 entspricht.
-
Unter
Bezugnahme auf 13 können eine erste Passivierungsschicht 270 und
eine zweite Passivierungsschicht 280 auf dem Zwischenschichtdielektrikum 160 ausgebildet
werden, auf dem der erste Freilegungsbereich 265 und der
zweite Freilegungsbereich 267 ausgebildet sind. Die erste
Passivierungsschicht 270 kann mit der Bauelement-Isolierschicht 250 durch
den ersten Freilegungsbereich 265 Kontakt haben. In bestimmten
Ausführungsformen kann
die erste Passivierungsschicht 270 eine Oxidschicht oder
eine Nitridschicht sein. Des Weiteren kann die zweite Passivierungsschicht 280 eine
Nitridschicht oder eine Oxidschicht sein.
-
Unter
Bezugnahme auf 14 kann ein Kontaktflächenloch 285,
das die Kontaktfläche 180 freilegt,
im peripheren Bereich B ausgebildet werden. Das Kontaktflächenloch 285 kann
die Kontaktfläche 180 durch
Entfernen des Zwischenschichtdielektrikums 160, der Bauelement-Isolierschicht 250,
der ersten Passivierungsschicht 270 und der zweiten Passivierungsschicht 280 in
Entsprechung mit der Kontaktfläche 180 freilegen.
-
Unter
Bezugnahme auf 15 kann eine Kontaktflächen-Passivierungsschicht 290 auf
dem Zwischenschichtdielektrikum 160 ausgebildet werden,
in dem das Kontaktflächenloch 285 ausgebildet ist.
Die Kontaktflächen-Passivierungsschicht 290 ist vorgesehen,
um die Kontamination der Kontaktfläche 180 während nachfolgender
Prozesse zum Ausbilden von Farbfiltern 300 und Mikrolinsen
(nicht dargestellt) zu verhindern. Beispielsweise kann die Kontaktflächen-Passivierungsschicht 290 eine
Tetraethylorthosilikat-(TEOS)-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 10–200 Å sein.
-
Unter
Bezugnahme auf 16 können Farbfilter 300 und
Mikrolinsen (nicht dargestellt) auf Bereichen der Kontaktflächen-Passivierungsschicht 290 ausgebildet
werden, die den ersten und zweiten Fotodioden 205 und 205a entsprechen.
Ein Farbfilter 300 kann für jedes Bildpunktelement ausgebildet werden,
um Farbe von einfallendem Licht zu scheiden.
-
17 ist
eine partielle Detailansicht eines Bildsensors gemäß einer
anderen Ausführungsform.
-
Unter
Bezugnahme auf 17 kann der Bildsensor umfassen:
ein erstes Substrat 100, in dem eine Ausleseschaltung 120 ausgebildet
ist; eine Leitung 150, die derart auf dem ersten Substrat 100 ausgebildet
ist, dass sie mit der Ausleseschaltung 120 elektrisch verbunden
ist; und eine Fotodiode (nicht dargestellt), die mit der Leitung 150 elektrisch
verbunden und in einer kristallinen Halbleiterschicht auf dem ersten
Substrat 100 ausgebildet ist.
-
Diese
Ausführungsform
kann die technischen Merkmale der mit Bezug auf 2 bis 16 beschriebenen
Ausführungsformen übernehmen.
-
Beispielsweise
kann jede erste Fotodiode 205 in Übereinstimmung mit einem Bildpunktelement durch
einen Bauelementisolationsgraben 235 und eine Bauelement-Isolierschicht 250 iso liert
sein. Außerdem
kann eine Passivierungsschicht 270 auf einem Zwischenschichtdielektrikum 160,
auf dem die erste Fotodiode 205 ausgebildet ist, ausgebildet
sein, um die Fotodiode 205 und andere Bauelemente zu schützen. Ferner
kann zum Messen eines Leckstroms eine zweite Fotodiode 205a ausgebildet
sein, bei der es sich um einen Dummy-Bildpunkt handelt, der mit
einer oberen Elektrodenschicht 260 nicht elektrisch verbunden
ist.
-
Im
Unterschied zu einer oben beschriebenen Ausführungsform veranschaulicht
indessen die in 17 dargestellte Ausführungsform
ein Anschlussgebiet 148 eines ersten Leitungstyps, das
auf einer Seite des elektrischen Übergangsgebiets 140 ausgebildet
ist.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
kann ein N+-Anschlussgebiet 148 für einen ohmschen Kontakt beim
P0/N–/P-Übergang 140 ausgebildet
sein. An diesem Punkt kann ein Prozess zum Ausbilden des N+-Anschlussgebiets 148 und
eines M1C-Kontakts 151a eine Leckquelle schaffen, da das
Bauelement mit einer an den P0/N–/P-Übergang 140 angelegten Sperrvorspannung
arbeitet und so ein elektrisches Feld EF auf der Si-Oberfläche erzeugt
werden kann. Ein während
des Prozesses zum Ausbilden des Kontakts erzeugter Kristalldefekt
im elektrischen Feld fungiert als Leckquelle.
-
Falls
ferner das N+-Anschlussgebiet 148 auf der Oberfläche des
P0/N–/P-Übergangs 140 ausgebildet
ist, wird außerdem
ein elektrisches Feld aufgrund des N+/P0-Übergangs 148/145 hinzugefügt. Dieses
elektrische Feld fungiert auch als Leckquelle.
-
Daher
schlägt
diese Ausführungsform
ein Layout vor, in dem ein erster Kontaktplug 151a in einem
aktiven Gebiet ausgebil det ist, das nicht mit einer P0-Schicht dotiert
ist, sondern ein N+-Anschlussgebiet 148 umfasst. Sodann
ist der erste Kontaktplug 151a durch das N+-Anschlussgebiet 148 mit
dem N-Übergang 143 verbunden.
-
Gemäß Ausführungsformen
wird das elektrische Feld nicht auf der Si-Oberfläche erzeugt,
was zur Verminderung eines Dunkelstroms eines dreidimensional integrierten
CIS beitragen kann.
-
In
der vorliegenden Beschreibung bedeutet jeder Verweis auf "eine Ausführung", "Ausführung", "beispielhafte Ausführung", usw., dass ein
spezielles Merkmal, eine Struktur oder eine Eigenschaft, welches
bzw. welche in Verbindung mit der Ausführung beschrieben wird, in
mindestens einer Ausführung der
Erfindung enthalten ist. Das Auftreten derartiger Ausdrucksweisen
an verschiedenen Stellen in der Beschreibung verweist nicht notwendig
sämtlich
auf die gleiche Ausführung.
Ferner sei bemerkt, dass, wenn ein besonderes Merkmal, eine Struktur
oder eine Eigenschaft beschrieben wird, es sich innerhalb des Bereichs
der Möglichkeiten
eines Fachmanns befindet, ein derartiges Merkmal, eine Struktur
oder ein Kennmerkmal in Verbindung mit anderen der Ausführungen
zu bewirken.
-
Obwohl
Ausführungen
mit Bezug auf eine Anzahl erläuternder
Ausführungsbeispiele
beschrieben wurden, sei bemerkt, dass zahlreiche weitere Abwandlungen
und Ausführungen
durch Fachleute entworfen werden können, welche unter Prinzip
und Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen. Insbesondere sind
verschiedene Änderungen
und Abwandlungen der Bauteile und/oder der Anordnungen der fraglichen
Kombinationsanordnung innerhalb des Umfangs der Offenbarung, der
Zeichnungen und der beigefügten
Ansprüche
möglich.
Zusätzlich
zu Änderungen
und Abwandlungen der Bauteile und/oder der Anordnungen sind alternative
Verwendungen gleichfalls für
Fachleute ersichtlich.