DE102021101827A1 - Herstellungsverfahren eines vergrabenen Reflektors in einem Lichtsensor - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines rückseitig beleuchtbaren Lichtpixels ausgehend von einem Halbleiter-Substrat mit einer vorgegebenen Kristallstruktur an der einer Oberseite mit den Schritten:
- Epitaktische Abscheidung einer Halbleiter-Schicht,
- Maskierung der Halbleiter-Schicht,
- Nasschemische Strukturierung des Halbleiters in der Form, dass sich zwischen den Öffnungen der Maskierung kegelförmige Vertiefungen bilden,
- Abscheidung eines Dielektrikums oder einer Metallschicht zur Bildung reflektierender Schichten,
- Abdeckung der reflektierenden Schicht und Auffüllung der Vertiefungen mittels weiterer epitaktische Abscheidung von Halbleitermaterial
- Planarisierung des Halbleitermaterials.
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- Planarisierung des Halbleitermaterials.
Description
- Ein Lichtsensor kann hierbei beispielsweise als Sensor für das einfallende Licht oder ggf. auch als so genannter pmd-Sensor zur Demodulation eines moduliert einfallenden Lichts ausgebildet sein.
- Durch eine spezielle Strukturierung einer Halbleiteroberfläche, anschließender Maskierung und selektiver epitaktischer Abscheidung einer Deckschicht, wird ein vergrabener, gewinkelter dielektrischer Reflektor realisiert. Dieser kann die Quanteneffizienz sowie ortsabhängig die Resistenz gegenüber parasitärem Streulicht in Lichtsensoren erhöhen.
- Vergrabene Reflektoren zur Erhöhung der Quanteneffizienz sind bekannt aus
DE 10 2016 209 316 A1 . - Vergrabene Reflektoren als Lichtschild für empfindliche Elektronik bekannt aus
DE 10 2018 108 794 B3 undDE 10 2018 113 096 A1 . - Aufgabe der Erfindung ist es, eine Quantenausbeute eines Lichtlaufzeitsensors weiter zu verbessern und selektiv lichtsensitive Bereiche vor einfallendem Licht zu schützen.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen schematisch:
-
1 zeigt ein Flussdiagram des Herstellungsverfahrens als oberflächen-naher Reflektor für rückseitige Beleuchtung, -
2 Flussdiagram der Herstellung als tiefer Reflektor für frontseitige Beleuchtung, -
3 einen Pixelbereich eines Lichtsensors für rückseitige Beleuchtung, -
4 einen Pixelbereich eines Lichtsensors für frontseitige Beleuchtung - Ausgangspunkt ist ein Siliziumwafer, auf welchem zunächst die erste epitaktische Schicht für einen Lichtsensor abgeschieden wird. Das Wachstum wird nach einer definierten Dicke unterbrochen, um die Strukturierung der Reflektoren zu ermöglichen. Im nächsten Schritt wird die abschließende Silizium-Deckschicht epitaktisch abgeschieden. Dabei dient das freigelegte Silizium in den Öffnungen des Reflektors als Nukleationskeim, aus welchen die Silizium-Deckschicht gewachsen wird. Die entstandenen Reflektoren erzeugen einen lichtgeschützten oberflächennahen Bereich, in dem z.B. gegen Streulicht empfindliche Ladungsspeicherbereiche positioniert werden können. Weiterhin werden einfallende Lichtstrahlen durch den schrägen Reflektor so abgelenkt, dass sich ihr Weg durch das Absorptionsvolumen um den Abstand zweier Reflektoren verlängert, welches eine erhöhte Quanteneffizienz zur Folge hat. Für das Bauelement ist hierbei eine Rückseiten-Beleuchtung angenommen (BSI). Die gezeigten Gräben sind Stand-der-Technik für BSI-Lichtsensoren und führen zu einer lateralen optischen Isolation des Lichtsensors und dienen hier nur der Veranschaulichung.
- Die einzelnen Prozessmodule wie das laterale Überwachsen von Siliziumdioxid-Masken mit Silizium (epitaxial lateral overgrowth ELOG) und die nasschemische Strukturierung von (100)-Silizium zur Freilegung der (111)-Facette sind bekannt.
- Die Realisierung von gewinkelten vergrabenen Reflektoren für Bildsensoren in der Siliziumtechnologie ist nicht bekannt.
-
1 zeigt einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für einen erfindungsgemäßen Lichtsensor. - Der Prozess geht in bekannter Weise in einem ersten Schritt aus von einem Silizium-Substrat mit einer (100)-Facette an der Oberfläche. Eine epitaktische Abscheidung einer ersten Siliziumschicht wird später für den Lichtsensor benötigt.
- Es folgt in einem zweiten Schritt eine Maskierung der epi-Schicht bzw. Siliziumoberfläche. In den Öffnungen der Maskierung entstehen später die lichtgeschützten Bereiche.
- Im dritten Schritt erfolgt eine nasschemische Strukturierung des Siliziums. Dabei kommt z.B. KOH oder TMAH zum Einsatz, welches Silizium selektiv gegenüber der (111)-Facette ätzt. Der Prozess kommt dabei automatisch zum Erliegen, sobald ein vollständig dreieckiger Graben geätzt wurde. Denkbar ist auch, den Ätzvorgang vorzeitig abzubrechen, um die Ätztiefe zu verringern.
- Es erfolgt dann im vierten Schritt eine Abscheidung und Strukturierung des Dielektrikums, welches später als Reflektor dienen soll. Hier wäre auch ein gekapseltes hochschmelzendes Metall denkbar, welches eine deutlich höhere Reflektivität aufweist.
- Darauffolgend ist im fünften Schritt eine epitaktische Abscheidung einer Siliziumdeckschicht vorgesehen. Dabei werden die geöffneten Bereiche zwischen den Reflektoren als Nukleationskeim verwendet. Die Schicht wächst dabei zunächst aus den Öffnungen des strukturierten Dielektrikums nach oben und schließt sich dann lateral über den Reflektoren. Die entstehende Topologie kann anschließend über übliche Planarisierungsprozesse, wie z.B. chemisch-mechanisches Polieren (CMP), entfernt werden.
-
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Ablauf einer Herstellung eines frontseitenbeleuchtbaren Lichtsensors. Wie zuvor wird im ersten Schritt von einem Silizium-Substrat mit einer (100)-Facette an der Oberfläche ausgegangen. - Im zweiten Schritt erfolgt ebenso eine Maskierung der Siliziumoberfläche, wobei die Maskierung jedoch für einen frontseitig beleuchtbaren Lichtsensor strukturiert ist.
- Ebenso wie zuvor erfolgt im dritten Schritt eine selektive nasschemische Strukturierung, mit beispielsweise KOH oder TMAH. Auch hier kommt der Prozess automatisch zum Erliegen, sobald ein vollständig dreieckiger Graben geätzt wurde. Auch ist es denkbar, den Ätzvorgang vorzeitig abzubrechen, um die Ätztiefe zu verringern.
- Im vierten Schritt erfolgt die Abscheidung und Strukturierung des Dielektrikums, welches später als Reflektor dienen soll. Auch hier wäre ein gekapseltes hochschmelzendes Metall denkbar, welches eine deutlich höhere Reflektivität aufweist. Die Maskierung im zweiten Schritt und die nachfolgende Ätzung im dritten Schritt erfolgte derart, dass sich nun das Dielektrikum oder die Metallisierung pyramidenartig abscheidet.
- Darauffolgend ist im fünften Schritt eine epitaktische Abscheidung einer Siliziumdeckschicht vorgesehen. Dabei werden die geöffneten Bereiche zwischen den Reflektoren als Nukleationskeim verwendet. Die Schicht wächst dabei zunächst aus den Öffnungen nach oben und schließt sich dann lateral über den Reflektoren. Die entstehende Topologie kann anschließend über übliche Planarisierungsprozesse, wie z.B. chemisch-mechanisches Polieren (CMP), entfernt werden.
- Im sechsten Schritt erfolgt dann eine epitaktische Abscheidung von Silizium auf die im fünften Schritt vorbereitete Oberfläche, welche später als Licht-Absorptionsvolumen für den Lichtsensor dient.
-
3 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen rückseitig beleuchtbaren Pixel. Die abgeschiedenen Dielektrika bzw. Metallisierungen dienen als Reflektoren für die einfallenden Lichtstrahlen. Im mittleren Bereich wurden keine reflektierende Schichten abgeschieden, so dass Licht und auch die photogenerierten Ladungsträger in diesen Bereich gelangen können und von elektrischen Komponenten, die vorzugsweise im lichtgeschützten Bereich hinter den Reflektoren angeordnet sind (z.B. Speicherbereich für Ladungsträger), gesammelt werden können. Für rückseitig beleuchtbare Pixel kann damit die Empfindlichkeit gegenüber parasitärem Streulicht in oberflächennahen Pixelelementen stark reduziert werden. - Vorzugsweise sind die Pixel auch noch durch Trenches /Gräben begrenzt, wobei die Trenches ggf. auch reflektierend ausgebildet sein können.
-
4 zeigt einen Aufbau eines nach vorherigem Verfahren aufgebauten frontseitig beleuchtbaren Lichtsensors. Die pyramidenförmige Strukturierung der Reflektoren befindet sich somit auf der Unterseite des Pixels (bzw. lichtabgewandten Seite des Pixels) und reflektiert das einfallende Licht wieder ins Volumen. Im dargestellten Beispiel erstrecken sich mehrere pyramidenförmige Reflektoren in einem Pixelbereich. Das Pixel kann auch hier mittels Trenches oder vergrabenen Strukturen seitlich abgegrenzt werden. Die hier nicht eingezeichneten, lichtsensitiven Teile der Pixelschaltung (z.B. Speicherbereich für Ladungsträger) befindet sich im Bereich der Oberseite des Pixels und sind ggf. teilweise mit reflektierenden Schichten vor Lichteinfall geschützt. - 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
-
- DE 102016209316 A1 [0003]
- DE 102018108794 B3 [0004]
- DE 102018113096 A1 [0004]
Claims (3)
- Verfahren zur Herstellung eines rückseitig beleuchtbaren Lichtpixels ausgehend von einem Halbleiter-Substrat mit einer vorgegebenen Kristallstruktur an der einer Oberseite mit den Schritten: - Epitaktische Abscheidung einer Halbleiter-Schicht, - Maskierung der Halbleiter-Schicht, - Nasschemische Strukturierung des Halbleiters in der Form, dass sich zwischen den Öffnungen der Maskierung kegelförmige Vertiefungen bilden, - Abscheidung eines Dielektrikums oder einer Metallschicht zur Bildung reflektierender Schichten, - Abdeckung der reflektierenden Schicht und Auffüllung der Vertiefungen mittels weiterer epitaktische Abscheidung von Halbleitermaterial - Planarisierung des Halbleitermaterials.
- Lichtpixel ausgebildet für eine rückseitige Beleuchtung in einem Halbleitersubstrat, der nach dem Verfahren nach
Anspruch 1 hergestellt ist, mit einem lichtaktivem Bereich, in dem das einfallende Licht in photogenerierte Ladungsträger umgewandelt wird, mit einer Pixelelektronik, die mit einer vergrabenen, reflektierenden Schicht in Richtung der Rückseite des Halbleiters abgedeckt ist, wobei die reflektierende Schicht schräg zur Oberfläche der Rückseite derart ausgerichtet ist, dass das rückseitig einfallende Licht ins Pixelvolumen reflektiert wird, wobei in einem mittleren Bereich des Pixels keine reflektierende Schicht vorgesehen ist. - Lichtpixel nach
Anspruch 2 , das als Lichtlaufzeitpixel ausgebildet ist, mit Modulationsgate im beleuchtbaren Bereich des Lichtlaufzeitpixels und vor Lichteinfall zu schützenden Bereichen hinter der gewinkelten dielektrischen reflektierenden Schicht.
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Publications (1)
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2021
- 2021-01-27 DE DE102021101827.7A patent/DE102021101827A1/de active Pending
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