DE60128489T2

DE60128489T2 - Von hinten beleuchtete bildaufnahmevorrichtung mit erhöhter empfindlichkeit vom uv bis nah-ir-bereich

Info

Publication number: DE60128489T2
Application number: DE60128489T
Authority: DE
Inventors: Kalluri R. Mesa SARMA; Charles S. Scottsdale CHANLEY
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2001-01-02
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: EP1356522B1; US20020084474A1; WO2002058153A9; EP1356522A2; US6498073B2; AU2002245175A1; JP2004531877A; CA2434252A1; ATE362657T1; WO2002058153A2; DE60128489D1; TW526525B; WO2002058153A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Bildaufnahmevorrichtungen wie etwa Photonendetektoren und Bildsensoren/Brennebenenarrays. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine von hinten beleuchtete Bildarrayeinrichtung und ein Verfahren zum Konstruieren einer derartigen Einrichtung.
Bildaufnahmevorrichtungen wie etwa Photonendetektoren, Bildsensoren/Brennebenenarrays und dergleichen sind in einer großen Vielzahl von Erfassungs- und Abbildungsanwendungen in einem großen Bereich von Gebieten einschließlich Verbraucherbereich, kommerzieller Bereich, industrieller Bereich und Raumbereich von Interesse.
Gegenwärtig werden Bildaufnahmevorrichtungen auf der Basis von ladungsgekoppelten Bauelementen (CCDs) am meisten eingesetzt. Bildaufnahmevorrichtungen auf der Basis von Ladungsinjektionseinrichtungen (CIDs) sind zunehmend populärer, da sie gegenüber CCDs einzigartige Leistungscharakteristiken wie etwa nicht-destruktives Auslesen, hervorragendes Anti-Blooming, inhärente Strahlungstoleranz, Zufallspixeladressierung und hohe Ausleseraten bereitstellen. CIDs werden insbesondere in Anwendungen mehr eingesetzt, wo ihre einzigartigen Leistungscharakteristiken von Vorteil sind. Auf dem Gebiet dieser beiden Arten von Bildaufnahmevorrichtungen kann die vorliegende Erfindung am besten benutzt werden.
Beide dieser Bildaufnahmevorrichtungen werden in der Regel auf einem Siliziumwafer hergestellt, noch typischer einem Wafer mit einer epitaxialen Siliziumfrontschicht. Diese Einrichtungen sind in der Regel für eine Frontseitenbeleuchtung ausgelegt. Die Frontseitenbeleuchtung weist, obwohl sie traditioneller Weise in standardmäßigen Bildaufnahmevorrichtungen verwendet wird, signifikante Leistungsbegrenzungen auf wie etwa: 1) niedriger Füllfaktor/niedrige Empfindlichkeit und 2) begrenzte Spektralantwort insbesondere in dem UV- bis Blau-Bereich des Spektrums.
Das Problem eines niedrigen Füllfaktors/einer niedrigen Empfindlichkeit ist in der Regel auf die Abschattung zurückzuführen, die durch das Vorliegen opaker Metallbusleitungen hervorgerufen wird, und Absorption durch die auf der Frontoberfläche im Pixelgebiet ausgebildete Arrayschaltungsanordnungsstruktur. Somit ist das aktive Gebiet des Pixels bei großformatigen (hochauflösenden) frontbeleuchteten Bildaufnahmevorrichtungen in der Regel sehr klein (niedriger Füllfaktor). Diese Struktur reduziert die Gesamtempfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung.
Das Problem einer begrenzten Spektralantwort, insbesondere im UV- bis Blau-Gebiet des Spektrums, ist auch in der Regel auf die Absorption dieser Wellenlänge in dem UV- bis Blau-Bereich durch die Arrayschaltungsanordnungsstruktur zurückzuführen.
Zur Lösung dieser Probleme sind in der Technik hintergrundbeleuchtete CCDs vorgeschlagen worden. Sie werden in der Regel hergestellt, indem der Siliziumwafer nach dem Herstellen der CCD-Schaltungsanordnung durch Techniken wie etwa Oberflächenschleifen und mechanisches Polieren und Ätzen der Rückseite des Siliziumwafers dünner ausgeführt wird. Dieser Ansatz begrenzt jedoch die Mindestsiliziumwaferdicke wegen der Notwendigkeit, daß der Siliziumwafer sich selbst tragen und für Beleuchtung von der Rückseite aus zugänglich sein muß. Eine Siliziumdicke für die optimale UV-zu-Nah-IR-Antwort liegt in der Regel im Bereich von 5–10 Mikrometer. Unter Einsatz der Verfahren nach dem Stand der Technik, die selbsttragende Siliziumstrukturen mit einer Verdünnung der Rückseite produzieren, ist dies schwierig zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit diesen Erfordernissen sowie anderen mit existierenden Bildaufnahmevorrichtungseinrichtungen assoziierten Problemen.
Aus US-A-5,426,072 ist ein Prozeß zum Herstellen einer dreidimensionalen integrierten Schaltung aus gestapelten SOI-Wafern unter Verwendung eines vorübergehenden Siliziumsubstrats bekannt.
Aus US-A-5,227,313 ist ein Prozeß zum Herstellen von von der Rückseite beleuchteten Bildsensoren bekannt.
Die vorliegende Erfindung stellt dementsprechend ein Verfahren zum Konstruieren einer von hinten beleuchteten Bildarrayeinrichtung bereit, gekennzeichnet durch:
Bereitstellen eines Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Wafers mit einer dicken Siliziumschicht, einer Oxidschicht auf der dicken Siliziumschicht und einer Siliziumfrontschicht auf der Oxidschicht, wobei die Frontschicht eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei sich die zweite Oberfläche proximal der Oxidschicht befindet;
Ausbilden einer Arrayschaltungsanordnung auf der ersten Oberfläche der Frontschicht;
Aufbringen einer vorübergehenden Schicht auf der Oberfläche der Arrayschaltungsanordnung;
Entfernen der dicken Siliziumschicht und der Oxidschicht von dem Wafer unter Exponieren der zweiten Oberfläche der Frontschicht;
Aufbringen einer Quarzschicht auf der zweiten Oberfläche und
Entfernen der vorübergehenden Schicht.
Das Verfahren zum Herstellen der Einrichtung umfaßt im allgemeinen die folgenden Schritte. Das Verfahren stellt einen Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Wafer mit einer dicken Siliziumschicht, einer Oxidschicht (SiO₂) auf der dicken Siliziumschicht und eine dünne Siliziumfrontschicht auf der Oxidschicht bereit. Die Frontschicht weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, wobei sich die zweite Oberfläche proximal der Oxidschicht befindet. Eine Arrayschaltungsanordnung ist auf der ersten Oberfläche der Frontschicht ausgebildet. Eine vorübergehende Schicht wird auf der Oberfläche der Arrayschaltungsanordnung aufgebracht. Die dicke Siliziumschicht und die Oxidschichten werden von dem Wafer entfernt, wodurch die zweite Oberfläche der Frontschicht exponiert wird. Eine Quarzschicht wird auf der zweiten Oberfläche aufgebracht. Die vorübergehende Schicht wird von der Arrayoberfläche entfernt.
Die oben erwähnten Vorzüge und andere Vorzüge einschließlich spezifischer Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
1a eine Querschnittsansicht eines typischen Wafers mit einer epitaxialen Schicht darauf; 1b eine Querschnittsansicht des Wafers von 1a mit der auf der Frontschicht ausgebildeten Arrayschaltungsanordnung, wodurch eine frontbeleuchtete Bildaufnahmevorrichtung entsteht;
2 ist von vorne eine Draufsicht auf ein typisches frontbeleuchtetes Abbildungsarray;
3 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Einrichtung der vorliegenden Erfindung;
4a eine Querschnittsansicht eines typischen Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Wafers, der mit der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann;
4b eine Querschnittsansicht des Wafers von 4a, wobei darauf eine Arrayschaltungsanordnung ausgebildet ist;
4c eine Querschnittsansicht des Wafers von 4b, wobei auf der Oberfläche der Arrayschaltungsanordnung eine vorübergehende Schicht aufgebracht worden ist;
4d eine Querschnittsansicht des Wafers von 4c, wobei die isolierende und Oxidschicht des Wafers entfernt worden sind;
4e eine Querschnittsansicht des Wafers von 4d, wobei auf die zweite Oberfläche der Frontschicht eine Quarzschicht aufgebracht worden ist; und
4f eine Querschnittsansicht des Wafers von 4e, wobei die vorübergehende Schicht entfernt worden ist, wodurch eine Ausführungsform der Einrichtung der vorliegenden Erfindung zurückbleibt.
Nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen in den mehreren Ansichten gleiche Elemente bezeichnen, zeigt 1a eine typische dicke Siliziumschicht 12 mit einer epitaxialen Schicht 14 darauf. 1b zeigt einen typischen Wafer 12, wie in 1a gezeigt, der durch die Ausbildung einer Arrayschaltungsanordnung 16 auf der Frontoberfläche der epitaxialen Schicht zu einer frontbeleuchteten Bildaufnahmevorrichtung 10 modifiziert worden ist. Diese Struktur ist weiter in 2 dargestellt.
2 ist eine Frontansicht der Einrichtung 10, die die durch Zeilenelektroden 20 und Spaltenelektroden 22 ausgebildete Arrayschaltungsanordnung zeigt. Das aktive Gebiet eines Pixels ist durch Zahl 18 bezeichnet. Wie diese Figur veranschaulicht, werden ein substantieller Abschnitt jedes der Pixel des Bauelements durch die Struktur der Arrayschaltungsanordnung inaktiv gemacht.
3 zeigt eine schematische Struktur einer Ausführungsformen einer von hinten beleuchteten Bildaufnahmevorrichtungsarrayeinrichtung 20 vom CID-Typ der vorliegenden Erfindung. Die Figur zeigt eine auf der ersten Oberfläche einer Frontschicht 28 mit einer gewünschten Schichtdicke im Bereich von 3–20 Mikrometern hergestellte Bildvorrichtungsschaltungsanordnung 24. Die zweite Oberfläche der Frontschicht 28 ist eng an eine Quarzschicht 26 gebondet. Die Quarzschicht 26 ist in dem gewünschten UV- bis Nah-IR-Spektralbereich transparent. Die Bildaufnahmevorrichtungsarrayeinrichtungsstruktur dieser Ausführungsform gestattet eine Rückseitenbeleuchtung, etwa 100% Pixelfüllfaktor und verbesserte Antwort in einem breiten Spektralbereich im ungefähren Bereich von 200 nm bis 1100 nm. Wenngleich in der folgenden Erörterung auf CID-Bildaufnahmevorrichtungen Bezug genommen wird, läßt sich die Technik auch zum Herstellen von von hinten beleuchteten Strukturen zum Erzielen eines hohen Füllfaktors und einer verbesserten UV-Antwort unter Verwendung einer CCD-Arrayschaltungsanordnung anwenden.
4a–4f veranschaulichen die Schritte des Herstellungsprozesses zum Erzielen der in 3 gezeigten Einrichtungsstruktur. Der Prozeß stellt einen standardmäßigen Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Wafer 30 bereit, der eine dicke Siliziumschicht 32, eine auf der dicken Siliziumschicht positionierte Siliziumdioxidschicht 34 und eine auf der Oxidschicht positionierte Frontschicht 28 umfaßt. Alle diese Komponenten bestehen bevorzugt aus siliziumbasierten Materialien und können auf einem standardmäßigen Silizium-auf-Isolator-Wafer (SOI) bereitgestellt werden. Die gewünschte Frontschichtdicke liegt in der Regel im Bereich von 5–10 Mikrometern, während die Oxiddicke in der Regel im Bereich von 1–3 Mikrometern liegt. Diese Arten von Wafern sind kommerziell erhältlich (zum Beispiel von S E H America in Vancouver, Washington) und werden über wohlbekannte Waferbond- und -verdünnungstechniken hergestellt.
Der in 4a gezeigte Wafer wird dann standardmäßigen Arrayschaltungsanordnungsherstellungsprozessen unterzogen. Für ein CID-Array beinhalten diese Prozesse eine Dünnfilmabscheidung, eine Ionenimplantierung und Fotolithographie, um die Arrayschaltungsanordnungsschicht wie in 4b gezeigt auszubilden.
Der verarbeitete Wafer 30 in 4b wird dann an eine vorübergehende Schicht 40 wie etwa Glas oder einen Siliziumwafer usw. gebondet, wie in 4c gezeigt. Die vorübergehende Schicht 40 kann wiederverwendbar sein.
Vor dem Bonden kann die bearbeitete Waferarrayschaltungsanordnungsoberfläche 24 durch solche Techniken wie etwa Aufschleuderglas und chemisch-mechanisches Polieren (CMP) planarisiert werden, um für den Bondschritt eine sehr flache Oberfläche (ohne jegliche Topographie) zu präsentieren. Das Bonden des Wafers 30 an die vorübergehende Schicht 40 kann durch Einsatz eines klebenden Materials 42 wie etwa Wachs oder ein anderer vorübergehender Kleber bewerkstelligt werden.
Das klebende Material sollte bevorzugt zur Beseitigung durch Tieftemperaturschmelzen (etwa 100°C ist eine derartige geeignete Temperatur) oder durch Lösen des Materials in einem Lösungsmittel in der Lage sein. Die dicke Siliziumschicht 32 und die Oxidschicht 34 (bevorzugt ist SiO₂) in der Waferstruktur 30 werden dann wie in 4d gezeigt in der Regel durch Oberflächenschleifen und selektives chemisches Ätzen beseitigt. Das meiste des dicken Siliziums 32 und der Oxidschicht 34 können schnell durch Oberflächenschleifen beseitigt werden. Die verbleibende dicke Siliziumschicht und die Oxidschichtmaterialien werden bevorzugt durch selektives chemisches Ätzen präzise entfernt, wodurch die zweite Oberfläche der Frontschicht 24 entdeckt wird.
Bei Verwendung von siliziumbasierten Materialien wird die Nutzung einer Kaliumhydroxidlösung (KOH), die siliziumselektiv über einer SiO₂-Schicht ist, bevorzugt. Wenn eine SiO₂-Schicht verwendet wird, wird auch bevorzugt, sie selektiv über der Frontschicht durch ein gepuffertes Oxidätzen zu ätzen.
Die zweite Oberfläche der Frontschicht 24 wird gereinigt, um eine hydrophile Oberfläche und direkt an die Oberfläche einer Quarzschicht 26 gebondet zu erzielen. Die Oberfläche der Quarzschicht, die an die Frontschicht gebondet wird, sollte bevorzugt ebenfalls eine saubere hydrophile Oberfläche sein.
Die vorübergehende Schicht 40 wird von der Struktur entfernt, indem der vorübergehende Kleber 42 beispielsweise dadurch entfernt wird, daß er geschmolzen und beseitigt oder er in einem entsprechenden Lösungsmittel gelöst wird. Die Planarisierungsschicht wird geätzt, um die Bondpads des Bildaufnahmevorrichtungsarrays zu exponieren, damit der Herstellungsprozeß abgeschlossen wird.
Außerdem gestattet dieser Ansatz eine Rückseitenverarbeitung der Frontschicht 28 vor dem Bonden an die Quarzschicht 26. Beispielsweise kann eine stark dotierte Siliziumschicht an der Quarzfrontschichtgrenzfläche (durch Ionenimplantierung) und schnelles thermisches Ausheilen) hergestellt werden, um für verbesserte Empfindlichkeit und Spektralantwort die Träger zum Übergang zu zwingen.
Bei Verwendung in einem siliziumbasierten Material würde das Raumtemperaturbonden der Quarzschicht an die Siliziumfrontschicht in, wie in 4e gezeigt, im allgemeinen eine ausreichende Bondfestigkeit bereitstellen für das nachfolgende Ritzen (Schneiden) des Wafers in individuelle Arrays und ihre Verkapselung zu Bildaufnahmevorrichtungen. Das Bonden der Quarzschicht an die Frontschicht kann auf jede in der Technik bekannte Weise bewerkstelligt werden, so lange die Arrayschaltungsanordnung während des Bondprozesses nicht beschädigt wird. Ein derartiges Verfahren ist das Erhitzen der zweiten Oberfläche der Frontschicht, wodurch sie mit der Quarzschicht bondet.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der verarbeitete Wafer in 4b in individuelle Abbildungsarrays (in der Regel mit einer Fläche von 1'' × 1'' oder weniger) vereinzelt (geschnitten) und dann durch den Rest der in 4c bis 4f gezeigten Schritte bearbeitet werden. In diesem Fall kann die Bondfestigkeit zwischen der Frontschicht 28 und der Quarzschicht 26 gegebenenfalls durch schnelle Hochtemperaturbehandlung der Frontschicht/Quarzschicht-Grenzfläche in einem RTA-(rapid thermal annealing – schnelles thermisches Ausheilen)-System (etwa 1 Sekunde lang) oder einem gepulsten Laser-Ausheilungssystem (für << 1 Sekunde) verbessert werden.
Bei diesem Prozeß trifft die optische Strahlung von der Quarzschichtseite auf, und da die Quarzschicht 26 für die Wellenlängen des RTA und des Laser-Ausheilers transparent sind, absorbiert die Schicht 26 keine optische Strahlung. Die Frontschicht 28 jedoch absorbiert die Strahlung, und die Absorption der optischen Strahlung an der zweiten Oberfläche der Frontschicht erwärmt das Gebiet der Frontschicht-Quarzschicht-Grenzfläche.
Diese schnelle thermische Behandlung erhöht die Temperatur der Frontschicht-Quarzschicht-Grenzfläche auf etwa 1000°C, um die Bondfestigkeit zu verbessern, während die Masse der Quarzschicht 26, der Frontschicht 28 und der Arrayschaltungsanordnung im wesentlichen bei Raumtemperatur bleiben, um zu verhindern, daß die thermischen Beanspruchungen ein Problem werden. Die an die Quarzschicht gebondeten individuellen Arrays werden dann über herkömmliche Techniken zu Bildaufnahmevorrichtungen gekapselt.

Claims

Verfahren zum Konstruieren einer von hinten beleuchteten Bildarrayeinrichtung (10), umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Wafers (30) mit einer dicken Siliziumschicht (32), einer Oxidschicht (34) auf der dicken Siliziumschicht (32) und einer Siliziumfrontschicht (28) auf der Oxidschicht (34), wobei die Frontschicht (28) eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei sich die zweite Oberfläche proximal der Oxidschicht (34) befindet; Ausbilden einer Arrayschaltungsanordnung (24) auf der ersten Oberfläche der Frontschicht (28); Aufbringen einer vorübergehenden Schicht (40) auf der Oberfläche der Arrayschaltungsanordnung (24); Entfernen der dicken Siliziumschicht (32) und der Oxidschicht (34) von dem Wafer (30) unter Exponieren der zweiten Oberfläche der Frontschicht (28); Aufbringen einer Quarzschicht (26) auf der zweiten Oberfläche und Entfernen der vorübergehenden Schicht (40).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche der Frontschicht (28) gereinigt wird, um eine hydrophile Oberfläche zu erzielen, und die Quarzschicht (26) eine hydrophile Oberfläche aufweist und wobei die beiden hydrophilen Oberflächen direkt aneinander gebondet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Quarzschicht (26) bei Raumtemperatur aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Quarzschicht (26) für UV- und Nah-IR-Wellenlängen transparent ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Quarzschicht (26) direkt an die zweite Oberfläche gebondet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Arrayschaltungsanordnung (24) durch Abscheiden von Dünnfilmen, Ionenimplantierungen und photolithographische Strukturierung ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorübergehende Schicht (40) ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliziumwafern, Glas und Metall umfaßt.