СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОТИВООТРАЖАЮЩИХ СТРУКТУР ДЛЯ ДАТЧИКОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ КМОП-ТЕХНОЛОГИИ
METHODS OF FORMING ANTI-REFLECTION STRUCTURES FOR CMOS IMAGE SENSORS

Родственные заявки
Настоящая заявка является родственной находящейся одновременно на рассмотрении патентной заявке US 12/120413 (номер поверенного BUR920070255US1).
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к полупроводниковым структурам, более точно, к способам изготовления противоотражающих структур для датчиков изображения на основе комплементарных металло-оксидных полупроводников.
Предпосылки создания изобретения
Датчик изображения преобразует видимое изображение в цифровые данные, которые могут быть представлены в изобразительной форме. Датчик изображения имеет массив элементов изображения (пикселов), которые являются единичными устройствами для преобразования видимого изображения в цифровые данные. Датчики изображения применяются в цифровых камерах и устройствах оптического формирования изображений. Датчики изображения включают приборы с зарядовой связью (ПЗС) или датчики изображения на основе комплементарных металло-оксидных полупроводников (КМОП).
Хотя КМОП-датчики изображения разработаны относительно недавно по сравнению с ПЗС, преимуществом КМОП-датчиков изображения является меньшее потребление энергии, меньшие размеры и более быстрая обработка данных, чем у ПЗС, а также прямой цифровой выход, что отсутствует у ПЗС. Кроме того, КМОП-датчики изображения являются менее дорогостоящими в изготовлении, чем ПЗС, поскольку для изготовления КМОП-датчиков изображения могут применяться многие стандартные технологии производства полупроводников. По этим причинам в последнее время промышленное применение КМОП-датчиков устойчиво растет.
Единичная ячейка КМОП-датчика изображения имеет область пикселов и логическую область. Область пикселов обычно содержит по одному активному пикселу каждого типа, например, пиксел передачи красного цвета, имеющий первый фотодиод под красным светофильтром, пиксел передачи зеленого цвета, имеющий второй фотодиод под зеленым светофильтром, и пиксел передачи синего цвета, имеющий третий фотодиод под синим светофильтром. Область пикселов также может содержать темновой пиксел, который покрыт непрозрачным слоем, таким как экранирующая бленда из алюминия, и применяется для измерения фонового выходного уровня в отсутствии освещения с тем, чтобы можно было соотнести и калибровать выход других пикселов. Использование темнового пиксела описано в патенте US 6750912, выданном на имя Tennant и др., содержание которого в порядке ссылки включено в настоящую заявку.
Под действием света каждый фотодиод генерирует заряды. Логические устройства, соединенные с фотодиодом, обнаруживают и усиливают заряды, чтобы генерировать сигналы, пропорциональные падающему свету. Каждый пиксел содержит по меньшей мере один фотодиод для преобразования падающих фотонов в электрические заряды. Поскольку площадь фотодиода меньше площади каждого пиксела, над каждым фотодиодом помещают выпуклую сверху и плоскую снизу линзу, т.е. оптическую линзу, имеющую выпуклую поверхность сверху и преимущественно плоскую поверхность снизу, с тем, чтобы фотоны, падающие на выпуклую сверху и плоскую снизу линзу, фокусировались на расположенном под ней фотодиоде. Между выпуклой сверху и плоской снизу линзой и фотодиодами обычно помещают цветной светофильтр, чтобы придать каждому пикселу цветовую чувствительность, т.е. способность реагировать на фотоны в пределах определенного диапазона длин волн. Таким образом, выпуклая сверху и плоская снизу линза обеспечивает большой радиус фокусировки света по площади фотодиодов.
Эффективность каждого пиксела зависит от количества света, проходящего по пути световых лучей, а также от качества фокусирования пропускаемого света расположенной над ним системой линз. С целью обеспечения более эффективного фокусирования световых лучей, падающих на наружную поверхность области пикселов полупроводниковой интегральной схемы, в системах линз применяются многие технологические достижения, такие как система составных линз с множеством линз на пути световых лучей. Прохождение света по пути световых лучей доводят до максимума путем использования нескольких оптических интерфейсов на пути световых лучей, а также применения материала, обеспечивающего минимально возможное различие на каждом оптическом интерфейсе. Во многих случаях, чтобы улучшить пропускание света из полупроводника устраняют излишние оптические интерфейсы. В некоторых случаях оптические интерфейсы устраняют, даже несмотря на отрицательные последствия, такие как ухудшение характеристик управления процессом или его надежности. Например, в верхних слоях диэлектрика в пределах области пикселов выполняют отверстия, несмотря на ухудшение защиты нижележащих металлических токопроводящих дорожек (или) ухудшение постоянства и топографии процесса в расположенных на ними структурах металлических межсоединений.
Несмотря на такие структурные изменения, вносимые в структуру пикселов, сохраняются значительные светопотери вследствие отражения на оптическом пути, что является фактором, ограничивающим эффективность структур пикселов датчика изображения.
В связи с вышеизложенным, существует потребность в структуре, уменьшающей отражение света на оптическом пути пиксела КМОП-датчика изображения и тем самым увеличивающей пропускание света к фотодиоду и повышающей общий коэффициент полезного действия пиксела датчика изображения, а также в способах изготовления такой структуры.
Краткое изложение сущности изобретения
Указанные выше задачи решены в настоящем изобретении с помощью противоотражающих структур, которые содержат "структуры типа глаз мотылька" или наноразмерные выпуклости меньшего размера, чем длина волны света, на обнаружение которого рассчитан КМОП-датчик изображения, и которые имеют область плавно изменяющегося показателя преломления между двумя материалами с различными показателями преломления и тем самым уменьшают отражение на оптическом интерфейсе, а также с помощью способов изготовления таких структур.
Согласно настоящему изобретению выпуклости меньшего вертикального и горизонтального размера, чем диапазон длин волн света, обнаруживаемого фотодиодом, выполнены на оптическом интерфейсе между двумя слоями с различными показателями преломления и находятся на оптическом пути света, падающего на фотодиод. Выпуклости могут быть выполнены за счет использования самособирающихся блок-сополимеров, которые образуют массив сублитографических элементов рельефа из первой составляющей блок-сополимера, находящихся внутри матрицы из второй составляющей блок-сополимера. Структуру составляющей блок-сополимера переносят на первый оптический слой, чтобы сформировать массив наноразмерных выступов. В качестве альтернативы, для создания выпуклостей размером менее длины волны света может применяться обычная литография. Непосредственно на выпуклостях первого оптического слоя формируют второй оптический слой. На границе раздела первого и второго оптических слоев показатель преломления плавно изменяется, что обеспечивает высокое пропускание света с низким отражением.
Согласно одной из особенностей изобретения предложен способ формирования полупроводниковой структуры, в котором:
используют подложку со структурой "полупроводник на диэлектрике" (ПНД или SOI, от английского-semiconductor-on-insulator), содержащую полупроводниковый слой, утопленный изоляционный слой и несущую подожку,
формируют фотодиод на верхней поверхности полупроводникового слоя,
удаляют несущую подожку и обнажают нижнюю поверхность утопленного изоляционного слоя и
формируют массив выпуклостей на нижней поверхности утопленного изоляционного слоя, при этом верхняя поверхность утопленного изоляционного слоя примыкает к нижней поверхности полупроводникового слоя.
Шаг выпуклостей может составлять менее 270 нм. Шаг может иметь сублитографический размер. Массив выпуклостей согласно настоящему изобретению может иметь форму правильного шестиугольника, но не ограничен формой правильного шестиугольника. Способ может дополнительно включать формирование слоя металлических межсоединений на верхней поверхности полупроводникового слоя. Массив выпуклостей может иметь поверхность раздела с окружающим воздушным или вакуумным пространством.
Массив выпуклостей может иметь гексагональную симметрию, при которой поверхности имеют постоянную вогнутую кривизну. Массив выпуклостей имеет форму блочной матрицы с массивом углублений в ней, при этом каждое углубление имеет форму перевернутого кругового конуса.
Полупроводниковый слой может содержать кремний, а изоляционный слой может содержать окись кремния, при этом общая высота изоляционного слоя, включая массив выпуклостей, может составлять от около 100 нм до около 2000 нм.
Способ может дополнительно включать стадии, на которых:
наносят фоторезист на нижнюю поверхность утопленного изоляционного слоя,
в фоторезисте литографическим методом формируют рисунок и
путем травления переносят сформированный в фоторезисте рисунок на утопленный изоляционный слой, чтобы сформировать массив выпуклостей.
Согласно другой особенности настоящего изобретения предложен другой способ формирования полупроводниковой структуры, в котором:
формируют фотодиод в полупроводниковом слое,
формируют транзистор на полупроводниковом слое, исток которого выполнен за одно целое с фотодиодом,
формируют диэлектрический слой уровня межсоединений, у которого металлическая токопроводящая дорожка внедрена в полупроводниковый слой и
формируют содержащий выпуклости диэлектрический участок непосредственно на диэлектрическом слое уровня межсоединений, при этом содержащий выпуклости диэлектрический участок содержит массив выпуклостей.
Способ может дополнительно включать стадии, на которых формируют оптическую линзу, рассчитанную на фокусирование света на фотодиоде. Шаг массива выпуклостей может составлять менее 270 нм. Шаг может иметь сублитографический размер. Массив может представлять собой правильный шестиугольник. Каждая из выпуклостей может иметь форму конуса, площадь поперечного сечения которого монотонно уменьшается в зависимости от расстояния по вертикали от основания конуса. Массив выпуклостей может иметь гексагональную симметрию, при которой поверхности имеют постоянную вогнутую кривизну. Массив выпуклостей имеет форму блочной матрицы с массивом углублений в ней, при этом каждое углубление имеет форму перевернутого кругового конуса. Содержащий выпуклости диэлектрический участок может содержать нитрид кремния, а диэлектрический слой уровня межсоединений содержит окись кремния.
Способ может дополнительно включать стадии, на которых формируют логическую область и область пикселов на полупроводниковой подложке, содержащей полупроводниковый слой, при этом логическая область имеет плоский диэлектрический участок, а область пикселов имеет содержащий выпуклости диэлектрический участок. Высота конуса может составлять от около 40 нм до около 480 нм, а первая толщина может составлять от около 50 нм до около 600 нм.
Матрица полимерных блоков может содержать первую составляющую блок-сополимера, а цилиндрические полимерные блоки - вторую составляющую блок-сополимера.
Способ может дополнительно включать стадии, на которых:
формируют диэлектрический слой непосредственно на диэлектрическом слое уровня межсоединений,
наносят фоторезист на диэлектрический слой,
в фоторезисте литографическим методом формируют рисунок и
путем травления переносят сформированный в фоторезисте рисунок на диэлектрический слой, чтобы сформировать массив выпуклостей на участке диэлектрического слоя, которым является содержащий выпуклости диэлектрический участок.
Согласно еще одной из особенностей настоящего изобретения предложен еще один способ формирования полупроводниковой структуры, в котором:
формируют фотодиод в полупроводниковом слое,
формируют транзистор на полупроводниковом слое, исток которого выполнен за одно целое с фотодиодом, и
формируют диэлектрический слой над фотодиодом, при этом диэлектрический слой окружает по бокам и перекрывает управляющий электрод транзистора и имеет содержащий выпуклости диэлектрический участок, который перекрывает фотодиод и содержит массив выпуклостей.
Способ может дополнительно включать стадии, на которых формируют промежуточный диэлектрический слой непосредственно на фотодиоде и управляющем электроде, при этом диэлектрический слой формируют непосредственно на промежуточном диэлектрическом слое. Диэлектрический слой может содержать первый материал из нитрида кремния, а промежуточный диэлектрический слой содержит второй материал из нитрида кремния. Диэлектрический слой может содержать нитрид кремния, а промежуточный диэлектрический слой может содержать окись кремния. Диэлектрический слой может быть сформирован непосредственно на фотодиоде и управляющем электроде.
Шаг массива выпуклостей может составлять менее 270 нм. Шаг может иметь сублитографический размер. Массив может представлять собой правильный шестиугольник. Каждая из выпуклостей может иметь форму конуса, площадь поперечного сечения которого монотонно уменьшается в зависимости от расстояния по вертикали от основания конуса. Массив выпуклостей может иметь гексагональную симметрию, при которой поверхности имеют постоянную вогнутую кривизну. Массив выпуклостей имеет форму блочной матрицы с массивом углублений в ней, при этом каждое углубление имеет форму перевернутого кругового конуса.
Высота конуса может составлять от около 40 нм до около 480 нм, а первая толщина может составлять от около 50 нм до около 600 нм.
Матрица полимерных блоков может представлять собой первую составляющую блок-сополимера, а цилиндрические полимерные блоки могут представлять собой вторую составляющую блок-сополимера.
Способ может дополнительно включать стадии, на которых:
наносят фоторезист на диэлектрический слой,
в фоторезисте литографическим методом формируют рисунок и
путем травления переносят сформированный в фоторезисте рисунок на диэлектрический слой, чтобы сформировать массив выпуклостей на участке диэлектрического слоя, которым является содержащий выпуклости диэлектрический участок.
Согласно еще одной из особенностей настоящего изобретения, предложен еще один способ формирования полупроводниковой структуры, в котором:
формируют фотодиод в полупроводниковом слое,
формируют слой диэлектрического материала, содержащий линзу, расположенную над фотодиодом на оптическом пути фотодиода,
непосредственно на слое диэлектрического материала формируют содержащий выпуклости диэлектрический участок, который представляет собой массив выпуклостей, пропускающий свет к фотодиоду.
Способ может дополнительно включать стадии, на которых формируют транзистор на полупроводниковом слое, исток которого выполнен за одно целое с фотодиодом. Способ может дополнительно включать стадии, на которых формируют диэлектрический слой уровня межсоединений, у которого металлическая токопроводящая дорожка внедрена в полупроводниковый слой.
Линза может содержать материал с более высоким показателем преломления, чем у слоя диэлектрического материала. Линзой может являться выпуклая сверху и плоская снизу линзу, примыкающая по вертикали к нижней поверхности содержащего выпуклости диэлектрического участка. В качестве альтернативы, линзой может являться выпуклая сверху и плоская снизу линза, которая внедрена в слой диэлектрического материала, отделена от содержащего выпуклости диэлектрического участка и расположена под ним.
Содержащий выпуклости диэлектрический участок может иметь поверхность раздела с окружающим воздушным или вакуумным пространством.
Шаг массива выпуклостей может составлять менее 270 нм. Шаг может иметь сублитографический размер.
Массив может представлять собой правильный шестиугольник. Каждая из выпуклостей может иметь форму конуса, площадь поперечного сечения которого монотонно уменьшается в зависимости от расстояния по вертикали от основания конуса. Массив выпуклостей необязательно может иметь гексагональную симметрию, при которой поверхности имеют постоянную вогнутую кривизну. Массив выпуклостей имеет форму блочной матрицы с массивом углублений в ней, при этом каждое углубление имеет форму перевернутого кругового конуса.
Способ может дополнительно включать стадии, на которых:
формируют контактную площадку на металлическом контактном участке до формирования слоя диэлектрического материала и
удаляют слой диэлектрического материала на металлическом контактном участке и обнажают верхнюю поверхность контактной площадки.
Содержащий выпуклости диэлектрический участок может содержать акрилат, метакрилат, эпоксиакрилат, полиимид или их сочетание, но без ограничения перечисленными материалами.
Полупроводниковая структура может содержать логическую область и область пикселов, при этом логическая область имеет плоский диэлектрический участок, а область пикселов имеет содержащий выпуклости диэлектрический участок. Полупроводниковая структура может дополнительно содержать металлический контактный участок, на котором обнажена металлическая контактная площадка, расположенная в диэлектрическом слое уровня межсоединений, при этом на упомянутом металлическом контактном участке отсутствует плоский диэлектрический участок и содержащий выпуклости диэлектрический участок.
Высота конуса может составлять от около 40 нм до около 480 нм, а первая толщина может составлять от около 50 нм до около 600 нм.
Матрица полимерных блоков может представлять собой первую составляющую блок-сополимера, а цилиндрические полимерные блоки представляют собой вторую составляющую блок-сополимера.
Способ может дополнительно включать стадии, на которых:
непосредственно на слое диэлектрического материала формируют диэлектрический слой,
наносят фоторезист на диэлектрический слой, в фоторезисте литографическим методом формируют рисунок и путем травления переносят сформированный в фоторезисте рисунок на диэлектрический слой, чтобы сформировать массив выпуклостей на участке диэлектрического слоя, которым является содержащий выпуклости диэлектрический участок.
Согласно еще одной из особенностей настоящего изобретения предложен еще один способ формирования полупроводниковой структуры, в котором:
формируют полупроводниковую интегральную схему и
помещают полупроводниковую интегральную схему путем капсулирования в корпус, который имеет оптически прозрачное окно, содержащее первый массив выпуклостей на передней поверхности и второй массив выпуклостей на задней поверхности.
Шаг первого массива выпуклостей может составлять менее 270 нм, а шаг второго массива выпуклостей может составлять менее 270 нм. Шаг первого массива выпуклостей и шаг второго массива выпуклостей могут иметь сублитографические размеры. По меньшей мере первый массив или второй массив может представлять собой правильный шестиугольник.
Массив выпуклостей может иметь гексагональную симметрию, при которой поверхности имеют постоянную вогнутую кривизну. Массив выпуклостей имеет форму блочной матрицы с массивом углублений в ней, при этом каждое углубление имеет форму перевернутого кругового конуса.
Оптически прозрачное окно может содержать окись кремния или окись алюминия, а высота каждого из массивов, включающих первый и второй массивы выпуклостей, может составлять от около 40 нм до около 480 нм. Полупроводниковая интегральная схема может содержать по меньшей мере один фотодиод.
Матрица полимерных блоков может представлять собой первую составляющую блок-сополимера, а цилиндрические полимерные блоки могут представлять собой вторую составляющую блок-сополимера.
Краткое описание чертежей
На фиг.1А показан вертикальный вид в поперечном разрезе одного из примеров массива выпуклостей согласно настоящему изобретению. На фиг.1Б показана диаграмма зависимости эффективного показателя преломления от расстояния по вертикали для массива выпуклостей согласно примеру, показанному на фиг.1А. На фиг.1 В схематически представлена длина волны света, падающего на массив выпуклостей согласно примеру, показанному на фиг.1А. На фиг.1Г показан вид сверху вниз примера массива шестиугольных конических выпуклостей. На фиг.1Д и 1Е показаны горизонтальные виды в поперечном разрезе примера массива выпуклостей в плоскости Е-Е' и F-F', соответственно. Плоскость А-А' на фиг.1Г-1Е соответствует плоскости вертикального вида в поперечном разрезе на фиг.1А. На фиг.1Ж-1И показаны альтернативные вертикальные виды в поперечном разрезе примера массива выпуклостей.
На фиг.2 показана диаграмма минимальной длины волны при высоком пропускании с использованием массива выпуклостей согласно настоящему изобретению для границы раздела воздух - нитрид кремния и границы раздела воздух - окись кремния.
На фиг.3-5, 6 и 7 показаны последовательные вертикальные виды в поперечном разрезе первого примера полупроводниковой структуры согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.5А и 6А показаны виды сверху вниз участка первого примера полупроводниковой структуры на стадии обработки, соответствующей фиг.5 и фиг.6, соответственно. На фиг.6В показан вертикальный вид в поперечном разрезе полупроводниковой структуры согласно одной из разновидностей первого примера. На фиг.6В показаны виды сверху вниз участка полупроводниковой структуры согласно одной из разновидностей первого примера на стадии обработки, соответствующей фиг.6В.
На фиг.8 показан вертикальный вид в поперечном разрезе второго примера полупроводниковой структуры согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.9-14 и 15 показаны последовательные вертикальные виды в поперечном разрезе одного из примеров структуры металлических межсоединений уровня, которая может применяться для формирования полупроводниковой структуры согласно второму примеру, проиллюстрированному на фиг.8. На фиг.14А показан вертикальный вид в поперечном разрезе одной из разновидностей примера структуры металлических межсоединений уровня М2.
На фиг.16-21 и 22 показаны последовательные вертикальные виды в поперечном разрезе третьего примера полупроводниковой структуры на различных стадиях изготовления согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.21А показана первая разновидность третьего примера полупроводниковой структуры. На фиг.22А показа вторая разновидность третьего примера полупроводниковой структуры.
На фиг.23-27 и 28 показаны последовательные вертикальные виды в поперечном разрезе четвертого примера полупроводниковой структуры на различных стадиях изготовления согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.27А показана первая разновидность четвертого примера полупроводниковой структуры. На фиг.28А показана вторая разновидность четвертого примера полупроводниковой структуры.
На фиг.29 показан вертикальный вид в поперечном разрезе пятого примера полупроводниковой структуры согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.30 показан увеличенный вид пятого примера полупроводниковой структуры. На фиг.31-33, 34, 35 и 36 показаны последовательные вертикальные виды в поперечном разрезе оптически прозрачного окна 100 согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.33А показана первая разновидность пятого варианта осуществления. На фиг.35А показана вторая разновидность пятого вариант осуществления.
На фиг.37 показана блок-схема процесса конструирования, используемого для конструирования и изготовления полупроводников согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
Как указано выше, настоящее изобретение относится к способам изготовления противоотражающих структур для датчиков изображения на основе комплементарных металло-оксидных полупроводников, которые будут подробно описаны далее со ссылкой на сопровождающие изобретение чертежи. Следует отметить, что одинаковые и сходные элементы обозначены на чертежах одинаковыми позициями.
О противоотражающих свойствах фасетных хрусталиков глаза у мотыльков впервые сообщается в работе С.G. Bernhard "Structural and functional adaptation in a visual system", Endeavour, 26, стр.79-84 (1967 г.). В результате дальнейших исследований были описаны характеристики таких фасетных хрусталиков. Одним из таких исследований является работа S. J. Wilson "The optical properties of'moth eye' antireflection surfaces," Optica Acta, том 29, №7, стр.993-1009 (1982 г.). Многофасетный глаз мотылька содержит массив кутикулярных выпуклостей, именуемых "роговичными сосочками". Массив роговичных сосочков обеспечивает значительное снижение отражательной способности поверхности фасетного хрусталика и, следовательно, высокое пропускание света через границу раздела воздуха и многофасетного глаза. По расчетам такой массив роговичных сосочков увеличивает пропускание света с примерно 96% до более 99%. Впоследствии массивы роговичных сосочков были обнаружены у многих других насекомых.
Оптические свойства поверхности глаза мотылька можно лучше понять, если представить его как множество поверхностных слоев, содержащих постепенно изменяющиеся доли воздуха и вещества, образующего многофасетный глаз. Вместо резкой границы раздела воздуха и вещества многофасетного глаза массив роговичных сосочков обеспечивает зону плавно изменяющегося показателя преломления, которая препятствует отражению света и усиливает пропускание света.
В настоящем изобретении используются структуры, имитирующие массив роговичных сосочков. В отличие от массива роговичных сосочков у насекомых в настоящем изобретении используется массив выпуклостей из оптически прозрачного материала небиологического происхождения. Массив выпуклостей согласно настоящему изобретению может быть сформирован из самособирающихся полимеров, которые могут образовывать сублитографические поперечные элементы рельефа, или может быть сформирован обычными литографическими методами. Массив выпуклостей согласно настоящему изобретению используют для увеличения пропускание света в полупроводниковую интегральную схему, содержащую фотодиод или датчик на основе комплементарных металло-оксидных полупроводников (КМОП).
На фиг.1А показан вертикальный вид в поперечном разрезе одного из примеров массива выпуклостей 101, расположенных на участке 102 постоянной толщины согласно настоящему изобретению. На фиг.1Г показан вид сверху вниз, а на фиг.1Д и 1Е показаны горизонтальные виды в поперечном разрезе примера массива выпуклостей 101 в плоскости Е-Е' и F-F' на фиг.1А, соответственно. Массив выпуклостей 101 согласно примеру и участок 102 постоянной толщины содержат одинаковый материал, который необязательно является прозрачным. Массив выпуклостей 101 согласно примеру предпочтительно образует регулярную матрицу, т.е. с определенной периодичностью по меньшей мере в одном направлении. Массив выпуклостей 101 согласно примеру предпочтительно имеет периодичность в двух измерениях.
Массив выпуклостей имеет форму блока, в котором выполнен массив углублений, каждое из которых имеет форму перевернутого кругового конуса. Массив выпуклостей образует единую конструкцию, поскольку пары соседних выпуклостей, примыкают друг к другу сбоку. Каждая выпуклость 101 имеет горизонтальное поперечное сечение, площадь которого уменьшается в зависимости от расстояния от участка 102 постоянной толщины. В настоящем изобретении описано использование углублений, каждое из которых имеет форму перевернутого кругового конуса. Вместе с тем, углубления в целом могут представлять собой перевернутый конус любого типа с произвольной формой поперечного сечения, которая определяется формой блочной матрицы, сформированной с целью травления материала, из остающейся части которого формируют массив выпуклостей, как это описано далее. Таким образом, площадь горизонтального поперечного сечения каждой выпуклости 101 может иметь форму многоугольника, эллипса или их сочетания и зависит от периодичности массива выпуклостей 101 согласно примеру. Площадь поперечного сечения каждой выпуклости 101 может иметь приданную ей кривизну, как показано на фиг.1Ж и 1З. Кроме того, каждая выпуклость 101 может иметь плоские верхние поверхности, которые могут представлять собой множество изолированных поверхностей или единую сплошную поверхность.
Например, площадь горизонтального поперечного сечения выпуклостей 101 может представлять собой матрицу, содержащую массив круглых углублений. В целом, площадь горизонтального поперечного сечения выпуклостей 101 дополняет массив форм, которые могут иметь форму прямоугольника или любого другого многоугольника или форму эллипса. Такие разновидности получают путем выбора самоорганизующегося материала, образующего поперечные сечения таких форм, или путем формирования рисунка в слое фоторезиста, чтобы литографическим методом сформировать такие рисунки на стадиях изготовления, которые будут описаны далее.
Шаг р массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру и высота h выпуклостей 101 могут быть оптимизированы с тем, чтобы увеличить пропускание света между массивом выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру и внешней средой, которая имеет иной показатель преломления, чем у массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру и участка 102 постоянной толщины, и которой может являться воздушное пространство, вакуумное пространство или твердый материал. Если внешней средой является воздушное или вакуумное пространство, высота h выпуклостей 101 в идеале составляет от около 0,1 до 0,6 длины волны света в вакуумном пространстве, предпочтительно от около 0,25 до 0,5 длины волны света в вакуумном пространстве. В оптическом спектре с диапазоном длин волн от около 400 нм до около 800 нм высота h выпуклостей может составлять от около 40 нм до около 480 нм, предпочтительно от около 100 нм до около 400 нм. Оптимальное значение высоты h может изменяться в зависимости от показателя преломления внешней среды и показателя преломления массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру и участка 102 постоянной толщины.
На фиг.1Б показана диаграмма зависимости эффективного показателя преломления от расстояния по вертикали для показанного на фиг.1А примера массива выпуклостей. Эффективным показателем преломления является средневзвешенное значение показателей преломления внешней среды и массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру и участка 102 постоянной толщины на каждой горизонтальной плоскости, для которой вычисляют эффективный показатель преломления. Эффективный показатель преломления является таким же, как и показатель преломления внешней среды выше расстояния d по вертикали, превышающего высоту h массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру, при этом он постепенно уменьшается по мере уменьшения расстояния d по вертикали за пределами расстояния по вертикали, соответствующего вершинам массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру. Эффективный показатель преломления становится таким же, как и показатель преломления участка 102 постоянной толщины при меньшем расстояния d по вертикали, чем соответствующее расстояние до нижних поверхностей выпуклостей 101.
На фиг.1 В схематически представлена длина волны света, падающего на массив выпуклостей согласно примеру на фиг.1А, чтобы проиллюстрировать относительную размерность длины волны света и высоты h выпуклостей 101. Поскольку длина волны света может находиться в интервале, например, от около 400 нм до около 800 нм, относительная шкала размерности длины волны λ и высоты h массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру является лишь приблизительной.
Каждый из конусов, образующих массив выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру, необязательно могут иметь постоянную конусность. Отдельные конусы из массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру могут иметь выпуклую и вогнутую кривизну, как это показано на фиг.1Ж и 1З. Кроме того, отдельные "конусы" могут не иметь вершины и могут быть заменены трапециевидным конусом с плоской верхней поверхностью, как показано на фиг.1И. Такая кривизна может придаваться путем манипулирования процессом травления во время формирования массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру. В целом, поскольку площадь горизонтального поперечного сечения отдельной выпуклости монотонно уменьшается с увеличением расстояния d по вертикали, настоящее изобретение может быть осуществлено на практике с использованием любой формы горизонтального поперечного сечения и/или конфигурации массива, которым может являться регулярная или нерегулярная матрица.
На фиг.2 показана диаграмма минимальной длины волны при высоком пропускании (при коэффициенте пропускания более 99%) с использованием массива выпуклостей согласно настоящему изобретению для границы раздела воздух - нитрид кремния и границы раздела воздух - окись кремния. Шаг элементы рельефа, которым является шаг массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру и который может быть измерен от вершины выпуклости 101 до вершины соседней выпуклости 101, влияет на эффективность массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру. Кроме того, показатель преломления массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру влияет на минимальную длину волны при высоком пропускании. Показатель преломления составляет около 2,02 для нитрида кремния и около 1,46 для окиси кремния. Поверхность раздела воздух - нитрид кремния обеспечивает высокое пропускание при шаге р около или менее 200 нм. Поверхность раздела воздух - окись кремния обеспечивает высокое пропускание при шаге р около или менее 270 нм. Предпочтительно шаг р массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру составляет менее 270 нм.
В целом, чем меньше шаг р массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру, тем выше пропускание у массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру настоящего изобретения. В настоящем изобретении могут использоваться массивы выпуклостей, имеющие шаг сублитографического размера. Хотя литографический минимальный размер или критический размер задают только применительно к доступному литографическому оборудованию, и обычно он изменяется от поколения к поколению полупроводниковой техники, подразумевается, что литографический минимальный размер и критический размер должны задаваться в расчете на оптимальные характеристики литографического оборудования, доступного на момент изготовления полупроводника. По данным на 2008 год литографический минимальный размер составляет около 50 нм, и по расчетам должен уменьшиться в будущем. Любой размер, меньше литографического минимального размера, является "сублитографическим размером". Способ придания такого сублитографического размера шагу р массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру описан далее.
В качестве альтернативы, шаг р массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру может иметь литографический размер, т.е. размер, равный или превышающий литографический минимальный размер. Способ придания такого литографического размера шагу р массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру описан далее.
На фиг.3 проиллюстрирован первый пример полупроводниковой структуры, которая содержит подложку 9 со структурой "полупроводник на диэлектрике" (ПНД) и полученные на конечной стадии полупроводникового производства (BEOL, от английского - back-end-of-the-line) структуры 29. Подложка 9 со структурой ПНД содержит несущую подожку 2, утопленный изоляционный слой 4 и полупроводниковый слой 10. Полупроводниковая структура согласно первому примеру имеет область пикселов, содержащую пикселы КМОП-датчиков изображения, и логическую область, в которой расположены стандартные полупроводниковые устройства, содержащие логические схемы, обеспечивающие работу пикселов КМОП-датчиков изображения.
Полупроводниковая структура согласно первому примеру содержит совокупности 20 управляющих электродов, диэлектрический слой 30 контактной области и металлической токопроводящей дорожки первого уровня (СА-М1), диэлектрический слой 40 металлической токопроводящей дорожки второго уровня (М2), диэлектрический слой 50 сквозных межсоединений второго уровня (V2), диэлектрический слой 60 металлической токопроводящей дорожки третьего уровня (М3) и диэлектрический пассивирующий слой 70. Каждая из совокупностей 20 управляющих электродов в области пикселов образует транзистор с передающим затвором, исток которого имеет конструкцию, выполненную за одно целое с фотодиодом 8.
Помимо фотодиодов 8 полупроводниковый слой 10 также содержит структуры 6 с мелкими изолирующими канавками, карманы n-типа ("N-карманы") и/или карманы р-типа ("Р-карман," не показан). Область полупроводникового слоя 10, содержащего полупроводниковый материал, такой как кремний или сплав кремния и германия, и окруженного структурами 6 с мелкими изолирующими канавками, именуется областью RX, в которой известными из техники способами могут быть сформированы истоковая и стоковая области транзисторов. Каждая из совокупностей 20 управляющих электродов содержит диэлектрик затвора, проводящую дорожку затвора и прокладку затвора, окруженную проводящей дорожкой затвора, и может быть сформирована известными из техники способами. Поверх полупроводникового слоя 10 и совокупностей 20 управляющих электродов формируют защищающий от диффузии подвижных ионов слой 12, содержащий непроницаемый для подвижных ионов диэлектрик, такой как нитрид кремния. Защищающий от диффузии подвижных ионов слой 12 предотвращает диффузию подвижных ионов из полученных на конечной стадии полупроводникового производства (BEOL) структур 29 в полупроводниковый слой 10 или структуры 20 вентильного уровня.
Полученные на конечной стадии полупроводникового производства (BEOL) структуры 29 включают различные структуры металлических межсоединений, расположенные над защищающим от диффузии подвижных ионов слоем 12. Структуры BEOL представляют собой этажерочную структуру, включающую диэлектрический слой 30 уровня СА-М1, диэлектрический верхний слой 32 уровня М1, диэлектрический слой 40 металлической токопроводящей дорожки второго уровня М2, диэлектрический верхний слой 42 уровня М2, диэлектрический слой 50 сквозных межсоединений второго уровня V2, диэлектрический слой 60 металлической токопроводящей дорожки третьего уровня М3, диэлектрический верхний слой 62 уровня М3 и диэлектрический пассивирующий слой 70. Различные диэлектрические слои и пассивирующие слои могут быть сформированы путем химического осаждения из паровой фазы или нанесения покрытия центрифугированием.
В частности, диэлектрический слой 30 уровня СА-М1 формируют путем химического осаждения из паровой фазы или нанесения покрытия центрифугированием. Диэлектрический слой 30 уровня СА-М1 может быть сформирован в виде единого диэлектрического слоя или в виде множества диэлектрических слоев. Диэлектрический слой 30 уровня СА-М1 обычно содержит окись кремния, которая имеет показатель преломления около 1,46. В нижней части диэлектрического слоя 30 уровня СА-М1 формируют контактные сквозные межсоединения 36 уровня СА, обеспечивающие электрическое соединение полупроводникового устройства в полупроводниковом слое 10 с дорожкой MI 38, которую формируют в верхней части диэлектрического слоя 30 уровня СА-М1. Обычно контактные сквозные межсоединения 36 уровня СА содержат вольфрам, а дорожка М1 38 содержит медь. На верхней поверхности диэлектрического слоя 30 уровня СА-М1 формируют диэлектрический верхний слой 32 уровня М1. Поскольку диэлектрический верхний слой 32 уровня М1 обычно содержит материал, устойчивый к химико-механической полировке, он является эффективным тормозящим слоем на протяжении процесса сглаживания. Типичные материалы для диэлектрического верхнего слоя М1 включают нитрид кремния и барьерный диэлектрик с низкой диэлектрической постоянной, такой как BLoK™ производства компании Applied Materials Inc., который применим в качестве барьерной/тормозящей травление пленки для дамаскин-процессов с использованием меди. Поскольку впоследствии на диэлектрический верхний слой 32 уровня М1 может быть нанесен рисунок, его удаляют в области пикселов на протяжении оптического пути пикселов.
Поверх диэлектрического верхнего слоя 32 уровня М1 известными из техники способами формируют диэлектрический слой 40 уровня М2. Диэлектрический слой 40 уровня М2 обычно содержит окись кремния. В нижней части диэлектрического слоя 40 уровня М2 формируют контактные сквозные межсоединения VI 46, обеспечивающие электрическое соединение между нижележащей дорожкой М1 38 и дорожкой М2 48, которую формируют в верхней части диэлектрического слоя 40 уровня М2. Обычно сквозные межсоединения VI 46 и дорожки М2 48 содержат медь. На верхней поверхности диэлектрического слоя 40 уровня М2 формируют диэлектрический верхний слой 42 уровня М2. Как и диэлектрический верхний слой 32 уровня М1, диэлектрический верхний слой 42 уровня М2 обычно содержит материал, устойчивый к химико-механической полировке. Поскольку впоследствии на диэлектрический верхний слой 42 уровня М2 может быть нанесен рисунок, его удаляют в области пикселов на протяжении оптического пути пикселов. Поверх диэлектрического верхнего слоя 42 уровня М2 может быть сформировано любое необходимое количество дополнительных слоев металлических межсоединений, содержащих проводящие сквозные межсоединения и металлические токопроводящие дорожки.
Поверх последнего слоя межсоединений, содержащего обычные структуры металлических межсоединений, путем осаждения наносят диэлектрический слой сквозных межсоединений последнего уровня, в котором формируют проводящие сквозные межсоединения последнего уровня. В примере полупроводниковой структуры, показанном на фиг.1, поверх диэлектрического верхнего слоя 42 уровня М2 формируют диэлектрический слой 50 уровня V2. Обычно диэлектрический слой 50 уровня V2 содержит окись кремния с показателем преломления около 1,46. Методами литографии, анизотропного травления, металлонаполнения и сглаживания формируют слой 54 сквозных межсоединений второго уровня (V2). Слой 54 V2 содержит металл, такой как вольфрам.
Полупроводниковая структура согласно первому примеру дополнительно содержит по меньшей мере одну алюминиевую структуру, такую как алюминиевая контактная площадка 67 и алюминиевые металлические токопроводящие дорожки 68. Между диэлектрическим слоем 50 уровня V2 и по меньшей мере одной алюминиевой структурой (67, 68) необязательно может быть сформирована по меньшей мере одна металлическая барьерная структура 52. При наличии по меньшей мере одной металлической барьерной структуры 52 боковые стенки по меньшей мере одной металлической барьерной структурой 52 и боковые стенки по меньшей мере одной алюминиевой структуры (67, 68) преимущественно совпадают по вертикали, поскольку для формирования рисунка по меньшей мере одной металлической барьерной структуры 52 и по меньшей мере одной алюминиевой структуры (67, 68) используют одинаковую резистную маску.
Для обеспечения пассивирования или защиты нижележащих структур от внешней среды и попадания влаги или загрязняющих веществ на различных алюминиевых структурах (67, 68) и диэлектрическом слое 50 уровня V2 формируют диэлектрический слой 60 уровня МЗ и диэлектрический верхний слой 62 уровня МЗ. Поверх диэлектрического верхнего слоя 62 уровня МЗ формируют пассивирующий слой 70. Участок алюминиевой контактной площадки 67 обнажают для обеспечения внешних проводных соединений или соединений С4.
Как показано на фиг.4, несущую подожку 2 удаляют с полупроводниковой структуры согласно первому примеру, например, путем скалывания, полировки, травления или их сочетания. Обнажают нижнюю поверхность 3 утопленного изоляционного слоя, которой является поверхность утопленного изоляционного слоя 4, с которой удалена несущая подожка 2. Полупроводниковую структуру согласно первому примеру переворачивают, в результате чего нижняя поверхность 3 утопленного изоляционного слоя становится верхней поверхностью полупроводниковой структуры согласно первому примеру. Полупроводниковую структуру согласно первому примеру размещают таким образом, чтобы нижняя поверхность 3 утопленного изоляционного слоя была преимущественно ровной.
На нижнюю поверхность 3 утопленного изоляционного слоя наносят блок-сополимерный слой 110, содержащий самособирающиеся блок-сополимеры, способны самоорганизовываться в наноразмерные структуры. При соответствующих условиях две или более несмешиваемых составляющих блок-сополимера разделяют на две или более различные фазы нанометровых размеров, чтобы сформировать упорядоченные структуры изолированных элементов нанометровых размеров. Такие упорядоченные структуры изолированных элементов нанометровых размеров, образованные самособирающимися блок-сополимерами, могут использоваться для изготовления структурных элементов нанометровых размеров для полупроводниковых, оптических и магнитных устройств. В частности, размеры формируемых таким способом структурных элементов обычно составляют от 10 до 40 нм и являются сублитографическими размерами (т.е. меньшими, чем разрешающая способность процесса литографии).
Примеры материалов блок-сополимерного слоя 110 описаны в одновременно находящейся на рассмотрении патентной заявке US 11/424963, поданной 19 июня, 2006 г., правопреемником которой является правопреемник настоящей заявки, и содержание которой в порядке ссылки включено в настоящую заявку. Конкретные примеры самособирающихся блок-сополимеров, применимых для формирования структурных элементов согласно настоящему изобретению могут включать без ограничения блок-сополимер стирола и метилметакрилата (PS-b-PMMA), блок-сополимер стирола и изопрена (PS-b-PI), блок-сополимер стирола и бутадиена (PS-b-PBD), блок-сополимер стирола и винилпиридина (PS-b-PVP), блок-сополимер стирола и этиленоксида (PS-b-PEO), блок-сополимер стирола и этилена (PS-b-PE), блок-сополимер стирола и органосиликата (PS-b-POS), блок-сополимер стирола и ферроценилдиметилсилана (PS-b-PFS), блок-сополимер этиленоксида и изопрена (PEO-b-PI), блок-сополимер этиленоксида и бутадиена (PEO-b-PBD), блок-сополимер этиленоксида и метилметакрилата (РЕО-b-РММА), блок-сополимер этиленоксида и этилэтилена (РЕО-b-РЕЕ), блок-сополимер бутадиена и винилпиридина (PBD-b-PVP) и блок-сополимер изопрена и метилметакрилата (PI-b-PMMA). Самособирающиеся блок-сополимеры сначала растворяют в соответствующей системе растворителей, чтобы получить раствор блок-сополимера, который затем наносят на структуру металлических межсоединений, чтобы получить блок-сополимерный слой 110. Система растворителей, используемая для растворения блок-сополимера и получения раствора блок-сополимера, может содержать любой применимый растворитель, включая без ограничения толуол, ацетат монометилового эфира пропиленгликоля (PGMEA), монометиловый эфир пропиленгликоля (PGME) и ацетон. Толщина блок-сополимерного слоя 110 может составлять от около 30 нм до около 600 нм, предпочтительно от около 60 нм до около 300 нм, хотя в настоящем изобретении в прямой форме также предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
Как показано на фиг.5 и 5А, полупроводниковую структуру согласно первому примеру подвергают отжигу при повышенной температуре, чтобы сформировать матрицу 112 полимерных блоков и цилиндрические полимерные блоки 111. На фиг.5 показан вертикальный вид в поперечном разрезе, а на фиг.5А местный вид сверху вниз, т.е. вид сверху внизу участка полупроводниковой структуры согласно первому примеру, проиллюстрированному на фиг.5. Примеры процессов отжига самособирающихся блок-сополимеров в блок-сополимерном слое 110 с целью формирования двух наборов полимерных блоков, описаны в работе Nealey и др. "Self-assembling resists for nanolithography", IEDM Technical Digest, декабрь 2005 г.. Digital Object Identifier 10.1109/IEDM.2005.1609349, содержание которой в порядке ссылки включено в настоящее описание. Кроме того, могут применяться способы отжига, описанные в заявке '963. Отжиг может осуществляться, например, при температуре от около 200°С до около 300°С в течение от менее около 1 часа до около 100 часов.
Отжиг вызывает самосовмещенное разделение первой составляющей блок-сополимера, которая образует матрицу 112 полимерных блоков, и второй составляющей блок-сополимера, которая образует цилиндрические полимерные блоки 111. Первая составляющая блок-сополимера и вторая составляющая блок-сополимера являются несмешиваемыми друг с другом и, следовательно, после отжига они разделяются на структуры двух отчетливых типов, т.е. матрицу 112 полимерных блоков и цилиндрические полимерные блоки 111. Матрица 112 полимерных блоков может иметь горизонтальное поперечное сечение с углублениями в форме многоугольника, такого как шестиугольник, или в форме круга в зависимости от вязкости и композиции составляющих блок-сополимерного слоя 110. Обычно матрица 112 полимерных блоков имеет структуру регулярного периодического массива, т.е. структуру массива с периодичностью в двух измерениях, такую как гексагональная структура массива.
Как показано на фиг.6 и 6А, избирательно по отношению к матрице 112 полимерных блоков удаляют цилиндрические полимерные блоки 111, например, путем сухого травления или влажного травления. Травление может представлять собой изотропное травление или анизотропное травление. На фиг.6 показан вертикальный вид в поперечном разрезе, а на фиг.6А показан местный вид сверху вниз, т.е. вид сверху вниз участка полупроводниковой структуры согласно первому примеру, проиллюстрированному на фиг.6. Путем избирательного по отношению к первой составляющей блок-сополимера травления удаляют вторую составляющую блок-сополимера. Травление необязательно может осуществляться избирательно по отношению к утопленному диэлектрическому слою 4. В матрице 112 полимерных блоков обнажают боковые стенки углублений, а также участки нижней поверхности 3 утопленного изоляционного слоя, которые не расположены под матрицей 112 полимерных блоков.
Осуществляют еще одно травление, путем которого избирательно по отношению к матрице 112 полимерных блоков удаляют материал утопленного изоляционного слоя 4, который может содержать, например, окись кремния, нитрид кремния или окись алюминия. Остальная часть утопленного изоляционного слоя 4 образует изоляционный участок 4' постоянной толщины и массив выпуклостей 5. Под матрицей 112 полимерных блоков формируют массив выпуклостей 5, который имеет такие же структурные характеристики, как и массив выпуклостей 101 согласно примеру, проиллюстрированному на фиг.1А и 1Г-1З.
Шаг выпуклостей предпочтительно составляет менее 270 нм. Если шаг структуры матрицы 112 полимерных блоков является сублитографическим, шаг структуры выпуклостей также является сублитографическим, т.е. может составлять менее 50 нм и может быть уменьшен до размера, меньшего, чем литографический минимальный размер, за счет шага структуры матрицы 112 полимерных блоков. Высота конуса каждой из выпуклостей может составлять от около 40 нм до около 480 нм.
В качестве альтернативы, массив выпуклостей может быть сформирован в утопленном изоляционном слое 4 методами литографии. На фиг.6 В показан вертикальный вид в поперечном разрезе одной из разновидностей полупроводниковой структуры согласно первому примеру, у которой вместо блок-сополимерного слоя 110. на нижнюю поверхность 3 утопленного изоляционного слоя на стадии обработки, соответствующей фиг.4, наносят фоторезист 412. На фиг.6В показан местный вид сверху вниз, т.е. вид сверху вниз участка разновидности полупроводниковой структуры согласно первому примеру, проиллюстрированному на фиг.6В. В фоторезисте 412 методами литографии формируют рисунок, и выполняют травление утопленного изоляционного слоя 4 избирательно по отношению к фоторезисту 412, который выполняет функцию маски для травления. В этом случае все поперечные размеры, включая шаг массива выпуклостей, являются литографическими размерами.
Как показано на фиг.7, матрицу 112 полимерных блоков или фоторезист 412 удаляют с полупроводниковой структуры согласно первому примеру избирательно по отношению к материалу изоляционного слоя (4', 5), который содержит собой изоляционный участок 4' постоянной толщины и массив выпуклостей 5. Полупроводниковая структура согласно первому примеру имеет изоляционный слой. который содержит изоляционный участок 4' постоянной толщины и массив выпуклостей 5 и имеет поверхность раздела с окружающим воздушным или вакуумным пространством. Массив выпуклостей 5 расположен на границе раздела и усиливает пропускание света через нее. Изоляционный участок 4' постоянной толщины расположен непосредственно на полупроводниковом слое 10.
В изобретении также предусмотрен вариант осуществления, в котором над изоляционным слоем (4', 5) формируют цветные светофильтры и/или оптические линзы. Кроме того, массив выпуклостей может быть сформирован после удаления несущей подожки 2 лишь на ограниченной площади путем формирования рисунка на ограниченной площади блок-сополимерного слоя 110. Такие разновидности в прямой форме предусмотрены в настоящем изобретении.
Как показано на фиг.8, во втором варианте осуществления настоящего изобретения полупроводниковая структура согласно второму примеру содержит полупроводниковый слой 10 и полученные на конечной стадии полупроводникового производства (BEOL) структуры 29, как и в первом варианте осуществления. Полупроводниковая структура согласно второму примеру содержит единичную ячейку КМОП-датчика изображения, которая имеет область пикселов и логическую область. Область пикселов содержит активные пикселы и темновой пиксел. Логическая область содержит полупроводниковые устройства, образующие логические схемы активных пикселов и темнового пиксела.
Каждый пиксел может являться активным пикселом, содержащим сочетание фотодиода 8, систему составных линз, содержащую оптическую линзу 80, которая рассчитана на фокусирование света на фотодиоде 8, и цветной светофильтр 69А или 69В, содержащий фильтрующий материал, т.е. материал, который избирательно поглощает свет конкретных длин волн. Для формирования цветных светофильтров 69А, 69В в области пикселов наносят и структурируют фильтрующий материал, чтобы обеспечить фильтрацию света для каждого пиксела. Могут применяться фильтрующие материалы множества типов или, в качестве альтернативы, фильтрующий материал может быть нанесен и структурирован таким образом, чтобы он имел различную толщину для пикселов каждого типа. Область пикселов также предпочтительно содержит темновой пиксел, который имеет фотодиод 8, другую выпуклую сверху и плоскую снизу верхнюю линзу 80 и алюминиевую экранирующую бленду 66, за счет чего фотоны, проходящие через выпуклую сверху и плоскую снизу верхнюю линзу 80 над алюминиевой экранирующей блендой 66, отражаются от алюминиевой экранирующей бленды 66. Темновой пиксел служит точкой отсчета фонового тока или "темнового тока", который генерируется в фотодиоде 8 в отсутствии освещения, чтобы логические схемы, усиливающие заряд в плавающей стоковой области могли вычитать сигнал фонового уровня, соответствующий отсутствию освещения, из сигнала каждого активного пиксела. Темновой пиксел может иметь другой цветной светофильтр 69С.
Полупроводниковая структура согласно второму примеру содержит по меньшей мере один диэлектрический слой уровня межсоединений, такой как диэлектрический слой 30 уровня СА-М1 и диэлектрический слой 40 уровня второй металлической токопроводящей дорожки (М2) и по меньшей мере один диэлектрический слой, сформированный непосредственно на верхней поверхности по меньшей мере одного диэлектрического слоя уровня межсоединений. По меньшей мере одним диэлектрическим слоем может являться диэлектрический верхний слой уровня М1 или диэлектрический верхний слой уровня М2.
Диэлектрический верхний слой уровня М1 имеет плоский диэлектрический участок 132 уровня М1, расположенный в логической области, и содержащий выпуклости диэлектрический участок 232 уровня М1, сформированный в области пикселов. Диэлектрический верхний слой уровня М2 имеет плоский диэлектрический участок 142 уровня М2, расположенный в логической области, и содержащий выпуклости диэлектрический участок 242 уровня М2, сформированный в области пикселов. В структурах BEOL могут быть сформированы дополнительные уровни металлических межсоединений. Каждый содержащий выпуклости диэлектрический участок 232 уровня М1 и содержащий выпуклости диэлектрический участок 242 уровня М2 содержит массив выпуклостей, имеющий такую же структуру, как и массив выпуклостей согласно примеру, проиллюстрированному на фиг.1А и 1Г-1З. Обычно диэлектрический верхний слой уровня М1 и диэлектрический верхний слой уровня М2 содержат материал, отличающийся от материала диэлектрического слоя 30 уровня СА-М1, диэлектрического слоя 40 уровня М2 и диэлектрического слоя 50 уровня М3.
Способы формирования такого массива выпуклостей в содержащем выпуклости диэлектрическом участке 232 уровня М1 и содержащем выпуклости диэлектрическом участке 242 уровня М2 будут проиллюстрированы далее при описании формирования содержащего выпуклости диэлектрического участка 242 уровня М2. Вместе с тем, способы, применимые для формирования содержащего выпуклости диэлектрического участка 242 уровня М2, могут применяться для формирования содержащего выпуклости диэлектрического участка 232 уровня М1 и/или любых дополнительных содержащих выпуклости диэлектрический участков на различных уровнях в структурах 29 BEOL.
Рассмотрим фиг.9, на которой показан один из примеров структуры металлических межсоединений уровня М2 согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Структура металлических межсоединений уровня М2 согласно рассматриваемому примеру может быть включена в полупроводниковую структура согласно второму примеру, проиллюстрированному на фиг.8. Структура металлических межсоединений уровня М2 согласно рассматриваемому примеру содержит диэлектрический слой 40 уровня второй металлической токопроводящей дорожки (М2), сквозное межсоединение VI 46, токопроводящие дорожки М2 48 и диэлектрический верхний слой 42 уровня М2. Сквозное межсоединение VI и токопроводящие дорожки М2 содержат проводящий металл, такой как вольфрам, медь, алюминий и т.д. Диэлектрический слой 40 уровня М2 содержит диэлектрик, такой как легированная или нелегированная окись кремния, органосиликатное стекло, диэлектрик на основе SiCOH, наносимый центрифугированием диэлектрик, такой как SiLK™ и т.д. Толщина диэлектрического верхнего слоя 42 уровня М2 может составлять от около 100 нм до около 2000 нм, обычно от около 150 нм до около 600 нм, хотя в изобретении также предусмотрены меньшие и большие значения толщины. Диэлектрический верхний слой 42 уровня М2 содержит еще один диэлектрик, такой как окись кремния, нитрид кремния, BLoK™, NBLoK™ и т.д. Диэлектрический верхний слой 42 уровня М2 предпочтительно может выполнять функцию тормозящего травление слоя для облегчения интегрирования процесса во время изготовления. Толщина диэлектрического верхнего слоя 42 уровня М2 может составлять от около 50 нм до около 600 нм, обычно от около 100 нм до около 300 нм, хотя в изобретении также предусмотрены меньшие и большие значения толщины. Диэлектрический верхний слой 42 уровня М2 имеет одинаковую толщину в области пикселов и в логической области.
Как показано на фиг.10, над диэлектрическим верхним слоем 42 уровня М2 формируют маскирующий слой 43. Маскирующим слоем 43 может являться жесткий маскирующий слой, содержащий несветочувствительный диэлектрик, полупроводниковый материал или металлический материал. В качестве альтернативы, маскирующим слоем 43 может являться мягкий маскирующий слой, содержащий фоторезист или светочувствительный диэлектрик, такой как светочувствительный полиимид. Если маскирующим слоем 43 является жесткий маскирующий слой, на маскирующий слой 43 наносят фоторезист 44, который в котором литографическим методом формируют рисунок таким образом, чтобы фоторезист 44 покрывал логическую область, но отсутствовал в области пикселов, т.е. чтобы верхняя поверхность маскирующего слоя 43 была обнажена в области пикселов. Если маскирующим слоем 43 является мягкий маскирующий слой, рисунок может быть сформирован непосредственно в маскирующем слое 43. Хотя настоящее изобретение описано применительно к использованию жесткого маскирующего слоя, в нем в прямой форме предусмотрены разновидности с использованием мягкого маскирующего слоя. Толщина маскирующего слоя 43 может составлять от около 40 нм до около 600 нм, предпочтительно от около 70 нм до около 300 нм, хотя в изобретении также предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
Как показано на фиг.11, сформированный в фоторезисте 44 рисунок переносят в маскирующий слой 43, например, путем сухого травления или влажного травления. Затем фоторезист 44 удаляют. После формирования рисунка маскирующий слой 43 присутствует в логической области и отсутствует в области пикселов. На диэлектрический верхний слой 42 уровня М2 наносят блок-сополимерный слой 110, содержащий самособирающиеся блок-сополимеры, который способны самоорганизовываться в структуры нанометровых размеров. Для блок-сополимерного слоя 110 согласно второму варианту осуществления могут использоваться такие же материалы, как и согласно первому варианту осуществления. Толщина блок-сополимерного слоя 110 может составлять от около 30 нм до около 600 нм, предпочтительно от около 60 нм до около 300 нм, хотя в изобретении также предусмотрены меньшие и большие значения толщины. Поскольку блок-сополимерный слой 110 предпочтительно имеет меньшую толщину, чем маскирующий слой 43, блок-сополимерный слой 110 присутствует в области пикселов и отсутствует в логической области.
Как показано на фиг.12, полупроводниковую структуру согласно второму примеру подвергают отжигу таким же способом, как и в первом вариант осуществления. Отжиг вызывает самосовмещенное разделение первой составляющей блок-сополимера, которая образует матрицу 112 полимерных блоков, и второй составляющей блок-сополимера, которая образует цилиндрические полимерные блоки 111. Первая составляющая блок-сополимера и вторая составляющая блок-сополимера являются несмещиваемыми друг с другом и, следовательно, после отжига они разделяются на структуры двух отчетливых типов, т.е. матрицу 112 полимерных блоков и цилиндрические полимерные блоки 111. Матрица 112 полимерных блоков может иметь горизонтальное поперечное сечение с углублениями в форме многоугольника, такого как шестиугольник, или в форме круга в зависимости от вязкости и композиции составляющих блок-сополимерного слоя 110. Обычно матрица 112 полимерных блоков имеет структуру регулярного периодического массива, т.е. структуру массива с периодичностью в двух измерениях, такую как гексагональная структура массива.
Как показано на фиг.13, цилиндрические полимерные блоки 111 удаляют избирательно по отношению к матрице 112 полимерных блоков, например, путем сухого травления и влажного травления. Травление может представлять собой изотропное травление или анизотропное травление. Путем избирательного по отношению к первой составляющей блок-сополимера травления удаляют вторую составляющую блок-сополимера. Травление необязательно может осуществляться избирательно по отношению к диэлектрическому верхнему слою 42 уровня М2. В матрице 112 полимерных блоков обнажают боковые стенки углублений, а также участки диэлектрического верхнего слоя 42 уровня М2, которые не расположены под матрицей 112 полимерных блоков.
Как показано на фиг.14, осуществляют еще одно травление, путем которого избирательно по отношению к матрице 112 полимерных блоков удаляют материал диэлектрического верхнего слоя 42 уровня М2. Под матрицей 112 полимерных блоков формируют массив выпуклостей, который имеет такие же структурные характеристики, как и массив выпуклостей 101 согласно примеру, проиллюстрированному на фиг.1А и 1Г-1З. Остальная часть диэлектрического верхнего слоя 42 уровня М2 в области пикселов образует содержащий выпуклости диэлектрический участок 242 уровня М2. Участок диэлектрического верхнего слоя 42 уровня М2 в пределах логической области именуется в изобретении плоским диэлектрическим участком 142 уровня М2. Содержащий выпуклости диэлектрический участок 242 уровня М2 и плоский диэлектрический участок 142 уровня М2 совместно образуют диэлектрический верхний слой 42 уровня М2.
Шаг выпуклостей предпочтительно составляет менее 270 им. Если шаг структуры матрицы 112 полимерных блоков является сублитографическим, шаг структуры выпуклостей также является сублитографическим, т.е. может составлять менее 50 нм и может быть уменьшен до размера, меньшего, чем литографический минимальный размер, за счет шага структуры матрицы 112 полимерных блоков. Высота конуса каждой из выпуклостей может составлять от около 40 нм до около 480 нм. Каждая выпуклость из массива выпуклостей может иметь гексагональную симметрию, при которой поверхности имеют постоянную вогнутую кривизну. Массив выпуклостей имеет форму блочной матрицы с массивом углублений в ней, при этом каждое углубление имеет форму перевернутого кругового конуса.
В качестве альтернативы, массив выпуклостей может быть сформирован в диэлектрическом верхнем слое 42 уровня М2 методами литографии. На фиг.14А показан вертикальный вид в поперечном разрезе одной из разновидностей полупроводниковой структуры согласно второму примеру, в которой на диэлектрический верхний слой 42 уровня М2 структуры металлических межсоединений уровня М2 согласно примеру, проиллюстрированному на фиг.9, наносят фоторезист 412. В фоторезисте 412 методами литографии формируют рисунок, и выполняют травление диэлектрического верхнего слоя 42 уровня М2 избирательно по отношению к фоторезисту 412, который выполняет функцию маски для травления. В этом случае все поперечные размеры, включая шаг массива выпуклостей, являются литографическими размерами.
Как показано на фиг.15, матрицу 112 полимерных блоков или фоторезист 412 удаляют со структуры металлических межсоединений уровня М2 избирательно по отношению к материалу диэлектрического верхнего слоя уровня М2 (142, 242), который имеет плоский диэлектрический участок 142 уровня М2 в логической области и содержащий выпуклости диэлектрический участок 242 уровня М2 в области пикселов. Содержащий выпуклости диэлектрический участок 242 уровня М2 имеет участок 242 В постоянной толщины и массив выпуклостей 242А. Участок 242 В постоянной толщины, массив выпуклостей 242А и плоский диэлектрический участок 142 уровня М2 могут быть выполнены за одно целое и иметь одинаковый состав (композицию составляющих). Содержащий выпуклости диэлектрический участок 242 уровня М2 может иметь отверстие для пропускания света без использования оптического интерфейса, как показано на фиг.8. Содержащий выпуклости диэлектрический участок 242 уровня М2 защищает нижележащие металлические токопроводящие дорожки, т.е. дорожки М2 48 во время последующей обработки.
Плоский диэлектрический участок 142 уровня М2 имеет первую толщину t1. Каждая из выпуклостей в массиве выпуклостей 242А имеет высоту h от основания до вершины. Участок 242 В постоянной толщины примыкает к основанию каждой выпуклости из массива выпуклостей 242А и имеет вторую толщину t2. Первая толщина t1 может быть по существу равна сумме второй толщины t2 высоты h. Первая толщина может составлять от около 50 нм до около 600 нм, хотя в изобретении предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
Структура металлических межсоединений уровня М2 согласно рассматриваемому примеру включена в полупроводниковую структуру согласно второму примеру, в которой массив выпуклостей 242А усиливает пропускание света между диэлектрическим слоем 50 уровня М3 и диэлектрическим верхним слоем уровня М2 (142, 242). Могут быть сформированы эквивалентные структуры металлических межсоединений и включены в полупроводниковую структуру согласно второму примеру, в которой каждая из эквивалентных структур металлических межсоединений содержит массив выпуклостей, структурно эквивалентный массиву выпуклостей 242А в структуре металлических межсоединений уровня М2 согласно рассматриваемому примеру, участок постоянной толщины, структурно эквивалентный участку 242 В постоянной толщины в структуре металлических межсоединений уровня М2 согласно рассматриваемому примеру, и плоский диэлектрический участок, структурно эквивалентный плоскому диэлектрическому участку 142 уровня М2 в структуре металлических межсоединений уровня М2 согласно рассматриваемому примеру. Таким образом, на любом уровне металлических межсоединений могут быть реализованы структуры, эквивалентные структуре металлических межсоединений уровня М2 согласно рассматриваемому примеру, с целью усиления пропускания света между расположенным выше уровнем и уровнем, содержащим диэлектрический верхний слой, которым является диэлектрический слой, содержащий диэлектрик и сформированный над диэлектрическим слоем уровня межсоединений, в который внедрены металлические токопроводящие дорожки и/или сквозные металлические межсоединения.
Как показано на фиг.16, в третьем варианте осуществления настоящего изобретения полупроводниковая структура согласно третьему примеру содержит устройство, которое является частью пиксела КМОП-датчика изображения. Устройство согласно рассматриваемому примеру имеет полупроводниковую подложку 108 и структуру затвора транзистора с передающим затвором. Полупроводниковая подложка 108 содержит полупроводниковый слой 110 р+ типа, полупроводниковый слой 112 р-типа и структуру 120 с мелкими изолирующими канавками. Полупроводниковая подложка 108 дополнительно содержит фотодиод и поверхностный слой 134 захвата с легированием донорной примесью. Фотодиод имеет карман 130 n-типа для собирания носителей заряда, расположенный ниже поверхностного слоя 134 захвата, карман 132 р-типа, являющийся частью полупроводникового слоя 112 р-типа и примыкающий по вертикали к полупроводниковому слою 110 р+ типа. Поскольку транзистор с передающим затвором выполнен за одно целое с фотодиодом 130, 132, карман 130 n-типа для собирания носителей заряда, который содержит полупроводниковый материал n+ типа, также является истоком транзистора с передающим затвором. Транзистор с передающим затвором дополнительно содержит плавающий сток 140, расположенный в полупроводниковой подложке 108, диэлектрик 150 затвора, расположенный непосредственно на участке полупроводникового слоя р-типа, который выполняет функцию канала (обозначенного прямой стрелкой на фиг.1), управляющий электрод 152 и прокладку 154 затвора. В настоящем изобретении в прямой форме предусмотрена возможность изменения на противоположные типов проводимости в полупроводнике согласно третьему примеру, в результате чего будет получена полупроводниковая структура с обращенной полярностью, у которой полупроводниковая подложка содержит полупроводниковый слой n-типа и расположенный непосредственно под ним полупроводниковый слой n+ типа, а фотодиод имеет карман р-типа для собирания носителей заряда и карман n-типа, сформированный в полупроводниковом слое n-типа.
Между карманом 132 р-типа и карманом 130 n-типа для собирания носителей заряда сформирован р-n-переход и обедненная область. Фотон, падающий на фотодиод (132, 130), генерирует электронно-дырочную пару, если фотон взаимодействует с полупроводниковым материалом фотодиода (132, 130). Энергия фотона, которая вызывает генерацию электронно-дырочной пары, зависит от типа полупроводникового материала полупроводниковой подложки 108, но диапазон длин волн фотонов при фотогенерации электронно-дырочной пары составляет от около 190 нм до около 1100 нм при использовании кремния, от около 400 нм до около 1700 нм при использовании германия и от около 800 нм до около 2600 нм при использовании арсенида индия и галлия, соответственно.
Если электронно-дырочная пара генерируется в пределах обедненной области фотодиода, которая содержит карман 132 р-типа и карман 130 n-типа для собирания носителей заряда, носители заряда (дырки и электроны) дрейфуют в противоположном направлении друг от друга под действием кинетической энергии, сообщаемой носителям заряда в процессе фотогенерации. Если неосновной носитель заряда (дырка в кармане 130 n-типа для собирания носителей заряда или электрон в кармане 132 р-типа) попадает в обедненную область в результате дрейфа, электрическое поле, присущее обедненной области фотодиода (132, 130), перемещает носитель заряда через р-n-переход, который становится основным носителем заряда, т.е. дыркой в кармане 132 р-типа или электроном в кармане 130 n-типа для собирания носителей заряда после пересечения р-n-перехода, и, если цепь замкнута, генерирует фототок, или накапливает заряды. В частности, если носителем является электрон, он накапливается в кармане 132 n-типа для собирания носителей заряда. Величина заряда, который накапливается в кармане 130 n-типа для собирания носителей заряда, почти линейно пропорциональна числу падающих фотонов (если допустить, что фотоны имеют одинаковое распределением энергии). Если неосновной носитель заряда воссоединяется с основными носителями заряда внутри фотодиода (132, 130) до попадания в обедненную область, неосновной носитель заряда "теряется" вследствие воссоединения, и ток или накопление зарядов отсутствует.
Во время считывания заряда из фотодиода (132, 130) электроны в кармане 130 n-типа для собирания носителей заряда переносятся через корпус транзистора в плавающий сток 140 транзистор переноса. Перенос заряда должен быть полным, чтобы довести до максимума интенсивность сигнала пиксела и избежать отставания изображения. При наличии потенциального барьера между карманом 130 n-типа для собирания носителей заряда и каналом транзистора переноса во время операции считывания или сброса может быть перенесен не весь заряд.
Над верхней поверхностью полупроводниковой подложки 108, управляющего электрода 152 и прокладки затвора 154 формируют необязательный промежуточный диэлектрический слой 170. Промежуточный диэлектрический слой 170 является необязательным, т.е. может быть или не быть сформирован. Необязательный промежуточный диэлектрический слой 170 содержит диэлектрик, такой как окись кремния или нитрид кремния. Необязательный промежуточный диэлектрический слой 170 может быть сформирован, например, путем химического осаждения из паровой фазы при пониженном давлении (LPCVD), плазмохимического осаждения из паровой фазы (PECVD), высокоплотного плазмохимического осаждения из паровой фазы (HDPCVD) и т.д. Толщина необязательного промежуточного диэлектрического слоя 170 может составлять от около 3 нм до около 100 нм, хотя в изобретении также предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
Как показано на фиг.17, над необязательным промежуточным диэлектрическим слоем 170 формируют диэлектрический слой 180. Диэлектрический слой 180 содержит диэлектрик, такой как нитрид кремния или окись кремния. Диэлектрический слой 180 предпочтительно содержит нитрид кремния. Диэлектрический слой 180 предпочтительно содержит материал, отличающийся от материала необязательного промежуточного диэлектрического слоя 170. Например, диэлектрический слой 180 может содержать первый материал из нитрида кремния, а необязательный промежуточный диэлектрический слой 170 может содержать второй материал из нитрида кремния, отличающегося по составу или уровню собственного напряжения от первого материала из нитрида кремния. Диэлектрический слой 180 может создавать растягивающее или сжимающее напряжение в нижележащих структурах.
На диэлектрический слой 180 наносят фоторезист 144 и литографическим методом формируют рисунок, чтобы покрыть область управляющего электрода 152 и плавающего стока. После формирования рисунка в фоторезисте 144 обнажают участок диэлектрического слоя 180 в области над фотодиодом (132, 130).
Как показано на фиг.18, на обнаженные участки диэлектрического слоя 180 наносят блок-сополимерный слой 110, содержащий самособирающиеся блок-сополимеры, способные самоорганизовываться в нанометровые структуры. Во втором варианте осуществления для блок-сополимерного слоя 110 могут использоваться такие же материалы, как и в первом варианте осуществления. Толщина блок-сополимерного слоя 110 может составлять от около 30 нм до около 600 нм, предпочтительно от около 60 нм до около 300 нм, хотя в изобретении также предусмотрены меньшие и большие значения толщины. Поскольку толщина блок-сополимерного слоя 110 предпочтительно меньше высоты фоторезиста 144, блок-сополимерный слой 110 отсутствует над фоторезистом 144.
Как показано на фиг.19, полупроводниковую структуру согласно третьему примеру подвергают отжигу таким же способом, как и в первом варианте осуществления. Отжиг вызывает самосовмещенное разделение первой составляющей блок-сополимера, которая образует матрицу 112 полимерных блоков, и второй составляющей блок-сополимера, которая образует цилиндрические полимерные блоки 111. Первая составляющая блок-сополимера и вторая составляющая блок-сополимера являются несмешиваемыми друг с другом и, следовательно, после отжига они разделяются на структуры двух отчетливых типов, т.е. матрицу 112 полимерных блоков и цилиндрические полимерные блоки 111. Матрица 112 полимерных блоков может иметь горизонтальное поперечное сечение с углублениями в форме многоугольника, такого как шестиугольник, или в форме круга в зависимости от вязкости и композиции составляющих блок-сополимерного слоя 110. Обычно матрица 112 полимерных блоков имеет структуру регулярного периодического массива, т.е. структуру массива с периодичностью в двух измерениях, такую как гексагональная структура массива.
Как показано на фиг.20, избирательно по отношению к матрице 112 полимерных блоков и фоторезисту 144 удаляют цилиндрические полимерные блоки 111, например, путем сухого травления или влажного травления. Травление может представлять собой изотропное травление или анизотропное травление. Путем избирательного по отношению к первой составляющей блок-сополимера травления удаляют вторую составляющую блок-сополимера. Травление необязательно может осуществляться избирательно по отношению к диэлектрическому слою 180. В матрице 112 полимерных блоков обнажают боковые стенки углублений, а также участки диэлектрического слоя 180, которые не расположены под матрицей 112 полимерных блоков.
Как показано на фиг.21, осуществляют еще одно травление, путем которого избирательно по отношению к матрице 112 полимерных блоков удаляют материал диэлектрического слоя 180. Под матрицей 112 полимерных блоков формируют массив выпуклостей, который имеет такие же структурные характеристики, как и массив выпуклостей 101 согласно примеру, проиллюстрированному на фиг.1А и 1Г-1З. Остальной участок диэлектрического слоя 180 над фотодиодом (132, 130) образует содержащий выпуклости диэлектрический участок 182. Участок диэлектрического слоя 180 в пределах логической области именуется в изобретении плоским диэлектрическим участком 181. Содержащий выпуклости диэлектрический участок 182 и плоский диэлектрический участок 181 совместно образуют диэлектрический слой 180.
Шаг выпуклостей предпочтительно составляет менее 270 нм. Если шаг структуры матрицы 112 полимерных блоков является сублитографическим, шаг структуры выпуклостей также является сублитографическим, т.е. может составлять менее 50 нм и может быть уменьшен до размера, меньшего, чем литографический минимальный размер, за счет шага структуры матрицы 112 полимерных блоков. Высота конуса каждой из выпуклостей может составлять от около 40 нм до около 480 нм. Каждая выпуклость в массиве выпуклостей может иметь форму конуса, площадь поперечного сечения которого монотонно уменьшается в зависимости от расстояния по вертикали от основания конуса. Массив выпуклостей может иметь гексагональную симметрию, при которой поверхности имеют постоянную вогнутую кривизну. Массив выпуклостей имеет форму блочной матрицы с массивом углублений в ней, при этом каждое углубление имеет форму перевернутого кругового конуса.
В качестве альтернативы, массив выпуклостей может быть сформирован в диэлектрическом слое 180 методами литографии. На фиг.21А показан вертикальный вид в поперечном разрезе первой разновидности полупроводниковой структуры согласно третьему примеру, у которой на диэлектрический слой 180 над полупроводниковой структурой согласно третьему примеру, проиллюстрированному на фиг.16, наносят фоторезист 412 и литографическим методом формируют рисунок, чтобы покрыть всю область над управляющим электродом 152 и плавающим стоком 140, и при этом формируют структуру массива изолированных цилиндров над фотодиодом (132, 130). Выполняют травление диэлектрического слоя 180 избирательно по отношению к фоторезисту 412, чтобы сформировать содержащий выпуклости диэлектрический участок 182, при этом фоторезист 412 выполняет функцию маски для травления. В этом случае все поперечные размеры, включая шаг массива выпуклостей, являются литографическими размерами.
Как показано на фиг.22, с полупроводниковой структуры согласно третьему примеру удаляют матрицу 112 полимерных блоков или фоторезист 412 избирательно по отношению к материалу диэлектрического слоя (181, 182), который имеет плоский диэлектрический участок 181, расположенный над управляющим электродом 152 и плавающим стоком 140, и содержащий выпуклости диэлектрический участок 182, расположенный над фотодиодом (132, 130). Содержащий выпуклости диэлектрический участок 182 имеет участок постоянной толщины 182 В и массив выпуклостей 182А. Участок постоянной толщины 182В, массив выпуклостей 182А и плоский диэлектрический участок 181 могут быть выполнены за одно целое и иметь одинаковый состав. Плоский диэлектрический участок 181 имеет первую толщину t1'. Каждая из выпуклостей в массиве выпуклостей 182А имеет высоту h' от основания до вершины. Участок постоянной толщины 182В примыкает к основанию каждой выпуклости из массива выпуклостей 182А и имеет вторую толщину t2'. Первая толщина t1' может быть по существу равна сумму второй толщины t2' и высоты h'. Первая толщина t1' может составлять от около 50 нм до около 600 нм, хотя в изобретении предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
На диэлектрический слой 181, 182 путем осаждения наносят полученный на средней стадии полупроводникового производства (MOL, от английского - middle-of-line) диэлектрический слой 190. Диэлектрический слой 190 MOL может содержать, например, нанесенную химическим осаждением из паровой фазы окись, такую как нелегированное силикатное стекло (USG), боросиликатное стекло (BSG), фосфоросиликатное стекло (PSG), фторосиликатное стекло (FSG), борофосфоросиликатное стекло (BPSG) или их сочетание. В качестве альтернативы, диэлектрический слой MOL может содержать органосиликатное стекло (OSG), диэлектрик на основе SiCOH, наносимый центрифугированием диэлектрик с низкой диэлектрической постоянной и т.д. В диэлектрическом слое 190 MOL формируют различные сквозные отверстие для контакта (не показаны), которые заполняют металлом с целью формирования различных сквозных межсоединений для контакта (не показаны). Содержащий выпуклости диэлектрический участок 182 обеспечивает усиленное пропускание между диэлектрическим слоем 190 MOL и фотодиодом (132,130).
На фиг.22А показана вторая разновидность полупроводниковой структуры согласно третьему примеру, у которой отсутствует необязательный промежуточный диэлектрический слой 170, показанный на фиг.22, и диэлектрический слой 181, 182 сформирован непосредственно на поверхностном слое 134 захвата, структуре 120 с мелкими изолирующими канавками 120, управляющем электроде 152, прокладке затвора 154 и плавающем стоке 140. Область над структурой 120 с мелкими изолирующими канавками может иметь содержащий выпуклости диэлектрический участок 182 или плоский диэлектрический участок 181. Область над структурой 120 с мелкими изолирующими канавками предпочтительно имеет плоский диэлектрический участок 181.
Как показано на фиг.23, в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения полупроводниковая структура согласно четвертому примеру содержит полупроводниковый слой 10 и полученные на конечной стадии полупроводникового производства (BEOL) структуры 29, как и в первом варианте осуществления и/или втором варианте осуществления. Полупроводниковая структура согласно четвертому примеру содержит единичную ячейку КМОП-датчика изображения, которая имеет область пикселов и логическую область. Область пикселов содержит активные пикселы и темновой пиксел. Логическая область содержит полупроводниковые устройства, образующие логические схемы, применяемые в активных пикселах и темновом пикселе. Структура каждого пиксела может быть преимущественно такой же, как и во втором варианте осуществления с тем отличием, что структуру и функции оптической линзы 80, которая является выпуклой сверху и плоской снизу линзой, расположенной на верхней поверхности диэлектрического пассивирующего слоя 70, обеспечивает альтернативная система линз.
В частности, над верхним участком или в качестве верхнего участка диэлектрического пассивирующего слоя 70 формируют слой 90 диэлектрика, в который внедряют выпуклые сверху и плоские снизу линзы 92 таким образом, чтобы плоские верхние поверхности выпуклых сверху и плоских снизу линз 92 лежали преимущественно в одной плоскости с верхней поверхностью слоя 90 диэлектрика. Выпуклые сверху и плоские снизу линзы 92 и слой 90 диэлектрика представляю собой оптически прозрачный диэлектрик, который способен выдерживать температуру технологической обработки, применяемую во время компоновки, например, около 220°С. Не ограничивающие изобретение примеры материалов слоя 90 диэлектрика включают акрилат, метакрилат, эпоксиакрилат, полиимид и их сочетание. Не ограничивающие изобретение примеры выпуклых сверху и плоских снизу линз 92 включают акрилат, метакрилат, эпоксиакрилат, полиимид и их сочетание. Сочетание материалов слоя 90 диэлектрика и выпуклых сверху и плоских снизу линз 92 выбирают таким образом, чтобы показатель преломления выпуклых сверху и плоских снизу линз 92 превышал показатель преломления слоя 90 диэлектрика. Слой 90 диэлектрика имеет сглаженную верхнюю поверхность, которая может быть получена путем нанесения покрытия центрифугированием или другими методами сглаживания.
Как показано на фиг.24, над слоем 90 диэлектрика формируют диэлектрический слой 280. Диэлектрический слой 280 содержит оптически прозрачный диэлектрик. Не ограничивающие изобретение примеры материалов диэлектрического слоя 280 включают акрилат, метакрилат, эпоксиакрилат, полиимид и их сочетание. Толщина диэлектрического слоя 280 может составлять от около 40 нм до около 600 нм, хотя в изобретении предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
Над диэлектрическим слоем 280 формируют маскирующий слой 243. Маскирующим слоем 43 может являться жесткий маскирующий слой, содержащий несветочувствительный диэлектрик, полупроводниковый материал или металлический материал. В качестве альтернативы, маскирующим слоем 243 может являться мягкий маскирующий слой, содержащий фоторезист или светочувствительный диэлектрик, такой светочувствительный полиимид. Если маскирующим слоем 243 является жесткий маскирующий слой, на маскирующий слой 243 наносят фоторезист 244 и литографическим методом формируют рисунок таким образом, чтобы фоторезист 244 покрывал логическую область, но отсутствовал в области пикселов, т.е. чтобы верхняя поверхность маскирующего слоя 243 была обнажена в области пикселов. Если маскирующим слоем 243 является мягкий маскирующий слой, рисунок может быть сформирован непосредственно в маскирующем слое 243. Хотя настоящее изобретение описано применительно к использованию жесткого маскирующего слоя, в нем в прямой форме предусмотрены разновидности с использованием мягкого маскирующего слоя. Толщина маскирующего слоя 243 может составлять от около 40 нм до около 600 нм, предпочтительно от около 70 нм до около 300 нм, хотя в изобретении также предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
Как показано на фиг.25, сформированный в фоторезисте 244 рисунок переносят в маскирующий слой 243, например, путем сухого травления или влажного травления. Затем фоторезист 244 удаляют. После формирования рисунка маскирующий слой 243 присутствует в логической области и отсутствует в области пикселов. На обнаженные участки диэлектрического слоя 280 наносят блок-сополимерный слой 110, содержащий самособирающиеся блок-сополимеры, который способны самоорганизовываться в структуры нанометровых размеров. Для блок-сополимерного слоя 110 согласно второму варианту осуществления могут использоваться такие же материалы, как и согласно первому варианту осуществления. Толщина блок-сополимерного слоя 110 может составлять от около 30 нм до около 600 нм, предпочтительно от около 60 нм до около 300 нм, хотя в изобретении также предусмотрены меньшие и большие значения толщины. Поскольку блок-сополимерный слой 110 предпочтительно имеет меньшую толщину, чем маскирующий слой 243, блок-сополимерный слой 110 присутствует в области пикселов и отсутствует в логической области.
Как показано на фиг.26, полупроводниковую структуру согласно второму примеру подвергают отжигу таким же способом, как и в первом варианте осуществления. Отжиг вызывает самосовмещенное разделение первой составляющей блок-сополимера, которая образует матрицу 112 полимерных блоков, и второй составляющей блок-сополимера, которая образует цилиндрические полимерные блоки 111. Первая составляющая блок-сополимера и вторая составляющая блок-сополимера являются несмешиваемыми друг с другом и, следовательно, после отжига они разделяются на структуры двух отчетливых типов, т.е. матрицу 112 полимерных блоков и цилиндрические полимерные блоки 111. Матрица 112 полимерных блоков может различные формы горизонтального поперечного сечения в зависимости от вязкости и композиции составляющих блок-сополимерного слоя 110. Обычно матрица 112 полимерных блоков имеет структуру регулярного периодического массива, т.е. структуру массива с периодичностью в двух измерениях, такую как гексагональная структура массива.
Как показано на фиг.27, избирательно по отношению к матрице 112 полимерных блоков удаляют цилиндрические полимерные блоки 111, например, путем сухого травления или влажного травления. Травление может представлять собой изотропное травление или анизотропное травление. Путем избирательного по отношению к первой составляющей блок-сополимера травления удаляют вторую составляющую блок-сополимера. Травление необязательно может осуществляться избирательно по отношению к диэлектрическому слою 280. В матрице 112 полимерных блоков обнажают боковые стенки углублений, а также участки диэлектрического слоя 280, которые не расположены под матрицей 112 полимерных блоков.
Осуществляют еще одно травление, путем которого избирательно по отношению к матрице 112 полимерных блоков удаляют материал диэлектрического слоя 280. Под матрицей 112 полимерных блоков формируют массив выпуклостей, который имеет такие же структурные характеристики, как и массив выпуклостей 101 согласно примеру, проиллюстрированному на фиг.1А и 1Г-1З. Остальной участок диэлектрического слоя 280 в области пикселов образует содержащий выпуклости диэлектрический участок 282. Участок диэлектрического слоя 280 в пределах логической области именуется в изобретении плоским диэлектрическим участком 281. Содержащий выпуклости диэлектрический участок 282 и плоский диэлектрический участок 281 совместно образуют диэлектрический слой 280.
Шаг выпуклостей предпочтительно составляет менее 270 нм. Если шаг структуры матрицы 112 полимерных блоков является сублитографическим, шаг структуры выпуклостей также является сублитографическим, т.е. может составлять менее 50 нм и может быть уменьшен до размера, меньшего, чем литографический минимальный размер, за счет шага структуры матрицы 112 полимерных блоков. Высота конуса каждой из выпуклостей может составлять от около 40 нм до около 480 нм. Каждая выпуклость в массиве выпуклостей может иметь форму конуса, площадь поперечного сечения которого монотонно уменьшается в зависимости от расстояния по вертикали от основания каждой выпуклости. Массив выпуклостей может иметь гексагональную симметрию, при которой поверхности имеют постоянную вогнутую кривизну. Массив выпуклостей имеет форму блочной матрицы с массивом углублений в ней, при этом каждое углубление имеет форму перевернутого кругового конуса.
В качестве альтернативы, массив выпуклостей может быть сформирован в диэлектрическом слое 280 методами литографии. На фиг.27А показан вертикальный вид в поперечном разрезе одной из разновидностей полупроводниковой структуры согласно четвертому примеру, у которой вместо маскирующего слоя, содержащего материал жесткой маски, непосредственно на диэлектрический слой 280 наносят фоторезист 412. В фоторезисте 412 методами литографии формируют рисунок, и выполняют травление диэлектрического слоя 280 избирательно по отношению к фоторезист 412, который выполняет функцию маски для травления. В этом случае все поперечные размеры, включая шаг массива выпуклостей, являются литографическими размерами.
Как показано на фиг.28, матрицу 112 полимерных блоков или фоторезист 412 удаляют избирательно по отношению к материалу диэлектрического слоя (281, 282), который имеет плоский диэлектрический участок 281 в логической области и содержащий выпуклости диэлектрический участок 282 в области пикселов. Содержащий выпуклости диэлектрический участок 282 имеет участок 282 В постоянной толщины и массив выпуклостей 282А. Участок 282 В постоянной толщины, массив выпуклостей 282А и плоский диэлектрический участок 281 могут быть выполнены за одно целое и иметь одинаковый состав. Содержащий выпуклости диэлектрический участок 282 усиливает пропускание света в слой 90 диэлектрика из внешней среды, воздействию которой подвержен содержащий выпуклости диэлектрический участок 282 и которой может являться воздушное или вакуумное пространство. Содержащий выпуклости диэлектрический участок 282 усиливает пропускание света из внешней среды в выпуклые сверху и плоские снизу линзы 92.
Плоский диэлектрический участок 281 имеет первую толщину t1". Каждая из выпуклостей в массиве выпуклостей 282А имеет высоту h" от основания до вершины. Участок 282 В постоянной толщины примыкает к основанию каждой выпуклости из массива выпуклостей 282А и имеет вторую толщину t2". Первая толщина t1" может быть по существу равна сумму второй толщины t2" и высоты h". Первая толщина t1" может составлять от около 50 нм до около 600 нм, хотя в изобретении предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
Транзисторы в области пикселов выполнены за одно целое с фотодиодом 8, как это проиллюстрировано в полупроводниковой структуре согласно третьему примеру. Содержащий выпуклости диэлектрический участок 282 имеет поверхность раздела с окружающим воздушным или вакуумным пространством. Содержащий выпуклости диэлектрический участок 282 имеет массив выпуклостей с такой же структурой, как и массив выпуклостей согласно примеру, проиллюстрированному на фиг.1А и 1Г-1З. Шаг массива выпуклостей может составлять менее 270 нм. Шаг может иметь сублитографический размер. Массив может представлять собой правильный шестиугольник. Массив выпуклостей может иметь гексагональную симметрию, при которой поверхности имеют постоянную вогнутую кривизну. Массив выпуклостей имеет форму блочной матрицы с массивом углублений в ней, при этом каждое углубление имеет форму перевернутого кругового конуса. Высота конуса может составлять от около 40 нм до около 480 нм, а первая толщина может составлять от около 50 нм до около 600 нм.
В логической области обнажают алюминиевую контактную площадку 67 путем удаления этажерочной структуры из плоского диэлектрического участка 281, слоя 90 диэлектрика, диэлектрического пассивирующего слоя 70, диэлектрического верхнего слоя 62 уровня М3 и диэлектрического слоя 60 уровня М3 в пределах металлического контактного участка, т.е. области, содержащей алюминиевую металлическую контактную площадку 67. Алюминиевая металлическая контактная площадка 67 может использоваться для проводных соединений или соединений С4.
Как показано на фиг.28А, вторая разновидность полупроводниковой структуры согласно четвертому примеру имеет выпуклые сверху и плоские снизу линзы 92' вместо выпуклых сверху и плоских снизу линз 92, показанных на фиг.28. Плоские нижние поверхности выпуклых сверху и плоских снизу линз 92' примыкают по вертикали к верхним поверхностям диэлектрического пассивирующего слоя 70. Выпуклые сверху и плоские снизу линзы 92' отделены от диэлектрического слоя (281, 282) слоем 90 диэлектрика. Выпуклые сверху и плоские снизу линзы 92' выполняют такую же функцию, как и выпуклые сверху и плоские снизу линзы 92, показанные на фиг.28, т.е. фокусируют падающий свет на фотодиодах 8. Содержащий выпуклости диэлектрический участок 282 выполняет такую же функцию, как и полупроводниковая структура согласно второму примеру, проиллюстрированному на фиг.28, т.е. усиливает пропускание света между внешней средой и слоем 90 диэлектрика.
Как показано на фиг.29, в пятом варианте осуществления настоящего изобретения полупроводниковая структура согласно пятому примеру представляет собой полупроводниковую интегральную схему 310, установленную на нижнем корпусе 380 с помощью клеевого слоя 312, который может содержать эпоксидную смолу. С внутренней стороны нижнего корпуса 380 расположены контактные площадки 370 корпуса, а с наружной стороны нижнего корпуса 380 расположены штырьковые выводы 374 корпуса. Каждый из штырьковых выводов 374 корпуса посредством нижнего корпуса 380 соединен с одной из контактных площадок 370 корпуса. Один конец каждого из монтажных проводов 330 соединен с одной из контактных площадок 320 для проводных соединений посредством одного из полученных методом шариковой термокомпрессии соединений 322. Другой конец каждого из монтажных проводов 330 соединен с одной из контактных площадок 370 корпуса посредством полученного методом микросварки клиновым электродом соединения 372, которое обычно бывает более крупным, чем полученное методом шариковой термокомпрессии соединение 322. Процесс проводного соединения с использованием соединения 372, полученного методом микросварки клиновым электродом, называют "термокомпрессией клином". Монтажные провода 330 приваривают к полученному методом микросварки клиновым электродом соединению 372 с использованием сочетания тепла, давления и/или ультразвуковой энергии, как при термокомпрессионной сварке шариком. Структуры проводных соединений в полупроводниковой структуре согласно пятому примеру описаны лишь в качестве иллюстрации и не ограничивают объем настоящего изобретения. Настоящее изобретение также может быть осуществлено на практике при любой другой конфигурации проводных соединений с использованием отличающейся технологии соединения.
Верхний корпус имеет раму 390 и оптически прозрачное окно 100, окруженное по бокам рамой 390 верхнего корпуса. Рама 390 верхнего корпуса, оптически прозрачное окно 100 и нижний корпус 380 служат для герметичного размещения полупроводниковой интегральной схемы 310 с целью ее защиты от внешней среды и предотвращения окисления или попадания влаги в полупроводниковую интегральную схему 310. Сборка интегральной схемы содержит раму 390 верхнего корпуса, оптически прозрачное окно 100, нижний корпус 380 и контактные площадки 370 корпуса и штырьковые выводы 374 корпуса.
Оптически прозрачное окно 100 имеет участок 98 постоянной толщины, первый массив выпуклостей 97, расположенный на первой поверхности участка 98 постоянной толщины, и второй массив выпуклостей, расположенный на второй поверхности участка 98 постоянной толщины. Участок 98 постоянной толщины, первый массив выпуклостей 97 и второй массив выпуклостей выполнены за одно целое, т.е. между участком 98 постоянной толщины и первым или вторым массивами выпуклостей (97 или 99) отсутствует физически выраженная граница раздела. Оптически прозрачное окно содержит оптически прозрачный материал, включая без ограничения окись кремния, нитрид кремния, окись алюминия и любой другой оптически прозрачный материал.
На фиг.30 показан увеличенный вид пятого примера полупроводниковой структуры, на котором проиллюстрированы элементы, содержащиеся в полупроводниковой интегральной схеме 310 и оптически прозрачном окне 100. Полупроводниковая интегральная схема 310 может содержать любую из описанных полупроводниковых структур согласно примерам с первого по четвертый настоящего изобретения.
Как показано на фиг.31, оптически прозрачное окно согласно настоящему изобретению может быть изготовлено путем нанесения лицевого блок-сополимерного слоя 110' на оптически прозрачный слой 98Р, имеющий преимущественно постоянную толщину, плоскую верхнюю поверхность и плоскую нижнюю поверхность. Лицевой блок-сополимерный слой 110', содержащий самособирающиеся блок-сополимеры, которые способны самоорганизовываться в нанометровые структуры, наносят на верхнюю поверхность оптически прозрачного слоя. Для лицевого блок-сополимерного слоя 110' согласно пятому варианту осуществления могут использоваться такие же материалы, как и для блок-сополимерного слоя 110 согласно первому варианту осуществления. Толщина лицевого блок-сополимерного слоя 110' может составлять от около 30 нм до около 600 нм, предпочтительно от около 60 нм до около 300 нм, хотя в изобретении также предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
Как показано на фиг.32, лицевой блок-сополимерный слой 110' подвергают отжигу таким же способом, как и в первом вариант осуществления. Отжиг вызывает самосовмещенное разделение первой составляющей блок-сополимера, которая образует матрицу 112' полимерных блоков, и второй составляющей блок-сополимера, которая образует цилиндрические полимерные блоки 111'. Первая составляющая блок-сополимера и вторая составляющая блок-сополимера являются несмешиваемыми друг с другом и, следовательно, после отжига они разделяются на структуры двух отчетливых типов, т.е. матрицу 112' полимерных блоков и цилиндрические полимерные блоки 111'. Матрица 112' полимерных блоков может иметь различные формы горизонтального поперечного сечения в зависимости от вязкости и композиции составляющих блок-сополимерного слоя 110. Обычно матрица 112' полимерных блоков имеет структуру регулярного периодического массива, т.е. структуру массива с периодичностью в двух измерениях, такую как гексагональная структура массива.
Как показано на фиг.33, избирательно по отношению к матрице 112' полимерных блоков удаляют цилиндрические полимерные блоки 111', например, путем сухого травления или влажного травления. Травление может представлять собой изотропное травление или анизотропное травление. Путем избирательного по отношению к первой составляющей блок-сополимера травления удаляют вторую составляющую блок-сополимера. Травление необязательно может осуществляться избирательно по отношению к оптически прозрачному слою 98Р (смотри фиг.32). В матрице 112' полимерных блоков обнажают боковые стенки углублений, а также участки оптически прозрачного слоя 98Р, которые не расположены непосредственно под матрицей 112' полимерных блоков.
Путем еще одного травления избирательно по отношению к матрице 112' полимерных блоков удаляют материал оптически прозрачного слоя 98Р, который может содержать, например, окись кремния, нитрид кремния или окись алюминия. Остальные участки оптически прозрачного слоя 98Р образуют изоляционный участок 98 постоянной толщины и первый массив выпуклостей 97. Остальные участки оптически прозрачного слоя 98Р собирательно именуют оптически прозрачным окном 100. Под матрицей 112' полимерных блоков формируют первый массив выпуклостей 97, который имеет такие же структурные характеристики, как и массив выпуклостей 101 согласно примеру, проиллюстрированному на фиг.1А и 1Г-1З.
Шаг первого массива выпуклостей предпочтительно составляет менее 270 нм. Если шаг структуры матрицы 112' полимерных блоков является сублитографическим, шаг структуры выпуклостей также является сублитографическим, т.е. может составлять менее 50 нм и может быть уменьшен до размера, меньшего, чем литографический минимальный размер, за счет шага структуры матрицы 112' полимерных блоков. Высота конуса каждой из выпуклостей может составлять от около 40 нм до около 480 нм.
В качестве альтернативы, первый массив выпуклостей может быть сформирован в оптически прозрачном слое 98Р методами литографии. На фиг.33А показан вертикальный вид в поперечном разрезе первой разновидности полупроводниковой структуры согласно пятому варианту осуществления, у которой на стадии обработки, соответствующей фиг.31, на оптически прозрачный слой 98Р вместо лицевого блок-сополимерного слоя 110' наносят фоторезист 412. В фоторезисте 412 методами литографии формируют рисунок, и выполняют травление оптически прозрачного слоя 98Р избирательно по отношению к фоторезисту 412, который выполняет функцию маски для травления. В этом случае все поперечные размеры, включая шаг массива выпуклостей, являются литографическими размерами.
Как показано на фиг.34, матрицу 112' полимерных блоков или фоторезист 412 удаляют избирательно по отношению к материалу оптически прозрачного окна 100. Оптически прозрачное окно 100 переворачивают таким образом, чтобы являющаяся плоской задняя поверхность оптически прозрачного окна 100 была обращена вверх и являлась преимущественно ровной. На тыльную поверхность оптически прозрачного окна 100 наносят тыльный блок-сополимерный слой 110″. На верхнюю поверхность оптически прозрачного слоя наносят тыльный блок-сополимерный слой 110”, содержащий самособирающиеся блок-сополимеры, которые способны самоорганизовываться в нанометровые структуры. В пятом вариант осуществления могут использоваться такие же материалы тыльного блок-сополимерного слоя 110″, как и материалы блок-сополимерного слоя 110 согласно первому варианту осуществления. Толщина тыльного блок-сополимерного слоя 110″ может составлять от около 30 нм до около 600 нм, предпочтительно от около 60 им до около 300 нм, хотя в изобретении в прямой форме предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
Как показано на фиг.35, могут осуществляться такие же стадии обработки, как и стадии обработки, соответствующие фиг.32 и 33, с тем, чтобы обнажить боковые стенки матрицы 112″ полимерных блоков путем травления с целью удаления цилиндрических полимерных блоков (не показаны). Со стороны тыльного блок-сополимерного слоя 110” формируют матрицу 112” полимерных блоков. Также обнажают участки тыльной поверхности оптически прозрачного окна 100, которые не расположены под матрицей 112 полимерных блоков.
Осуществляют еще одно травление, что удалить материал оптически прозрачного окна 100 избирательно по отношению к матрице 112” полимерных блоков. Фрагмент участка 98 постоянной толщины становится вторым массивом выпуклостей 99, расположенных под матрицей 112” полимерных блоков. Второй массив выпуклостей 99 имеет такие же структурные характеристики, как и массив выпуклостей 101 согласно примеру, проиллюстрированному на фиг.1А и 1Г-1З.
Шаг второго массива выпуклостей предпочтительно составляет менее 270 нм. Если шаг структуры матрицы 112” полимерных блоков является сублитографическим, шаг массива выпуклостей также является сублитографическим, т.е. может составлять менее 50 нм и может быть уменьшен до размера, меньшего, чем литографический минимальный размер, за счет шага структуры матрицы 112” полимерных блоков. Высота конуса каждой из выпуклостей может составлять от около 40 нм до около 480 им.
В качестве альтернативы, второй массив выпуклостей может быть сформирован в оптически прозрачном слое 98Р методами литографии. На фиг.35А показан вертикальный вид в поперечном разрезе второй разновидности полупроводниковой структуры согласно пятому варианту осуществления, у которой на стадии обработки, соответствующей фиг.34, на тыльную поверхность оптически прозрачного окна 100 вместо тыльного блок-сополимерного слоя 110” наносят фоторезист 412', В фоторезисте 412' методами литографии формируют рисунок, и выполняют травление тыльной поверхности оптически прозрачного окна 100 избирательно по отношению к фоторезисту 412', который выполняет функцию маски для травления. В этом случае все поперечные размеры, включая шаг массива выпуклостей, являются литографическими размерами.
Как показано на фиг.36, матрицу 112” полимерных блоков или фоторезист 412' удаляют избирательно по отношению к материалу оптически прозрачного окна 100. Оптически прозрачное окно 100 содержит участок 98 постоянной толщины, первый массив выпуклостей 97 и второй массив выпуклостей 99. Оптически прозрачное окно 100 устанавливают на корпусе, чтобы сформировать полупроводниковую структуру согласно пятому примеру, проиллюстрированному на фиг.29. Первый и второй массивы выпуклостей (97, 99) обеспечивают высокое пропускание через оптически прозрачное окно 100. Если оптически прозрачное окно 100 содержит окись кремния, коэффициент пропускания оптически прозрачного окна 100 согласно настоящему изобретению на каждой границе его раздела с воздухом может превышать 99%, тогда как обычное окно, содержащее окись кремния имеет коэффициент пропускания около 96,5% на каждой границе раздела с воздухом.
Варианты осуществления настоящего изобретению с первого по пятый могут использоваться в полупроводниковой конструкции при условии определения области, в которой должен быть сформирован массив выпуклостей. На фиг.37 показана блок-схема одного из примеров методики 900 проектирования, используемой, например, при проектировании и изготовлении полупроводников. Методика 900 проектирования может изменяться в зависимости от типа проектируемой интегральной схемы. Например, методика проектирования с целью создания специализированной интегральной микросхемы (ASIC) может отличаться от методики проектирования с целью создания стандартного компонента интегральной схемы. В качестве исходных данных для процесса 910 конструирования предпочтительно используют структуру 920 проектирования, которая может быть предоставлена провайдером интеллектуальной собственности (IP), базовым разработчиком или проектной организацией или может быть создана организацией, использующей методику проектирования, или может быть получена из других источников.
Структура 920 проектирования представляет собой один из вариантов осуществления настоящего изобретения, т.е. один из вариантов осуществления с первого по четвертый или их сочетание в виде схем или на языке HDL, на языке описания аппаратуры (например Verilog, VHDL, С и т.д.) Структура 920 проектирования может содержаться на одном или нескольких машиночитаемых носителях. Например, структурой 920 проектирования может являться текстовой файл или наглядное представление одного из вариантов осуществления изобретения с указанием области, в которой должен быть сформирован массив выпуклостей.
В процессе 910 конструирования один из вариантов осуществления предпочтительно синтезирован (или преобразован) в таблицу 980 соединений, которая содержит, например, таблицу монтажных соединений, транзисторов, логических схем, схем управления, вводов-выводов, моделей и т.д. с описанием соединений с другими элементами и схемами в конструкции интегральной схемы и которая записана по меньшей мере на один машиночитаемый носитель. Носителем может являться, например, компакт-диск, карта памяти или другая флэш-память, пакет данных для передачи по сети Интернет или другие сетевые средства. Синтезом может являться итерационный процесс, в ходе которого один или несколько раз повторно синтезируют таблицу 980 соединений в зависимости от технических условий на проектирование и параметров схемы.
Процесс 910 конструирования может предусматривать использование разнообразных входных данных, например, входных данных, получаемых от библиотечных элементов 930, которые могут содержать набор распространенных элементов, схем и устройств, включая модели, компоновки и условные представления для заданной технологии изготовления (например, относящиеся к различным технологиям узлы, такие как 32 нм, 45 нм, 90 нм и т.д.), технические условия 940 на проектирование, данные 950 определения характеристик, данные 960 верификации, правила 970 проектирования и файлы 985 данных испытаний (которые могут содержать, например, стандартные процессы конструирования схем, такие как временной анализ, верификация, проверка правил проектирования, операции размещения элементов и трассировки соединений и т.д.). Специалист в области конструирования интегральных схем учтет, что в процессе 910 конструирования может использоваться множество средств и программ автоматизация проектирования электроники, не выходящих за пределы существа и объема настоящего изобретения. Структура проектирования согласно настоящему изобретению не ограничена какой-либо конкретной методикой проектирования.
В процессе 910 конструирования один из вариантов осуществления изобретения, такой как показан на фиг.2, а также любую дополнительную разработку или данные интегральной схемы (если это применимо) предпочтительно преобразуют во вторую структуру 990 проектирования. Структура 990 проектирования постоянно хранится на носителе данных в формате, используемом для обмена топологическими данными интегральных схем, и/или в формате данных условного представления (например, информация, хранящаяся в GDSII (GDS2), GL1, OASIS, файлах распределения и любом другом формате, применимом для хранения таких структур проектирования). Структура 990 проектирования содержит информацию с указанием области, в которой должен быть сформирован массив выпуклостей согласно настоящему изобретению. Структура 990 проектирования может дополнительно содержать такую информацию, как, например, данные условного представления, файлы распределения, файлы данных испытаний, файлы данных для проектирования, технологические данные, параметры топологии, проводные соединения, уровни металлических межсоединений, сквозных межсоединений, формы, данные маршрута технологической линии и множество других данных, необходимых изготовителю полупроводников для реализации одного из вариантов осуществления изобретения. Затем структура 990 проектирования может поступать на стадию 995, на которой структура 990 проектирования, например, поступает на стадию подготовки к производству, передается в производство, на стадию маскирования, другой проектной организации, возвращается заказчику и т.д.
Хотя изобретение описано применительно к конкретным вариантам осуществления, из вышеизложенного описания ясно, что специалисты в данной области техники смогут предложить множество альтернатив, модификаций и разновидностей. Соответственно, подразумевается, что в изобретение входят все такие альтернативы, модификации и разновидности, входящие в пределы объема и существа изобретения и следующей далее формулы изобретения.