Generic Building Blocks for 3D Integration and Their Application on Hybrid CMOS Image Sensors

摘要

De ontwikkeling van 3D integratie is sinds enkele jaren aan het versnellen als gevolg van zijn potentieel om enkele van de performantie limitaties op te heffen of te reduceren dewelke vooruitgang in CMOS technologie dreigen te beperken. In deze doctoraatsthesis worden verschillende essentiële bouwblokken voor 3D integratie ontwikkeld en verder onderzocht vanuit het perspectief van technologie. In een eerste fase wordt de ontwikkeling van 3D integratie technologie beschouwd. Voor het hanteren van verdunde substraten met finale diktes in de orde van 10 tot 30 µm, alsook voor de verdunning zelf, is geopteerd voor het gebruik van een tijdelijk draagsubstraat ter ondersteuning gedurende de uitgevoerde proces stappen. Voor het interconnecteren van verschillende chips zijn er door de chip vias ontwikkeld. Een volgende fase beschouwde het onderzoeken van de effecten van de ontwikkelde technologieën op de elektronische componenten op de chip. Daarvoor is, eerst en vooral, de schade geanalyseerd die de verschillende verdunningsprocessen induceren in het substraat, met behulp van Raman spectroscopie en decoratie etsing. Na fijn grinden is er meer dan 1 µm diep in het substraat geen schade meer gevonden. Verder zijn er tevens elektronische CMOS componenten verdund tot op finale diktes van 20 µm en zelfs 5 µm, waarna hun performantie verder is geëvalueerd. Binnen de repetitiviteit van de metingen is er geen degradatie waargenomen van de elementaire transistor parameters dewelke gerelateerd kunnen worden aan de toegepaste verdunningstechnieken. Uiteindelijk zijn de ontwikkelde 3D bouwblokken met elkaar gecombineerd in de realisatie van gehybridiseerde verdunde CMOS beeldopnemers. De performantie van deze beeldopnemers is tevens verder onderzocht. Excellente kwantum efficiëntie en donkerstroom zijn opgemeten, hetgeen aantoont dat de toestand van het substraat niet is beïnvloed door de verschillende proces stappen. Diepe, met hooggedopeerd polysilicium gevulde, gleuven tussen de verschillende pixels bleken zeer effectief in het reduceren van pixel tot pixel overspraak.