DE10022660A1

DE10022660A1 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE10022660A1
Application number: DE10022660A
Authority: DE
Inventors: Andreas Grassmann; Juergen Holz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2001-11-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor, der als Photodiode in einem Substrat (1) ausgebildet ist. Die Photodiode ist in einem einkristallinen Siliziumsubstrat angeordnet und umfaßt ein erstes Dotiergebiet (9) und ein zweites Dotiergebiet (10). Auf der Photodiode ist ein Zwischenmetalldielektrikum (2) angeordnet, in dem elektrische Kontakte und Leiterbahnen verlaufen. Eine Antireflexionsschicht (3) ist zwischen dem Zwischenmetalldielektrikum (2) und dem Substrat (1) angeordnet, verringert die Reflexionsverluste, steigert die Quantenausbeute und reduziert eine unnatürliche Farbwiedergabe des optischen Sensors. Auf dem Zwischenmetalldielektrikum (2) ist eine Passivierungsschicht (7) zum Schutz des optischen Sensors angeordnet. Zwischen dem Zwischenmetalldielektrikum (2) und der Passivierungsschicht (7) ist eine zweite Antireflexionsschicht (6) zur weiteren Verbesserung des optischen Sensors angeordnet. Die erste und die zweite Antireflexionsschicht (3, 6) sind zur weiteren Verbesserung der Reflexionseigenschaften als Schichtstapel ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor, der in eine Schaltung auf Siliziumbasis integriert ist.

Optische Sensoren sind z. B. Photodioden und Phototransi storen. Photodioden werden beispielsweise in Siliziumhalblei tern gebildet, indem eine Diode mit einem p-dotierten und ei nem n-dotierten Gebiet in ein Siliziumsubstrat eingebracht wird. pn-Dioden in Silizium eignen sich sehr gut für die In tegration in einem CMOS-, Bipolar- oder BICMOS-Prozeß, da Si lizium pn-Dioden kompatibel mit diesen Prozessen sind. (CMOS: Complementary Metal Oxid Semiconductor, BICMOS: Bipolar-CMOS Kombination).

Die Integration der Dioden zusammen mit einer CMOS-Logik kom biniert die Funktionalität der Diode mit einer Auslese- und Auswertelogik, die in CMOS gebildet werden kann. Z. B. ist in dem Patent US 5,726,440 ein Photodetektor beschrieben, der eine Diode enthält. Dort wird über eine Schichtdicke ein Wel lenlängenbereich selektiert, der detektiert werden soll.

Das Patent US 5,407,733 beschreibt die Verwendung von Schich ten, die aus "Transition Metal Nitrides" wie Titannitrid be stehen und als Antireflexionsschichten verwendet werden.

Üblicherweise wird dabei oberhalb des Substrats, das aus Si lizium gebildet und einen Brechungsindex von ca. n₁ = 4 auf weist, eine oder mehrere Metallverdrahtungsebenen gebildet. Eine Metallverdrahtungsebene wird dabei in einem Zwischenme talldielektrikum angeordnet, das die Metallverbindungen gegen benachbarte Verdrahtungen und darüber- bzw. darunterliegende Metallverdrahtungsebenen isoliert.

Ein typisches Zwischenmetalldielektrikum ist z. B. ein dotier tes Siliziumoxid, das als BPSG (Bor Phosphor Silikat Glas) ausgebildet ist und einen Brechungsindex von ca. n₂ = 1,45 auf weist.

Oberhalb der Metallverdrahtung wird eine Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid angeordnet, da Siliziumnitrid eine gute Barriere gegen Feuchtigkeit und aggressive Substanzen dar stellt, die den optischen Sensor beschädigen können. Silizi umnitrid weist dabei einen Brechungsindex von ca. n₃ = 2,05 auf.

Um einen optischen Sensor zu komplettieren wird meist eine Lackabdeckung als Farbfilter auf die beschriebene Schichtab folge aufgebracht, um den optischen Sensor in einem bestimm ten Wellenlängenbereich zu betreiben.

Problematisch ist, dass der Brechungsindexunterschied zwi schen dem Siliziumsubstrat mit einem Brechungsindex n₁ = 4 und der BPSG-Schicht mit einem Brechungsindex n₂ = 1,45 zu Reflexi onen führt. Die Reflexionen bewirken, dass ein Teil des ein fallenden Lichts nicht in die Photodiode gelangt und damit zu einer geringeren Licht- bzw. Quantenausbeute führt. Darüber hinaus kommt es aufgrund der Dicke der unterschiedlichen Schichten zu wellenlängenabhängigen Interferenzen, die in Ab hängigkeit von der einfallenden Wellenlänge mal zu starken und mal zu schwachen Reflexionen führen. Das starke Reflek tieren bei bestimmten Wellenlängen führt dazu, dass Farben von dem optischen Sensor mit einer zu niedrigen Intensität wahrgenommen werden und damit die Farbauswertung verfälschen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei einem optischen Sensor Reflexionsverluste zu verringern, die Quantenausbeute zu steigern und die unnatürliche Farbwiedergabe integrierter op tischer Sensoren zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird die gestellt Aufgabe durch einen opti schen Sensor gelöst, mit folgenden Merkmalen:

- einem Substrat;
- einem Zwischenmetalldielektrikum, das auf dem Substrat an geordnet ist;
- einer Passivierungsschicht, die auf dem Zwischenmetall dielektrikum angeordnet ist und
- einer Antireflexionsschicht, die auf dem Substrat angeord net ist.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass eine Antire flexionsschicht die Reflexionsverluste verringert. Durch das Verwenden einer Antireflexionsschicht wird die Quantenausbeu te des optischen Sensors erhöht.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Substrat aus Silizium gebildet ist. Die Verwendung eines Siliziumsub strats ermöglicht die Kombination des optischen Sensors mit herkömmlicherweise in Silizium hergestellten Strukturen wie CMOS-, Bipolar- oder BICMOS-Technologie.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem optischen Sensor um eine Photodiode, die in dem Sub strat gebildet ist. Photodioden sind als optische Sensoren geeignet, da sie durch Einbringen von Dotierstoff in ein Si liziumsubstrat gebildet werden.

Es ist vorgesehen, dass das Zwischenmetalldielektrikum aus Siliziumoxid gebildet ist. Die Verwendung eines Siliziumoxids als Zwischenmetalldielektrikum ist zur Isolation elektrischer Leitungen geeignet.

Es ist weiterhin vorgesehen, dass das Zwischenmetalldie lektrikum, welches aus Siliziumoxid besteht, mit Arsen, Phos phor und/oder Bor dotiert ist. Die Dotierung des Zwischenme talldielektrikums erhöht die Fließfähigkeit bei hohen Tempe raturen, wodurch das Zwischenmetalldielektrikum zum Planari sieren der Oberfläche verwendet werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Anti reflexionsschicht zwischen dem Substrat und dem Zwischenoxid angeordnet. Das Anordnen der Antireflexionsschicht zwischen dem Substrat, das einen hohen Brechungsindex und dem Zwi schenoxid, das einen niedrigen Brechungsindex aufweist, ver ringert die Reflexionen an dem Übergang zwischen dem Material mit dem hohen und dem niedrigen Brechungsindex.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine zweite Antireflexionsschicht auf dem Substrat angeordnet wird. Die zweite Antireflexionsschicht ist dazu geeignet, ei nen weiteren Übergang zwischen einem Material mit einem hohen und einem niedrigen Brechungsindex so zu verbessern, dass die Reflexionen an diesem Übergang verringert werden.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die zweite Antireflexionsschicht zwischen dem Zwischenmetalldielektrikum und der Passivierung angeordnet ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Reflexionen an der Grenzschicht zwischen der Passivierungsschicht und dem Zwischenmetalldielektrikum verringert werden.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die Antireflexionsschicht ein Siliziumoxid, ein Siliziumnitrid oder ein Siliziumoxynitrid enthält. Die Verwendung eines Siliziumoxids, Siliziumnitrids oder Siliziumoxynitrids hat den Vorteil, dass diese Materia lien problemlos in einen bestehenden CMOS- bzw. Bipolar-Pro zeß auf Siliziumbasis integrierbar sind.

Es ist vorgesehen, dass die optische Dicke der Antireflexi onsschicht für eine Wellenlänge aus dem Bereich 400 bis 1000 Nanometer bei einem Viertel der Wellenlänge liegt. Die Wahl bei einem Viertel der Wellenlänge eignet sich besonders gut, die Reflexionen an der Grenzfläche zweier Medien mit einer Antireflexionsschicht zu verringern.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein zweites Zwischenmetalldielektrikum auf dem Substrat angeordnet ist. Die Anordnung eines zweiten Zwischenmetalldielektrikums er möglicht die Verwendung einer weiteren Metallisierungsebene.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Antireflexionsschicht als Schichtstapel mit Schichten unter schiedlicher Dicke und unterschiedlichem Brechungsindex aus gebildet ist. Die Verwendung eines Schichtstapels für die An tireflexionsschicht hat den Vorteil, dass die Antireflexi onsschicht nicht nur für eine Wellenlänge, sondern für einen Wellenlängenbereich als gute Antireflexionsschicht wirkt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung dargestellt und erläutert.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen optischen Sensor, der zur Verbesserung seiner Eigenschaften mit Anti reflexionsschichten ausgestattet wurde.

In Fig. 1 ist ein optischer Sensor dargestellt, der ein Sub strat 1 umfaßt. In dem Substrat 1 ist ein erstes Dotiergebiet 9 und ein zweites Dotiergebiet 10 angeordnet. Die Dotierge biete 9 und 10 weisen unterschiedliche Dotierstoffatome auf, so dass sie ein p-dotiertes und ein n-dotiertes Gebiet umfas sen und somit eine pn-Diode bilden. Das Substrat besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus Silizium und die Silizium pn- Diode bildet den optischen Sensor. Die Kontaktierung des ers ten und des zweiten Dotiergebiets ist zwar nicht in Fig. 1 dargestellt, wird aber am Rand neben dem dargestellten Schichtstapel durchgeführt.

Auf dem Substrat 1 ist eine erfindungsgemäße Antireflexionss chicht 3 angeordnet. Auf der Antireflexionsschicht 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Bor-Phosphor-Silikat- Glasschicht (BPSG) bestehend aus dotiertem Siliziumoxid ange ordnet, die zur Planarisierung der Oberfläche dient. Auf der Bor-Phosphor-Silikat-Glasschicht 4 ist ein Zwischenmetalldie lektrikum 2 angeordnet. Üblicherweise werden in dem Zwischen metalldielektrikum in CMOS- und in Bipolarschaltungen elekt rische Verdrahtungen eingebracht, indem Gräben in dem Zwi schenmetalldielektrikum vorgesehen werden, die anschließend mit einem leitfähigen Material wie z. B. einem Metall gefüllt werden. Oberhalb des optischen Sensors wird auf Metalleitun gen verzichtet, um das auf den optischen Sensor einfallende Licht nicht zu behindern. Dennoch ist das Zwischenmetalldie lektrikum 2 auch oberhalb des optischen Sensors angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein zweites Zwischenmetall dielektrikum 5 auf dem Zwischenmetalldielektrikum 2 angeord net. Das Zwischenmetalldielektrikum 5 dient dazu in der be nachbarten Schaltungsperipherie eine zweite Metallverdrah tungsebene zu ermöglichen. Ebenso ist es vorgesehen, dass weitere Zwischenmetalldielektrika oberhalb des Substrats an geordnet werden können, um weitere Metallverdrahtungsebenen zu ermöglichen. Die Zwischenmetalldielektrika bestehen übli cherweise aus dotiertem Siliziumoxid.

In diesem Ausführungsbeispiel ist eine zweite Antireflexi onsschicht 6 auf dem zweiten Zwischenmetalldielektrikum 5 an geordnet. Auf der zweiten Antireflexionsschicht 6 ist eine Passivierungsschicht 7 angeordnet, die zum Schutz des opti schen Sensors dient. Auf der Passivierungsschicht 7 ist ein Farbfilter 8 angeordnet.

Das Substrat 1 wird üblicherweise aus Silizium gebildet und bei dem ersten Dotiergebiet handelt es sich beispielsweise um ein p-dotiertes Gebiet, wobei Bor in das Siliziumsubstrat eingebracht wurde. Bei dem zweiten Dotiergebiet 10 handelt es sich folglich um ein n-dotiertes Gebiet, das durch Implanta tion von Arsen oder Phosphor in dem Siliziumsubstrat herge stellt werden kann.

Das Zwischenmetalldielektrikum 2, die Bor-Phosphor-Silikat- Glasschicht 4 und das zweite Zwischenmetalldielektrikum 5 be stehen üblicherweise aus einem dotierten Siliziumoxid. Der Brechungsindex eines Siliziumoxids liegt bei ca. n₂ = 1,45, der des darunter liegenden Siliziumsubstrats bei ca. n₁ = 4. Optima lerweise sollte demnach der Brechungsindex der Antireflexi onsschicht 3 nach der Formel

berechnet werden.

n_ARC ist dabei der Brechungsindex der Antireflexionsschicht 3, n_top der Brechungsindex der oberhalb der Antireflexionss chicht 3 liegenden Bor-Phosphor-Silikat-Glasschicht 4 und n_bot der Brechungsindex des darunter liegenden Siliziumsubstrats. Damit ergibt sich für die Antireflexionsschicht 3 ein optima ler Brechungsindex von ca. n_opt = 2,44. Da in der Siliziumtech nologie kein Material mit genügend hohem Brechungsindex zur Verfügung steht, kann die Antireflexionsschicht 3 aus Silizi umnitrid mit einem Brechungsindex von n₃ = 2,05 gebildet wer den. Dies führt zwar zu einem nicht ganz optimal gewählten Brechungsindex, verbessert aber die Eigenschaften des opti schen Sensors wesentlich. Die optische Dicke der Antireflexi onsschicht 3 wird in der Größenordnung einer Viertel Wellen länge gewählt. Für eine mittlere Wellenlänge von 500 Nanome tern und unter Berücksichtigung der optischen Dicke, die durch die Multiplikation der geometrischen Dicke mit dem Bre chungsindex folgt, wird die Dicke der Antireflexionsschicht für eine Wellenlänge l = 500 Nanometer zu d = 52 Nanometer ge wählt.

Die zweite Antireflexionsschicht dient dazu, den Brechungs index des Zwischenmetalldielektrikums 5 an den Brechungsindex der Passivierungsschicht 7, die aus Siliziumnitrid besteht und damit eine hervorragende Sperrwirkung gegen Feuchtigkeit aufweist und einen Brechungsindex n₃ = 2,05 besitzt, anzupas sen. Gemäß der oben genannten Formel ergibt sich ein Bre chungsindex von n₄ = 1,72 für die zweite Antireflexionsschicht 6 und eine Dicke von 73 Nanometern. Die zweite Antireflexi onsschicht 6 wird aus einem Siliziumoxynitrid gebildet, bei dem der Brechungsindex zwischen dem eines Siliziumoxids mit n₂ = 1,45 und dem eines Siliziumnitrids mit n₃ = 2,05 durch das entsprechende Oxid-Nitridmischungsverhältnis einstellbar ist.

Aus Simulationen folgt, dass die Reflexion abnimmt und damit die Quantenausbeute des optischen Sensors zunimmt. Die Ver besserung der optischen Eigenschaften liegt in einer Erhöhung der Quantenausbeute um ca. 30% in dem gesamten Wellen längenbereich von 400 bis 1000 Nanometern. Darüber hinaus verringert sich der Hub der wellenlängenabhängigen Schwingun gen, die aus den ohne die Antireflexionsschichten folgenden Reflexionen und Interferenzen herrühren. Zusätzlich wird die Farbaufnahme und Farbwiedergabe des optischen Sensors verbes sert, da wellenlängenspezifisch verstärkte Reflexionen durch die erfindungsgemäßen Antireflexionsschichten vermieden wer den.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt in der kos tengünstigen Realisierung der Antireflexionsschichten in ei nem Standard CMOS-Prozeß. Dies liegt daran, dass die benö tigten Prozeßschritte als Standardprozeßschritte zur Verfü gung stehen. Darüber hinaus sind die eingefügten Schichten kompatibel zu den bestehenden CMOS Prozessen und führen nicht zu Kontaminationen, die andere Bauteile auf dem Substrat wie z. B. Transistoren funktionsunfähig machen könnten.

Bezugszeichenliste

1

Substrat

2

Zwischenmetalldielektrikum

3

Antireflexionsschicht

4

Bor-Phosphor-Silikatglas

5

Zweites Zwischenmetalldielektrikum

6

Zweite Antireflexionsschicht

7

Passivierungsschicht

8

Farbfilter

9

erstes Dotiergebiet

10

zweites Dotiergebiet

Claims

1. Optischer Sensor mit:
einem Substrat (1);
einem Zwischenmetalldielektrikum (2), das auf dem Substrat (1) angeordnet ist;
einer Passivierungsschicht (7), die auf dem Zwischenme talldielektrikum (2) angeordnet ist
dadurch gekennzeichnet, dass eine Antireflexionsschicht (3) auf dem Substrat (1) angeord net ist.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) aus Silizium besteht.

3. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Substrat (1) eine Photodiode ausgebildet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenmetalldielektrikum (2) aus Siliziumoxid besteht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenmetalldielektrikum (2) mit Arsen, Phosphor und/oder Bor dotiert ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexionsschicht (3) zwischen dem Substrat (1) und dem Zwischenmetalldielektrikum (2) angeordnet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dass eine zweite Antireflexionsschicht (6) auf dem Substrat (1) angeordnet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Antireflexionsschicht (6) zwischen dem Zwischenmetalldielektrikum (2) und der Passivierungsschicht (7) angeordnet ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexionsschicht (3) und/oder die zweite Antireflexionsschicht (6) Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid enthält.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Dicke der Antireflexionsschicht (3) für eine Wellenlänge aus dem Bereich von 400 bis 1000 Nanometer bei einem Viertel der Wellenlänge liegt.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Zwischenmetalldielektrikum (5) auf dem ersten Zwischenmetalldielektrikum (2) angeordnet ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexionsschicht (3) als Schichtstapel ausgebildet ist.