DE102004062926A1 - Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Offenbart sind ein Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung, bei denen statt einer herkömmlichen, über einer Farbfilteranordnung (16) angeordneten Mikrolinsenstruktur eine Mikrolinsenstruktur (21, 22) unter der Farbfilteranordnung (16) angeordnet ist, mit der eine Gesamtweglänge von gebündeltem Licht zur Photodiode (PD) verkürzt werden kann, was die Intensität und den Fokus des die Photodiodenanordnung (PD) schließlich erreichenden Lichtes und auch die Leistung des Bildsensors bei geringer Beleuchtung verbessert. Durch die minimierte Weglänge des konvergierten Lichtes, welche die Intensität und den Fokus des die Photodiodenanordnung (PD) erreichenden Lichtes optimiert, kann die Qualität eines vom Bildsensor wiedergegebenen Bildes deutlich verbessert werden.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 31. Dezember 2003 eingereichten koreanischen Anmeldung Nr. P2003-101699, deren Inhalt hiermit in vollem Umfang einbezogen wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bildsensoren und insbesondere auf einen Bildsensor, bei dem statt einer herkömmlichen Mikrolinsenanordnung über der Farbfilteranordnung erstmals ein Mikrolinsenmuster unter einer Farbfilteranordnung angeordnet ist, das eine Funktion der Mikrolinsenanordnung ersetzen kann, um eine Verkürzung einer Gesamtweglänge von konvergentem Licht, das schließlich auf die Photodiodenanordnung trifft, zu verkürzen, wodurch die Leistung des fertiggestellten Bildsensors bei geringer Beleuchtung merklich verbessert wird, und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Erörterung des Standes der Technik
  • Aufgrund der rasanten Entwicklung in der Elektrotechnik und der Elektronik werden in letzter Zeit verschiedene mit Bildsensortechnologie arbeitende Elektronikprodukte, wie Videokameras, Digitalkameras, PC mit eingebauter Minikamera, Mobiltelefonen mit eingebauter Minikamera usw., entwickelt und finden weite Verbreitung.
  • Obwohl üblicherweise ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD) als Bildsensoren verwendet wurden, bringt es die Entwicklung derzeit mit sich, daß der Einsatz von CCD drastisch abnimmt, da die CCD insofern zahlreiche Nachteile aufweist, als eine hohe Betriebsspannung und eine zusätzliche, separate Beschaltung erforderlich sein können, die Herstellungskosten hoch sind usw.
  • Seit kurzem wird Komplementär-Metalloxidhalbleiter-(CMOS)-Bildsensoren als Bildsensoren, welche die CCD ersetzen können, großes Interesse entgegengebracht. Im Gegensatz zu den gegenwärtigen CCD sind die CMOS-Bildsensoren, da sie auf CMOS-Schaltungstechnik beruhend hergestellt werden, insofern vorteilhaft, als eine Ansteuerung mit niedriger Spannung möglich ist, keine zusätzliche Beschaltung benötigt wird und die Herstellungskosten niedrig sind usw..
  • Gemäß 1 umfaßt ein solcher bekannter Bildsensor, z. B. ein CMOS-Bildsensor, eine Mikrolinsenanordnung 7 zum Bündeln von Licht von einer externen Linse 100, eine Farbfilteranordnung 6 zum Umwandeln des durch die Mikrolinsenanordnung 7 gebündelten Lichtes in Farblicht, eine Planarisierungsschicht 5 auf der Farbfilteranordnung 6 zum Planarisieren einer Unterlage der Mikrolinsenanordnung 7, um eine gleichmäßige Lichttransmission zu bewirken, eine Lichttransmissionsschicht 4 zur Transmission des an der Farbfilterschicht 7 in Farblicht umgewandelten Lichtes zu einer Photodiodenanordnung 3 und die Photodiodenanordnung 3 auf einem aktiven Bereich eines Halbleitersubstrates 1, der durch eine aktive Zellenisolierschicht 2 festgelegt ist, um das durch die Lichttransmissionsschicht 4 getretene Licht zu empfangen, Photoladungen zu erzeugen und diese zu speichern.
  • In diesem Fall läßt die Mikrolinsenanordnung 7 aufgrund ihrer Krümmung auf einen Punkt p1 fallendes Licht geradlinig durch und bricht auf die Punkte p2 und p3 fallendes Licht unter einem Winkel, so daß das gesamte durch die externe Linse 100 getretene Licht auf die Photodiodenanordnung 3 fokussiert wird.
  • Wie zuvor beschrieben, wird das von der Mikrolinsenanordnung 7 im bekannten Bildsensor gebündelte Licht der Photodiodenanordnung 3 über die Farbfilteranordnung 6, die Lichttransmissionsschicht 4 usw. zugeführt. D. h., von der Mikrolinsenanordnung 7 gebündeltes und die Photodiodenanordnung 3 erreichendes Licht legt eine beträchtliche Strecke zurück.
  • Wenn ein beträchtlicher Abstand zwischen der Mikrolinsenanordnung 7 und der Photodiodenanordnung 3 vorliegt, sind zwangsläufig die Intensität und der Fokus des auf die Photodiodenanordnung 3 fallenden Lichtes dabei aber abstandsproportional verändert, wodurch die Leistung des Bildsensors bei geringer Beleuchtung deutlich abfallen muß.
  • Wenn ein solcher Abfall der Leistung des Bildsensors bei geringer Beleuchtung toleriert wird, ohne geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen, kann das vom Bildsensor letztlich erzeugte Bild nur eine sehr geringe Qualität aufweisen.
    •
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf einen Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung, der/das eines oder mehrere durch Beschränkungen und Nachteile des nächsten Standes der Technik bedingte Probleme im wesentlichen beseitigt.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bildsensor bereitzustellen, der eine Mikrolinsenstruktur unter einer Farbfilteranordnung aufweist, um eine Gesamtweglänge fokussierten Lichts zur Photodiodenanordnung zu minimieren.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Bildsensor bereitzustellen, der die weglängenproportionale Veränderung der Lichtintensität und des Fokus zur Photodiodenanordnung hin minimiert und eine verbesserte Leistung bei geringer Beleuchtung zeigen kann.
  • Die Bereitstellung eines Bildsensors, der eine Mikrolinsenstruktur unter einer Farbfilteranordnung aufweist, die der Mikrolinsenanordnung einen gewissen Schutz bieten kann, ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung.
  • Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bildsensor mit einer deutlich verbesserten Wiedergabe-Bildqualität bereitzustellen.
  • Zusätzliche Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung sind teils in der nachfolgenden Beschreibung erörtert und ergeben sich für den Fachmann teils beim Studium der nachfolgenden Beschreibung oder bei der Ausführung der Erfindung. Diese Ziele und weitere Vorteile der Erfindung können durch die insbesondere in der vorliegenden schriftlichen Beschreibung und den Ansprüchen sowie in den beigefügten Zeichnungen dargelegte Struktur verwirklicht und erreicht werden.
  • Um diese Ziele und weiteren Vorteile zu erreichen, und gemäß dem Zweck der Erfindung, wie sie hier ausgeführt und allgemein beschrieben ist, umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors die folgenden Schritte: Ausbilden einer Photodiodenanordnung in einem aktiven Bereich eines Halbleitersubstrates, der durch einen Isolierfilm für aktive Zellen festgelegt ist, Erzeugen einer Lichttransmissionsschicht auf der Photodiodenanordnung, Ausbilden einer Mikrolinsenstruktur auf der Lichttransmissionsschicht, wobei die Mikrolinsenstruktur dazu eingerichtet ist, externes Licht zu bündeln, und Ausbilden einer Farbfilteranordnung über der Mikrolinsenstruktur.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Bildsensor eine Farbfilteranordnung zum Umwandeln von externem Licht in farbiges Licht, eine Mikrolinsenstruktur unter der Farbfilteranordnung, um das durch die Farbfilteranordnung tretende, farbige Licht zu bündeln, eine Photodiodenanordnung in einem aktiven Bereich eines Halbleitersubstrates zum Empfangen des von der Mikrolinsenstruktur gebündelten Lichtes, die dazu eingerichtet ist, Photoladungen zu erzeugen und zu speichern, und eine Lichttransmissionsschicht über der Photodiodenanordnung, welche die Mikrolinsenstruktur und die Farbfilteranordnung trägt und das von den Mikrolinsenstrukturen gebündelte Licht zur Photodiodenanordnung transmittiert.
  • Es versteht sich, daß sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung beispielhaft und erläuternd sind und zur näheren Erläuterung der beanspruchten Erfindung dienen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beigefügten Zeichnungen, die dazu dienen, die Erfindung noch verständlicher zu machen, und in diese Anmeldung aufgenommen sowie Teil derselben sind, zeigen eine/mehrere Ausführungsformen) der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 einen Schnitt durch ein Beispiel für einen herkömmlichen Bildsensor,
  • 2 einen Schnitt durch ein Beispiel für einen Bildsensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
  • 3A bis 3E Schnitte, welche die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Bildsensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
    •
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Nun wird näher auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingegangen, die anhand von Beispielen in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. In den Zeichnungen sind, soweit möglich, durchgehend die gleichen Bezugszeichen zur Kennzeichnung gleicher oder ähnlicher Teile verwendet.
  • Gemäß 2 umfaßt der Bildsensor, z. B. ein CMOS-Bildsensor, eine Farbfilteranordnung 16 zum Umwandeln von Licht von einer externen Linse 100 in farbiges Licht, eine Lichttransmissionsschicht 14 zur Transmission des von der Farbfilterschicht 16 in farbiges Licht umgewandelten Lichtes zu einer Photodiodenanordnung 13 und die Photodiodenanordnung 13 auf einem Halbleitersubstrat 11 in einem aktiven Bereich, der durch einen Isolierfilm 12 für aktive Zellen definiert ist, zum Empfang des durch die Lichttransmissionsschicht 14 getretenen Lichts, um Photoladungen zu erzeugen und zu speichern.
  • Die Lichttransmissionsschicht 14, die einen PMD-Isolierfilm, Metallverdrahtung, einen isolierenden Zwischenfilm usw. aufweist, liegt über dem Halbleitersubstrat 11, um die Photodiodenanordnung 13 zu überdecken und die Farbfilteranordnung 16 zu tragen. In diesem Fall ist eine Planarisierungsschicht 15 auf der Lichttransmissionsschicht 14, um eine Unterlage der Farbfilteranordnung 16 zu planarisieren und damit eine gleichmäßige Transmission des Lichtes zu bewirken.
  • Beim Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung wurde, wie dies gezeigt ist, statt auf die übliche Mikrolinsenanordnung an einer Stelle auf oder über der Farbfilteranordnung 16 zu verzichten, unter der Farbfilteranordnung 16 eine Mikrolinsenstruktur 20 zum wirksamen Bündeln des durch die Farbfilteranordnung 16 getretenen Lichtes vorgesehen, um die Funktion der bekannten Mikrolinsenanordnung zu ersetzen.
  • Dabei umfaßt die Mikrolinsenstruktur 20 vorzugsweise eine erste Linsenstruktur 21, die ein Oxid (z. B. herkömmliches Siliziumdioxid) enthält, um Licht von der Farbfilteranordnung 16 im wesentlichen geradlinig oder in einer geraden Ausrichtung (z. B. im wesentlichen senkrecht zur ebenen Oberseite der Photodiode 13) zur Photodiodenanordnung 13 durchzulassen, und eine zweite Linsenstruktur 22 aus Nitrid (z. B. SiN) an Seitenwänden der ersten Linsenstruktur 21 zum Überdecken der Seiten in abgerundeter Form, um das durch die Farbfilteranordnung 16 zur Photodiodenanordnung 13 geleitete Licht zu brechen.
  • Vorzugsweise hat die erste Linsenstruktur 21 eine Dicke von 11 000 Å bis 14 000 Å und die zweite Linsenstruktur 22 eine Dicke von 6000 Å bis 8000 Å.
  • Wie allgemein bekannt ist, hat der Nitridfilm eine höhere Brechzahl als der Oxidfilm. Wenn die Mikrolinsenstruktur 20 so gestaltet ist, daß die zweite Linsenstruktur 22 aus Nitrid die Seitenwände der ersten Linsenstruktur 21 aus Oxid in abgerundeter Form überdeckt, tritt das auf einen Punkt p4 fallende Licht geradlinig durch die erste Linsenstruktur 21, und das auf die Punkte p5 und p6 fallende Licht wird unter einem Winkel gebrochen und tritt so durch die zweite Linsenstruktur 22, daß das gesamte durch die externe Linse 100 tretende Licht letztlich problemlos zur Photodiodenanordnung 13 hin konvergieren kann.
  • Kurzum, durch die neue Anordnung der Mikrolinsenstruktur 20 unter der Farbfilteranordnung 16, um im wesentlichen die gleiche Funktion wie eine herkömmliche Mikrolinse zu erfüllen, kann eine Gesamtweglänge des fokussierten Lichts zur Photodiodenanordnung 13 minimiert werden.
  • Die Mikrolinsenanordnung, die im Stand der Technik Licht oberhalb der Farbfilteranordnung bündelt, muß das gebündelte Licht jedoch durch die Farbfilteranordnung, die Lichttransmissionsschicht usw. zur Photodiodenanordnung durchlassen, was dazu führt, daß die Intensität und der Fokus des die Photodiodenanordnung letztlich erreichenden Lichtes zwangsläufig abstandsabhängig verändert ist, weshalb die Leistung des fertigen Bildsensors bei geringer Beleuchtung zum Schluß wesentlich abfällt.
  • Die bei der vorliegenden Erfindung unter der Farbfilteranordnung 16 liegende Mikrolinsenanordnung 20, die Licht bündelt, ermöglicht es, das gebündelte Licht natürlich nach Passieren der Lichttransmissionsschicht 14 zur Photodiodenanordnung 13 auf kurzem Weg zu transmittieren, so daß Intensität und Fokus des die Photodiodenanordnung 13 erreichenden Lichtes letztlich optimal bleiben, wodurch die Leistung des fertigen Bildsensors bei geringer Beleuchtung letztlich verbessert ist.
  • Wenn die vom gebündelten Licht zurückgelegte Weglänge minimiert ist, um die Intensität und den Fokus des die Photodiodenanordnung 13 erreichenden Lichtes zu optimieren, ist die Qualität des vom Bildsensor letztlich wiedergegebenen Bildes deutlich verbessert.
  • Nun wird ein Verfahren zur Herstellung des vorstehenden Bildsensor näher beschrieben.
  • Gemäß 3A werden ein STI-Verfahren (Verfahren zur Isolierung mittels flacher Gräben) oder ein LOCOS-Verfahren (Verfahren zur lokalen Oxidation von Silizium) oder dergleichen durchgeführt, um im Halbleitersubstrat einen Isolierfilm 12 für aktive Zellen zu bilden und einen aktiven Bereich des Halbleitersubstrats 11 festzulegen. Dabei kann eine (nicht gezeigte) P-Epitaxialschicht auf dem Halbleitersubstrat 11, wie z. B. ein stark dotiertes P++-Monosiliziumsubstrat, erzeugt werden, je nach Möglichkeit, die Größe (Tiefe) eines Verarmungsbereichs steigern zu können.
  • Danach werden Ionen injiziert, um eine P-Dotierungsschicht, eine N-Dotierungsschicht usw. auf dem aktiven Bereich des Halbleitersubstrates 11 zu bilden, zur Ausbildung einer Photodiodenanordnung 13, um Photoladungen zu erzeugen und anzusammeln.
  • Danach werden gemäß 3B Abscheidung, Ätzen und dergleichen wiederholt, um eine Lichttransmissionsschicht 14 zu bilden, die z. B. eine PMD-Isolierschicht, Metallverdrahtung, eine isolierende Zwischenschicht usw. auf dem Halbleitersubstrat 11 mit der Photodiodenanordnung 13 aufweist.
  • Natürlich können die Struktur und die Fertigungsfolge der Lichttransmissionsschicht 14 je nach Situation abgewandelt werden.
  • Zur Bildung einer Oxidfilmschicht 21a auf der Lichttransmissionsschicht 14 mit einer Dicke von z. B. 11000 Å bis 14000 Å wird eine chemische Dampfabscheidung durchgeführt, und ein Photolackmuster 201 wird auf der Oxidfilmschicht 21a gebildet, um eine erste Linsenstruktur festzulegen, die später gebildet werden soll.
  • Gemäß 3C werden ein Belichtungs- und ein Entwicklungsprozeß und dergleichen, ausgehend vom Photolackmuster 201, durchgeführt, um auf der Lichttransmissionsschicht 14 voneinander beabstandete, erste Linsenstrukturen 21 zu bilden.
  • Danach wird gemäß 3D, nachdem ein chemisches Dampfabscheidungsvertahren zur Bildung einer Nitridfilmschicht 22a auf der Lichttransmissionsschicht 14, einschließlich der ersten Linsenstruktur 21, durchgeführt wurde, ein auf die Nitridfilmschicht 22a zielender Trockenätzvorgang mit anisotroper Charakteristik, z. B. reaktives lonenätzen, durchgeführt, um zweite Linsenstrukturen 22 auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Linsenstruktur 21 mit einer Dicke von z. B. 6000 Å bis 8000 Å zu bilden.
  • Nach Abschluß des obigen Vorgangs ist die Mikrolinsenstruktur 20, die die erste Linsenstruktur 21 aus Oxid und die zweite Linsenstruktur 22 aus Nitrid, welche die gegenüberliegenden Seiten der ersten Linsenstruktur 21 in runden Formen überdeckt, auf der Lichttransmissionsschicht 14 ausgebildet.
  • Je nach Situation wird nach Abschluß der Herstellung der Mikrolinsenstruktur 20 wunschgemäß ein Ozon-TEOS- (Tetraorthosilikatglas)-Verfahren, ein chemisches Normaldruck-Dampfabscheidungsverfahren, ein chemisches Plasma-Dampfabscheidungsverfahren, ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren mit hoher Plasmadichte (HDP CVD-Verfahren) oder dergleichen durchgeführt, um eine Planarisierungsschicht 15 auf der Lichttransmissionsschicht 14 auszubilden, welche die Mikrolinsenstruktur 20 überdeckt, und ein chemisch-mechanischer Poliervorgang wird durchgeführt, um die Planarisierungsschicht glattzupolieren.
  • Dann werden eine Abscheidung, eine Strukturierung usw. durchgeführt, um eine Farbfilteranordnung 16 auf der Planarisierungsschicht 15 zu bilden und die Herstellung des Bildsensor abzuschließen, der gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden soll.
  • Wie gerade beschrieben, kann mit der Mikrolinsenstruktur, die statt der herkömmlichen, über der Farbfilteranordnung angeordneten Mikrolinsenstruktur erstmals unter der Farbfilteranordnung angeordnet ist und eine Funktion der Mikrolinsenanordnung ersetzen kann, eine Verkürzung einer Gesamtweglänge von gebündeltem Licht, das schließlich auf die Photodiode trifft, bewirkt werden, was die Intensität und den Fokus des die Photodiodenanordnung schließlich erreichenden Lichtes verbessert, wodurch die Leistung des fertigen Bildsensors bei geringer Beleuchtung merklich verbessert wird.
  • Durch die minimierte Weglänge des gebündelten Lichtes, welche die Intensität und den Fokus des die Photodiodenanordnung schließlich erreichenden Lichtes optimiert, kann die Qualität des vom Bildsensor wiedergegebenen Bildes deutlich verbessert werden.
  • Für den Fachmann ist es ersichtlich, daß verschiedene Modifikationen und Änderungen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken oder vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Dabei soll die vorliegende Erfindung auch ihre Modifikationen und Änderungen umfassen, sofern diese im unmittelbaren oder äquivalenten Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims (7)

  1. Bildsensor mit: einer Farbfilteranordnung zum Umwandeln von externem Licht in farbiges Licht, einer Mikrolinsenstruktur unter der Farbfilteranordnung, um das durch die Farbfilteranordnung tretende, farbige Licht zu bündeln, einer Photodiodenanordnung in einem aktiven Bereich eines Halbleitersubstrates zum Empfangen des von der Mikrolinsenstruktur gebündelten Lichtes, die dazu eingerichtet ist, Photoladungen zu erzeugen und zu speichern, und einer Lichttransmissionsschicht über der Photodiodenanordnung, welche die Mikrolinsenstruktur und die Farbfilteranordnung trägt und das von den Mikrolinsenstrukturen gebündelte Licht zur Photodiodenanordnung transmittiert.
  2. Bildsensor nach Anspruch 1, bei der jede Mikrolinse folgendes umfaßt: eine erste Linsenstruktur, um Licht von der Farbfilteranordnung im wesentlichen geradlinig zur Photodiodenanordnung durchzulassen, und einen abgerundeten Linsenabschnitt an Seitenwänden des ersten Linsenabschnitts, der dazu eingerichtet ist, das durch die Farbfilteranordnung zur Photodiodenanordnung geleitete Licht zu brechen.
  3. Bildsensor nach Anspruch 2, bei dem der abgerundete Linsenabschnitt eine relativ höhere Brechzahl als die erste Linsenstruktur aufweist.
  4. Bildsensor nach Anspruch 2, bei dem die erste Linsenstruktur ein Oxid und der abgerundete Linsenabschnitt ein Nitrid enthält.
  5. Bildsensor nach Anspruch 2, bei dem die erste Linsenstruktur eine Dicke von 11000 Å bis 14000 Å und der abgerundete Linsenabschnitt eine Dicke von 6000 Å bis 8000 Å aufweist.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors, das die folgenden Schritte umfaßt: Ausbilden einer Photodiodenanordnung in einem aktiven Bereich eines Halbleitersubstrates, der durch einen Isolierfilm für aktive Zellen festgelegt ist, Bilden einer Lichttransmissionsschicht auf der Photodiodenanordnung, Erzeugen einer Mikrolinsenstruktur auf der Lichttransmissionsschicht, wobei die Mikrolinsenstruktur dazu eingerichtet ist, externes Licht zu bündeln, und Ausbilden einer Farbfilteranordnung über der Mikrolinsenstruktur.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schritt zum Erzeugen der Mikrolinsenstruktur die folgenden Schritte umfaßt: Abscheiden und Strukturieren eines Oxidfilms auf der Lichtransmissionsschicht, um eine erste Linsenstruktur zu bilden, und Abscheiden eines Nitridfilms auf der Lichttransmissionsschicht, um die erste Linsenstruktur zu überdecken, und Ätzen des Nitridfilms, um an Seitenwänden der ersten Linsenstruktur abgerundete Formen zu bilden.
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