DE102004062954A1 - CMOS-Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Offenbart sind ein Komplementär-Metalloxidhalbleiter(CMOS)-Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Der CMOS-Bildsensor umfaßt mehrere photoempfindliche Vorrichtungen, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, eine auf den photoempfindlichen Vorrichtungen gebildete, dielektrische Zwischenschicht (22) und mehrere Farbfilterschichten (23), die jeweils der dielektrischen Zwischenschicht (22) zugewandt sind und Licht der jeweiligen Wellenlänge filtern, eine auf jeder der Farbfilterschichten (23) erzeugte Planarisierungsschicht (24) und eine auf der Planarisierungsschicht ausgebildete Mikrolinsenschicht (25) mit einer auf einem Ioneninjektionsprofil basierenden Brechzahlverteilung, mit der Licht auf die ihr zugewandte photoempfindliche Vorrichtung fokussiert wird.

Description

  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 11. August 2004 eingereichten koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2004-0063032, deren Inhalt hiermit in vollem Umfang einbezogen wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Bildsensor und insbesondere auf einen Komplementär-Metalloxidhalbleiter-(CMOS)-Bildsensor und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung. Wenngleich sich die vorliegende Erfindung für eine breite Vielfalt von Anwendungen eignet, ist sie doch besonders zur Ausbildung einer Mikrolinse durch ein Ioneninjektionsverfahren ohne einen Aufschmelzprozeß geeignet, um eine gewünschte Brechzahlverteilung zu erhalten und dadurch die Lichtkonzentration präzise zu steuern.
  • Erörterung des Standes der Technik
  • Im allgemeinen ist ein Bildsensor eine Halbleitervorrichtung, die optische Bilder in elektrische Signale umwandelt. Es gibt zwei Arten von Bildsensorvorrichtungen: ladungsgekoppelte Vorrichtungen (nachfolgend als CCD bezeichnet) und Komplementär-Metalloxidhalbleiter (nachfolgend als CMOS bezeichnet). Der CMOS-Bildsensor umfaßt eine Photodiodeneinheit, die eingestrahltes Licht detektiert, und eine CMOS-Logikschaltung, die elektrische Signale bearbeitet, um Daten zu erzeugen. Zudem steigt mit zunehmender Lichtmenge, die in der Photodiode empfangen wird, auch die Photoempfindlichkeit des Lichtsensors entsprechend an.
  • Zur Erhöhung der Photoempfindlichkeit muß entweder innerhalb der gesamten Fläche des Bildsensors ein Füllfaktor des Photodiodenbereichs erhöht oder außerhalb der Photodiode ein optischer Pfad des Lichtbeaufschlagungsprozesses zum Bereich so geändert werden, daß Licht auf die Photodiode fokussiert wird. Bei den Hauptbeispielen für das Lichtfokussierungsverfahren wird eine Mikrolinse gebildet. Der Stand der Technik zeigt eine aus einem Material mit hervorragendem Lichttransmissionsverhältnis gebildete konvexe Mikrolinse, die auf der Photodiode vorgesehen ist. Dabei wird der optische Pfad des eingestrahlten Lichtes so gebrochen, daß die Photodiode mit einer größeren Lichtmenge beaufschlagt wird. In diesem Fall bricht die Mikrolinse parallel zur optischen Achse verlaufendes Licht, um einen Brennpunkt des Lichtes an einem bestimmten Punkt des optischen Pfades zu bilden.
  • Nun werden ein bekannter CMOS-Bildsensor und ein Verfahren zur Herstellung dessen Mikrolinse anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt eine Querschnittansicht eines bekannten CMOS-Bildsensors. Wie 1 zeigt, umfaßt der bekannte CMOS-Bildsensor ein (nicht gezeigtes) Halbleitersubstrat, eine Unterschicht 11, eine dielektrische Zwischenschicht 12, R-, G- und B-Farbfilterschichten 13, eine Planarisierungsschicht 14 und eine Mikrolinse 15. Die Unterschicht 11 umfaßt mindestens einen Photodiodenbereich und Metall-Leitungen, wobei der Photodiodenbereich abhängig von der Menge des eingestrahlten Lichtes elektrische Ladungen erzeugt. Die dielektrische Zwischenschicht 12 ist auf einer Oberseite der Unterschicht ausgebildet. Auf der Isolierschicht 12 erzeugte R-, G- und B-Farbfilterschichten 13 lassen jeweils Licht einer spezifischen Wellenlänge durch. Die Planarisierungsschicht 14 ist auf den R-, G- und B-Farbfilterschichten 13 ausgebildet. Ferner ist die Mikrolense 15 auf der Planarisierungsschicht 14 gebildet und weist eine konvexe Form mit einer vorgegebenen Krümmung auf, so daß Licht durch die ihr zugewandten Farbfilterschichten 13 treten kann und auf den Photodiodenbereich fokussiert wird.
  • In der dielektrischen Zwischenschicht ist ferner eine optische Abschirmschicht gebildet, die allerdings in den Zeichnungen nicht gezeigt ist. Die optische Abschirmschicht ist ausgebildet, um zu verhindern, daß Licht auf einen Bereich außerhalb des Photodiodenbereichs einstrahlt. Zudem kann die photoempfindliche Vorrichtung auch so ausgebildet sein, daß sie einen Aufbau eines Photo-Gates, und nicht den einer Photodiode, aufweist.
  • Dabei wird die Mikrolinse 15 meist mittels Abscheide-, Strukturierungs- und Aufschmelzprozessen aus einem Polymergruppen-Harz gebildet. Zusätzlich werden Krümmung und Dicke der Mikrolinse 15 unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren, wie des Brennpunktes von fokussiertem Licht, festgelegt. Insbesondere sollte die Mikrolinse 15 mit optimaler Größe, optimaler Dicke und optimalem Krümmungsradius gebildet sein, die durch die Größe, Position, Form der Pixeleinheit, Dicke der photoempfindlichen Vorrichtung und Höhe, Position und Größe der optischen Abschirmschicht bestimmt sind.
  • Der wichtigste Prozeß des Verfahrens zur Herstellung der Mikrolinse ist ein Abstands-CD-Einstellprozeß, bei dem der Abstand zwischen den Linsen kontrolliert wird, und auch ein Krümmungserzeugungsprozeß, bei dem die optimale Krümmung der Linse erzeugt wird. Insbesondere wird bei entsprechender Kontrolle der Krümmung der Linse das durch eine Farbfilteranordnung durchgehende optische Signal wirksam zur photoempfindlichen Vorrichtung transmittiert.
  • Der bekannte CMOS-Bildsensor und das bekannte Verfahren zu dessen Herstellung haben jedoch die folgenden Nachteile: Beim bekannten Herstellungsverfahren wird der CMOS-Bildsensor dadurch hergestellt, daß zuerst eine rechteckige Linsenanordnung, die mittels Photolackschichten beabstandet wird, und dann die Krümmung der Linse mit einem Aufschmelzprozeß erzeugt werden. Damit ist es schwierig, zwischen den Linsen einen geeigneten Abstand vorzusehen. Zudem kann, wenn die Linsen nicht präzise voneinander beabstandet sind, während eines Bildverarbeitungsschrittes ein übermäßiges Rauschen auftreten oder kein ausreichend starkes Signal geliefert werden.
  • Ferner wird bei Verwendung der zuvor beschriebenen halbkugelförmigen Mikrolinse das eingestrahlte Licht, das parallel zur optischen Achse verläuft, durch die Linse so gebrochen, daß es zur in die Linse weisenden photoempfindlichen Vorrichtung transmittiert wird, womit die Vorrichtung arbeitet. Wenn durch die Linse jedoch Licht gebrochen wird, das nicht parallel zur optischen Achse läuft, kann gegebenenfalls eine in einem anderen optischen Pfad liegende, photoempfindliche Vorrichtung mit dem gebrochenen Licht beaufschlagt werden, was zu einem fehlerhaften Betrieb führt. Zudem kann schließlich der Unterschied der zur photoempfindlichen Vorrichtung transmittierten Lichtmenge je nach Art und Größe des zur Ausbildung der unteren Schicht der Mikrolinse verwendeten Materials unterschiedlich sein, wodurch die Effizienz der Lichtfokussierung sinkt und die Bildqualität schlechter wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf einen Komplementär-Metalloxidhalbleiter-(CMOS)-Bildsensor und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung, die eines oder mehrere durch Beschränkungen und Nachteile des nächsten Standes der Technik bedingte Probleme im wesentlichen beseitigen.
    •
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Komplementär-Metalloxidhalbleiter-(CMOS)-Bildsensors und eines Verfahrens zu dessen Herstellung, wobei eine Mikrolinse durch ein Ioneninjektionsverfahren, und nicht durch einen Aufschmelzprozeß gebildet wird, um eine gewünschte Brechzahlverteilung zu erhalten und dadurch die Lichtkonzentration präzise zu steuern.
  • Zusätzliche Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung sind teils in der nachfolgenden Beschreibung erörtert und ergeben sich für den Durchschnittsfachmann 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 andere Vorteile zu erreichen, und gemäß dem Zweck der Erfindung, wie sie hier ausgeführt und allgemein beschrieben ist, umfaßt ein Komplementär-Metalloxidhalbleiter-Bildsensor mehrere photoempfindliche Vorrichtungen, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, eine auf den photoempfindlichen Vorrichtungen gebildete, dielektrische Zwischenschicht und mehrere Farbfilterschichten, die jeder dielektrischen Zwischenschicht zugewandt sind und Licht der jeweiligen Wellenlänge filtern, eine auf jeder der Farbfilterschichten erzeugte Planarisierungsschicht und eine auf der Planarisierungsschicht ausgebildete Mikrolinsenschicht mit einer auf einem Ioneninjektionsprofil beruhenden Brechzahlverteilung, mit der Licht auf die ihr zugewandte photoempfindliche Vorrichtung fokussiert wird.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines Komplementär-Metalloxidhalbleiter-Bildsensors, daß auf mehreren photoempfindlichen Vorrichtungen, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, eine dielektrische Zwischenschicht gebildet wird, auf dieser dielektrischen Zwischenschicht mehrere Farbfilterschichten erzeugt werden, die in jede photoempfindliche Vorrichtung weisen, auf den Farbfilterschichten eine Planarisierungsschicht gebildet, auf die Planarisierungsschicht eine linsenbildende Materialschicht aufgebracht und eine Mikrolinsenschicht mit einer Brechzahlverteilung gebildet wird, bei der Licht durch einen Ioneninjektions- und -dispersionsprozeß auf die ihr zugewandte photoempfindliche Vorrichtung fokussiert wird.
  • 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 Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine Querschnittansicht eines bekannten CMOS-Bildsensors,
  • 2A und 2B jeweils einen Querschnitt durch einen CMOS-Bildsensor, einschließlich einer GRIN-Mikrolinse, die eine durch Ioneninjektion und -dispersion bedingte Brechzahl aufweist, und eine Kurve, welche die Brechzahlverteilung zeigt, und
  • 3A bis 3C Querschnittdarstellungen der Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung des CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 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.
  • 2A und 2B zeigen jeweils einen Querschnitt durch einen CMOS-Bildsensor, einschließlich einer GRIN-Mikrolinse, die eine durch Ioneninjektion und -dispersion bedingte Brechzahl aufweist, und eine Kurve, welche die Brechzahlverteilung zeigt. Hierbei wird auf einer Oberseite einer Farbfilteranordnung eine Mikrolinse gebildet, die eingestrahltes Licht auf einen photoempfindlichen Bereich des CMOS-Bildsensors fokussiert. Statt die Krümmung der Mikrolinse mit dem Aufschmelzprozeß zu erzeugen, wird ein Ioneninjektions- und -dispersionsprozeß verwendet, mit dem eingestrahltes Licht gebrochen und auf einen Mittelteil des Bildsensors fokussiert werden kann.
  • Gemäß 2A umfaßt der CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung ein (nicht gezeigtes) Halbleitersubstrat, eine Unterschicht 21, eine dielektrische Zwischenschicht 22, R-, G- und B-Farbfilterschichten 23, eine Planarisierungsschicht 24 und eine Mikrolinse 25. Im einzelnen ist die Unterschicht 21, die mindestens einen Photodiodenbereich und Metall-Leitungen enthält, auf dem (nicht gezeigten) Halbleitersubstrat ausgebildet. Hierbei erzeugt der Photodiodenbereich abhängig von der empfangenen Lichtmenge elektrische Ladungen. Auf einer gesamten Oberfläche der Unterschicht 21 wird die dielektrische Zwischenschicht 22 ausgebildet, auf der die R-, G- und B-Farbfilterschicht 23, die Licht jeder spezifischen Wellenlänge transmittiert, erzeugt wird. Nun wird auf der Farbfilterschicht 23 die Planarisierungsschicht 24 gebildet. Schließlich wird auf der Planarisierungsschicht 24 die Mikrolinse 25 mit ebener Oberfläche ausgebildet. Die Mikrolinse 25 fokussiert das eingestrahlte Licht unter Verwendung der Brechzahlverteiluung gemäß einem Ioneninjektionsprofil, wodurch das fokussierte Licht auf den Photodiodenbereich durch die Farbfilterschicht 23 eingestrahlt wird, die der Mikrolinse 25 zugewandt ist.
  • Die Mikrolinse gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Anwendung einer Gradientenindex-(GRIN)-Linse, wie sie meist bei optischen Aufnahmen verwendet wird. Zur Lösung der Probleme der Steuerung der Linsenkrümmung und der CD zwischen den Mikrolinsen aufgrund des Aufschmelzprozesses wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Mikrolinse mit einem Ioneninjektions- und -dispersionsverfahren gebildet, das Licht, welches aufgrund der durch eine Brechzahl fokussiert wird, verteilen kann. Obwohl die Mikrolinsenschicht eben ausgebildet ist, kann durch ein Ioneninjektionsprofil eine Brechzahlverteilung, wie sie in 2B gezeigt ist, bereitgestellt werden.
  • Nachfolgend werden die Verfahrensschritte zur Herstellung des CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung näher beschrieben: 3A bis 3C zeigen Querschnittdarstellungen der Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung des CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Gemäß 3A ist die dielektrische Zwischenschicht 22 auf der Unterschicht 21 ausgebildet, auf der mehrere photoempfindliche Vorrichtungen, wie z. B. Photodioden, und Metall-Leitungen ausgeformt sind. Die dielektrische Zwischenschicht 22 kann hier als mehrlagige Struktur ausgebildet sein, und obwohl dies in der Zeichnung nicht gezeigt ist, kann nach dem Erzeugen einer dielektrischen Zwischenschicht eine optische Abschirmschicht gebildet werden, die verhindert, daß ein Bereich außerhalb des Photodiodenbereichs mit Licht bestrahlt wird, und dann kann darauf eine weitere dielektrische Zwischenschicht gebildet werden.
  • Anschließend wird auf der dielektrischen Zwischenschicht 22 eine (nicht gezeigte) planarisierte Schutzschicht gebildet, um die Vorrichtung vor Feuchtigkeit und Kratzern zu schützen, und dann werden die Farbfilterschichten 23, die Licht der jeweiligen Wellenlänge filtern, durch Abscheidungs- und Strukturierungsprozesse unter Verwendung eines erfaßbaren Lacks erzeugt. Danach wird eine Planarisierungsschicht 24 gebildet, um die ebene Oberfläche der Vorrichtung sicherzustellen, wodurch ein Brennpunktabstand eingestellt und eine Linsenschicht gebildet wird.
  • Dann wird, wie in 3B gezeigt, ein Linsenbildungsmaterial abgeschieden, das dann wunschgemäß strukturiert wird, um die rechteckige Linsenschicht zu erzeugen. Anschließend wird eine den Mittelabschnitt der rechteckigen Linsenschicht offenlassende Maskenschicht 26 gebildet, um einen Dotierungsioneninjektionsprozeß durchzuführen. Gemäß 3C wird die Maskenschicht 26 entfernt, und die in die Linsenschicht injizierten Dotierungsionen werden dispergiert, wodurch die Mikrolinsenschicht 25 mit der in 2B gezeigten Brechzahlverteilung entsteht. Die gerade beschriebene Mikrolinsenschicht 25 hat je nach Dicke der Linse einen anderen Brennpunkt. Daher wird die Festlegung der Linsendicke zu einem wichtigen Faktor beim Konzentrieren des optischen Signals auf einen gewünschten Punkt (oder Ort), was einfacher ist, als beim Aufschmelzprozeß die Linsenkrümmung zu steuern.
  • Schließlich wird beim CMOS-Bildsensor und beim Verfahren zu dessen Herstellung statt der Verwendung eines Aufschmelzprozesses (oder eines Krümmungsbildungsprozesses) zum Einstellen der Brechzahl der Mikrolinsenschicht bei der vorliegenden Erfindung die Brechzahl durch Einstellen eines Ioneninjektionsprofils eingestellt, wodurch das Herstellungsverfahren vereinfacht und die Effizienz der Lichtfokussierung verbessert wird, was durch präzises Einstellen der Brechzahl erreicht werden kann.
  • Wie zuvor beschrieben, haben der CMOS-Bildsensor und das Verfahren zu dessen Herstellung die folgenden Vorteile: Durch Ausbildung einer Mikrolinse mit einer flachen anstatt einer konvexen Form können die Probleme der Einstellung der Linsenkrümmung und des CD (d.h. Abstand zwischen den Linsen) gelöst werden. Zudem kann das Licht, anstatt es durch die Krümmung einer sphärischen Linse zu fokussieren, durch Einstellen der Brechzahl mit einem Ioneninjektionsprozeß präziser fokussiert werden. Schließlich wird durch die Steigerung der Lichtfokussierungseffizienz auch die durch die Farbfilter auf die Photodioden transmittierte Lichtmenge entsprechend erhöht, wodurch die Farbdarstellung der Bilder verbessert wird.
  • 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 (5)

  1. Komplementär-Metalloxidhalbleiter-Bildsensor mit mehreren auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten photoempfindlichen Vorrichtungen, einer auf den photoempfindlichen Vorrichtungen gebildeten, dielektrischen Zwischenschicht und mehreren Farbfilterschichten, die jeweils der dielektrischen Zwischenschicht zugewandt sind und Licht der jeweiligen Wellenlänge filtern, einer auf jeder der Farbfilterschichten erzeugten Planarisierungsschicht und einer auf der Planarisierungsschicht ausgebildeten Mikrolinsenschicht mit einer auf einem Ioneninjektionsprofil beruhenden Brechzahlverteilung, mit der Licht auf die ihr zugewandte photoempfindliche Vorrichtung fokussiert wird.
  2. Komplementär-Metalloxidhalbleiter-Bildsensor nach Anspruch 1, bei dem die Mikrolinsenschicht mit einer ebenen Oberfläche ausgebildet ist.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Komplementär-Metalloxidhalbleiter-Bildsensors, bei dem auf mehreren auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten photoempfindlichen Vorrichtungen eine dielektrische Zwischenschicht ausgebildet wird, auf der dielektrischen Zwischenschicht mehrere Farbfilterschichten gebildet werden, die jeweils der photoempfindlichen Vorrichtung zugewandt sind, auf den Farbfilterschichten eine Planarisierungsschicht gebildet wird, und auf die Planarisierungsschicht eine linsenbildende Materialschicht aufgebracht und durch einen Ioneninjektions- und -dispersionsprozeß eine Mikrolinse mit einer Brechzahlverteilung gebildet wird, mit der Licht auf die ihr zugewandte photoempfindliche Vorrichtung fokussiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem Ionen in die linsenbildende Materialschicht injiziert und in dieser dispergiert werden, nachdem die linsenbildende Materialschicht rechteckig strukturiert wurde, so daß die linsenbildende Materialschicht jeder photoempfindlichen Vorrichtung zugewandt ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Ionen unter Verwendung einer Maskenschicht injiziert werden, die aus der rechteckig strukturierten, linsenbildenden Materialschicht und mit einem offenen Mittelteil gebildet ist.
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