DE102007006921B4

DE102007006921B4 - Farbfilter, Farbfilterfeld, Verfahren zur Herstellung und Bildsensor

Info

Publication number: DE102007006921B4
Application number: DE102007006921A
Authority: DE
Inventors: Chang-Rok Moon; Kee-hyun Seongnam Paik; Duck-hyung Yongin Lee; Sung-ho Yongin Hwang
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2027-02-07
Also published as: JP5247042B2; DE102007006921A1; KR20070081627A; TWI361487B; TW200737508A; JP2007219515A; US7875947B2; US20070187793A1; KR100790981B1

Abstract

Farbfilter mit
– einem Substrat (10) und
– einem ersten anorganischen Film (21) und einem zweiten anorganischen Film (25), die so konfiguriert sind, dass Licht einer spezifischen Wellenlänge entsprechend einer vorgegebenen Farbe gefiltert wird, wobei der erste anorganische Film und der zweite anorganische Film alternierend auf dem Substrat gestapelt sind und unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, wobei der Brechungsindexunterschied zwischen dem ersten anorganischen Film und dem zweiten anorganischen Film 0,8 oder höher ist, wobei
– der erste anorganische Film und der zweite anorganische Film mit Dicken von 60 nm bis 80 nm bzw. 10 nm bis 20 nm durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln eines Siliciumoxidfilms und eines Siliciumfilms derart gebildet sind, dass sie rotes Licht filtern,
– oder der erste anorganische Film und der zweite anorganische Film mit Dicken von 70 nm bis 110 nm bzw. 50 nm bis 80 nm durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Farbfilter, ein entsprechendes Farbfilterfeld und ein Verfahren zur Herstellung desselben sowie einen damit ausgerüsteten Bildsensor.
Bildsensoren sind Bauelemente, die optische Information in elektrische Signale transformieren können, und können unter anderem ladungsgekoppelte Bauelement(CCD)-Bildsensoren und CMOS-Bildsensoren beinhalten. Ein CMOS-Bildsensor kann Vorteile hinsichtlich Einfachheit des Betriebs, Miniaturisierung und Reduktion der Herstellungskosten aufweisen, was aufgrund der Integration von Signalverarbeitungsschaltkreisen und geringem Leistungsverbrauch möglich ist. Ein CMOS-Sensor kann durch Umschaltvorgänge von MOS-Transistoren, die in jedem Pixel in einem Pixelfeld angeordnet sind, sequentiell Daten abgeben.
Ein CMOS-Bildsensor kann eine optische Sensoreinheit beinhalten, die durch Erfassen von externem Licht optische Ladung erzeugen kann. Ein CMOS-Bildsensor kann außerdem ein Farbfilterfeld beinhalten, das auf der optischen Sensoreinheit angeordnet ist. 1 ist eine Querschnitt ansicht eines herkömmlichen CMOS-Bildsensors. Bezugnehmend auf 1 kann eine Mehrzahl von Photodiodenbereichen 110R, 110G und 110B auf einem Halbleitersubstrat 100 ausgebildet sein, und Lichtabschirmschichten 120 können auf dem Halbleitersubstrat 100 zwischen den Photodiodenbereichen 110R, 110G und 110B ausgebildet sein, so dass die Photodiodenbereiche 110R, 110G und 110B freigelegt sein können. Eine Mehrzahl von Farbfiltern 140R, 140G und 140B kann auf dem Halbleitersubstrat 100 entsprechend den Photodiodenbereichen 110R, 110G und 110B angeordnet sein. Mikrolinsen 150R, 150G und 150B können auf dem Halbleitersubstrat 100 entsprechend den Farbfiltern 140R, 140G und 140B angeordnet sein. Zwischen der Lichtabschirmschicht 120, den Farbfiltern 140R, 140G und 140B und den Mikrolinsen 150R, 150G und 150B kann ein Zwischenisolationsfilm 130 angeordnet sein.
In einem herkömmlichen Bildsensor kann der Farbfilter ein organischer Farbfilter sein und kann durch Mischen eines Farbstoffs oder Pigments in einem negativen Photoresist gebildet werden. Der organische Farbfilter kann ungleichmäßige Partikelabmessungen beinhalten und demgemäß kann das Transmissionsvermögen von Pixeln ungleichmäßig sein, wodurch Defekte wie schwarze Punkte resultieren. Außerdem kann es schwierig sein, eine Struktur mit einem kleinen Rastermaß zu bilden, und es kann eine größere Wahrscheinlichkeit für ein Farbübersprechen geben, wie in 2 dargestellt, welche das optische Transmissionsvermögen des herkömmlichen CMOS-Bildsensors zeigt.
In der Offenlegungsschrift EP 1 592 067 A1 ist die Herstellung von Farbfiltern für Festkörperbildsensoren aus alternierenden Schichten von Siliciumoxid und von Siliciumnitrid oder Titanoxid offenbart.
Die Offenlegungsschrift EP 0 223 136 A2 offenbart die Herstellung von Farbfiltern aus Schichtstapeln mit spezieller Schichtfolge und speziellen Schichtmaterialien, insbesondere Siliciumoxid, Polysilizium und Siliciumnitrid, die in spezifischen Dicken aufgebracht werden, um einen roten, einen grünen bzw. einen blauen Farbfilter zu erhalten.
Die Patentschrift US 5.711.889 A offenbart eine fotolithografische Herstellung eines dichroitischen Filterfeldes auf einem Halbleiterwafer, das alternierende Schichtstapel aus Siliciumoxid und Titanoxid beinhaltet.
Die Offenlegungsschrift DE 41 20 966 A1 offenbart einen organischen Farbfilter und einen damit ausgerüsteten CCD-Bildsensor alternativ zur Verwendung anorganischer Farbfilter, die optische Interferenzerscheinungen ausnutzen.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Farbfilters, eines entsprechenden Farbfilterfeldes, eines Verfahrens zur Herstellung eines derartigen Feldes und eines damit ausgerüsteten Bildsensors zugrunde, die in der Lage sind, die vorstehend erläuterten Schwierigkeiten des Standes der Technik zu reduzieren oder zu vermeiden, und insbesondere für eine hohe Integration geeignet sind.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Farbfilters mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eines Farbfilterfeldes mit den Merkmalen des Anspruchs 4, eines Verfahrens zur Herstellung eines Farbfilterfeldes mit den Merkmalen des Anspruchs 5 sowie eines Bildsensors mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Farbfilter der Erfindung kann Defekte und Farbübersprechen reduzieren, indem anorganische Materialfilme mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes alternierend gestapelt werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt, die außerdem die vorstehend zum leichteren Verständnis der Erfindung erläuterte herkömmliche Ausführungsform darstellen. Hierbei zeigen:
1 eine Querschnittansicht eines herkömmlichen CMOS-Bildsensors,
2 eine graphische Darstellung, die das optische Transmissionsvermögen des herkömmlichen CMOS-Bildsensors von 1 zeigt,
3 eine Querschnittansicht eines Farbfilters gemäß der Erfindung,
4A eine graphische Darstellung, die das optische Transmissionsvermögen eines Farbfilters gemäß der Erfindung zeigt, in dem zwei anorganische Materialfilme mit verschiedenen Brechungsindizes alternierend zweimal aufgebracht sind,
4B eine graphische Darstellung, die das optische Transmissionsvermögen eines Farbfilters gemäß der Erfindung zeigt, in dem drei anorganische Materialfilme mit verschiedenen Brechungsindizes alternierend dreimal aufgebracht sind,
5 eine Querschnittansicht eines Farbfilterfelds für einen Bildsensor gemäß der Erfindung,
6 eine Querschnittansicht eines Bildsensors gemäß der Erfindung,
7A bis 7G Querschnittansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung eines Bildsensors gemäß der Erfindung und
8 eine Querschnittansicht eines CMOS-Bildsensors gemäß der Erfindung.
Nunmehr wird die Erfindung vollständiger unter Bezugnahme auf die begleitenden 3 bis 8 beschrieben. In den Zeichnungen können die Dicken von Schichten und Bereichen zwecks Klarheit übertrieben dargestellt sein. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen überall in den Zeichnungen gleiche Elemente. Es versteht sich, dass wenn ein Element oder eine Schicht als "auf", "verbunden mit" oder "gekoppelt mit" einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, dieses/diese direkt auf, verbunden oder gekoppelt mit dem anderen Element oder der anderen Schicht ist oder zwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu sind keine zwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden, wenn ein Element als "direkt auf", "direkt verbunden mit" oder "direkt gekoppelt mit" einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird.
Räumlich relative Ausdrücke, wie "darunter", "unterhalb", "unter", "über", "obere" und dergleichen können hierin zwecks leichterer Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder eines Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder einem oder mehreren anderen Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Es versteht sich, dass die räumlich relativen Ausdrücke dazu gedacht sind, verschiedene Orientierungen des Bauelements in der Verwendung oder im Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung einzuschließen. Wenn das Bauelement in den Figuren zum Beispiel herumgedreht ist, sind Elemente, die als "unter" anderen oder "unterhalb" anderer Elemente oder Merkmale beschrieben sind, dann "über" den anderen Elementen oder Merkmalen orientiert. Somit kann der exemplarische Ausdruck "unter" sowohl eine Orientierung über als auch unter umfassen. Das Bauelement kann anders orientiert (um 90 Grad gedreht oder andere Orientierungen) sein und die hierin verwendeten räumlichen relativen Beschreibungen sind entsprechend zu interpretieren.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind hierin unter Bezugnahme auf Querschnittdarstellungen beschrieben, die schematische Darstellungen von idealisierten Ausführungsformen (und Zwischenstrukturen) sind. Derart sind Variationen von den Formen der Darstellungen zum Beispiel als Resultat von Herstellungstechniken und/oder -toleranzen zu erwarten. Ein als rechtwinklig dargestellter implantierter Bereich weist zum Beispiel typischerweise abgerundete oder gekrümmte Merkmale und/oder einen Gradienten der Implantationskonzentration an seinen Kanten statt einer binären Änderung vom implantierten zum nicht implantierten Bereich auf. In ähnlicher Weise kann ein durch Implantation gebildeter vergrabener Bereich in einer gewissen Implantation in dem Bereich zwischen dem vergrabenen Bereich und der Oberfläche resultieren, durch welche die Implantation stattfindet. Somit sind die in den Figuren dargestellten Bereiche naturgemäß schematisch, und ihre For men sind nicht dazu gedacht, die tatsächliche Form eines Bereichs eines Bauelements darzustellen, und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der Erfindung zu beschränken.
3 stellt einen Farbfilter 20 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung dar. Bezugnehmend auf 3 beinhaltet der Farbfilter 20 ein Substrat 10 und einen ersten und einen zweiten anorganischen Film 21 und 25, die alternierend gestapelt sind und unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Das Substrat 10 kann ein Halbleitersubstrat beinhalten. Der erste anorganische Film 21 und der zweite anorganische Film 25 können ein anorganisches Material mit einem Brechungsindex von 1,3 bis 6,0 in einem sichtbaren Lichtbereich von 400 nm bis 700 nm beinhalten. Der erste anorganische Film 21 kann aus einem anorganischen Material mit einem hohen Brechungsindex gebildet sein, und der zweite anorganische Film 25 kann aus einem anorganischen Material mit einem niedrigen Brechungsindex gebildet sein.
Der Unterschied der Brechungsindizes zwischen dem ersten anorganischen Film 21 und dem zweiten anorganischen Film 25 beträgt etwa 0,8 oder mehr. Wenn der Unterschied des Brechungsindex gering ist, kann die Menge an Schichten des gestapelten ersten anorganischen Films 21 und des zweiten anorganischen Films 25 erhöht werden. Demgemäß kann mit zunehmender Höhe der gestapelten Farbfilter die Bildung des Farbfilters zunehmend schwierig werden. Außerdem ist die Erhöhung der vertikalen Dicke des Farbfilters zur Erzielung einer hohen Integration des Bildbauelements nachteilig. Demgemäß beträgt in dem Farbfilter 20 von einigen Ausführungsformen der Unterschied des Brechungsindex zwischen dem ersten anorganischen Film 21 und dem zweiten anorganischen Film 25 wenigstens 0,8, und der erste anorganische Film 21 und der zweite anorganische Film 25 sind fünfmal oder weniger alternierend gestapelt. Der erste anorganische Film 21 und der zweite anorganische Film 25 können zum Beispiel zwei- bis fünfmal alternierend gestapelt sein.
4A zeigt das optische Transmissionsvermögen der Farben rot R, grün G und blau B eines Farbfilters, wenn der erste anorganische Film 21 und der zweite anorganische Film 25 zweimal gestapelt sind. 4B zeigt das optische Transmissionsvermögen der Farben rot R, grün G und blau B eines Farbfilters, wenn der erste anorganische Film 21 und der zweite anorganische Film 25 dreimal gestapelt sind. Ein Siliciumfilm mit einem hohen Brechungsindex kann als der erste anorganische Film 21 verwendet werden, und ein Siliciumoxidfilm mit einem niedrigen Brechungsindex kann als der zweite anorganische Film 25 verwendet werden. Ein Farbfilter gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhaltet den ersten und den zweiten anorganischen Film 21 und 25 mit einem Unterschied des Brechungsindex von mehr als 0,8, die alternierend auf einem Substrat gestapelt sind. Der Farbfilter 20 kann ein höheres optisches Transmissionsvermögen und eine bessere Farbtrennfähigkeit der Farben rot R, grün G und blau B im Vergleich zu jenen eines herkömmlichen Farbfilters aufweisen. Insbesondere ist das optische Transmissionsvermögen des Farbfilters höher, wenn die anorganischen Filme dreimal gestapelt sind im Vergleich dazu, wenn sie zweimal gestapelt sind.
Wenn der Farbfilter ein Rot(R)-Filter ist, können ein Siliciumoxidfilm und ein Siliciumfilm als der erste anorganische Film 21 beziehungsweise der zweite anorganische Film 25 verwendet werden und können mit einer Dicke von 600 Å bis 800 Å und 100 Å bis 200 Å durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln des Siliciumoxidfilms und des Siliciumfilms aufgebracht werden. Wenn der Farbfilter ein Blau(B)-Filter ist, können ein Siliciumfilm und ein Siliciumoxidfilm als der erste anorganische Film 21 beziehungsweise der zweite anorganische Film 25 verwendet werden und können mit einer Dicke von 300 Å bis 600 Å und 400 Å bis 800 Å durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln des Siliciumfilms und des Siliciumoxidfilms aufgebracht werden.
Wenn der Farbfilter ein Grün(G)-Filter ist, können ein Siliciumoxidfilm und ein Siliciumfilm als der erste anorganische Film 21 beziehungsweise der zweite anorganische Film 25 verwendet werden und können mit einer Dicke von 700 Å bis 1100 Å und 500 Å bis 800 Å durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln des Siliciumoxidfilms und des Siliciumfilms aufgebracht werden. Wenn ein Siliciumxoynitridfilm und ein Siliciumoxidfilm als der erste anorganische Film 21 beziehungsweise der zweite anorganische Film 25 verwendet werden, können der erste anorganische Film 21 und der zweite anorganische Film 25 mit einer Dicke von 800 Å bis 1200 Å und 600 Å bis 1000 Å durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln des Siliciumoxynitridfilms und des Siliciumoxidfilms aufgebracht werden.
In der vorliegenden Ausführungsform kann ein anorganischer Materialfilm mit einem niedrigen Brechungsindex als der erste anorganische Film 21 verwendet werden, und ein anorganisches Material mit einem hohen Brechungsindex kann als der zweite anorganische Film 25 verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können der erste anorganische Film 21 und der zweite anorganische Film 25 so gewählt sein, dass der Unterschied des Brechungsindex zwischen dem ersten anorganischen Film 21 und dem zweiten anorganischen Film 25 wenigstens 0,8 beträgt, wobei der erste anorganische Film 21 einen im Vergleich zu dem zweiten anorganischen Film 25 niedrigen Brechungsindex aufweist.
5 stellt ein Farbfilterfeld 200 für einen Bildsensor zur Realisierung eines vollen Farbbildes gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung dar. Bezugnehmend auf 5 beinhaltet das Farbfilterfeld 200 ein Halbleitersubstrat 100, einen Rot(R)-Filter 210, einen Grün(G)-Filter 220 und einen Blau(B)-Filter 230. Der Rot(R)-Filter 210 beinhaltet einen ers ten anorganischen Film 211 und einen zweiten anorganischen Film 215 mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Der Grün(G)-Filter 220 beinhaltet einen ersten anorganischen Film 221 und einen zweiten anorganischen Film 224 mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Der Blau(B)-Filter 230 beinhaltet einen ersten anorganischen Film 231 und einen zweiten anorganischen Film 235 mit unterschiedlichen Brechungsindizes.
Die ersten anorganischen Filme 211, 221 und 231 der Rot(R)- Grün(G)- und Blau(B)-Filter 210, 220 und 230 können verschiedene anorganische Materialien beinhalten, oder wenigstens einer der ersten anorganischen Filme 211, 221 und 231 kann aus einem anorganischen Material gebildet sein, das sich von den anderen unterscheidet. Ebenso können die zweiten anorganischen Filme 215, 225 und 235 der Rot(R)- Grün(G)- und Blau(B)-Filter 210, 220 und 230 verschiedene anorganische Materialien beinhalten, oder wenigstens einer der zweiten anorganischen Filme 215, 225 und 235 kann aus einem anorganischen Material gebildet sein, das sich von den anderen unterscheidet.
Der Rot(R)-Filter 210 beinhaltet alternierend gestapelt den ersten anorganischen Film 211 mit einem hohen Brechungsindex und den zweiten anorganischen Film 215 mit einem niedrigen Brechungsindex. Der erste anorganische Film 211 und der zweite anorganische Film 215, die den Rot(R)-Filter 210 bilden, weisen einen Brechungsindexunterschied von 0,8 oder mehr auf und sind zweimal bis fünfmal alternierend gestapelt. In einigen Ausführungsformen sind der erste anorganische Film 211 und der zweite anorganische Film 215 dreimal alternierend gestapelt. Der erste anorganische Film 211 kann einen Siliciumoxidfilm mit einer Dicke von 60 nm bis 80 nm beinhalten, und der zweite anorganische Film 215 kann einen Siliciumfilm mit einer Dicke von 10 nm bis 20 nm beinhalten.
Der Grün(G)-Filter 220 kann alternierend gestapelt den ersten anorganischen Film 221 mit einem hohen Brechungsindex und den zweiten anorganischen Film 225 mit einem niedrigen Brechungsindex beinhalten. Der erste anorganische Film 221 und der zweite anorganische Film 225, die den Grün(G)-Filter 220 bilden, können einen Brechungsindexunterschied von 0,8 oder mehr aufweisen und zweimal bis fünfmal alternierend gestapelt sein. In einigen Ausführungsformen sind der erste anorganische Film 221 und der zweite anorganische Film 225 dreimal alternierend gestapelt. Der erste anorganische Film 221 kann einen Siliciumoxidfilm mit einer Dicke von 70 nm bis 110 nm beinhalten, und der zweite anorganische Film 225 kann einen Siliciumfilm mit einer Dicke von 50 nm bis 80 nm beinhalten. Außerdem kann der erste anorganische Film 221 einen Siliciumoxynitridfilm mit einer Dicke von 80 nm bis 120 nm beinhalten, und der zweite anorganische Film 225 kann einen Siliciumoxidfilm mit einer Dicke von 60 nm bis 100 nm beinhalten.
Der Blau(B)-Filter 230 kann alternierend gestapelt den ersten anorganischen Film 231 mit einem hohen Brechungsindex und den zweiten anorganischen Film 235 mit einem niedrigen Brechungsindex beinhalten. Der erste anorganische Film 231 und der zweite anorganische Film 235, die den Blau(B)-Filter 230 bilden, können einen Brechungsindexunterschied von 0,8 oder mehr aufweisen und können zweimal bis fünfmal alternierend gestapelt sein. In einigen Ausführungsformen können der erste anorganische Film 231 und der zweite anorganische Film 235 dreimal alternierend gestapelt sein. Der erste anorganische Film 231 kann einen Siliciumfilm mit einer Dicke von 30 nm bis 60 nm beinhalten, und der zweite anorganische Film 235 kann einen Siliciumnitridfilm mit einer Dicke von 40 nm bis 80 nm beinhalten.
In dem Farbfilterfeld 200 können die ersten anorganischen Filme 211, 221 und 231 der Rot(R)-, Grün(G)- und Blau(B)-Filter 210, 220 und 230 aus anorganischen Filmen mit einem niedrigen Brechungsindex gebildet sein, und die zweiten anorganischen Filme 215, 225 und 235 können aus anorganischen Filmen mit einem hohen Brechungsindex gebildet sein.
6 stellt einen Bildsensor gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung dar. Bezugnehmend auf 6 kann der Bildsensor eine Mehrzahl von Photodiodenbereichen 311, 313 und 315, die in einem Halbleitersubstrat 300 ausgebildet sind, eine Mehrzahl von Farbfiltern 330, 340 und 350, die entsprechend den Photodiodenbereichen 311, 313 und 315 angeordnet sind, sowie eine Mehrzahl von Mikrolinsen 361, 363 und 365 beinhalten, die entsprechend den Farbfiltern 330, 340 und 350 angeordnet sind. Der Bildsensor kann des Weiteren einen Zwischenisolationsfilm 321, der zwischen das Halbleitersubstrat 300 und die Farbfilter 330, 340 und 350 eingefügt ist, sowie einen Planarisierungsfilm 325 beinhalten, der auf dem Zwischenisolationsfilm 321 ausgebildet ist, um die Farbfilter 330, 340 und 350 zu bedecken.
Die Farbfilter 330, 340 und 350 beinhalten rote, grüne beziehungsweise blaue Farbfilter und können durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln der ersten und zweiten anorganischen Filme 331 und 335, 341 und 345 sowie 351 und 355 so gebildet werden, dass die ersten und zweiten anorganischen Filme 331 und 335, 341 und 345 sowie 351 und 355 einen Brechungsindexunterschied von 0,8 oder mehr aufweisen können. Der erste anorganische Film 331 des roten Farbfilters 330 kann einen Siliciumoxidfilm mit einer Dicke von 60 nm bis 80 nm beinhalten, und der zweite anorganische Film 335 kann einen Siliciumfilm mit einer Dicke von 10 nm bis 20 nm beinhalten. Der erste anorganische Film 341 des grünen Farbfilters 340 kann einen Siliciumoxidfilm mit einer Dicke von 70 nm bis 110 nm oder einen Siliciumoxynitridfilm mit einer Dicke von 80 nm bis 120 nm beinhalten, und der zweite anorganische Film 345 kann einen Siliciumfilm mit einer Dicke von 50 nm bis 80 nm oder einen Siliciumoxidfilm mit einer Dicke von 60 nm bis 100 nm beinhal ten. Der erste anorganische Film 351 des blauen Farbfilters 350 kann einen Siliciumfilm mit einer Dicke von 30 nm bis 60 nm beinhalten, und der zweite anorganische Film 355 kann einen Siliciumnitridfilm mit einer Dicke von 40 nm bis 80 nm beinhalten.
In einigen Ausführungsformen kann die optimale Lichtemissionseffizienz der jeweiligen Farben rot, grün und blau erhalten werden, indem der erste anorganische Film und der zweite anorganische Film der Farbfilter unter Verwendung eines optimalen Materials, einer optimalen Dicke und einer optimierten Anzahl von gestapelten Einheiten gebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann der Bildsensor rote, grüne und blaue Farbfilter 330, 340 und 350 beinhalten, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann bläulich-grüne, gelbe und purpurrote Farbfilter beinhalten, die aus verschiedenen anorganischen Filmen mit einem Brechungsindexunterschied von 0,8 oder mehr gebildet werden. Außerdem kann der Bildsensor wenigstens einen der roten, grünen und blauen Farbfilter beinhalten.
Die 7A bis 7G stellen ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors mit einem anorganischen Farbfilter gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung dar. Bezugnehmend auf 7A kann eine Mehrzahl von Dotierstoffbereichen 311, 313 und 315 durch Ionenimplantation eines Dotierstoffs mit einer zu einem Halbleitersubstrat 300 entgegengesetzten Leitfähigkeit in das Halbleitersubstrat 300 gebildet werden. Die Dotierstoffbereiche 311, 313 und 315 können Photodiodenbereiche 311, 313 und 315 des Bildsensors sein. Ein Zwischenisolationsfilm 321 kann auf dem Halbleitersubstrat 300 mit den Photodiodenbereichen 311, 313 und 315 gebildet werden.
Bezugnehmend auf die 7B und 7C können ein Siliciumoxidfilm 331 und ein Siliciumfilm 335 alternierend dreimal auf dem Zwischenisolationsfilm 321 gestapelt werden. Der Siliciumoxidfilm 331 kann mit einer Dicke von 60 nm bis 80 nm gebildet werden, und der Siliciumfilm 335 kann mit einer Dicke von 10 nm bis 20 nm gebildet werden. Ein photosensitiver Film 371 kann auf dem Siliciumfilm 335 gebildet werden, wobei der Siliciumfilm 335 entsprechend dem ersten Photodiodenbereich 311 freigelegt wird. Ein roter Farbfilter 330 kann durch Ätzen des Siliciumfilms 335 und des Siliciumoxidfilms 331 unter Verwendung des photosensitiven Films 371 gebildet werden.
Bezugnehmend auf die 7D und 7E können ein Siliciumoxidfilm 341 und ein Siliciumfilm 345 alternierend dreimal auf dem Zwischenisolationsfilm 321 aufgebracht werden, auf dem der rote Farbfilter 330 ausgebildet ist. Der Siliciumoxidfilm 341 kann mit einer Dicke von 70 nm bis 110 nm gebildet werden, und der Siliciumfilm 345 kann mit einer Dicke von 50 nm bis 80 nm gebildet werden. Ein photosensitiver Film 373 kann auf dem Siliciumfilm 345 gebildet werden, wobei der Siliciumfilm 345 entsprechend den zweiten Photodiodenbereichen 313 freigelegt wird. Ein grüner Farbfilter 340 kann durch Ätzen des Siliciumfilms 345 und des Siliciumoxidfilms 341 unter Verwendung des photosensitiven Films 373 gebildet werden. Der grüne Farbfilter 340 kann eine Stapelstruktur aufweisen, in der ein Siliciumoxynitridfilm mit einer Dicke von 80 nm bis 120 nm und ein Siliciumoxidfilm mit einer Dicke von 60 nm bis 100 nm gebildet werden können.
Bezugnehmend auf die 7F und 7G können ein Siliciumfilm 351 und ein Siliciumnitridfilm 355 alternierend dreimal auf dem Zwischenisolationsfilm 321 aufgebracht werden, auf dem der rote Farbfilter 330 und der grüne Farbfilter 340 ausgebildet sind. Der Siliciumfilm 351 kann mit einer Dicke von 30 nm bis 60 nm gebildet werden, und der Siliciumnitridfilm 355 kann mit einer Dicke von 40 nm bis 80 nm gebildet werden. Ein photosensitiver Film 375 kann auf dem Siliciumnitridfilm 355 gebildet werden, wobei der Siliciumnitridfilm 355 entsprechend den dritten Photodiodenbereichen 315 freigelegt wird. Ein blauer Farbfilter 350 kann durch Ätzen des Siliciumnitridfilms 355 und des Siliciumfilms 351 unter Verwendung des photosensitiven Films 375 gebildet werden.
Als nächstes kann ein Planarisierungsfilm 325, der die roten, grünen und blauen Farbfilter 330, 340 und 350 bedeckt, auf dem Zwischenisolationsfilm 321 gebildet werden, wie in 6 gezeigt. Eine Mehrzahl von Mikrolinsen 361, 363 und 365 kann entsprechend den roten, grünen und blauen Farbfiltern 330, 340 und 350 auf dem Planarisierungsfilm 325 gebildet werden. Auf diese Weise kann der Bildsensor von 6 hergestellt werden. Als weiteres Beispiel können die roten, grünen und blauen Farbfilter 330, 340 und 350 direkt auf dem Halbleitersubstrat 300 entsprechend den Photodiodenbereichen 311, 313 und 315 unter Verwendung des vorstehenden Farbfilterbildungsprozesses gebildet werden, und die Mikrolinsen 361, 363 und 365 können ohne den Planarisierungsfilm 325 auf dem Zwischenisolationsfilm 321 gebildet werden.
8 stellt einen CMOS-Bildsensor mit einem anorganischen Farbfilter gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung dar. Bezugnehmend auf 8 können erste Dotierstoffbereiche 411, 413 und 415 für eine Mehrzahl von Photodiodenbereichen und zweite Dotierstoffbereiche 412, 414 und 416 für Source(oder Drain)-Bereiche mit einem gewissen Abstand voneinander in einem Halbleitersubstrat 400 angeordnet werden. Ein Gateisolationsfilm 420 kann auf dem Halbleitersubstrat 400 gebildet werden, und Gateelektroden 421, 423 und 425 sowie rote, grüne und blaue Farbfilter 430, 440 und 450 können auf dem Gateisolationsfilm gebildet werden.
Der roten, grünen und blauen Farbfilter 430, 440 und 450 können jeweils erste anorganische Filme 431, 441 und 451 sowie zweite anorganische Filme 435, 445 und 455 beinhalten, die dreimal alternierend gestapelt sein können und einen Brechungsindexunterschied von 0,8 oder mehr aufweisen können. Der erste anorganische Film 431 und der zweite an organische Film 435 des roten Farbfilters 430 können mit einer Dicke von 60 nm 80 nm unter Verwendung eines Siliciumoxidfilms bzw. mit einer Dicke von 10 nm bis 20 nm unter Verwendung eines Siliciumfilms gebildet werden. Der erste anorganische Film 441 und der zweite anorganische Film 445 des grünen Farbfilters 440 können mit einer Dicke von 70 nm bis 110 nm bzw. von 50 nm bis 80 nm unter Verwendung eines Siliciumoxidfilms und eines Siliciumfilms gebildet werden oder können mit einer Dicke von 80 nm bis 120 nm und 60 nm bis 100 nm unter Verwendung eines Siliciumoxynitridfilms und eines Siliciumoxidfilms gebildet werden. Der erste anorganische Film 451 und der zweite anorganische Film 455 des blauen Farbfilters 450 können jeweils mit einer Dicke von 30 nm bis 60 nm bzw. 40 nm bis 80 nm unter Verwendung eines Siliciumfilms und eines Siliciumnitridfilms gebildet werden.
Ein erster Zwischenisolationsfilm 461, der die roten, grünen und blauen Farbfilter 430, 440 und 450 und die Gateelektroden 421, 423 und 425 bedeckt, kann auf dem Gateisolationsfilm 420 gebildet werden. Eine erste Metallverdrahtungsstruktur 471 kann auf dem ersten Zwischenisolationsfilm 461 gebildet werden, der nicht den ersten Dotierstoffbereichen 411, 413 und 415 entspricht, das heißt den roten, grünen und blauen Farbfiltern 430, 440 und 450. Ein zweiter Zwischenisolationsfilm 463 kann auf der ersten Metallverdrahtung 471 und dem ersten Zwischenisolationsfilm 461 gebildet werden, und eine zweite Metallverdrahtungsstruktur 473 kann auf dem zweiten Zwischenisolationsfilm 463 gebildet werden, der nicht den ersten Dotierstoffbereichen 411, 413 und 415 entspricht, das heißt, den roten, grünen und blauen Farbfiltern 430, 440 und 450. Ein dritter Zwischenisolationsfilm 465 kann auf der zweiten Metallverdrahtung 473 und dem zweiten Zwischenisolationsfilm 463 gebildet werden. Eine dritte Metallverdrahtung 475 kann auf dem dritten Zwischenisolationsfilm 465 gebildet werden, der nicht den ersten Dotierstoffbereichen 411, 413 und 415 entspricht, das heißt den roten, grünen und blauen Farbfiltern 430, 440 und 450. Ein vierter Zwischenisolations film 467 kann auf der dritten Metallverdrahtung 475 und dem dritten Zwischenisolationsfilm 465 gebildet werden. Mikrolinsen 481, 483 und 485 können auf dem vierten Zwischenisolationsfilm 467 entsprechend den ersten Dotierstoffbereichen 411, 413 und 415, das heißt den roten, grünen und blauen Farbfiltern 430, 440 und 450 angeordnet werden.
Die Struktur des CMOS-Bildsensors gemäß der Erfindung ist nicht auf die in 8 dargelegte Struktur beschränkt und kann verschiedene Strukturen aufweisen. Zum Beispiel können die roten, grünen und blauen Farbfilter 430, 440 und 450 auf dem ersten Zwischenisolationsfilm 461 zusammen mit der ersten Metallverdrahtung 471 gebildet werden, können auf dem zweiten Zwischenisolationsfilm 463 zusammen mit der zweiten Metallverdrahtung 473 gebildet werden oder können auf dem dritten Zwischenisolationsfilm 465 zusammen mit der dritten Metallverdrahtung 475 gebildet werden. Außerdem können die roten, grünen und blauen Farbfilter auf dem vierten Zwischenisolationsfilm 467 gebildet werden, und es kann ein Planarisierungsfilm zwischen den vierten Zwischenisolationsfilm 467 und die Mikrolinsen 481, 483, 485 eingefügt werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann ein Farbfilter in einigen Ausführungsformen gemäß der Erfindung und ein CMOS-Bildsensor mit dem Farbfilter die Notwendigkeit für einen Schutzfilm und einen Planarisierungsfilm reduzieren, die zwischen einen Farbfilter und eine Mikrolinse eingefügt sind. Stattdessen kann ein anorganischer Film auf dem gleichen Niveau wie eine Gateelektrode auf einem Halbleitersubstrat gebildet werden, wodurch der Fertigungsprozess vereinfacht und eine hohe Integration aufgrund der Reduktion der vertikalen Dicke des Bildsensors ermöglicht wird. Außerdem kann die Anzahl, wie oft der erste und der zweite anorganische Film gestapelt werden, reduziert werden, indem der erste und der zweite anorganische Film, die einen Farbfilter bilden, unter Verwendung anorganischer Materialien mit einem Brechungsindexunterschied von mehr als einem vorgegebenen Wert gebildet werden. Demgemäß kann dies für eine hohe Integration des Bauelements vorteilhaft sein.

Claims

Farbfilter mit – einem Substrat (10) und – einem ersten anorganischen Film (21) und einem zweiten anorganischen Film (25), die so konfiguriert sind, dass Licht einer spezifischen Wellenlänge entsprechend einer vorgegebenen Farbe gefiltert wird, wobei der erste anorganische Film und der zweite anorganische Film alternierend auf dem Substrat gestapelt sind und unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, wobei der Brechungsindexunterschied zwischen dem ersten anorganischen Film und dem zweiten anorganischen Film 0,8 oder höher ist, wobei – der erste anorganische Film und der zweite anorganische Film mit Dicken von 60 nm bis 80 nm bzw. 10 nm bis 20 nm durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln eines Siliciumoxidfilms und eines Siliciumfilms derart gebildet sind, dass sie rotes Licht filtern, – oder der erste anorganische Film und der zweite anorganische Film mit Dicken von 70 nm bis 110 nm bzw. 50 nm bis 80 nm durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln eines Siliciumoxidfilms und eines Siliciumfilms derart gebildet sind, dass sie grünes Licht filtern, oder – der erste anorganische Film und der zweite anorganische Film mit Dicken von 30 nm bis 60 nm bzw. 40 nm bis 80 nm durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln eines Siliciumfilms und eines Siliciumnitridfilms derart gebildet sind, dass sie blaues Licht filtern.
Farbfilter nach Anspruch 1, wobei der erste anorganische Film und der zweite anorganische Film dreimal alternierend gestapelt sind.
Farbfilter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste anorganische Film und der zweite anorganische Film einen Brechungsindexbereich von 1,3 bis 6,0 in einem sichtbaren Lichtbereich von 400 nm bis 700 nm aufweisen.
Farbfilterfeld für einen Bildsensor, mit einem Halbleitersubstrat und wenigstens zwei separat auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Farbfiltern, die Elemente einer Farbfiltermenge sind, die aus einem ersten Farbfilter (210), einem zweiten Farbfilter (220) und einem dritten Farbfilter (230) besteht, wobei – der erste Farbfilter (210) ein roter Farbfilter mit einem ersten anorganischen Film (211) aus Siliciumoxid und einem zweiten anorganischen Film (215) aus Silicium ist, die mit Dicken von 60 nm bis 80 nm bzw. 10 nm bis 20 nm zweimal bis fünfmal alternierend auf dem Halbleitersubstrat gestapelt sind, – der zweite Farbfilter (220) ein grüner Farbfilter mit einem dritten anorganischen Film (221) und einem vierten anorganischen Film (225) ist, die mit Dicken von 70 nm bis 110 nm bzw. 50 nm bis 80 nm durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln eines Siliciumoxidfilms und eines Siliciumfilms oder mit Dicken von 80 nm bis 120 nm bzw. 60 nm bis 100 nm durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln eines Siliciumoxynitridfilms und eines Siliciumoxidfilms auf dem Halbleitersubstrat gebildet sind, – der dritte Farbfilter (230) ein blauer Farbfilter mit einem fünften anorganischen Film (231) aus Silicium und einem sechsten anorganischen Film (235) aus Siliciumnitrid ist, die mit Dicken von 30 nm bis 60 nm bzw. 40 nm bis 80 nm zweimal bis fünfmal alternierend auf dem Halbleitersubstrat gestapelt sind, und – ein Brechungsindexunterschied des ersten anorganischen Films und des zweiten anorganischen Films des ersten Farbfilters 0,8 oder größer ist, ein Brechungsindexunterschied des dritten anorganischen Films und des vierten anorganischen Films des zweiten Farbfilters 0,8 oder größer ist und ein Brechungsindexunterschied des fünften anorganischen Films und des sechsten anorganischen Films des dritten Farbfilters 0,8 oder größer ist.
Verfahren zur Herstellung eines Farbfilterfelds für einen Bildsensor, das die folgenden Schritte umfasst: – Bilden eines roten Farbfilters (210) durch Bilden eines ersten anorganischen Films (211) und eines zweiten anorganischen Films (215) mit einem Brechungsindexunterschied von 0,8 oder größer und Dicken von 60 nm bis 80 nm bzw. 10 nm bis 20 nm durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln eines Siliciumoxidfilms und eines Siliciumfilms auf einem Halbleitersubstrat und Strukturieren des ersten und des zweiten anorganischen Films, – Bilden eines grünen Farbfilters (220) getrennt von dem roten Farbfilter durch Bilden eines dritten und eines vierten anorganischen Films (221, 225) mit einem Brechungsindexunterschied von 0,8 oder größer mit Dicken von 70 nm bis 110 nm bzw. 50 nm bis 80 nm durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln eines Siliciumoxidfilms und eines Siliciumfilms oder mit Dicken von 80 nm bis 120 nm bzw. 60 nm bis 100 nm durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln eines Siliciumoxynitridfilms und eines Siliciumoxidfilms auf dem ersten Farbfilter und dem Halbleitersubstrat und Strukturieren des dritten und des vierten anorganischen Films und – Bilden eines blauen Farbfilters (230) getrennt von dem ersten und dem zweiten Farbfilter durch Bilden eines fünften und eines sechsten anorganischen Films (231, 235) mit einem Brechungsindexunterschied von 0,8 oder größer mit Dicken von 30 nm bis 60 nm bzw. 40 nm bis 80 nm durch zweimaliges bis fünfmaliges alternierendes Stapeln eines Siliciumfilms und eines Siliciumnitridfilms auf dem ersten und dem zweiten Farbfilter und dem Halbleitersubstrat und Strukturieren des fünften und des sechsten anorganischen Films.
Bildsensor mit – einem Halbleitersubstrat (400), – einer Mehrzahl von Dotierstoffbereichen (411, 413, 415), die so konfiguriert sind, dass sie Licht erfassen, und in dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, – einem Farbfilterfeld nach Anspruch 4, wobei die Farbfilter (430, 440, 450) entsprechend den Dotierstoffbereichen angeordnet sind, – einer Mehrzahl von Mikrolinsen (481, 483, 485), die auf dem Halbleitersubstrat entsprechend jedem der Farbfilter angeordnet sind, und – einem Isolationsfilm (461, 463, 465, 467), der zwischen dem Halbleitersubstrat und der Mehrzahl von Mikrolinsen eingefügt ist.
Bildsensor nach Anspruch 6, wobei der Isolationsfilm einen Zwischenisolationsfilm beinhaltet und wobei die Farbfilter auf den Dotierstoffbereichen des Halbleitersubstrats unterhalb des Isolationsfilms angeordnet sind.
Bildsensor nach Anspruch 6, wobei der Isolationsfilm einen Zwischenisolationsfilm beinhaltet, der zwischen das Halbleitersubstrat und die Farbfilter eingefügt ist, und des Weiteren einen Planarisierungsfilm beinhaltet, der zwischen die Farbfilter und die Mikrolinsen eingefügt ist, wobei die Farbfilter auf dem Zwischenisolationsfilm entsprechend den Dotierstoffbereichen angeordnet sind.
Bildsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei er als CMOS-Bildsensor ausgelegt ist, der des Weiteren beinhaltet: – eine Mehrzahl von zweiten Dotierstoffbereichen (412, 414, 416), die als Source-/Drainbereiche konfiguriert sind, wobei die Mehrzahl von ersten Dotierstoffbereichen (411, 413, 415) von der Mehrzahl von zweiten Dotierstoffbereichen in dem Halbleitersubstrat getrennt ist, – einen Gateisolationsfilm (420), der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, – eine Mehrzahl von Gateelektroden (421, 423, 425), die auf dem Gateisolationsfilm zwischen den ersten Dotierstoffbereichen und den zweiten Dotierstoffbereichen ausgebildet sind, – einen ersten Zwischenisolationsfilm (461), der auf der Gateelektrode und dem Gateisolationsfilm ausgebildet ist, – eine erste Metallverdrahtungsstruktur (471), die auf dem ersten Isolationsfilm angeordnet ist, der nicht den ersten Dotierstoffbereichen entspricht, – eine zweite Zwischenisolationsschicht (463), die auf der ersten Metallverdrahtung und dem ersten Zwischenisolationsfilm ausgebildet ist, – eine zweite Metallverdrahtungsstruktur (473), die auf dem zweiten Zwischenisolationsfilm angeordnet ist, der nicht den ersten Dotierstoffbereichen entspricht, – einen dritten Zwischenisolationsfilm (465), der auf der zweiten Metallverdrahtung und dem zweiten Zwischenisolationsfilm ausgebildet ist, – eine dritte Metallverdrahtungsstruktur (475), die auf dem dritten Zwischenisolationsfilm angeordnet ist, der nicht den ersten Dotierstoffbereichen entspricht, und – einen vierten Zwischenisolationsfilm (467), der auf der dritten Metallverdrahtung und dem dritten Zwischenisolationsfilm ausgebildet ist, – wobei der erste bis vierte Zwischenisolationsfilm den Isolationsfilm bilden und die Mikrolinsen auf dem vierten Zwischenisolationsfilm angeordnet sind.
Bildsensor nach Anspruch 9, wobei die Mehrzahl von Farbfiltern auf dem Gateisolationsfilm zusammen mit den Gateelektroden angeordnet ist.
Bildsensor nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Mehrzahl von Farbfiltern auf einem des ersten, des zweiten oder des dritten Zwischenisolationsfilms angeordnet ist, auf denen eine Metallverdrahtungsstruktur ausgebildet ist, zusammen mit einer ersten, zweiten beziehungsweise dritten Metallverdrahtungsstruktur.