DE102007023563B4

DE102007023563B4 - Integrated sensor element with plasmon-polariton-resonance effect, associated integrated color sensor and associated manufacturing process

Info

Publication number: DE102007023563B4
Application number: DE102007023563.3A
Authority: DE
Inventors: Wladimir Tschekalinskij; Dr.rer.nat. Junger Stephan; Dr. Weber Norbert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2027-05-22
Also published as: WO2008125242A3; DE102007023563A1; WO2008125243A3; WO2008125243A2; DE102007023561A1; DE102007023562A1; WO2008125242A2; DE102007023561B4

Abstract

In CMOS-Technologie hergestelltes, integriertes Sensorelement (10), mit einem Pixelsensor (14); und einer Metallstruktur (16; 34-1), die ansprechend auf elektromagnetische Strahlung (12) eines vorbestimmten Durchlasswellenlängenbereichs einen Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt ermöglicht, wobei die Metallstruktur (16; 34-1) in einer CMOS-Metallschicht strukturiert ist, und wobei der Pixelsensor (14) und die Metallstruktur (16; 34-1) gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat (30) integriert sind, so dass sich aufgrund des Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekts für den Durchlasswellenlängenbereich eine höhere Transmission durch die Metallstruktur (16; 34-1) zu dem Pixelsensor (14) ergibt als für den Durchlasswellenlängenbereich umgebende Wellenlängen, wobei die CMOS-Metallschicht eine unterste, dem Pixelsensor (14) am nächsten gelegene CMOS-Metallschicht ist, wobei die Metallstruktur (12; 34-1) eine Mehrzahl von den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt ermöglichenden Strukturen aufweist, um den Pixelsensor (14) vollständig abzudecken, wobei jede den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt ermöglichende Struktur eine Öffnung (18) mit Subwellenlängenabmessung aufweist, wobei die Öffnung (18) von periodisch angeordneten Rillen (42, 44) um die Öffnung (18) umgeben ist, die Abmessungen und Abstände zueinander aufweisen, die geeignet sind, um für den vorbestimmten Wellenlängenbereich in der Metallstruktur (34-1) den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt zu erzeugen, oder die Öffnung (18) linienförmig ausgebildet ist und die eine Breite (b) kleiner als eine Wellenlänge des vorbestimmten Wellenlängenbereichs aufweist, und bei dem die Rillen (42, 44) zumindest näherungsweise parallel zu der Öffnung verlaufen.Integrated sensor element (10) produced in CMOS technology, with a pixel sensor (14); and a metal structure (16; 34-1) which enables a plasmon-polariton resonance effect in response to electromagnetic radiation (12) of a predetermined transmission wavelength range, the metal structure (16; 34-1) being structured in a CMOS metal layer, and wherein the pixel sensor (14) and the metal structure (16; 34-1) are integrated together on a semiconductor substrate (30), so that due to the plasmon-polariton resonance effect for the transmission wavelength range, a higher transmission through the metal structure (16 ; 34-1) to the pixel sensor (14) results in the wavelengths surrounding the transmission wavelength range, the CMOS metal layer being a lowermost CMOS metal layer closest to the pixel sensor (14), the metal structure (12; 34-1) has a plurality of the plasmon polariton resonance effect enabling structures in order to completely cover the pixel sensor (14), each of which enables the plasmon polariton resonance effect The end structure has an opening (18) with sub-wavelength dimension, the opening (18) is surrounded by periodically arranged grooves (42, 44) around the opening (18) which have dimensions and spacings from one another which are suitable for the predetermined Wavelength range in the metal structure (34-1) to generate the plasmon polariton resonance effect, or the opening (18) is linear and has a width (b) smaller than a wavelength of the predetermined wavelength range, and in which the grooves (42, 44) run at least approximately parallel to the opening.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein integriertes Sensorelement für elektromagnetische Strahlung mit einer strukturierten Metallschicht, um einen Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt zu bewirken, wie es insbesondere zum Sensieren von einzelnen Farben des Lichtspektrums eingesetzt werden kann, einen zugehörigen integrierten Farbsensor und ein zugehöriges Herstellungsverfahren.The present invention relates to an integrated electromagnetic radiation sensor element having a patterned metal layer for effecting a plasmon-polariton resonance effect, which can be used in particular for sensing individual colors of the light spectrum, an associated integrated color sensor, and an associated color sensor Production method.

Eine Farbe eines Objekts ist beispielsweise ein guter Indikator zur Qualitätskontrolle bei verschiedenen Fertigungsprozessen. Um die Farbe eines Objekts festzustellen, können optische Farbsensoren verwendet werden. Optische Farbsensoren auf Basis von Silizium-Photodioden mit zusätzlichem Farbfilter für eine entsprechende spektrale Selektivität sind seit langem bekannt. Ein derartiger optischer Farbsensor umfasst mehrere getrennte Photodioden mit beschichteten Oberflächen. Die optisch wirksamen Farbschichten sind spektral selektiv, so dass nur ein entsprechender Teil eines insgesamt einfallenden elektromagnetischen Spektrums durchgelassen wird und die restlichen Spektralanteile absorbiert oder reflektiert werden.For example, a color of an object is a good indicator of quality control in various manufacturing processes. To detect the color of an object, optical color sensors can be used. Optical color sensors based on silicon photodiodes with additional color filter for a corresponding spectral selectivity have long been known. Such an optical color sensor comprises a plurality of separate photodiodes with coated surfaces. The optically active color layers are spectrally selective, so that only a corresponding part of an overall incident electromagnetic spectrum is transmitted and the remaining spectral components are absorbed or reflected.

Bildsensoren, die eine Matrix bestehend aus mehreren Millionen Pixeln aufweisen, wobei jedes Pixel wenigstens drei Photodioden umfasst, die auf ihrer lichtempfindlichen Oberfläche einen optischen Bandpass-Filter aufweisen, sind ebenfalls bekannt. Solche Bildsensoren können für Kameraanwendungen eingesetzt werden.Image sensors having a matrix of several million pixels, each pixel including at least three photodiodes having an optical bandpass filter on its photosensitive surface, are also known. Such image sensors can be used for camera applications.

Optische Farbsensoren können allerdings auch ohne klassische Farbfilter aufgebaut werden. In der Schrift US 6 998 660 B2 wird beispielsweise ein Farbsensor beschrieben, dessen Funktionsprinzip auf einer stark wellenlängenabhängigen Absorption von Silizium beruht. In der Veröffentlichung P. B. Catrysse und B. A. Wandell, „Integrated color pixels in 0.18-μm complementary metal oxide semiconductor technology”, wird ein Farbsensor auf Basis von periodisch strukturierten Metallschichten beschrieben, wobei der Farbsensor in einer CMOS-Technologie implementiert ist. Die Schrift US 7 129 982 B1 beschreibt einen Farbsensor, der aus einem Photodioden-Array hergestellt in CMOS-Technologie besteht, sowie aus einem sogenannten Echelon-Gitter aus einem Sol-Gelmaterial, das in einem zusätzlichen Prozessschritt aufgebracht wird. Die Oberseite des Gitters ist dabei durch eine Schutzschicht geschützt.However, optical color sensors can also be set up without classic color filters. In Scripture US Pat. No. 6,998,660 B2 For example, a color sensor is described whose operating principle is based on a strongly wavelength-dependent absorption of silicon. In the publication PB Catrysse and BA Wandell, "Integrated color pixels in 0.18-μm complementary metal oxide semiconductor technology", a color sensor based on periodically structured metal layers is described, wherein the color sensor is implemented in a CMOS technology. The font US Pat. No. 7,129,982 B1 describes a color sensor, which consists of a photodiode array made in CMOS technology, as well as a so-called echelon grid of a sol-gel material, which is applied in an additional process step. The top of the grid is protected by a protective layer.

In den letzten Jahren sind mehrere Simulationen und Experimente veröffentlicht worden, welche auch für den sichtbaren Wellenlängenbereich eine spektrale Selektivität von Strukturen bestätigen, die aus Sub-Lambda-Öffnungen in mehrstufig strukturierter Metallschichten bestehen. Die Ergebnisse in „Electromagnetic Propagation through Subwavelength Hole or Slit Arrays in Thick Metal Layer Covered with Dielectric Nanofilm” von Katarina Radulovic, Zoran Jaksic und Milan Maksimovic zeigen, dass schon bei einer dünnen strukturierten Metallschicht mit periodischen Strukturen mit einer Periode A, die kleiner als die Wellenlänge ist, für einen schmalen Wellenlängenbereich ein nichtlinearer Effekt (Plasmon-Polariton-Resonanz) auftritt.In recent years, several simulations and experiments have been published, which also confirm the spectral selectivity of structures consisting of sub-lambda openings in multi-level structured metal layers for the visible wavelength range. The results in "Electromagnetic Propagation through Subwavelength Hole or Slit Arrays in Thick Metal Layer Covered with Dielectric Nanofilm" by Katarina Radulovic, Zoran Jaksic and Milan Maksimovic show that even at a thin structured metal layer with periodic structures with a period A smaller than the wavelength is, for a narrow wavelength range, a nonlinear effect (plasmon-polariton resonance) occurs.

Der Effekt tritt auch bei relativ dicken Metallschichten auf (Dicke 300 ... 400 nm) auf, wie in der Veröffentlichung „Study of light transmission through sub-wavelength apertures in metal films” von Juuso Olkkonen und Dennis Howe auf Seite 12 beschrieben wird.The effect also occurs with relatively thick metal layers (thickness 300 ... 400 nm), as described in the publication "Study of light transmission through sub-wavelength apertures in metal films" by Juuso Olkkonen and Dennis Howe on page 12.

Wie in der Veröffentlichung „Diffracted evanescent wave model for enhanced and suppressed optical transmission through subwavelength hole arrays”, Henri J. Lezec and Tineke Thio beschrieben wird, hat auch eine liniengitterförmige Struktur mit einem in der Mitte liegenden Spalt mit einer Größe, die kleiner als die Wellenlänge ist, eine Filterwirkung.As described in the publication "Diffracted evanescent wave model for enhanced and subwavelength hole arrays", Henri J. Lezec and Tineke Thio also has a lattice-like structure with a mid-gap with a size smaller than the wavelength is a filtering effect.

Soll ein optischer Farbsensor klassisch, d. h. mit Farbfilter, aufgebaut werden, so sind dazu bisher zwei Technologieschritte erforderlich. Zunächst wird eine Photodiode beispielsweise in einem CMOS-Prozess hergestellt. In einem darauffolgenden Schritt wird die Photodiode bzw. deren Oberfläche optisch beschichtet. Werden dazu Standard-Technologien verwendet, so wird eine genau definierte spektrale Filterung von einzelnen Farbkanälen erhalten, welche nicht beliebig gewählt werden können, sondern meist vorgegeben sind.If an optical color sensor classically, d. H. With color filter, are built, it so far two technology steps are required. First, a photodiode is produced, for example, in a CMOS process. In a subsequent step, the photodiode or its surface is optically coated. If standard technologies are used for this purpose, a precisely defined spectral filtering of individual color channels is obtained, which can not be chosen arbitrarily, but are usually predetermined.

Der in der Schrift US 6 998 660 B2 beschriebene Farbsensor weist einen vertikalen Aufbau auf. In dieser Art realisierte Farbsensoren weisen eine relativ schlechte spektrale Trennung auf, da keine Farbfilter mit steilen Flanken realisiert werden können. Des Weiteren besteht aufgrund eines an zahlreichen Strukturen entstehenden Streulichts ein großes Übersprechen zwischen verschiedenen Farbkanälen.The one in the script US Pat. No. 6,998,660 B2 described color sensor has a vertical structure. Color sensors realized in this manner have a relatively poor spectral separation since no color filters with steep edges can be realized. Furthermore, there is a large crosstalk between different color channels due to a scattered light arising from numerous structures.

Der in der Veröffentlichung „Integrated color Pixels in 0.18-μm complementary metal oxide semiconductor technology” beschriebene Farbsensor weist einen Photodiodenchip auf, der mit periodisch strukturierten Metallschichten abgedeckt ist, welche stets eine gleiche Struktur aufweisen und ohne einen lateralen Versatz direkt übereinander angeordnet sind. Der beschriebene Aufbau funktioniert allerdings nur bei nahezu idealen Bedingungen zufriedenstellend. D. h., der beschriebene Farbsensor muss mit gut kollimiertem Licht bestrahlt werden, welches senkrecht zu den strukturierten Metallschichten einfällt. Außerdem muss das Licht linear polarisiert sein. Des Weiteren hat die Gitterstruktur der strukturierten Metallschicht keine fokussierende Wirkung.The color sensor described in the publication "Integrated color pixels in 0.18-μm complementary metal oxide semiconductor technology" has a photodiode chip which is covered with periodically structured metal layers, which always have the same structure and are arranged directly above one another without a lateral offset. However, the structure described works satisfactorily only under almost ideal conditions. That is, the color sensor described must be irradiated with well-collimated light which is perpendicular to the patterned metal layers incident. In addition, the light must be linearly polarized. Furthermore, the lattice structure of the structured metal layer has no focusing effect.

Daher entsteht zwischen benachbarten Photodioden Übersprechen zwischen unterschiedlichen Farbkanälen. Zwei übereinanderliegende Metallschichten bilden definitionsgemäß einen sogenannten Fabry-Perot-Resonator, welcher sehr empfindlich bezüglich der Qualität der Metalloberfläche und insbesondere des Schichtabstands ist. Dies hat zur Folge, dass eine solche Struktur sehr empfindlich hinsichtlich von Toleranzen von CMOS-Prozessen ist.Therefore, crosstalk between different color channels occurs between adjacent photodiodes. By definition, two superimposed metal layers form a so-called Fabry-Perot resonator, which is very sensitive to the quality of the metal surface and in particular of the layer spacing. As a result, such a structure is very sensitive to tolerances of CMOS processes.

Die Schrift US 7 129 982 B1 zeigt eine Photodiode mit abgeformtem Echelon-Gitter. Dieses Gitter ist eine optische Mikrostruktur und ein Aufbau solcher Strukturen ist im Rahmen eines CMOS-Prozesses mit zusätzlichen Prozessschritten möglich. Die optische Struktur muss mechanisch geschützt sein und hat, ebenso wie die Gitterstrukturen der Metallschichten in der Veröffentlichung „Integrated color Pixels in 0.18-μm complementary metal oxide semiconductor technology”, keinen Schutz gegen Streulicht aus anderen Beugungsordnungen.The font US Pat. No. 7,129,982 B1 shows a photodiode with a molded echelon grid. This grating is an optical microstructure and a structure of such structures is possible in the context of a CMOS process with additional process steps. The optical structure must be mechanically protected and, like the lattice structures of the metal layers in the publication "Integrated color pixels in 0.18-μm complementary metal oxide semiconductor technology", has no protection against scattered light from other diffraction orders.

Wünschenswert wäre daher ein vollständig, d. h. ohne zusätzliche Prozessschritte, in einem herkömmlichen CMOS-Prozess herstellbares integriertes Sensorelement mit hoher spektraler Selektivität, das als Farbsensor bzw. als Sensorelement zur Selektion einer gewünschten elektromagnetischen Wellenlänge eingesetzt werden kann.It would therefore be desirable to have a complete, d. H. without additional process steps, in a conventional CMOS process manufacturable integrated sensor element with high spectral selectivity, which can be used as a color sensor or as a sensor element for selecting a desired electromagnetic wavelength.

Die US 2005/0 233 493 A1 offenbart einen Bildsensor mit einer „Superlinse”, die eine negative Brechzahl aufweisen kann, und die eine erste Seite und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite aufweist. In dem Bildsensor ist ein Pixelarray vorgesehen, das sich in einem vorbestimmten Abstand entlang der zweiten Seite der „Superlinse” erstreckt. Zur Überbrückung des Abstands werden SPP-Sktrukturen verwendet. In anderen Worten ausgedrückt beschäftigt sich die Schrift mit der spektralen Filterung und mit Strukturen, die in CMOS-Technologie hergestellt sind. Es wird vorgeschlagen, die Weiterleitung des evaneszenten Feldes am Ausgang von Plasmon-Polariton-Strukturen an die Photodiode über sogeThe US 2005/0223493 A1 discloses an image sensor having a "super-lens" which may have a negative refractive index and having a first side and a second side opposite the first side. In the image sensor, a pixel array is provided which extends at a predetermined distance along the second side of the "super-lens". To bridge the gap SPP Sktrukturen be used. In other words, the document deals with spectral filtering and with structures made in CMOS technology. It is suggested that the propagation of the evanescent field at the output of plasmon-polariton structures to the photodiode via soge

Die EP 1 672 409 A1 beschreibt eine optische Vorrichtung, die vereinfachen soll, einen Spot hoher Dichte zu erzeugen, wie z. B. zum Zwecke des Beschreibens von CDs oder DVDs. Es wird eine Struktur vorgeschlagen, die einer einzelnen ringförmigen Struktur gemäß der vorliegenden Anmeldung ähnlich ist.The EP 1 672 409 A1 describes an optical device intended to simplify the production of a high-density spot, such as e.g. B. for the purpose of describing CDs or DVDs. A structure similar to a single annular structure according to the present application is proposed.

Die US 2007/0 048 628 A1 offenbart ein Photolithographiesystem, das einen räumlichen Lichtmodulator und ein Plasmon Linsenarray umfasst. Der räumliche Lichtmodulator weist eine Mehrzahl von Pixeln auf, und das plasmonische Linsenarray weist eine Mehrzahl von plasmonischen Linsen auf. Die Pixel sind mit den plasmonischen Linsen optisch ausgerichtet, so dass Licht von den Pixeln im Wesentlichen durch die Linsen fokussiert wird. Die plasmonischen Linsen weisen jeweils eine optische Apertur und eine Mehrzahl von Metallmerkmalen nahe zu der Apertur auf. Die Metallmerkmale haben eine Abmessung und Anordnung, die konfiguriert ist, um optische Energie, die auf einer Seite der plasmonischen Linse einfällt, in plasmonische Erregung einzukoppeln, die durch das Metall unterstützt wird, und um optische Energie wieder durch die Apertur zu emittieren.The US 2007/0 048 628 A1 discloses a photolithography system comprising a spatial light modulator and a plasmon lens array. The spatial light modulator has a plurality of pixels, and the plasmonic lens array has a plurality of plasmonic lenses. The pixels are optically aligned with the plasmonic lenses so that light from the pixels is substantially focused through the lenses. The plasmonic lenses each have an optical aperture and a plurality of metal features close to the aperture. The metal features have a dimension and arrangement configured to couple optical energy incident on one side of the plasmonic lens into plasmonic excitation supported by the metal and to emit optical energy back through the aperture.

In Catrysse et. al.: „An Integrated Color Pixel in 0.18 µm CMOS technology”, IEDM, 2001 wird ein CMOS-Technologieintegriertes Farbpixel mit einer Metallstruktur als Filter in den oberen Metallschichten offenbart, das es einer einfallenden optischen Welle ermöglicht, Plasmonen an der vorderen Metalloberfläche zu erzeugen, welche hernach mit Plasmonen an der Rückseite durch die Löcher in der Metallschicht koppeln, wo wieder eine Photonenemission stattfindet. Die Resonanzwellenlänge für eine solche Oberflächenplasmonen-induzierte Übertragung hinge von dem Metalltyp, dem umgebenden Dielektrikum und der Geometrie des Musters ab (vgl. letzter Absatz in Abschnitt „Discussion”).In Catrysse et. et al .: "An Integrated Color Pixel in 0.18μm CMOS technology", IEDM, 2001 discloses a CMOS technology integrated color pixel having a metal structure as a filter in the upper metal layers that allows an incident optical wave to generate plasons at the front metal surface which then couple with plasmons on the back through the holes in the metal layer, where again a photon emission takes place. The resonant wavelength for such surface plasmon-induced transmission would depend on the type of metal, the surrounding dielectric, and the geometry of the pattern (see the last paragraph in the section "Discussion").

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein integriertes Sensorelement mit verbesserter spektraler Selektivität, eine zugehörigen Farbsensor und ein zugehöriges Herstellungsverfahren bereitzustellen, so das eine vollständige Herstellbarkeit in CMOS-Prozessschritten gegeben ist.The object of the present invention is thus to provide an integrated sensor element with improved spectral selectivity, an associated color sensor and an associated manufacturing method, so that a complete manufacturability in CMOS process steps is given.

Diese Aufgabe wird durch ein integriertes Sensorelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Farbsensor gemäß Anspruch 10 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11 gelöst.This object is achieved by an integrated sensor element having the features of patent claim 1, a color sensor according to claim 10 and a method according to patent claim 11.

Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein integriertes Sensorelement für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs realisiert werden kann, indem man einen Pixelsensor, wie z. B. eine Photodiode, gemeinsam mit einer den Pixelsensor abdeckenden Metallstruktur mit beispielsweise einer oder mehreren strukturierten Metallschicht(en) integriert, die so strukturiert ist, dass sich für einen vorbestimmten Wellenlängenbereich bzw. eine vorbestimmte Wellenlänge λ_res ein Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt ausbilden kann. Durch eine Subwellenlängenöffnung in der strukturierten Metallschicht kann sich für die vorbestimmte Wellenlänge λ_res aufgrund des Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekts in der Nähe des Pixelsensors eine elektromagnetische Feldkonzentration ausbilden, die dann von dem Pixelsensor detektiert werden kann.The finding of the present invention is that an integrated electromagnetic radiation sensor element of a predetermined wavelength range can be realized by using a pixel sensor, such as a sensor. B. a photodiode, together with a pixel sensor covering the metal structure with, for example, one or more structured metal layer (s), which is structured so that for a predetermined wavelength range or a predetermined wavelength λ _res a plasmon-polariton resonance effect can train. Through a subwavelength aperture in the patterned metal layer λ _res may be for the predetermined wavelength due to the plasmon-polariton resonance effect in the vicinity of the pixel sensor, an electromagnetic Form field concentration, which can then be detected by the pixel sensor.

Gemäß Ausführungsbeispielen werden Pixelsensor und die den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt ermöglichende strukturierte Metallschicht gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat in einem CMOS-Prozess hergestellt.According to exemplary embodiments, the pixel sensor and the structured metal layer enabling the plasmon-polariton resonance effect are produced jointly on a semiconductor substrate in a CMOS process.

Bei Ausführungsbeispielen ist der Abstand zwischen dem opto-elektronischen Bauelement und der strukturierten Metallschicht kleiner als 20 μm und bevorzugt kleiner als 8 μm. Bei 0,18 μm-CMOS-Prozessen ist der Abstand zwischen dem opto-elektronischen Bauteil und der Filterstruktur kleiner als 2 μm..In embodiments, the distance between the opto-electronic device and the patterned metal layer is less than 20 microns, and preferably less than 8 microns. For 0.18 μm CMOS processes, the distance between the opto-electronic device and the filter structure is less than 2 μm.

Der Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt führt zu einer sogenannten außergewöhlichen optischen Übertragung, die durch Schlitze oder Löcher in Metallen stattfinden kann, die schmäler als eine Wellenlänge des vordefinierten Wellenlängenbereichs bzw. die vordefinierte Resonanzwellenlänge λ_res sind. Wenn elektromagnetische Strahlung außerhalb des vordefinierten Wellenlängenbereichs, d. h. mit einer anderen Wellenlänge als die vordefinierte Resonanzwellenlänge λ_res, auf eine solche strukturierte Metallschicht trifft, breitet sie sich jenseits einer zweiten Seite der strukturierten Metallschicht lediglich an einer Subwellenlängenöffnung aus, als wäre sie dort isotropisch gebeugt worden, d. h. sie streut gleichmäßig in alle Richtungen. Der größte Teil aber wird auf der ersten Seite am Metall zurückreflektiert bzw. gestreut. Wenn die Subwellenlängenöffnung auf der ersten Seite der strukturierten Metallschicht jedoch beispielsweise von periodischen Furchen bzw. Rillen umgeben ist, deren Abmessungen auf den vordefinierten Wellenlängenbereich abgestimmt sind, breitet sich ausgehend von der Subwellenlängenöffnung jenseits der zweiten Seite der strukturierten Metallschicht für elektromagnetische Strahlung des vordefinierten Wellenlängenbereichs gerichtete statt isotropische elektromagnetische Strahlung aus.The plasmon-polariton resonance effect leads to a so-called extraordinary optical transmission, which can take place through slits or holes in metals which are narrower than a wavelength of the predefined wavelength range or the predefined resonance wavelength λ _res . If electromagnetic radiation outside the predefined wavelength range, ie with a wavelength other than the predefined resonance wavelength λ _res , strikes such a structured metal layer, it spreads beyond a second side of the structured metal layer only at a sub-wavelength opening, as if it had been isotropically diffracted there ie it spreads evenly in all directions. But most of it is reflected back or scattered on the metal on the first page. However, when the subwavelength aperture on the first side of the patterned metal layer is surrounded, for example, by periodic grooves whose dimensions are tuned to the predefined wavelength range, directed from the subwavelength aperture beyond the second side of the structured metal layer targets electromagnetic radiation of the predefined wavelength range instead of isotropic electromagnetic radiation.

Dieses Phänomen rührt von so genannter Oberflächenplasmonenresonanz her. Ein Oberflächenplasmon ist eine Dichteschwankung von Ladungsträgern an der Grenze von Halbleitern oder Metallen zu dielektrischen Medien und ist beispielsweise eine von vielen Interaktionen zwischen Licht und einer metallischen Oberfläche.This phenomenon results from so-called surface plasmon resonance. A surface plasmon is a density variation of charge carriers at the boundary of semiconductors or metals to dielectric media and is one of many interactions between light and a metallic surface, for example.

Gemäß Ausführungsbeispielen weist das Metall der Metallstruktur zusammen mit einem umgebenden Dielektrikum eine effektive negative Dielektrizitätskonstante auf. Negative effektive Dielektrizitätskonstanten bei Frequenzen von elektromagnetischer Strahlung im optischen Spektralbereich weisen beispielsweise Aluminium (Al), Gold (Au), Silber (Ag) und Kupfer (Cu) auf.According to embodiments, the metal of the metal structure together with a surrounding dielectric has an effective negative dielectric constant. Negative effective dielectric constants at frequencies of electromagnetic radiation in the optical spectral range include, for example, aluminum (Al), gold (Au), silver (Ag), and copper (Cu).

Eine Metallstruktur weist beispielsweise eine strukturierte Metallschicht mit einer Öffnung mit Subwellenlängenabmessung, im folgenden auch als Subwellenlängenöffnung bezeichnet, und um die Subwellenlängenöffnung periodisch angeordnete rotationssymmetrische oder parallele Rillen bzw. entsprechende Vorsprünge bzw. Erhöhungen auf, die derart angeordnet und einem Dielektrikum eingebettet sind, um für den vorbestimmten Wellenlängenbereich in dem strukturierten Metallschicht den Oberflächen-Plasmon-Polariton-Effekt zu erzeugen. Dabei ist eine Subwellenlängenöffnung eine Öffnung mit einer Breite bzw. einem Durchmesser kleiner als eine Wellenlänge des vordefinierten Wellenlängenbereichs bzw. die Resonanzwellenlänge λ_res.A metal structure has, for example, a structured metal layer having an opening with subwavelength dimension, hereinafter also referred to as subwavelength opening, and rotationally symmetrical or parallel grooves or corresponding projections or elevations arranged periodically around the subwavelength opening, which are arranged and embedded in a dielectric in order to provide for the predetermined wavelength range in the patterned metal layer to produce the surface plasmon-polariton effect. In this case, a sub-wavelength opening is an opening having a width or a diameter smaller than a wavelength of the predefined wavelength range or the resonance wavelength λ _res .

Gemäß Ausführungsformen kann die Subwellenlängenöffnung rotationssymmetrisch bzw. kreisförmig oder schlitzförmig ausgebildet sein. Ein Durchmesser bzw. eine Breite der Subwellenlängenöffnung ist dabei kleiner als die Resonanzwellenlänge λ_res. Neben einer schlitzförmigen Subwellenlängenöffnung sind periodisch parallele Rillen in der strukturierten Metallschicht angeordnet, wobei Abstände und Abmessungen der Rillen geeignet sind, um für den vorbestimmten Wellenlängenbereich den Oberflächen-Plasmon-Polariton-Effekt zu erzeugen. Um eine kreisförmige Subwellenlängenöffnung sind periodisch ringförmige Rillen in der strukturierten Metallschicht angeordnet, wobei Abstände und Abmessungen der ringförmige Rillen geeignet sind, um für den vorbestimmten Wellenlängenbereich den Oberflächen-Plasmon-Polariton-Effekt zu erzeugen.According to embodiments, the sub-wavelength opening may be rotationally symmetrical or circular or slot-shaped. A diameter or a width of the sub-wavelength opening is smaller than the resonance wavelength λ _res . In addition to a slot-shaped sub-wavelength opening, periodic parallel grooves are arranged in the patterned metal layer, wherein distances and dimensions of the grooves are suitable for producing the surface plasmon-polariton effect for the predetermined wavelength range. Ring-shaped grooves are periodically disposed in the patterned metal layer around a circular sub-wavelength aperture, where distances and dimensions of the annular grooves are suitable for producing the surface plasmon-polariton effect for the predetermined wavelength range.

Eine weitere Möglichkeit, die Metallschicht geeignet zu strukturieren, besteht darin, einen eindimensionalen oder zweidimensionalen Array aus periodisch angeordneten Subwellenlängenöffnungen in die Metallschicht einzubringen.Another way of structuring the metal layer suitably is to introduce a one-dimensional or two-dimensional array of periodically arranged sub-wavelength openings into the metal layer.

Aus einer Mehrzahl von als optische Sensoren wirkenden Bauteilen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise ein integrierter Farbsensor aufgebaut werden, indem eine Mehrzahl von Sensorelementen in einer Ebene benachbart zueinander integriert wird. Dabei können die Metallschichtstrukturen der einzelnen Sensorelemente auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche eingestellt werden. Für einen RGB-Farbsensor (RGB = Rot Grün Blau) werden benachbarte Sensorelemente beispielsweise auf rotes, grünes und blaues Licht eingestellt.From a plurality of components acting as optical sensors according to embodiments of the present invention, for example, an integrated color sensor can be constructed by integrating a plurality of sensor elements in a plane adjacent to one another. In this case, the metal layer structures of the individual sensor elements can be set to different wavelength ranges. For an RGB color sensor (RGB = red green blue) adjacent sensor elements are set, for example, to red, green and blue light.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mit integrierten Sensorelementen gemäß Ausführungsbeispielen eine hohe spektrale Auflösung und steile Filterflanken erzielt werden können, da ein integriertes Sensorelement gemäß Ausführungsbeispielen auf nur eine Wellenlänge bzw. einen kleinen Wellenlängenbereich eingestellt werden kann. Aufgrund des starken Transmissionsunterschiedes zwischen der Resonanzwellenlänge λ_res der Metallstruktur und Wellenlängen anderer Spektralbereiche ist eine sehr gute spektrale Trennung möglich. Aufgrund des Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekts kann der spektrale Transmissionsbereich der strukturierten Metallschicht sehr schmal realisiert werden, ähnlich wie bei einem Interferenzfilter. Des Weiteren kann mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die spektrale Filterbreite des innerhalb eines CMOS-Prozesses realisierten Filters mit wenigstens einem den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt ermöglichenden Strukturelement angepasst werden, das heißt, die spektralen Eigenschaften eines Farbkanals können nahezu frei definiert werden, und zwar nur im Rahmen der Herstellung ohne zusätzliche Prozessierung.An advantage of the present invention is that with integrated sensor elements according to embodiments, a high spectral resolution and steep filter edges can be achieved, since an integrated sensor element according to embodiments set to only one wavelength or a small wavelength range can be. Due to the strong difference in transmission between the resonance wavelength λ _{res of} the metal structure and wavelengths of other spectral ranges a very good spectral separation is possible. Due to the plasmon-polariton resonance effect, the spectral transmission range of the structured metal layer can be realized very narrow, similar to an interference filter. Furthermore, with exemplary embodiments of the present invention, the spectral filter width of the filter realized within a CMOS process can be adapted with at least one structure element enabling the plasmon-polariton resonance effect, that is, the spectral properties of a color channel can be defined almost freely, and although only in the context of production without additional processing.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine Realisierung eines einfachen Farbsensors. Des Weiteren können farbempfindliche Pixel in einem zweidimensionalen Bildsensor realisiert werden. Dabei umfasst ein farbempfindlicher Pixel bzw. ein Superpixel beispielsweise drei Sensorelementen für unterschiedliche Wellenlängen.Embodiments of the present invention enable realization of a simple color sensor. Furthermore, color-sensitive pixels can be realized in a two-dimensional image sensor. In this case, a color-sensitive pixel or a superpixel comprises, for example, three sensor elements for different wavelengths.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass für ein Funktionieren eines integrierten Bauteils gemäß Ausführungsbeispielen und die fokussierende Wirkung desselben nicht zwingend kollimiertes und/oder polarisiertes Licht erforderlich ist.Another advantage of the present invention is that it is not absolutely necessary for a functioning of an integrated component according to embodiments and the focusing effect of the same necessarily collimated and / or polarized light.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische perspektivische Darstellung eines integrierten Sensorelements gemäß einem erläuternden Beispiel zur vorliegenden Erfindung; 1 a schematic perspective view of an integrated sensor element according to an illustrative example of the present invention;

2 eine Schnittansicht eines mit CMOS-Technik gefertigten Schichtstapels aus Photodiode, Metallschichten und dielektrischen Schichten, gemäß einem erläuternden Beispiel zur vorliegenden Erfindung; 2 a sectional view of a layer stack of photodiode, metal layers and dielectric layers made by CMOS technique, according to an illustrative example of the present invention;

3 eine Schnittansicht einer strukturierten Metallschicht mit Subwellenlängenstrukturen und einem Pixelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 3 a sectional view of a structured metal layer with sub-wavelength structures and a pixel sensor according to an embodiment of the present invention;

4 eine detaillierte Schnittansicht eines Sensorelements mit strukturierter Metallschicht mit Subwellenlängenstrukturen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 4 a detailed sectional view of a sensor element with structured metal layer with sub-wavelength structures, according to an embodiment of the present invention;

5 eine perspektivische Darstellung einer strukturierten Metallschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 5 a perspective view of a structured metal layer according to an embodiment of the present invention;

6 eine perspektivische Darstellung einer strukturierten Metallschicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 6 a perspective view of a structured metal layer according to another embodiment of the present invention;

7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der strukturierten Metallschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 7 a schematic representation for explaining the operation of the structured metal layer according to an embodiment of the present invention;

8 eine schematische Darstellung von transmittierter elektromagnetischer Strahlung für unterschiedliche Wellenlängen; 8th a schematic representation of transmitted electromagnetic radiation for different wavelengths;

9 eine schematische Drauf- und Seitenansicht eines mehrere Sensorelemente umfassenden Sensors, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 9 a schematic top and side view of a sensor comprising a plurality of sensor elements, according to an embodiment of the present invention;

10 eine schematische Draufsicht einer strukturierten Metallschicht mit einer schlitzförmigen Öffnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 10 a schematic plan view of a structured metal layer with a slot-shaped opening according to an embodiment of the present invention;

11 eine schematische Ansicht einer Metallschicht mit einer zweidimensional periodischen Anordnung von Subwellenlängenöffnungen; 11 a schematic view of a metal layer having a two-dimensionally periodic arrangement of sub-wavelength openings;

12 eine schematische Drauf- und Seitenansicht eines verschiedene Sensorelemente umfassenden Farbsensors, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 12 a schematic top and side view of a color sensor comprising various sensor elements, according to an embodiment of the present invention; and

13 eine detaillierte Schnittansicht eines Sensorelements mit zwei strukturierten Metallschichten und einer dazwischenliegenden dielektrischen Schicht mit Subwellenlängenstrukturen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 13 a detailed sectional view of a sensor element with two structured metal layers and an intermediate dielectric layer with sub-wavelength structures, according to an embodiment of the present invention.

Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Beispielen bzw. Ausführungsbeispielen gleich oder gleich wirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen, im Nachfolgenden dargestellten, Beispielen bzw. Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.With regard to the following description, it should be noted that in the different examples and embodiments, the same or similar function elements have the same reference numerals and thus the descriptions of these functional elements in the various examples and embodiments shown below are interchangeable.

1 zeigt ein integriertes Sensorelement 10 für elektromagnetische Strahlung 12 mit einem Pixelsensor 14 und einer strukturierten Metallschicht 16, wobei zur Verdeutlichung des Aufbaus des integrierten Sensorelements 10 ein Ausschnitt besonders hervorgehoben ist. 1 shows an integrated sensor element 10 for electromagnetic radiation 12 with a pixel sensor 14 and a structured metal layer 16 , wherein for clarification of the structure of the integrated sensor element 10 a section is particularly highlighted.

Die Metallschicht 16 ist strukturiert, um ansprechend auf elektromagnetische Strahlung 12 eines vorbestimmten Durchlasswellenlängenbereichs bzw. einer vorbestimmten Resonanzwellenlänge λ_res einen Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt zu ermöglichen. Der Pixelsensor 14 und die strukturierte Metallschicht 16 sind gemäß Ausführungsbeispielen gemeinsam auf einem Substrat, nämlich einem Halbleitersubstrat, integriert, so dass sich aufgrund des Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekts für den Durchlasswellenlängenbereich eine höhere Transmission durch die Metallschicht 16 zu dem Pixelsensor 14 ergibt als für den Durchlasswellenlängenbereich umgebende Wellenlängen. Dabei handelt es sich bei Ausführungsbeispielen bei dem Pixelsensor 14 um ein Bauelement, das elektromagnetische Strahlung in ein elektrisches Signal umwandeln kann, wie z. B. ein PN-Übergangssensor. Dabei meint ein PN-Übergangssensor einen Sensor mit einem durch unterschiedliche Dotierung realisierten PN-Übergang. Gemäß Ausführungsbeispielen ist der PN-Übergangssensor als Photodiode ausgebildet. The metal layer 16 is structured to be responsive to electromagnetic radiation 12 a predetermined transmission wavelength range or a predetermined resonance wavelength λ _res to enable a plasmon-polariton resonance effect. The pixel sensor 14 and the structured metal layer 16 According to embodiments, they are integrated together on a substrate, namely a semiconductor substrate, so that a higher transmission through the metal layer due to the plasmon-polariton resonance effect for the transmission wavelength range 16 to the pixel sensor 14 gives as wavelengths surrounding the transmission wavelength range. In the case of exemplary embodiments, these are the pixel sensor 14 to a device that can convert electromagnetic radiation into an electrical signal, such. B. a PN junction sensor. In this case, a PN junction sensor means a sensor with a PN junction realized by different doping. According to embodiments, the PN junction sensor is designed as a photodiode.

Gemäß Ausführungsbeispielen weist die Metallschicht 16 eine Öffnung 18 mit Subwellenlängenabmessung auf. Damit die auftreffende elektromagnetische Strahlung 12 Oberflächenplasmonen bewirken kann, ist die Subwellenlängenöffnung 18 gemäß Ausführungsbeispielen von rotationssymmetrischen periodisch angeordneten Rillen 20 um die Öffnung umgeben. Bei geeigneter Dimensionierung der Öffnung 18 und der Rillen 20 kann eine resonante Interaktion von der elektromagnetischen Strahlung und den Oberflächenplasmonen der strukturierten Metallschicht 16 zu der im Vorhergehenden bereits erwähnten verstärkten außergewöhlichen Übertragung in dem vorbestimmten Wellenlängenbereich führen.According to embodiments, the metal layer 16 an opening 18 with subwavelength dimension. So that the impinging electromagnetic radiation 12 Surface plasmon is the sub-wavelength opening 18 according to embodiments of rotationally symmetric periodically arranged grooves 20 surrounded around the opening. With suitable dimensioning of the opening 18 and the grooves 20 may be a resonant interaction of the electromagnetic radiation and the surface plasmons of the patterned metal layer 16 lead to the previously mentioned enhanced extraordinary transmission in the predetermined wavelength range.

Wenn die elektromagnetische Strahlung 12 auf die erste, dem Pixelsensor 14 abgewandte Seite der strukturierten Metallschicht 16 trifft, breitet sich ausgehend von der Subwellenlängenöffnung 18 jenseits der zweiten, dem Pixelsensor 14 zugewandten Seite der strukturierten Metallschicht 16 gerichtete elektromagnetische Strahlung des vorbestimmten Wellenlängenbereichs bzw. der Resonanzwellenlänge λ_res aus.When the electromagnetic radiation 12 on the first, the pixel sensor 14 opposite side of the structured metal layer 16 meets, spreads starting from the sub-wavelength opening 18 beyond the second, the pixel sensor 14 facing side of the structured metal layer 16 directed electromagnetic radiation of the predetermined wavelength range or the resonance wavelength λ _res .

An dieser Stelle soll bemerkt sein, dass es sich bei dem in 1 schematisch dargestellten integrierten Sensorelement 10 lediglich um ein Element einer größeren Sensorstruktur mit einer Mehrzahl von integrierten Sensorelementen handeln kann, wie es später noch anhand von 9 beschrieben wird.At this point should be noted that it is in the in 1 schematically illustrated integrated sensor element 10 can only be an element of a larger sensor structure with a plurality of integrated sensor elements, as later with reference to 9 is described.

Des Weiteren sind auch nicht rotationssymmetrische Oberflächenstrukturen der Metallschicht 16 denkbar, welche den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt hervorrufen können, wie beispielsweise eine schlitzförmige Öffnung mit parallel dazu angeordneten Rillen oder eine matrixähnliche Anordnung von Subwellenlängenöffnungen, wie es in 11 gezeigt ist.Furthermore, non-rotationally symmetric surface structures of the metal layer are also 16 conceivable, which may cause the plasmon-polariton resonance effect, such as a slit-shaped opening with grooves arranged parallel thereto or a matrix-like arrangement of sub-wavelength openings, as shown in FIG 11 is shown.

Integrierte Sensoren bzw. Sensorelemente für elektromagnetische Strahlung gemäß Ausführungsbeispielen lassen sich mit CMOS-Prozessen, wie beispielsweise einem CMOS-Opto-Prozess, realisieren, ohne dass zusätzliche Prozessschritte oder weitere Bearbeitungen erforderlich sind.Integrated sensors or sensor elements for electromagnetic radiation according to embodiments can be realized with CMOS processes, such as a CMOS opto-process, without additional process steps or further processing is required.

Ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Sensors auf einem Substrat umfasst gemäß Ausführungsbeispielen einen Schritt des Erzeugens einer Photodiode an einer Substratoberfläche des Substrats und ein Aufbringen einer Metallschicht, die strukturiert ist, um ansprechend auf elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs einen Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt zu ermöglichen, wobei das Erzeugen und das Aufbringen Teile eines CMOS-Prozesses sind. Dabei sind Photodiode und die Metallschicht so gemeinsam auf dem Halbleitersubstrat integriert, dass sich aufgrund des Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekts an der Photodiode eine elektromagnetische Feldkonzentration ausbilden kann, für die die Photodiode empfindlich ist.A method of fabricating an integrated sensor on a substrate includes, according to embodiments, a step of forming a photodiode on a substrate surface of the substrate and depositing a metal layer that is patterned to have a plasmon-polariton resonance effect in response to electromagnetic radiation of a predetermined wavelength range to allow, wherein the generating and applying are parts of a CMOS process. In this case, the photodiode and the metal layer are integrated together on the semiconductor substrate, that due to the plasmon-polariton resonance effect on the photodiode an electromagnetic field concentration can form, for which the photodiode is sensitive.

Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das Aufbringen der Metallschicht eine Strukturierung der Metallschicht mit einer Öffnung 18 mit einer Subwellenlängenabmessung, wobei die Öffnung von rotationssymmetrischen periodisch angeordneten Rillen um die Öffnung 18 umgeben ist. Dabei weisen die Rillen um die Öffnung Abmessungen und Abstände auf, die geeignet sind, um für den vorbestimmten Wellenlängenbereich in der strukturierten Metallschicht 16 den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt zu erzeugen.According to embodiments, the application of the metal layer comprises a structuring of the metal layer with an opening 18 with a sub-wavelength dimension, wherein the aperture of rotationally symmetric periodically arranged grooves around the aperture 18 is surrounded. In this case, the grooves around the opening have dimensions and spacings which are suitable for the predetermined wavelength range in the structured metal layer 16 to produce the plasmon-polariton resonance effect.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Aufbringen der Metallschicht eine Strukturierung einer schlitzförmigen Öffnung in der Metallschicht, welche eine Breite kleiner als eine Wellenlänge (Resonanzwellenlänge λ_res) des vorbestimmten Wellenlängenbereichs aufweist, und eine Strukturierung von zumindest näherungsweise parallel zu der schlitzförmigen Öffnung verlaufenden Rillen in der Metallschicht 16, wobei die Abmessungen der Rillen geeignet sind, um für den vorbestimmten Wellenlängenbereich in der strukturierten Metallschicht den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt zu bewirken.According to a further embodiment, the application of the metal layer comprises a structuring of a slot-shaped opening in the metal layer, which has a width smaller than a wavelength (resonance wavelength λ _res ) of the predetermined wavelength range, and a structuring of at least approximately parallel to the slot-shaped opening grooves in the metal layer 16 wherein the dimensions of the grooves are adapted to effect the plasmon-polariton resonance effect for the predetermined wavelength range in the patterned metal layer.

Eine Strukturierung der Metallschicht mit in einem Gitternetz aus matrixförmig angeordneten Subwellenlängenöffnungen 18 ist ebenfalls denkbar, so wie es schematisch in 11 gezeigt ist. Dabei ist zu bemerken, dass eine Form der Subwellenlängenöffnungen generell beliebig gewählt werden kann.A structuring of the metal layer with in a grid of matrix-shaped arranged sub-wavelength openings 18 is also conceivable, as it is schematically in 11 is shown. It should be noted that a form of the sub-wavelength openings can generally be chosen arbitrarily.

Ein Zwischenprodukt eines CMOS-Herstellungsprozesses eines integrierten Sensors gemäß Ausführungsbeispielen ist schematisch in 2 gezeigt. An intermediate product of a CMOS manufacturing process of an integrated sensor according to embodiments is shown schematically in FIG 2 shown.

Der in 2 gezeigte, noch nicht fertig hergestellte, integrierte Sensor für elektromagnetische Strahlung umfasst ein Substrat 30, insbesondere ein Halbleitersubstrat, indem eine Photodiode 14 eingebracht ist.The in 2 shown, not yet finished, integrated sensor for electromagnetic radiation comprises a substrate 30 , in particular a semiconductor substrate, by a photodiode 14 is introduced.

Die nicht fertiggestellte optische Struktur in 2 weist einen Schichtstapel aus metallischen Schichten 34 und dielektrischen Schichten 36 auf. 2 zeigt lediglich exemplarisch vier metallische Schichten 34-1 bis 34-4 und drei dielektrische Schichten 36-1 bis 36-3. Je nach Ausführungsform kann die Schichtanzahl von dem in 2 gezeigten Beispiel abweichen.The unfinished optical structure in 2 has a layer stack of metallic layers 34 and dielectric layers 36 on. 2 merely shows by way of example four metallic layers 34-1 to 34-4 and three dielectric layers 36-1 to 36-3 , Depending on the embodiment, the number of layers of the in 2 differ from the example shown.

Eine lichtempfindliche Oberfläche der Photodiode 14 weist einen Abstand d von der der Photodiode am nächstliegenden Metallschicht 34-1 auf, wobei der Abstand d im Wesentlichen durch den Herstellungsprozess bestimmt wird und kleiner als 20 μm und bevorzugt kleiner als 8 μm ist. Bei 0,18 μm-CMOS-Prozessen ist der Abstand zwischen der Photodiode 14 und der Metallschicht 34-1 kleiner als 2 µm.A photosensitive surface of the photodiode 14 has a distance d from that of the photodiode at the nearest metal layer 34-1 , wherein the distance d is determined substantially by the manufacturing process and is less than 20 microns, and preferably less than 8 microns. For 0.18 μm CMOS processes, the distance is between the photodiode 14 and the metal layer 34-1 smaller than 2 μm.

Bei integrierten Sensoren mit einer strukturierten Metallschicht gemäß Ausführungsbeispielen wird also lediglich die unterste, dem Pixelsensor 14 bzw. der Photodiode am nächsten liegende Metallschicht 34-1 verbleiben. Die darüber liegenden Schichten werden erst gar nicht aufgebracht oder zur Herstellung des integrierten Sensors nach ihrer Aufbringung wieder abgetragen. Die Metallschicht 34-1 kann beispielsweise durch Ätzen strukturiert werden.In integrated sensors with a structured metal layer according to embodiments, therefore, only the lowest, the pixel sensor 14 or the photodiode closest metal layer 34-1 remain. The overlying layers are not even applied or removed again for the production of the integrated sensor after its application. The metal layer 34-1 can be patterned by etching, for example.

Eine gemäß einem anspruchsgemäßen Ausführungsbeispiel strukturierte Metallschicht mit darunter liegender Photodiode ist schematisch in einer Seiten- bzw. Schnittansicht in 3 gezeigt.A structured according to a claimed embodiment embodiment, metal layer with underlying photodiode is schematically in a side or sectional view in 3 shown.

Die in 3 dargestellte strukturierte Metallschicht 34-1 ist von einem Dielektrikum 36 umgeben und weist beispielhaft zwei Strukturelemente 40 auf, die durch die geschweiften Klammern in 3 gekennzeichnet sind. Ein Strukturelement 40 weist jeweils eine Subwellenlängenöffnung 18 auf, welche beispielsweise kreisförmig oder linienförmig ausgebildet sein kann. Bei einer kreisförmigen bzw. rotationssymmetrischen Subwellenlängenöffnung 18 sind die die Öffnung 18 umgebenden Rillen aus Vertiefungen 42 und Erhöhungen 44 ebenfalls rotationssymmetrisch angeordnet. Bei einer linienförmigen bzw. schlitzförmigen Subwellenlängenöffnung 18 sind die Vertiefungen 42 und Erhöhungen 44 parallel zu der linienförmigen Erhöhung 18 angeordnet.In the 3 illustrated structured metal layer 34-1 is from a dielectric 36 surrounded and exemplifies two structural elements 40 on through the braces in 3 Marked are. A structural element 40 each has a sub-wavelength opening 18 on, which may be formed, for example, circular or linear. For a circular or rotationally symmetrical sub-wavelength opening 18 they are the opening 18 surrounding grooves from depressions 42 and raises 44 also arranged rotationally symmetrical. In a linear or slot-shaped sub-wavelength opening 18 are the depressions 42 and raises 44 parallel to the linear elevation 18 arranged.

Durch die Subwellenlängenöffnungen 18 kann durch den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt Licht einer vordefinierten Wellenlänge λ_res selektiert werden und dann auf den Pixelsensor 14 treffen.Through the sub-wavelength openings 18 can be selected by the plasmon-polariton resonance effect light of a predefined wavelength λ _res and then to the pixel sensor 14 to meet.

4 zeigt ein Einzelelement bzw. ein Strukturelement 40 der in 3 dargestellten arrayförmigen Struktur in der Metallschicht 34-1. 4 shows a single element or a structural element 40 the in 3 illustrated array-shaped structure in the metal layer 34-1 ,

Das in 4 gezeigte Strukturelement 40 kann rotationssymmetrisch bezüglich der Subwellenlängenöffnung 18 in der Mitte sein, so wie es zur besseren Veranschaulichung in der Perspektivansicht in 5 gezeigt ist. Bei anderen Ausführungsformen kann das Strukturelement 40 eine streifenförmige oder linienartige Struktur aufweisen, sowie es zur besseren Veranschaulichung in der Perspektivansicht in 6 gezeigt ist. Eine Draufsicht des in 6 dargestellten Strukturelements 40 mit streifenförmiger oder linienartiger Öffnung 18 und Struktur ist zudem in 10 gezeigt.This in 4 shown structural element 40 can be rotationally symmetric with respect to the sub-wavelength opening 18 be in the middle, as it is in the perspective view for better illustration 5 is shown. In other embodiments, the structural element 40 have a strip-like or line-like structure, as well as for better illustration in the perspective view in 6 is shown. A top view of the in 6 illustrated structural element 40 with strip-shaped or linear opening 18 and structure is also in 10 shown.

Ein Strukturelement 40 gemäß Ausführungsbeispielen umfasst einen Bereich der Metallschicht 34-1, der eine mit Vertiefungen 42 und Erhöhungen 44 periodisch strukturierte Oberfläche der Periode A und eine Subwellenlängenöffnung 18 aufweist, die im Zentrum der Struktur 40 liegt. Für eine vorbestimmte Resonanz-Wellenlänge-λ_res einer auf die Struktur 40 einfallenden elektromagnetischen Strahlung 12 entsteht der Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt. Dieser Effekt bewirkt, dass für die Resonanzwellenlänge λ_res durch die Subwellenlängenöffnung 18, beispielsweise mehr als 15% der einfallenden elektromagnetischen Strahlung tritt, obwohl ein Flächenverhältnis der Öffnung 18 zu der Fläche des gesamten Elements 40 sehr klein ist. Für andere Wellenlängen als die Resonanzwellenlänge λ_res entsteht dagegen keine Resonanz und damit nahezu keine Transmission von elektromagnetischer Strahlung der anderen Wellenlängen durch die Öffnung 18. Das bedeutet, dass die Transmission für eine vorbestimmte Wellenlänge λ_res durch das Strukturelement 40 vom Flächenverhältnis der Fläche der Öffnung 18 zu der Fläche des gesamten Elements 40 abhängt, sowie von der Periode A der strukturierten Oberfläche bzw. der Erhöhungen 44 und Vertiefungen 42.A structural element 40 according to embodiments comprises a portion of the metal layer 34-1 , one with depressions 42 and raises 44 Periodically structured surface of the period A and a sub-wavelength opening 18 which is at the center of the structure 40 lies. For a predetermined resonant wavelength λ _res on the structure 40 incident electromagnetic radiation 12 the plasmon-polariton resonance effect arises. This effect causes λ _res through the sub-wavelength opening for the resonance wavelength 18 For example, more than 15% of the incident electromagnetic radiation occurs, although an area ratio of the opening 18 to the surface of the entire element 40 is very small. For other wavelengths than the resonance wavelength λ _res , on the other hand, there is no resonance and thus almost no transmission of electromagnetic radiation of the other wavelengths through the opening 18 , This means that the transmission for a predetermined wavelength λ _res through the structural element 40 the area ratio of the area of the opening 18 to the surface of the entire element 40 as well as the period A of the structured surface or the elevations 44 and depressions 42 ,

Diejenige Periode A, die die höchste Transmission zulässt, hängt unter anderem von der Dicke (t + h) der strukturierten Metallschicht 34-1 ab. Für eine Resonanzwellenlänge λ_res von 650 nm könnte die Breite bzw. der Durchmesser b der Öffnung 18 beispielsweise zu 100 nm gewählt werden. das Flächenverhältnis der Fläche der Öffnung 18 zu der Fläche des gesamten Elements 40 könntebeispielsweise 0.01 betragen und A könnte zu 90 nm und t zu 20 nm gewählt werden. An dieser Stelle soll betont werden, dass diese Werte lediglich Beispielswerte darstellen, um eine Vorstellung von möglichen Größenordnungen zu geben. Gemäß Ausführungsbeispielen liegt A in einem Bereich von 10 nm bis 2000 nm. Die Dicke (t + h) der Metallschicht 34-1 liegt bei Ausführungsbeispielen in einem Bereich von 30 nm bis 2500 nm, bevorzugt in einem Bereich von 350 nm bis 550 nm. Die Höhe h der Vertiefung ist natürlich kleiner als die Dicke (t + h) der Metallschicht 34-1 und liegt bei Ausführungsbeispielen in einem Bereich überhalb von (t + h)/2. Das Flächenverhältnis der Fläche der Öffnung 18 zu der Fläche des gesamten Elements 40 ist bei Ausführungsbeispielen kleiner als 0.3.The period A which allows the highest transmission depends inter alia on the thickness (t + h) of the structured metal layer 34-1 from. For a resonance wavelength λ _res of 650 nm, the width or the diameter b of the opening could 18 For example, be selected to 100 nm. the area ratio of the area of the opening 18 to the surface of the entire element 40 could be, for example, 0.01 and A could be chosen to be 90 nm and t to 20 nm. At this point, it should be emphasized that these values represent only example values to give an idea of possible To give orders of magnitude. According to embodiments, A is in a range of 10 nm to 2000 nm. The thickness (t + h) of the metal layer 34-1 In embodiments, it is in a range of 30 nm to 2500 nm, preferably in a range of 350 nm to 550 nm. The height h of the recess is of course smaller than the thickness (t + h) of the metal layer 34-1 and in embodiments lies in a range above (t + h) / 2. The area ratio of the area of the opening 18 to the surface of the entire element 40 is less than 0.3 in embodiments.

Eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Strukturelements 40 ist in 13 gezeigt. Sie zeigt eine Möglichkeit, die Rillen des Strukturelements zu erzeugen, die beispielsweise auch in CMOS-Prozessen implementierbar ist, wofür in 2 exemplarisch ein Beispiel gezeigt wurde.A side view of another embodiment of a structural element 40 is in 13 shown. It shows a possibility of generating the grooves of the structural element, which can also be implemented in CMOS processes, for example, in which 2 an example was shown as an example.

13 zeigt ein Strukturelement bzw. eine Metallstruktur 40, welche(s) eine erste strukturierte Metallschicht 34-1 und eine zweite strukturierte Metallschicht 34-2 mit einem dazwischenliegenden Dielektrikum 36-1 umfasst, durch welches sich wiederum metallische Durchkontaktierungen 52 erstrecken. Die erste strukturierte Metallschicht 34-1 weist eine Subwellenlängenöffnung 18 auf. Die darüber liegenden Durchkontaktierungen 52 und die zweite strukturierte Metallschicht 34-2 sind jeweils strukturiert, um zusammen die periodischen Vertiefungen 42, Erhöhungen 44 und die Subwellenlängenöffnung 18 zu bilden. D. h. an Orten von Vertiefungen 42 und der Subwellenlängenöffnung 18 wurde sowohl Metall der zweiten strukturierten Metallschicht 34-2 entfernt. An Orten der Erhöhungen 44 wurde das Metall der zweiten strukturierten Metallschicht 34-2 nicht entfernt, und die Durchkontaktierungen 52 können dort lateral deckungsgleich mit dem Metall der zweiten Metallstruktur 34-2 in beispielsweise Ringen gebildet sein. Das Metall der Durchkontaktierungen 52 kann zu dem Metall der Metallschichten 34-1 und 34-2 gleich sein oder unterschiedlich. Das Dielektrikum 36-1 füllt sowohl den Zwischenraum in der Öffnung 18 als auch in den entstehenden Rillen bzw. Vertiefungen 42. In der Herstellung wird beispielsweise zunächst die Metallschicht 34-1 aufgebrecht und strukturiert, woraufhin die Durchkontaktierungen an den entsprechenden Stellen gebildet werden. Daraufhin wird dann beispielsweise ein erster Teil des Dielektrikums aufgebracht, um die bis dahin entstandenen Vertiefungen zu füllen, woraufhin wieder die zweite Metallschicht 34-2 aufgebracht und strukturiert wird. 13 shows a structural element or a metal structure 40 which (s) a first structured metal layer 34-1 and a second patterned metal layer 34-2 with an intervening dielectric 36-1 includes, which in turn metallic vias 52 extend. The first structured metal layer 34-1 has a sub-wavelength opening 18 on. The overlying vias 52 and the second patterned metal layer 34-2 are each structured to put together the periodic pits 42 , Raises 44 and the sub-wavelength opening 18 to build. Ie. in places of pits 42 and the sub-wavelength opening 18 Both metal was the second structured metal layer 34-2 away. In places of elevations 44 became the metal of the second structured metal layer 34-2 not removed, and the vias 52 can laterally congruent with the metal of the second metal structure 34-2 be formed in, for example, rings. The metal of the vias 52 can become the metal of the metal layers 34-1 and 34-2 be the same or different. The dielectric 36-1 fills both the gap in the opening 18 as well as in the resulting grooves or depressions 42 , In the production, for example, first the metal layer 34-1 up and structured, whereupon the vias are formed at the appropriate locations. Then, for example, a first part of the dielectric is applied to fill the hitherto formed wells, whereupon again the second metal layer 34-2 applied and structured.

Ein entsprechender Aufbau eines Strukturelements 40 mit mehr als zwei strukturierten Metallschichten und mehr als einer Durchkontaktierungsebene 36-1 ist natürlich ebenso denkbar. Ferner sei erneut darauf hingewiesen, dass die Rillen bzw. Vertiefungen und Vorsprünge bzw. Erhöhungen natürlich nicht ringförmig sein müssen sondern auch andere laterale Formen möglich sind, wie z. B. geradlinige Verläufe, wie sie in 6 gezeigt sind, aber auch andere, wie z. B. rechteckige.A corresponding structure of a structural element 40 with more than two structured metal layers and more than one via level 36-1 is of course also conceivable. It should also be noted again that the grooves or depressions and projections or elevations of course need not be annular but also other lateral shapes are possible, such. B. rectilinear courses, as in 6 are shown, but others, such. B. rectangular.

Strukturierte Metallschichten gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung lassen sich im Rahmen von CMOS-Technologie beispielsweise mittels nicht vollständig oder vollständig durchgeätzter Metallschichten realisieren. Auch bei sich ändernden Prozessparametern kann die Strukturperiode A konstant gehalten werden.Structured metal layers according to embodiments of the present invention can be realized within the framework of CMOS technology, for example by means of metal layers which are not completely or completely etched through. Even with changing process parameters, the structure period A can be kept constant.

In 7 ist der fokussierende Effekt bzw. der Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt der strukturierten Metallschicht 34-1 gemäß Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt.In 7 is the focusing effect or the plasmon-polariton resonance effect of the structured metal layer 34-1 shown schematically according to embodiments.

Die elektromagnetische Strahlung 12 trifft zunächst auf die ganze Fläche des Strukturelements 40. Aufgrund des Plasmon-Polaritron-Resonanz-Effekts konzentriert sich die elektromagnetische Strahlung der Resonanzwellenlänge λ_res bzw. des Resonanzwellenlängenbereichs in der Nähe der Subwellenlängenöffnung 18, tritt durch diese hindurch, breitet sich in Richtung Pixelsensor 14 aus, und trifft schließlich auf den Pixelsensor bzw. die Photodiode 14. Dabei ist gemäß Ausführungsbeispielen der Abstand d zwischen der Metallschicht 34-1 und der Photodiode 14 kleiner als die Resonanzwellenlänge λ_res beispielsweise kleiner als 3 μm.The electromagnetic radiation 12 first applies to the entire surface of the structural element 40 , Due to the plasmon polaritron resonance effect, the electromagnetic radiation concentrates the resonance wavelength λ _res or the resonance wavelength range in the vicinity of the sub-wavelength opening 18 , passes through them, spreads towards the pixel sensor 14 and finally hits the pixel sensor or photodiode 14 , In this case, according to embodiments, the distance d between the metal layer 34-1 and the photodiode 14 smaller than the resonance wavelength λ _res, for example, less than 3 microns.

In 8 ist ein Transmissionverhältnis dreier unterschiedlicher Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ für ein Verhältnis b/B = 0.01 dargestellt. Dabei ist die Transmissionsleistung jeweils logarithmisch dargestellt.In 8th a transmission ratio of three different wavelengths λ ₁ , λ ₂ and λ ₃ for a ratio b / B = 0.01 is shown. The transmission power is shown logarithmically.

Wie sich aus 8 erkennen lässt, entspricht λ₁ zumindest näherungsweise der Resonanzwellenlänge λ_res der gemäß Ausführungsbeispielen strukturierten Metallschicht. Die Subwellenlängenöffnung 18 bzw. deren Breite oder Durchmesser b ist vorzugsweise kleiner als die Resonanzwellenlänge λ_res. B kann theoretisch sehr groß gewählt werden, praktisch verkleinert sich die elektromagnetische Feldstärke für die Resonanzwellenlänge λ_res aufgrund einer Rauhheit einer Oberfläche der strukturierten Metallschicht. Bei diesen Größenverhältnissen (b/B = 0.01) liegt das Flächenverhältnis der Fläche der Öffnung 18 zu der Fläche des gesamten Elements 40 bei 1:10.000, d. h. ohne Resonanzeffekt wird die einfallende elektromagnetische Strahlung 12 bzw. das einfallende Licht, um ca. 40 dB gedämpft. Bei der Resonanzwellenlänge λ_res dagegen liegt eine Dämpfung bei weniger als 10 dB vor.As it turned out 8th reveals, λ ₁ corresponds at least approximately to the resonance wavelength λ _{res of} the structured according to embodiments metal layer. The subwavelength aperture 18 or whose width or diameter b is preferably smaller than the resonance wavelength λ _res . B can theoretically be chosen to be very large, in practice the electromagnetic field strength for the resonance wavelength λ _{res is} reduced due to a roughness of a surface of the structured metal layer. With these size ratios (b / B = 0.01), the area ratio of the area of the opening is 18 to the surface of the entire element 40 at 1: 10,000, ie without resonance effect is the incident electromagnetic radiation 12 or the incident light, attenuated by about 40 dB. By contrast, at the resonant wavelength λ _res , attenuation is less than 10 dB.

Aus der in 8 gezeigten Transmission für die drei Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ normiert auf λ₁, lässt sich erkennen, dass bei einer Verwendung von strukturierten Metallschichten gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine sehr gute spektrale Trennung zwischen verschiedenen Farbkanälen möglich ist. Es sind gute Dämpfungen für ungewünschte Spektralwerte mit steilen spektralen Flanken möglich.From the in 8th shown transmission for the three wavelengths λ ₁ , λ ₂ and λ ₃ normalized to λ ₁ , it can be seen that in a use of structured metal layers according to Embodiments of the present invention, a very good spectral separation between different color channels is possible. Good attenuation for unwanted spectral values with steep spectral edges is possible.

In der Praxis kann es vorkommen, dass die geometrischen Abmessungen, insbesondere die Ausdehnung B, eines einzelnen Strukturelements 40 kleiner sind als Abmessungen einer darunter liegenden Photodiode 14. In diesem Fall kann ein integrierter Sensor realisiert werden, indem anspruchsgemäß in einer Metallschicht eine Mehrzahl von Strukturelementen 40 angeordnet wird, so dass eine Photodiode von der strukturierten Metallschicht vollständig abgedeckt werden kann. Dieser Zusammenhang ist exemplarisch in 9 gezeigt.In practice, it may happen that the geometric dimensions, in particular the extent B, of a single structural element 40 smaller than dimensions of an underlying photodiode 14 , In this case, an integrated sensor can be realized by claiming in a metal layer a plurality of structural elements 40 is arranged so that a photodiode of the structured metal layer can be completely covered. This connection is exemplary in 9 shown.

9 zeigt eine Draufsicht auf eine strukturierte Metallschicht 34-1 mit vier Strukturelementen 40. 9 shows a plan view of a structured metal layer 34-1 with four structural elements 40 ,

Die vier dargestellten Strukturelemente können gemäß Ausführungsbeispielen identisch ausgeführt sein. Das heißt, die Subwellenlängenöffnungen 18 und die zylindrischen Strukturen bzw. Rillen weisen jeweils die gleichen Abmessungen auf. Dadurch wird es genau einer Resonanzwellenlänge λ_res bzw. einem Resonanzwellenlängenbereich ermöglicht, sich durch den Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt bis hin zu dem unter der Metallschicht 34-1 liegenden Pixelsensor bzw. der Photodiode 14 auszubreiten.The four structural elements shown can be made identical according to embodiments. That is, the sub-wavelength openings 18 and the cylindrical structures or grooves each have the same dimensions. As a result, precisely one resonance wavelength λ _res or one resonance wavelength range is made possible by the plasmon-polariton resonance effect up to that under the metal layer 34-1 lying pixel sensor or the photodiode 14 spread.

Dabei weisen benachbarte Ringe eine unterschiedliche Höhe auf. Das heißt, die Vertiefungen 42 liegen tiefer als die Erhöhungen 44.In this case, adjacent rings have a different height. That is, the wells 42 are lower than the elevations 44 ,

Nachdem im Vorhergehenden Aufbau und Funktionsweise von integrierten Sensorelementen gemäß Ausführungsbeispielen eingehend beschrieben wurden, soll im Nachfolgenden noch auf integrierte Farbsensoren bzw. Farbarrays auf Basis der integrierten Sensorelemente eingegangen werden. Dazu zeigt 12 exemplarisch eine Draufsicht auf eine strukturierte Metallschicht 34-1 mit drei Strukturelementen 40-1 bis 40-3.After detailed descriptions have been given in the preceding structure and mode of operation of integrated sensor elements according to exemplary embodiments, integrated color sensors or color arrays based on the integrated sensor elements will be discussed below. In addition shows 12 exemplarily a plan view of a structured metal layer 34-1 with three structural elements 40-1 to 40-3 ,

Die in 12 gezeigten Strukturelemente 40-1 bis 40-3 könnten jeweils auf einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich bzw. eine unterschiedliche Resonanzwellenlänge λ_res abgestimmt sein, wobei in diesem Fall jedem Strukturelement ein separater Pixelsensor zum Detektieren der jeweiligen Resonanzwellenlänge λ_res zugeordnet wird. Beispielsweise könnte ein erstes Strukturelement 40-1 auf eine Wellenlänge aus dem roten Spektralbereich, ein zweites Strukturelement 40-2 auf eine Wellenlänge aus dem grünen Spektralbereich und ein drittes Strukturelement 40-3 auf eine Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich eingestellt sein, usw.. Die Strukturelemente 40 der strukturierten Metallschicht sind bei einem Farbsensor also auf die jeweiligen Spektralbereiche bzw. Wellenlängen abgestimmt. Dasselbe gilt ebenfalls für die Öffnungen 18-1 bis 18-3. Dabei ist zu bemerken, dass natürlich auch mehrere benachbarte Strukturelemente 40 eines Farbsensors auf eine bestimmte Wellenlänge bzw. einen Farbkanal eingestellt sein können, wenn es die Abmessungen einer Fotodiode erforderlich machen, so wie es im Vorhergehen bereits erläutert wurde. D. h. für jeden Farbkanal könnte beispielsweise eine Anordnung mit mehreren identischen Strukturelementen gemäß 9 vorgesehen sein.In the 12 shown structural elements 40-1 to 40-3 each could be tuned to a different wavelength range or a different resonant wavelength λ _res , in which case each structural element is assigned a separate pixel sensor for detecting the respective resonant wavelength λ _res . For example, a first structural element could 40-1 to a wavelength from the red spectral range, a second structural element 40-2 to a wavelength from the green spectral range and a third structural element 40-3 be set to a wavelength from the blue spectral range, etc .. The structural elements 40 The structured metal layer are thus matched to the respective spectral ranges or wavelengths in a color sensor. The same also applies to the openings 18-1 to 18-3 , It should be noted that, of course, several adjacent structural elements 40 a color sensor can be set to a particular wavelength or a color channel, if required by the dimensions of a photodiode, as already explained above. Ie. For each color channel, for example, an arrangement with several identical structural elements according to 9 be provided.

Wie es im Vorhergehenden bereits erläutert wurde, kann ein Bauteil bzw. Sensorelement beispielsweise durch Adaption der jeweiligen Strukturelemente 40 auf eine vorbestimmte Resonanzfrequenz λ_res eingestellt werden. In dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel können somit die Strukturelemente 40 benachbarter Sensorelemente unterschiedliche Radien der Ringe aufweisen. Des Weiteren können die Abmessungen der Lochöffnungen 18-1, 18-2 und 18-3 variieren.As has already been explained above, a component or sensor element, for example, by adaptation of the respective structural elements 40 be set to a predetermined resonant frequency λ _res . In the in 12 embodiment shown thus can the structural elements 40 adjacent sensor elements have different radii of the rings. Furthermore, the dimensions of the hole openings 18-1 . 18-2 and 18-3 vary.

Ausführungsbeispiele umfassen also einen integrierten Farbsensor mit einer Mehrzahl von integrierten Sensorelementen, wobei die strukturierten Metallschichten bzw. Strukturelemente 40 der integrierten Sensorelemente ausgebildet sind, um ansprechend auf elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Durchlasswellenlängenbereiche durch den Plasmon-Polariton-Effekt für den jeweiligen Durchlasswellenlängenbereich eine höhere Transmission durch die jeweilige Metallschicht zu dem jeweiligen Pixelsensor zu ermöglichen als für den jeweiligen Durchlasswellenlängenbereich umgebende Wellenlängen.Exemplary embodiments thus include an integrated color sensor with a plurality of integrated sensor elements, the structured metal layers or structural elements 40 the integrated sensor elements are designed to allow a higher transmission through the respective metal layer to the respective pixel sensor in response to electromagnetic radiation of different transmission wavelength ranges by the plasmon-polariton effect for the respective transmission wavelength range than for the wavelengths surrounding the respective transmission wavelength range.

Zusammenfassend umfasst die vorliegende Erfindung also ein integriertes Bauteil, welches als Sensorelement bzw. Farbsensor für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs eingesetzt werden kann. Das integrierte Bauteil beruht auf dem Plasmon-Polariton-Resonanz-Effekt und kann im Rahmen von herkömmlichen CMOS-Prozessen hergestellt werden.In summary, the present invention thus comprises an integrated component which can be used as a sensor element or color sensor for electromagnetic radiation of a predetermined wavelength range. The integrated component is based on the plasmon-polariton resonance effect and can be produced in the context of conventional CMOS processes.

Die Farbe eines Objekts ist ein guter Indikator zur Qualitätskontrolle bei verschiedenen Fertigungsprozessen. Ein großes Anwendungsfeld für die vorliegende Erfindung sind beispielsweise Farbfilter, die direkt in einem Pixel eines Bildsensors integriert sind. Mikrobildsensoren mit einem bestimmten Filtereffekt (z. B. Nachbildung der Farbempfindlichkeit des Auges) sind ebenfalls interessante Anwendungsmöglichkeiten.The color of an object is a good indicator of quality control in various manufacturing processes. A large field of application for the present invention are, for example, color filters which are integrated directly in a pixel of an image sensor. Micro-image sensors with a specific filter effect (eg replication of the color sensitivity of the eye) are also interesting applications.

Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung besteht die Möglichkeit, im Rahmen eines CMOS-Prozesses eine Photodiodenzeile zu realisieren, so dass für jede einzelne Photodiode ein entsprechender schmalbandiger Filter für einen bestimmten Spektralbereich aufgebaut wird, und sich ein Effekt wie durch ein dispersives Element (Prisma oder Gitter) in der Spektroskopie ergibt.By means of exemplary embodiments of the present invention, it is possible to realize a photodiode array in the context of a CMOS process, so that a corresponding narrowband filter for a specific spectral range is built up for each individual photodiode, and an effect as by a dispersive element (prism or lattice) in spectroscopy.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die jeweiligen beschriebenen Bauteile oder die erläuternden Vorgehensweisen beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn in der Beschreibung und in den Ansprüchen die Anzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, beziehen sich diese auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutlich etwas anderes deutlich macht.Finally, it should be understood that the present invention is not limited to the particular components described or the illustrative procedures, as these components and methods may vary. The terms used herein are intended only to describe particular embodiments and are not intended to be limiting. When the number or indefinite articles are used in the specification and claims, they also refer to the majority of these elements unless the context as a whole clearly indicates otherwise.

Claims

CMOS technology integrated sensor element ( 10 ), with a pixel sensor ( 14 ); and a metal structure ( 16 ; 34-1 ) responsive to electromagnetic radiation ( 12 ) of a predetermined pass-wavelength range allows a plasmon-polariton resonance effect, the metal structure ( 16 ; 34-1 ) is patterned in a CMOS metal layer, and wherein the pixel sensor ( 14 ) and the metal structure ( 16 ; 34-1 ) together on a semiconductor substrate ( 30 ) are integrated, so that due to the plasmon-polariton resonance effect for the transmission wavelength range, a higher transmission through the metal structure ( 16 ; 34-1 ) to the pixel sensor ( 14 ) results in wavelengths surrounding the transmission wavelength range, the CMOS metal layer being a lowermost, the pixel sensor (FIG. 14 ) is the closest CMOS metal layer, the metal structure ( 12 ; 34-1 ) has a plurality of plasmon-polariton resonance effect enabling structures for detecting the pixel sensor ( 14 ), with each structure enabling the plasmon-polariton resonance effect to have an opening ( 18 ) having subwavelength dimension, wherein the aperture ( 18 ) of periodically arranged grooves ( 42 . 44 ) around the opening ( 18 ), which have dimensions and distances from one another which are suitable for the predetermined wavelength range in the metal structure ( 34-1 ) to produce the plasmon-polariton resonance effect, or the opening ( 18 ) is linear and has a width (b) smaller than a wavelength of the predetermined wavelength range, and in which the grooves ( 42 . 44 ) extend at least approximately parallel to the opening.

Integrated sensor element according to claim 1, wherein the opening ( 18 ) and the grooves ( 42 . 44 ) are each rotationally symmetrical.

An integrated sensor element according to claim 1 or 2, wherein an area ratio of an area of the opening (FIG. 18 ) to an enclosed area of a rotationally symmetric groove around the largest diameter opening (B) is less than 0.2.

Integrated sensor element according to one of claims 1 to 3, wherein a ratio of the area (b) of the linear opening ( 18 ) to one (B) of two furthest from the opening ( 18 ) Distant parallel grooves spanned area is less than 0.2.

Integrated sensor element according to one of the preceding claims, in which the pixel sensor ( 14 ) at a distance (d) from the metal structure ( 34-1 ) which is smaller than a wavelength of the predetermined wavelength range.

Integrated sensor element according to claim 5, wherein the distance (d) is less than 20 microns and preferably less than 8 microns.

An integrated sensor element according to any one of the preceding claims, wherein the pixel sensor is a PN junction sensor.

An integrated sensor element according to any one of the preceding claims, wherein the pixel sensor comprises a photodiode.

An integrated sensor element according to any one of the preceding claims, wherein the predetermined wavelength range is light.

Integrated color sensor, comprising a plurality of integrated sensor elements according to one of the preceding claims, wherein the metal structures ( 12 ; 34-1 ) of the integrated sensor elements are formed, in response to electromagnetic radiation of different transmission wavelength ranges by the plasmon-polariton effect for the respective transmission wavelength range, a higher transmission through the respective metal layer ( 12 ; 34-1 ) to the respective pixel sensor ( 14 ) as wavelengths surrounding the respective transmission wavelength range.

Method for producing an integrated sensor element, comprising the following steps: generating a pixel sensor ( 14 ) on a substrate surface of a substrate ( 30 ); and Applying a metal structure ( 34-1 ) in a CMOS metal layer, the metal structure ( 34-1 ) in response to electromagnetic radiation ( 12 ) allows a plasmon-polariton resonance effect of a predetermined pass-wavelength range, so that a higher transmission through the metal structure due to the plasmon-polariton resonance effect for the transmission wavelength range ( 12 ; 34-1 ) to the pixel sensor ( 14 wavelengths surrounding the pass-wavelength region, wherein the generating and applying are parts of a CMOS process, the CMOS metal layer being a lowermost pixel sensor ( 14 ) is the closest CMOS metal layer, the metal structure ( 12 ; 34-1 ) has a plurality of plasmon-polariton resonance effect enabling structures for detecting the pixel sensor ( 14 ), with each structure enabling the plasmon-polariton resonance effect to have an opening ( 18 ) having subwavelength dimension, wherein the aperture ( 18 ) of periodically arranged grooves ( 42 . 44 ) around the opening ( 18 ), which have dimensions and distances from one another which are suitable for the predetermined wavelength range in the metal structure ( 34-1 ) to produce the plasmon-polariton resonance effect, or the opening ( 18 ) is linear and has a width (b) smaller than a wavelength of the predetermined wavelength range, and in which the grooves ( 42 . 44 ) extend at least approximately parallel to the opening.

The method according to claim 11, wherein, in the application, the metal structure is transformed into a lowermost pixel sensor ( 14 ) is patterned nearest to the CMOS metal layer.

Method according to one of claims 11 or 12, wherein the application of the metal structure ( 34-1 ) structuring an opening ( 18 ) with sub-wavelength dimensions and with periodically arranged grooves ( 42 . 44 ) around the opening ( 18 ), wherein the grooves ( 42 . 44 ) Have dimensions and distances from one another which are suitable for the predetermined wavelength range in the metal structure ( 34-1 ) to produce the plasmon-polariton resonance effect.