DE102007042359B4 - Reflexions-CMOS-Bildsensor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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Abstract

Verfahren, umfassend: Ausbilden einer Kerbe (A) auf einem Halbleitersubstrat (100), wobei die Kerbe (A) eine schräge Oberfläche (220), die in Bezug auf die oberste Oberfläche des Substrats (100) geneigt ist, und eine Lichtempfangsoberfläche (240) aufweist, die senkrecht zur obersten Oberfläche des Halbleitersubstrats ist, wobei das Substrat (100) einen Bauelement bildenden Bereich (B) neben der Lichtempfangsoberfläche (240) aufweist; Ausbilden einer Reflexionsschicht (260) über der schrägen Oberfläche (220); Ausbilden einer Vielzahl von Fotodioden (320, 340, 360), die senkrecht zur obersten Oberfläche des Substrats (100) im Bauelement bildenden Bereich (B) sind; und Ausbilden von mindestens einem MOS-Transistor (400, 420, 440) über dem Bauelement bildenden Bereich (B).

Description

  • HINTERGRUND
  • Ein Bildsensor ist ein Halbleiterbauelement, das dazu verwendet wird, vom Bildsensor detektierte optischer Bilder in elektrische Signale umzuwandeln. Bildsensoren können als eine ladungsgekoppelte (CCD) Einrichtung und als ein Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) klassifiziert werden.
  • Ein CMOS-Bildsensor ist mit einer Vielzahl von MOS-Transistoren ausgestattet, die Bildpunkte eines Halbleiterbauelements entsprechen, das eine Steuerschaltung und eine Signalverarbeitungsschaltung als periphere Schaltungen aufweist. Die Steuerschaltung und die Signalverarbeitungseinheit können miteinander integriert sein, um ein Schaltverfahren anzuwenden, das eine Ausgabe durch die MOS-Transistoren feststellt.
  • Ein CMOS-Bildsensor kann mit einer Vielzahl von Bildpunkteinheiten ausgestattet sein, wobei jede Bildpunkteinheit eine Lichtmesseinrichtung wie zum Beispiel eine Fotodiode sowie eine Vielzahl von MOS-Transistoren umfasst.
  • Wie im Beispiel von 1 dargestellt, umfasst ein CMOS-Bildsensor eine Vielzahl von Fotodioden 22, 24 und 26, die durch wiederholte Ausführung von Ionenimplantation und eines Prozesses zum epitaktischen Aufwachsen von Silizium auf und/oder über dem Siliziumsubstrat 10 ausgebildet werden. Die Fotodioden 22, 24 und 26 sind so gestaltet, dass sie rotes, grünes und blaues Licht detektieren. Eine Ionenimplantationsschicht für eine rote Fotodiode 22 kann im Substrat 10 ausgebildet sein und eine erste Silizium-Epitaxieschicht 12 kann darauf und/oder darüber ausgebildet sein. Eine grüne Fotodiode 24 kann in der ersten Epitaxieschicht 12 unter Verwendung eines Ionenimplantationsprozesses ausgebildet werden. Ein Plug 42 zum Kontaktieren der raten Fotodiode 22 kann in einem Teil der ersten Epitaxieschicht 12 ausgebildet sein. Unter Verwendung eines Prozesses zum epitaktischen Aufwachsen von Silizium wird die zweite Silizium-Epitaxieschicht 14 ausgebildet und die blaue Fotodiode 26 wird in der zweiten Sillzium-Epitaxieschicht 14 ausgebildet. Ein Plug 46 zum Kontaktieren der grünen Fotodiode 24 und ein Plug 44 zum Kontaktieren der roten Fotodiode 22 können ausgebildet sein. Die Vielzahl of MOS-Transistoren zum Übertragen der von den Fotodioden 22, 24 und 26 detektierten optischen Ladungen kann auf und/oder über der zweiten Silizium-Epitaxieschicht 14 ausgebildet sein. Jeder der Vielzahl von MOS-Transistoren kann Gate 30, Gate-Isolierschicht 32 und Spacer 34 umfassen.
  • Da die jeweiligen Größen der roten Fotodiode 22 und der grünen Fotodiode 24 größer als die blaue Fotodiode 26 sind und die Transistoren zum Übermitteln von Signalen auf einer obersten Schicht angeordnet sind, wird nur die Größe der blauen Fotodiode 26 eine wesentliche Lichtempfangsfläche. Folglich kann die wesentliche Lichtempfangsfläche kleiner sein als die der Fotodioden. Die Plugs 42, 44 und 46 für die Verarbeitung des Signals der roten Fotodiode 22 oder der grünen Fotodiode 24 können durch den Ionenimplantationsprozess ausgebildet werden. Doch wenn Licht ausgestrahlt wird, kann aufgrund der Plugs Rauschen im Signal erzeugt werden. Die Fotodioden 22, 24 und 26 können separat ausgebildet sein, um Störungen zwischen ihnen zu verhindern. Eine zusätzliche Ionenimplantationsschicht zum Isolieren der Fotodioden 22, 24 und 26 kann in jeder Epitaxieschicht 12 und 14 ausgebildet sein.
  • In der US 2006/0081890 A1 ist ein Bildsensor beschrieben, bei dem an einer schrägen Fläche innerhalb eines Grabens in einer Halbleiterschichtanordnung Licht reflektiert wird und dann in eine neben der Reflektionsschicht liegende Fotodiode einfällt. Oberhalb der schrägen Oberfläche befinden sich noch weitere planare Schichten der Halbleiterstruktur.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ausführungsformen betreffen einen Reflexions-CMOS-Bildsensor, der eine Struktur mit erhöhtem Lichtreflexionsvermögen aufweist.
  • Ausführungsformen betreffen einen CMOS-Bildsensor, der ein Halbleitersubstrat enthalten kann, das einen Kerbenbereich mit einer schrägen Oberfläche und mit einer zum Halbleitersubstrat im Wesentlichen senkrechten Lichtempfangsoberfläche sowie einen einen Transistor bildenden Bereich aufweist, der auf einer Seite der Lichtempfangsoberfläche des schrägen Kerbenbereichs festgelegt ist; eine Reflexionsschicht, die selektiv auf der schrägen Oberfläche des schrägen Kerbenbereichs ausgebildet sein kann; eine Vielzahl von zur Oberfläche des Substrats im Wesentlichen senkrechten und in dem den Transistor bildenden Bereich voneinander beabstandeten Fotodioden; und mindestens einen auf und/oder über der Oberfläche des den Transistor bildenden Bereichs ausgebildeten MOS-Transistor.
  • ZEICHNUNGEN
  • Das Beispiel von 1 stellt einen CMOS-Bildsensor dar.
  • Die Beispiele von 2A bis 2D veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung des CMOS-Bildsensors gemäß Ausführungsformen.
  • BESCHREIBUNG
  • Wie in den Beispielen von 2A und 2B dargestellt, enthält ein CMOS-Bildsensor ein Silizium-Halbleitersubstrat 100 mit mindestens einer Kerbe A. Die Kerbe A kann aus zwei gesonderten Oberflächenbereichen gebildet sein: aus einer schrägen Oberfläche 220 und aus einer Lichtempfangsoberfläche 240. Der Bauelement bildende Bereich B, der an einer oberen Oberfläche von Substrat 100 festgelegt ist und an die Lichtempfangsoberfläche 240 der schrägen Kerbe A angrenzt. Die schräge Oberfläche 220 kann so gestaltet sein, dass sie sich im Wesentlichen mit einer Neigung gegenüber der Oberfläche von Substrat 100 erstreckt. Eine Reflexionsschicht 260 kann selektiv auf und/oder über der schrägen Oberfläche 220 ausgebildet sein. Die Reflexionsschicht 260 kann aus einer Metallschicht gebildet sein, die sichtbares Licht reflektiert.
  • Gemäß Ausführungsformen kann die schräge Oberfläche 220 einen Winkel von ungefähr 45 Grad zur Oberfläche des Substrats haben, so dass das von der Reflexionsschicht 260 reflektierte Licht auf die Lichtempfangsoberfläche 240 gelenkt wird. Die Lichtempfangsoberfläche 240 kann so gestaltet sein, dass sie sich im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Substrats 100 erstreckt.
  • Eine Vielzahl von Fotodioden 320, 340 und 360 kann auf und/oder über dem Bauelement bildenden Bereich B vorgesehen sein. Fotodioden 320, 340 und 360 können voneinander beabstandet und im Wesentlichen senkrecht zur obersten Oberfläche des Substrats 100 vorgesehen sein. Die Vielzahl von Fotodioden kann eine blaue Fotodiode 320, eine grüne Fotodiode 340 und eine rote Fotodiode 360 umfassen. Die blaue Fotodiode 320, die grüne Fotodiode 340 und die rote Fotodiode 360 können aufeinanderfolgend neben der Lichtempfangsoberfläche 240 ausgebildet sein. Da blaues Licht eine geringe Eindringtiefe hat und rotes Licht eine große Eindringtiefe hat, kann die blaue Fotodiode 320 in einer am nächsten zur Lichtempfangsoberfläche 240 liegenden Position ausgebildet sein und die rote Fotodiode 360 kann in einer am weitesten von der Lichtempfangsoberfläche 240 entfernten Position ausgebildet sein.
  • Mindestens ein MOS-Transistor, der Gate-Elektrode 400, Spacer 420 und Gate-Isolierschicht 440 enthält, kann auf und/oder über der Oberfläche von Substrat 100 im Bauelement bildenden Bereich B ausgebildet sein.
  • Wie im Beispiel von 2A dargestellt, kann gemäß Ausführungsformen das Silizium-Halbleitersubstrat 100 vorbereitet werden und bestimmte Bereiche des Substrats 100 können geätzt werden, um die Kerbe A auszubilden. Die Fotodioden 320, 340 und 360 und eine Vielzahl von MOS-Transistoren können im Bauelement bildenden Bereich B ausgebildet sein. Die schräge Kerbe A kann zwei Oberflächen umfassen: die schräge Oberfläche 220 und die Lichtempfangsoberfläche 240. Die schräge Oberfläche 220 kann einen Winkel von ungefähr 45 Grad zur obersten Oberfläche des Substrats 100 haben und die Lichtempfangsoberfläche 240 kann im Wesentlichen senkrecht zur obersten Oberfläche des Substrats 100 sein.
  • Wie im Beispiel von 2B dargestellt, kann die Reflexionsschicht 260 selektiv auf und/oder über der schrägen Oberfläche 220 ausgebildet werden, indem eine Metallschicht mit einem ausgezeichneten Reflexionsvermögen gegenüber sichtbarem Licht auf und/oder über der gesamten Oberfläche von Substrat 100 abgeschieden und die Oberfläche des Substrats 100 poliert wird, um die Metallschicht zu entfernen. Die Oberfläche von Substrat 100 kann unter Verwendung eines chemisch-mechanischen Polierverfahrens poliert werden.
  • Gemäß Ausführungsformen kann die Reflexionsschicht 220 alternativ ausgebildet werden, indem unter Verwendung eines fotolithografischen Prozesses eine Fotolackschichtstruktur auf und/oder über dem Bauelement bildenden Bereich B ausgebildet wird, eine Metallschicht auf und/oder über der Fotolackschichtstruktur abgeschieden wird und die Fotolackschichtstruktur entfernt wird.
  • Wie im Beispiel von 2C dargestellt, kann ein Ionenimplantationsprozess wiederholt auf und/oder über dem Bauelement bildenden Bereich B ausgeführt werden, um die Fotodioden 320, 340 und 360 auszubilden. Der Ionenimplantationsprozess kann unter Verwendung einer Ionenimplantationsenergie ausgeführt werden, die so eingestellt wird, dass die Ionenimplantationsschichten für die Fotodioden 320, 340 und 360 im Wesentlichen senkrecht zur obersten Oberfläche des Substrats 100, d. h. im Wesentlichen parallel zur Lichtempfangsoberfläche 240, ausgebildet werden. Die blaue Fotodiode 320, die grüne Fotodiode 340 und die rote Fotodiode 360 können aufeinanderfolgend beabstandet voneinander im Bauelement bildenden Bereich B neben der Lichtempfangsoberfläche 240 ausgebildet werden.
  • Wie im Beispiel von 2D dargestellt, kann mindestens ein MOS-Transistor, der Gate-Elektrode 400, Spacer 420 und Gate-Isolierschicht 440 enthält, auf der obersten Oberfläche des Bauelement bildenden Bereichs B von Substrat 100 ausgebildet sein. Ein vorbestimmter Plug kann elektrisch mit den Fotodioden 320, 340 und 360 verbunden sein und der mindestens eine MOS-Transistor kann so ausgebildet sein, dass er von den Fotodioden 320, 340 und 360 erzeugte Signale überträgt. Dadurch kann Licht, das senkrecht in das Substrat 100 eingegeben wird, von der Reflexionsschicht 260 mit ungefähr 90 Grad reflektiert werden, und das reflektierte Licht wird von der Lichtempfangsoberfläche 240 empfangen und auf die Fotodioden 320, 340 und 360 gerichtet, wo es dann in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
  • Gemäß Ausführungsformen wird ein CMOS-Bildsensor bereitgestellt, der einfallendes Licht mit ungefähr 90 Grad reflektiert und das Licht in eine Vielzahl von Fotodioden eingibt, wobei ein Hindernis zum Blockieren des Lichts auf den Fotodioden ausgebildet sein kann. Demgemäß ist es möglich, das Ausbilden eines Bauelements mit einem Laminataufbau zu vereinfachen, der die Gesamtfläche zum Empfangen einfallenden Lichts vergrößern kann. Da die Fotodioden und die MOS-Transistoren auf einem kürzesten Weg verbunden werden können, sind Plugs nicht unbedingt erforderlich. Dementsprechend kann es möglich sein, die Leistungsfähigkeit des Bauelements zu erhöhen, da die Erzeugung von Rauschen in einem Signal aufgrund von mehrstufigen Plugs verhindert werden kann.

Claims (19)

  1. Verfahren, umfassend: Ausbilden einer Kerbe (A) auf einem Halbleitersubstrat (100), wobei die Kerbe (A) eine schräge Oberfläche (220), die in Bezug auf die oberste Oberfläche des Substrats (100) geneigt ist, und eine Lichtempfangsoberfläche (240) aufweist, die senkrecht zur obersten Oberfläche des Halbleitersubstrats ist, wobei das Substrat (100) einen Bauelement bildenden Bereich (B) neben der Lichtempfangsoberfläche (240) aufweist; Ausbilden einer Reflexionsschicht (260) über der schrägen Oberfläche (220); Ausbilden einer Vielzahl von Fotodioden (320, 340, 360), die senkrecht zur obersten Oberfläche des Substrats (100) im Bauelement bildenden Bereich (B) sind; und Ausbilden von mindestens einem MOS-Transistor (400, 420, 440) über dem Bauelement bildenden Bereich (B).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Reflexionsschicht (260) eine Metallschicht umfasst, die sichtbares Licht reflektiert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Vielzahl von Fotodioden eine blaue Fotodiode (320), eine grüne Fotodiode (340) und eine rote Fotodiode (360) umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die blaue Fotodiode, die grüne Fotodiode und die rote Fotodiode aufeinanderfolgend neben der Lichtempfangsoberfläche (240) ausgebildet werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die schräge Oberfläche (220) mit einem Winkel von 45 Grad zur obersten Oberfläche des Substrats (100) ausgebildet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Kerbe (A) durch Ätzen des Halbleitersubstrats (100) ausgebildet wird.
  7. Vorrichtung, umfassend: ein Halbleitersubstrat (100), das mindestens eine Kerbe (A) mit einer schrägen Oberfläche (220) und einer zur obersten Oberfläche des Halbleitersubstrats (100) senkrechten Lichtempfangsoberfläche (240) und einen Bauelement bildenden Bereich (B) neben der Lichtempfangsoberfläche (240) enthält; eine über der schrägen Oberfläche (220) ausgebildete Reflexionsschicht (260); eine Vielzahl von Fotodioden (320, 340, 360), die senkrecht zur obersten Oberfläche des Substrats (100) im Bauelement bildenden Teil (B) sind; und mindestens einen MOS-Transistor (400, 420, 440), der über dem Substrat (100) des Bauelement bildenden Teils (B) ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Reflexionsschicht (260) eine Metallschicht umfasst, die sichtbares Licht reflektiert.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Vielzahl von Fotodioden eine blaue Fotodiode (320), eine grüne Fotodiode (340) und eine rote Fotodiode (360) umfasst.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die blaue Fotodiode (320), die grüne Fotodiode (340) und die rote Fotodiode (360) aufeinanderfolgend neben der Lichtempfangsoberfläche (240) ausgebildet sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der die schräge Oberfläche (220) des Bereichs der schrägen Kerbe (A) einen Winkel von 45 Grad zur obersten Oberfläche des Substrats (100) hat.
  12. Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (100); Ausbilden von mindestens einem Kerbenbereich (A) im Halbleitersubstrat (100), wobei die Kerbe (A) eine lichtreflektierende Oberfläche (220) und eine Lichtempfangsoberfläche (240), die senkrecht zur obersten Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, aufweist; Ausbilden einer Schicht (200) über der lichtreflektierenden Oberfläche (220); aufeinanderfolgendes Ausbilden einer Vielzahl von Fotodioden (320, 340, 360) über dem Halbleitersubstrat (100); und dann Ausbilden von mindestens einem Transistor (400, 420, 440) über dem Halbleitersubstrat (100).
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die lichtreflektierende Oberfläche (220) mit einem Neigungswinkel bezogen auf die oberste Oberfläche des Halbleitersubstrats (100) ausgebildet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Neigungswinkel 45 Grad beträgt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Schicht (260) eine Metallschicht umfasst, die sichtbares Licht reflektiert.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem die Vielzahl von Fotodioden eine blaue Fotodiode (320), eine grüne Fotodiode (340) und eine rote Fotodiode (360) umfasst.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem die Vielzahl von Fotodioden eine blaue Fotodiode und eine rote Fotodiode umfasst, und bei dem die blaue Fotodiode (320) in einer am nächsten zur Lichtempfangsoberfläche (240) liegenden Position ausgebildet ist und die rote Fotodiode (360) in einer am weitesten von der Lichtempfangsoberfläche (240) entfernten Position ausgebildet ist.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem der mindestens eine Transistor (400, 420, 440) mindestens einen MOS-Transistor umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der mindestens eine MOS-Transistor eine Gate-Elektrode (400), einen Spacer (420) und eine Gate-Isolierschicht (440) umfasst.
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