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HINTERGRUND
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Ausführungsformen
der Erfindung beziehen sich auf ein Herstellungsverfahren eines
Bildsensors.
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Im
Allgemeinen ist ein Bildsensor ein Halbleiterbauteil, das optische
Bilder in elektrische Signale umwandelt. Der Bildsensor enthält eine
Mikrolinse zum Verdichten von einfallendem Licht auf einer Photodiode.
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1 und 2 sind
Querschnittansichten eines Herstellungsverfahrens eines Bildsensors
der verwandten Technik.
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Gemäß der verwandten
Technik von Herstellungsverfahren für Bildsensoren werden Photolackmuster 11 in
einer Matrix ausgebildet, wie in 1 dargestellt.
Mit Bezugnahme auf 2 wird ein Wärmebehandlungsprozess, z. B.
ein Verfließprozess, auf
den Photolackmustern 11 ausgeführt, um Mikrolinsen 11a zu
bilden.
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Die
Mikrolinsen 11a können
in einer Matrix durch die oben erwähnten Prozesse ausgebildet
werden. In diesem Fall weisen die in horizontaler Richtung benachbarten
Mikrolinsen 11a einen gegebenen Abstand „s" zwischen ihnen auf.
Die in vertikaler Richtung benachbarten Mikrolinsen 11a weisen ebenso
einen gegebenen Abstand „s" zwischen ihnen auf.
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Auf
Grund der Beschränkung
der Auflösung einer
Belichtungseinrichtung werden benachbarte Photolackmuster 11 gebildet,
die voneinander um 0,3–0,5 μm beabstandet
sind. Die benach barten Mikrolinsen 11a, die durch den Wärmebehandlungsprozess
gebildet werden, sind voneinander um 0,2–0,4 μm beabstandet.
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Ein
wichtiger Punkt bei der Herstellung eines Bildsensors ist die Erhöhung der
Empfindlichkeit des Bildsensors, d. h., die Umwandlungsrate eines
einfallenden Lichtsignals in ein elektrisches Signal. Bei der Herstellung
eines hochintegrierten Bildsensors besteht der Bedarf an Mikrolinsen
mit einem Abstand von Null, um auf Grund der Verringerung des Pixelabstands
(Pixelpitch) das auf die Photodiode einfallende Licht auf diese
Weise effizient zu führen
und/oder zu erhöhen.
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Beim
Ausbilden von Mikrolinsen zum Verdichten des einfallenden Lichts
wurden verschiedene Versuche unternommen, einen Abstand von Null
zwischen den Mikrolinsen auszubilden. Der Abstand von Null gibt
an, dass zwischen den benachbarten Mikrolinsen kein Abstand ausgebildet
ist. Begrenzungen in der Auflösung
einer Belichtungseinrichtung (z.B. eines photolithographischen Fotorepeaters)
erschweren das Bilden eines Abstands von Null zwischen den benachbarten
Mikrolinsen.
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ÜBERSICHT
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Ausführungsformen
der Erfindung bieten ein Herstellungsverfahren eines Bildsensors,
das einen Abstand von Null zwischen den benachbarten Mikrolinsen
vorsehen kann, wodurch die Empfindlichkeit eines Bildsensors verbessert
wird.
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Eine
Ausführungsform
bildet ein Herstellungsverfahren für einen Bildsensor aus, das
umfasst:
Ausbilden einer Photolackschicht auf einer Farbfilterschicht;
Belichten
der Photolackschicht zum Ausbilden eines Musters in der Photolackschicht
mit einer bestimmten Tiefe von der Oberfläche der Photolackschicht;
Erwärmen der
Photolackschicht, um Mikrolinsen-Vorstufen auszubilden; und
Ätzen der
Mikrolinsen-Vorstufen zum Bilden von Mikrolinsen.
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Eine
andere Ausführungsform
bildet ein Herstellungsverfahren für einen Bildsensor aus, das
umfasst:
Ausbilden einer Planarisierungsschicht auf einer Farbfilterschicht;
Ausbilden
einer Photolackschicht auf der Planarisierungsschicht;
Belichten
der Photolackschicht, um ein Muster in der Photolackschicht auszubilden;
Erwärmen der
Photolackschicht, um Mikrolinsens-Vorstufen auszubilden; und
Ätzen der
Mikrolinsen-Vorstufen zum Bilden von Mikrolinsen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 und 2 sind
Querschnittansichten eines Herstellungsverfahrens eines Bildsensors
der verwandten Technik.
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3 bis 6 sind
konzeptionelle Ansichten eines Herstellungsverfahrens eines Bildsensors gemäß beispielhafter
Ausführungsformen
der Erfindung.
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7 ist
eine Querschnittsansicht eines Bildsensors gemäß anderer beispielhafter Ausführungsformen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
der Beschreibung der Ausführungsformen kann,
wenn jede Schicht, die Bereiche, Muster oder Strukturen als sich „auf/darüber" oder „unter/unterhalb" befindlich beschrieben
werden, dies so gedeutet werden, dass sie sich direkt auf der anderen Schicht
oder den anderen Strukturen befinden können oder auch dazwischen liegende
Schichten, Muster oder Strukturen vorhanden sein können. Daher sollte
die Bedeutung davon gemäß dem Geist
der Ausführungsformen
und/oder dem Kontext der Offenlegung bestimmt werden.
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Im
Folgenden werden beispielhaften Ausführungsformen detailliert mit
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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3 bis 6 sind
konzeptionelle Ansichten eines Herstellungsverfahrens eines Bildsensors gemäß bestimmter
Ausführungsformen
der Erfindung.
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Mit
Bezugnahme auf 3 bis 6 wird ein
Photolackmuster 33 zum Bilden von Mikrolinsen auf einer
Farbfilterschicht 31 ausgebildet. Das Herstellungsverfahren
des Bildsensors kann weiterhin das Ausbilden eines Licht aufnehmenden
Bereichs auf einem Halbleitersubstrat umfassen, bevor die Farbfilterschicht 31 ausgebildet
wird. Eine Photodiode kann als Licht aufnehmender Bereich verwendet werden.
Die Farbfilterschicht 31 kann auch einen Blaufilter (B),
einen Grünfilter
(G) und einen Rotfilter (R) umfassen. Alternativ können die
Farbfilter aus einem Yellow-Farbfilter (Y), einem Cyan-Farbfilter
(C) und einem Magenta-Farbfilter (M) bestehen. Im Allgemeinen wird
jeder Farbfilter getrennt durch Ablagerung und photolithographische
Musterbildung (z. B. durch Belichtung und Entwicklung) ausgebildet. Danach
wird ein Belichtungsprozess durchgeführt, um ein Muster in der Photolackschicht 33 mit
einer bestimmten Tiefe von der Oberfläche der Photolackschicht 33 auszubilden.
Solch eine Einstrahlung wird in der Regel eine bestimmte Zeit durchgeführt, die
mit einer Zieldurchdringung in der Photolackschicht 33 (z.B.
bis zu einer bestimmten Tiefe) als Funktion der Zeit korreliert
ist. In der Photolackschicht 33 können benachbarte Muster (die
die nicht geätzten
Teile sein können,
die nach Ausbilden einer Vielzahl von orthogonalen Gräben in der
Photolackschicht 33 durch Entwickeln des belichteten Photolacks 33 übrigbleiben)
voneinander durch einen Abstand „t" von 0,1–0,2 μm beabstandet sein. In einigen
Fällen
kann der Abstand „t" so klein sein, wie
dies die photolithographische Ausrüstung ausbilden kann (z. B.
90, 65, 45 oder 32 nm).
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Der
Belichtungsprozess wird durchgeführt, bis
die Entwicklung des Photolackmusters 33 die Photolackschicht 33 bis
zu einer bestimmten Tiefe mit Mustern versieht, aber nicht bis zu
einer Tiefe, die gleich der Dicke des Photolackmusters 33 ist.
Zum Beispiel, wie in 3 dargestellt, ist die Tiefe
D des Grabens geringer als die Dicke T der Photolackmusters 33.
Im Allgemeinen hängt
das Verhältnis
D/T von der Zielhöhe
und Krümmung
der Mikrolinse ab, aber in verschiedenen Ausführungsformen kann das Verhältnis D/T
von etwa 1:10 bis etwa 10:1, von etwa 1:5 bis etwa 5:1 oder von
etwa 1:3 bis etwa 3:1 gehen. Beim Durchführen des Belichtungsprozesses
kann die Auflösung
der Belichtungseinrichtung verwendet werden, um Muster mit einem
relativ schmalen Abstand zu bilden.
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Wenn
zum Beispiel ein Belichtungsprozess der verwandten Technik verwendet
wird, wie oben mit Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben,
weisen die Muster einen Abstand auf, der auf Grund der Beschränkung der
Belichtungseinrichtung und der erforderlichen Tiefe der Einstrahlung
zwischen 0,3 μm
bis 0,5 μm
liegt. Gemäß der in 3 dargestellten
Ausführungsform
der Erfindung kann die Photolackschicht 33, die bis zur
gegebenen Tiefe mit Mustern versehen ist, so ausgebildet werden,
dass die benachbarten Muster voneinander durch den Abstand „t" von 0,1–0,2 μm beabstandet
sind.
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Mit
Bezugnahme auf 4 wird die Photolackschicht 33 erwärmt, um
Mikrolinsen-Vorstufen 33a zu bilden. Es kann auf eine Temperatur
erwärmt werden,
die ausreichend ist, um das Photolackmaterial in der Photolackschicht 33 verfließen zu lassen (z.
B. von etwa 120°C
bis etwa 250°C,
im Besonderen von etwa 150°C
bis etwa 200°C).
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Mit
Bezugnahme auf 5A, werden die Mikrolinsen-Vorstufen 33a geätzt, um
Mikrolinsen 33b auszubilden. Der Ätzprozess auf den Mikrolinsen-Vorstufen 33a kann
ein Flächenätzprozess
(z. B. anisotroper Ätzprozess
oder Rückätzprozess)
sein.
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Die
Mikrolinsen 33b können
somit ohne Abstand sein. Das heißt, es ist zwischen den benachbarten
Mikrolinsen kein Abstand ausgebildet. Somit wird die vom Licht aufnehmenden
Bereich (z. B. eine Photodiode) aufgenommene Lichtmenge durch Verdichten
von weiterem einfallenden Licht erhöht, wodurch sich die Empfindlichkeit
des Bildsensors verbessert.
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5B zeigt
eine Ausführungsform,
in der die Mikrolinsen auf einem Niedertemperaturoxid (LTO (Low
Temperature Oxide) ausgebildet sind; geeignete Materialien dafür werden
an anderer Stelle beschrieben). In einer Ausführungsform kann die LTO-Schicht
als eine Planarisierungsschicht dienen (im Allgemeinen nach dem
chemisch-mechanische Polieren der LTO-Schicht, wie auf der Farbfilterschicht 31 aufgebracht).
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Alternativ,
und wie in 5C gezeigt, wenn das anisotrope Ätzen (oder
Rückätzen) zum
Ausbilden der Mikrolinsen für
das Photolackmaterial der Mikrolinse im Vergleich zum LTO nicht
sehr selektiv ist (z. B. eine Ätzselektivitätsverhältnis von
etwa 1:1), kann das Ätzen
oder Rückätzen in
der LTO-Schicht fortgesetzt werden, um LTO-basierte Mikrolinsen auszubilden.
In solch einer Ausführungsform
kann die LTO-Schicht eine Dicke aufweisen, die mindestens so hoch
ist (und vorzugsweise noch dicker) wie die Dicke der Photolackschicht 33 für Mikrolinsen,
um das vollständige
Entfernen der Photolackschicht 33 zu ermöglichen
und die Bildung von abstandsfreien LTO-Mikrolinsen zu ermöglichen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens des Bildsensors, wie in 6 dargestellt,
kann eine Niedertemperaturoxid (LTO)-Schicht 35 weiterhin
auf den Mikrolinsen 33b nach Bilden der Mikrolinsen 33b ausgebildet
sein. Die LTO-Schicht 35 verhindert, dass die Mikrolinsen 33b durch
Fremdpartikel zerkratzt oder beschädigt werden.
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Obwohl
die auf dem Mikrofilter 31 ausgebildeten Mikrolinsen beschrieben
wurden, ist das Herstellungsverfahren des Bildsensors nicht darauf
beschränkt.
In einer alternativen Ausführungsform
kann eine Planarisierungsschicht auf der Farb filterschicht 31 ausgebildet
werden, und die Mikrolinsen 33b können dann auf der Planarisierungsschicht
ausgebildet werden.
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7 ist
eine Querschnittsansicht eines Bildsensors gemäß einer Ausführungsform,
die die wesentlichen Teile des Bildsensors bezüglich der Verdichtung veranschaulicht.
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Mit
Bezugnahme auf 7, enthält der Bildsensor gemäß einer
Ausführungsform
einen oder mehrere Licht aufnehmende Bereiche 102 (z. B.
Photodioden), eine oder mehrere Feldisolatoren 100 (z. B.
Flache-Graben-Isolationsstrukturen), Zwischenschicht-Isolierschichten 104 und 108 und
Lichtschutzschichten 106 (wobei jede als Metallisierungsschicht
zum Übertragen
von Signalen in ein Einheitenpixel und aus einem Einheitenpixel
mit einer Photodiode 102, wie auch im Einheitenpixel, dienen kann).
Die Licht aufnehmenden Teile 102 und die Feldisolatoren 100 werden
auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet. Die Zwischenschicht-Isolierschichten 104 und 108 sind über den
aufnehmenden Bereichen 120 und den Feldisolatoren 100 angeordnet. Die
Lichtschutzschichten 106 sind in der Zwischenschicht-Isolierschicht 108 und/oder
einer Isolierschicht 104 ausgebildet und verhindern, dass
etwas oder das gesamte Licht in die anderen Bereiche einfällt, mit
Ausnahme des Licht aufnehmenden Bereichs direkt unter einer gegebenen
Mikrolinse 118 und dem entsprechenden Farbfilter 112a, 112b, 112c oder 112d.
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Eine
Passivierungsschicht 110 ist auf der Zwischenschicht-Isolierschicht 108 ausgebildet. Rot-,
Grün- und
Blaufilter 112a, 112b und 112c sind in
einer Reihe auf der Passivierungsschicht 110 ausgebildet.
In verschiedenen Ausführungsformen
kann ein erster Farbfilter (z. B. der Blaufilter) eine Höhe von 600
bis 750 nm (zum Beispiel von 650 bis 720 nm) aufweisen, ein zweiter
Farbfilter (z. B. ein Grünfilter)
kann eine Höhe über der
des ersten Farbfilters aufweisen, im Bereich von 650 bis 800 nm
(zum Beispiel von 700 bis 750 nm) und ein dritter Farbfilter 93 (z.
B. der Rotfilter) kann eine Höhe über der
des zweiten Farbfilters aufweisen, im Bereich zwischen 700 bis 900
nm (zum Beispiel von 750 bis 850 nm).
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Somit
kann eine Planarisierungsschicht 116 auf den Farbfiltern 112a, 112b und 112c ausgebildet sein,
um eine gleichmäßige, planare
Oberfläche
auszubilden, auf der die Mikrolinsen ausgebildet werden. Mikrolinsen 118 mit
einer konvexen Linsenform sind an jeweils gegenüberliegenden Positionen zu
den Farbfiltern 112a, 112b und 112c angeordnet.
Eine LTO-Schicht 120 ist auf den Mikrolinsen 118 ausgebildet.
Die LTO-Schicht 120 kann ein TEOS-basiertes Oxid oder ein
Silan-basiertes mit Plasma erzeugtes Oxid umfassen. Somit kann die
LTO-Schicht 120 durch chemisches Aufdampfen eines Siliziumoxids von
TEOS und eines Oxidierungsmittels (wie Disauerstoff und/oder Ozon)
oder durch plasmagestütztes Aufbringen
von Siliziumoxid aus Silan (SiH4) und einem
Oxidierungsmittel (wie Disauerstoff) gebildet werden. Die Mikrolinsen 118 sind
so ausgebildet, dass kein Abstand zwischen den benachbarten Mikrolinsen
ausgebildet ist. Eine Referenzkennung „114" gibt eine weitere
Isolationsschicht an, im Allgemeinen in Randbereichen des Bildsensors
oder anderer Bereichen als einem Pixelbereich.
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Einfallendes
Licht wird durch die Mikrolinsen 118 verdichtet. Der Rotfilter 112a,
der Grünfilter 112b und
der Blaufilter 112c übertragen
jeweils rotes Licht, grünes
Licht und blaues Licht. Das gefilterte Licht fällt auf den Licht aufnehmenden
Bereich 102 so ein, wie eine Photodiode unter jedem Farbfilter 112a, 112b und 112c durch
die Passivierungsschicht 110 und die Zwischenschicht-Isolierschichten 108 und 104 angeord net
ist. Die Lichtschutzschichten 106 dienen dazu, das einfallende
Licht am Abweichen vom beabsichtigen Pfad zu hindern.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens des Bildsensors können die abstandslosen Mikrolinsen
hergestellt werden, wodurch die Empfindlichkeit des Bildsensors
verbessert wird.
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Jede
Bezugnahme in dieser Beschreibung auf „die eine Ausführungsform", „eine Ausführungsform", „eine beispielhafte
Ausführungsform" usw. bedeutet, dass
ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder eine Eigenschaft, die
in Verbindung mit der Ausführungsform
beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten
ist. Die Vorkommen solcher Ausdrücke
an verschiedenen Stellen in der Beschreibung beziehen sich nicht
notwendigerweise alle auf dieselbe Ausführungsform. Weiterhin, wenn
ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte
Eigenschaft in Verbindung mit einer beliebigen Ausführungsform beschrieben
wird, versteht es sich, dass es im Bereich eines Fachmanns liegt,
das Merkmal, die Struktur oder die Eigenschaft in Verbindung mit
anderen Ausführungsformen
zu verwirklichen.
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Obwohl
die Ausführungsformen
mit Bezugnahme auf mehrere veranschaulichende Ausführungsformen
davon beschrieben wurden, versteht es sich, dass viele andere Modifikationen
und Ausführungsformen
von Fachleuten erdacht werden können,
die unter den Geist und in den Umfang der Grundsätze dieser Offenlegung fallen.
Im Besonderen sind verschiedene Variationen und Modifikationen in
den Komponententeilen und/oder Anordnungen der Kombination des Gegenstands
im Umfang der Offenlegung, der Zeichnungen und der angehängten Ansprüche möglich. Zusätzlich zu
den Variationen und Modifikationen in den Kom ponententeilen und/oder
Anordnungen sind für
Fachleute auch alternative Verwendungen offensichtlich.