DE102008051583A1 - CMOS-Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines CMOS-Bildsensors umfasst verschiedene Schritte. Zuerst wird ein Zwischenschicht-Dielektrikum, das eine Vielzahl von Metallleitungen enthält, auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet, das eine Fotodiode enthält. Als nächstes wird ein Graben im Zwischenschicht-Dielektrikum ausgebildet. Dann wird eine Passivierungsschicht im Graben ausgebildet. Als nächstes wird der Graben gefüllt, indem eine zusätzliche dielektrische Schicht auf die Passivierungsschicht aufgedampft wird. Dann wird ein Farbfilter auf der zusätzlichen dielektrischen Schicht ausgebildet. Als nächstes wird eine Planarisierungsschicht auf dem Farbfilter ausgebildet. Dann wird auf der Planarisierungsschicht eine Mikrolinse ausgebildet.

Description

  • QUERVERWEIS AUF EINE ÄHNLICHE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht Vorrang aus der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2007-0104401 , eingereicht am 17. Oktober 2007, die hiermit unter Bezugnahme aufgenommen wird, als wenn sie hier komplett aufgenommen wäre.
  • HINTERGRUND
  • Gebiet der Erfindung
  • Ausführungen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Halbleiterbauelement und spezieller auf einen Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Bildsensoren, die zur Umwandlung optischer Bilder in elektrische Signale benutzt werden, können allgemein in zwei Typen klassifiziert werden: Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)- und ladungsgekoppelte Bauelemente (CCD). Bei CMOS-Bildsensoren wird ein Schaltverfahren verwendet, bei dem Metall-Oxid-Halbleiter-(MOS)-Transistoren entsprechend der Anzahl von Bildpunkten hergestellt werden und Ausgangssignale unter Verwendung der MOS-Transistoren erzeugt werden. CMOS-Bildsensoren sind im Vergleich zu CCD-Bildsensoren in verschiedenen Aspekten vorteilhaft. Zum Beispiel sind CMOS-Bildsensoren komfortabler im Betrieb und in der Lage, eine Vielzahl von Abtastverfahren anzuwenden und ein von den Abmessungen kompaktes Produkt zu erzielen, da die Signalverarbei tungs-Schaltkreise auf einem einzigen Chip integriert werden können. Ferner können die Herstellungskosten verringert werden, indem eine kompatible CMOS-Technologie verwendet wird, und der Stromverbrauch kann ebenfalls beträchtlich verringert werden. Als Folge davon werden CMOS-Bildsensoren immer öfter eingesetzt.
  • Ein CMOS-Bildsensor mit 0,18 μm erfordert ein Logik-Bauelement, das einen Sensor-Treiber enthält, der eine 4-Schichten-Leitungs-Struktur hat. Spezieller erfordert das Logik-Bauelement auch drei Schichten eines Zwischenmetall-Dielektrikums (IMD) und eine Schicht eines Zwischenschicht-Dielektrikums (ILD) sowie die 4-Schichten-Leitungs-Struktur. Probleme, die bei CMOS-Bildsensoren nach der verwandten Technik auftreten, werden nun mit Bezug auf 1 erklärt.
  • 1 ist ein Querschnitt, der schematisch die Struktur eines CMOS-Bildsensors nach der verwandten Technik zeigt. Wie in 1 gezeigt, enthält der CMOS-Bildsensor nach der verwandten Technik ein Halbleitersubstrat 1, ein Zwischenschicht-Dielektrikum 4, das auf dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet ist, eine Passivierungsschicht 6, die auf dem Zwischenschicht-Dielektrikum 4 ausgebildet ist, ein Farbfilter 7, das auf dem Zwischenschicht-Dielektrikum 4 ausgebildet ist, eine Planarisierungsschicht 8, die auf dem Farbfilter 7 ausgebildet ist, und eine Mikrolinse 9, die auf der Planarisierungsschicht 8 ausgebildet ist. Das Halbleitersubstrat 1 enthält eine Bauelemente-Isolationsschicht 2 und eine Fotodiode 3. Das Zwischenschicht-Dielektrikum 4 enthält eine Vielzahl von Metallleitungen 5a, 5b und 5c.
  • Wie in 1 gezeigt, haben die Metallleitungen 5a, 5b und 5c eine Mehrschicht-Struktur, durch die sich die Dicke des Zwi schenschicht-Dielektrikums 4 erhöht, das zwischen der Mikrolinse 9 und der Fotodiode 3 angeordnet ist. Die erhöhte Dicke behindert die Fokussierung von Licht, das durch die Mikrolinse 9 weitergeleitet wird. Versuche zur Verbesserung der Fokussierung von Licht haben die Verringerung der Krümmung der Mikrolinse 9 umfasst. Diese Versuche haben sich jedoch als unwirksam erwiesen, und die Verschlechterung der Lichtweiterleitung von der Mikrolinse 9 zur Fotodiode 3 wurde nicht angemessen beseitigt. Da das Licht auf einem oberen Teil der Fotodiode 3 fokussiert wird, tritt außerdem beim CMOS-Bildsensor nach der verwandten Technik eine Verschlechterung der Lichtempfindlichkeit auf. Auch werden Defekte wie Übersprechen unter den Bildpunkten durch unregelmäßige Ausbreitung und Reflexion des einfallenden Lichtes verursacht.
  • ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGEN
  • Im Allgemeinen beziehen sich beispielhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung auf einen Komplementär-Metall-Oxid-(CMOS)-Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung. Einige beispielhafte Ausführungen sind in der Lage, die Lichtempfindlichkeit zu verbessern, indem ein Material, das über relativ gute Lichtleiteigenschaften verfügt, zu einem Zwischenschicht-Dielektrikum an einer Position hinzugefügt wird, wo Licht von einer Mikrolinse zu einer Fotodiode weitergeleitet wird. Einige beispielhafte Ausführungen verringern auch das Übersprechen.
  • In einer beispielhaften Ausführung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines CMOS-Bildsensors verschiedene Schritte. Zuerst wird ein Zwischenschicht-Dielektrikum, das eine Vielzahl von Metallleitungen enthält, auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet, das eine Fotodiode enthält. Als nächstes wird ein Graben im Zwischenschicht-Dielektrikum ausgebildet. Dann wird eine Passivierungsschicht im Graben ausgebildet. Als nächstes wird der Graben gefüllt, indem eine zusätzliche dielektrische Schicht auf die Passivierungsschicht aufgedampft wird. Dann wird ein Farbfilter auf der zusätzlichen dielektrischen Schicht ausgebildet. Als nächstes wird eine Planarisierungsschicht auf dem Farbfilter ausgebildet. Schließlich wird auf der Planarisierungsschicht eine Mikrolinse ausgebildet.
  • In einer anderen beispielhaften Ausführung enthält ein CMOS-Bildsensor ein Halbleitersubstrat, das eine Fotodiode und ein Zwischenschicht-Dielektrikum enthält, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind. Das Zwischenschicht-Dielektrikum enthält eine Vielzahl von Metallleitungen und einen Graben, der entsprechend einem Lichtweg zur Fotodiode angeordnet ist. Der CMOS-Bildsensor enthält auch eine Passivierungsschicht, die in dem Graben ausgebildet wird, eine zusätzliche dielektrische Schicht, die den Graben füllt, ein Farbfilter, das auf der zusätzlichen dielektrischen Schicht ausgebildet ist, eine Planarisierungsschicht, die auf dem Farbfilter ausgebildet ist, und eine Mikrolinse, die auf der Planarisierungsschicht ausgebildet ist.
  • Diese Zusammenfassung wird gegeben, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die im Folgenden in der detaillierten Beschreibung näher beschrieben werden. Diese Zusammenfassung beabsichtigt weder, Hauptmerkmale oder grundlegende Eigenschaften des Gegenstandes der Erfindung aufzuzeigen, noch ist es beabsichtigt, dass sie als Hilfe zur Bestimmung des Umfangs des beanspruchten Gegenstandes der Erfindung benutzt wird. Darüber hinaus muss verstanden werden, dass sowohl die obige allgemeine Beschreibung, als auch die folgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung als Bei spiel und Erklärung dienen und die Absicht haben, eine weitere Erklärung der Erfindung, wie beansprucht, zu liefern.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die begleitenden Zeichnungen, die enthalten sind, um für ein weiteres Verständnis beispielhafter Ausführungen der Erfindung zu sorgen und die in diese Patentanmeldung aufgenommen sind und einen Teil von ihr bilden, zeigen beispielhafte Ausführungen dieser Erfindung. In den Zeichnungen ist:
  • 1 eine Querschnitts-Ansicht, die schematisch die Struktur eines CMOS-Bildsensors nach der verwandten Technik zeigt; und
  • 2A bis 2C sind Querschnitts-Ansichten, die die Struktur eines beispielhaften CMOS-Bildsensors zeigen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGEN
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungen wird nun detailliert auf spezielle Ausführungen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den begleitenden Zeichnungen gezeigt werden. Wo möglich, werden dieselben Bezugszahlen in den Zeichnungen benutzt, um dieselben oder gleiche Teile zu bezeichnen. Diese Ausführungen werden ausführlich detailliert beschrieben, um einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung zu realisieren. Andere Ausführungen können benutzt werden, und strukturelle, logische und elektrische Änderungen können durchgeführt werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus muss verstanden werden, dass die verschiedenen Ausführungen der Erfindung, obwohl sie unterschiedlich sind, sich nicht notwendigerweise gegenseitig ausschließen. Zum Beispiel kann eine bestimmte Eigenschaft, Struktur oder Charakteristik, die in einer Ausführung beschrieben wird, in anderen Ausführungen enthalten sein. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn zu betrachten, und der Umfang der Erfindung wird nur durch die angefügten Ansprüche zusammen mit dem gesamten Bereich von Äquivalenten, der diesen Ansprüchen zusteht, definiert.
  • 2A bis 2C sind Querschnitts-Ansichten, die die Struktur eines beispielhaften Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Bildsensors zeigen. Wie in 2A offenbart wird der beispielhafte CMOS-Bildsensor hergestellt, indem zuerst ein Zwischenschicht-Dielektrikum 20 ausgebildet wird, das eine Vielzahl von Metallleitungen 21, 22 und 23 auf einem Halbleitersubstrat 10 enthält. Das Halbleitersubstrat 10 enthält eine Bauelemente-Isolationsschicht 11 und eine Fotodiode 12. Das Zwischenschicht-Dielektrikum 20 kann zum Beispiel aus einer undotierten Silikatglas-Schicht (USG), einer mit Fluor dotierten Silikatglas-Schicht (FSG) oder einer Kombination davon ausgebildet werden.
  • Die Metallleitungen 21, 22 und 23, die im Zwischenschicht-Dielektrikum 20 ausgebildet sind, umfassen eine Metallleitung zur Ansteuerung des Bildsensors und eine Metallleitung zur Ansteuerung eines Logik-Schaltkreises. Die Metallleitungen 21, 22 und 23 können in mehreren Schichten ausgebildet werden, zum Beispiel zwischen etwa 2 und etwa 5 Schichten. Spezieller wird eine Reihe von Prozessen, einschließlich Aufdampfen von USG, Planarisieren, Aufdampfen einer Nitridschicht, Ausheilen und Entfernen der Nitridschicht, wiederholt, während die mehrschichtigen Metallleitungen 21, 22 und 23 im Zwischenschicht-Dielektrikum 20 ausgebildet werden.
  • Mit Bezug auf 2B wird als nächstes ein Fotolack-Muster (nicht gezeigt) auf dem Zwischenschicht-Dielektrikum 20 ausgebildet. Das Zwischenschicht-Dielektrikum 20 wird dann teilweise geätzt, wobei das Fotolack-Muster als Ätzmaske benutzt wird und dadurch ein Graben in einer Position ausgebildet wird, wo Licht zur Fotodiode 12 weitergeleitet wird. Die Tiefe des Grabens kann gleich oder größer als die Dicke einer zusätzlichen dielektrischen Schicht sein, die später ausgebildet wird, wie unten beschrieben. In einem Fall, in dem der Graben eine größere Tiefe hat als die zusätzliche dielektrische Schicht, kann die Dicke einer Passivierungsschicht 30, die in dem Graben ausgebildet wird, wie unten erläutert, auch als zur Dicke der zusätzlichen dielektrischen Schicht gehörend betrachtet werden. Während des Ätzens zum Ausbilden des Grabens kann das Fotolack-Muster auch gleichzeitig geätzt und dadurch entfernt werden.
  • Als nächstes wird eine Passivierungsschicht 30 auf der gesamten Oberfläche des Zwischenschicht-Dielektrikums 20 ausgebildet, einschließlich innerhalb des Grabens, der im Zwischenschicht-Dielektrikum 20 ausgebildet ist. Die Passivierungsschicht 30 kann in Form einer Auskleidung ausgebildet werden, indem eine Siliziumnitrid-Schicht durch plasmaunterstützter Gasphasenabscheidung (PECVD) aufgedampft wird. Nachdem die Passivierungsschicht 30 ausgebildet ist, kann ein Ausheilen bezüglich des Halbleitersubstrates 10 ausgeführt werden, um die Passivierungsschicht 30 auszuhärten.
  • Mit Bezug auf 2C wird nun eine zusätzliche dielektrische Schicht 40 auf die gesamte Oberfläche der Passivierungsschicht 30 aufgedampft, wodurch der im Zwischenschicht-Dielektrikum 20 ausgebildete Graben gefüllt wird. Die zusätzliche dielektrische Schicht 40 kann einen höheren Brechungsindex als das Zwi schenschicht-Dielektrikum 20 haben. Die zusätzliche dielektrische Schicht 40 kann auch aus einem dielektrischen Material ausgebildet werden, das eine höhere Lichtleitfähigkeit als das Zwischenschicht-Dielektrikum 20 hat. Nach dem Ausbilden der zusätzlichen dielektrischen Schicht 40 kann eine Rotationsbeschichtung einer Oberfläche der zusätzlichen dielektrischen Schicht 40 durchgeführt werden, um die Oberfläche der zusätzlichen dielektrischen Schicht 40 zu planarisieren.
  • Als nächstes wird ein Fotolack für ein Farbfilter auf die zusätzliche dielektrische Schicht 40 aufgebracht, und dann werden Farbfilter-Schichten ausgebildet. In dieser Ausführung enthält das Farbfilter 50 drei Farben, rot (R), grün (G) und blau (B) und wird ausgebildet, indem Prozesse zur Herstellung von Farbfiltern mehrmals ausgeführt werden. Die Farbfilter 50 für R, G und B sind entsprechend ihrer jeweiligen Fotolack-Eigenschaften zueinander abgestuft.
  • Als nächstes wird eine Planarisierungsschicht 60 ausgebildet, die zum Beispiel aus Siliziumnitrid gebildet ist, um die Höhendifferenz des Farbfilters 50 zu kompensieren. Zusätzlich dazu wird ein Fotolack-Muster zum Ausbilden einer Mikrolinse 70 auf der Planarisierungsschicht 60 ausgebildet. Als nächstes wird ein Mikrolinsen-Fotolack-Muster ausgebildet, indem ein Fotolack für die Mikrolinse 70 auf der Planarisierungsschicht 60 aufgebracht und eine Fotolithografie mit dem Fotolack durchgeführt wird. Dann wird ein Ausheilen des Mikrolinsen-Fotolack-Musters durchgeführt, so dass ein Reflow des Mikrolinsen-Fotolack-Musters stattfindet. Als Folge davon wird die Mikrolinse 70, die die Form einer Kuppel hat, ausgebildet.
  • Wie oben beschrieben, wird in einigen Ausführungen der vorliegenden Erfindung der Graben an der Position ausgebildet, wo das Licht von der Mikrolinse 70 zur Fotodiode 12 weitergeleitet wird. Dann wird ein dielektrisches Material, das eine höhere Lichtleitfähigkeit hat als das Zwischenschicht-Dielektrikum, aufgebracht, um den Graben zu füllen. Diese Struktur führt zu einer verbesserten Effizienz des Sammelns von Licht und zu einer besseren Lichtempfindlichkeit des Bildsensors, während auch das Nebensprechen im Farbfilter verringert wird.
  • Obwohl beispielhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, können diese beispielhaften Ausführungen geändert werden. Der Umfang der Erfindung wird daher in den folgenden Ansprüchen und deren Äquivalente definiert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - KR 10-2007-0104401 [0001]

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Bildsensors, umfassend: Ausbilden eines Zwischenschicht-Dielektrikums, das eine Vielzahl von Metallleitungen auf einem Halbleitersubstrat enthält, das eine Fotodiode enthält; Ausbilden eines Grabens im Zwischenschicht-Dielektrikum; Ausbilden einer Passivierungsschicht im Graben; Füllen des Grabens durch Aufdampfen einer zusätzlichen dielektrischen Schicht auf der Passivierungsschicht; Ausbilden eines Farbfilters auf der zusätzlichen dielektrischen Schicht; Ausbilden einer Planarisierungsschicht auf dem Farbfilter; und Ausbilden einer Mikrolinse auf der Planarisierungsschicht.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Ausbilden eines Grabens im Zwischenschicht-Dielektrikum umfasst: Ausbilden eines Fotolack-Musters auf dem Zwischenschicht-Dielektrikum; und teilweises Ätzen des Zwischenschicht-Dielektrikums, um den Graben auszubilden, wobei das Fotolack-Muster als Ätzmaske benutzt wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Zwischenschicht-Dielektrikum eine Schicht aus undotiertem Silikatglas (USG), eine Schicht aus mit Fluor dotiertem Silikatglas (FSG) oder eine Kombination daraus umfasst.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Passivierungsschicht ausgebildet wird, indem eine Siliziumnitrid- Schicht durch plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung (PECVD) aufgedampft wird.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner das Ausheilen des Halbleitersubstrates umfasst, nachdem die Passivierungsschicht ausgebildet wurde.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zusätzliche dielektrische Schicht ein dielektrisches Material umfasst, das eine höhere Lichtleitfähigkeit hat als das Zwischenschicht-Dielektrikum.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zusätzliche dielektrische Schicht ein Material umfasst, das einen höheren Brechungsindex hat als das Zwischenschicht-Dielektrikum.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zusätzliche dielektrische Schicht ausgebildet wird, indem eine Siliziumnitrid-Schicht durch PECVD aufgedampft wird.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, ferner umfassend ein Planarisieren der zusätzlichen dielektrischen Schicht durch Rotationsbeschichtet, nachdem die zusätzliche dielektrische Schicht aufgedampft wurde.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Graben an einer Position auf dem Zwischenschicht-Dielektrikum angeordnet ist, an der Licht zu der Fotodiode weitergeleitet wird.
  11. CMOS-Bildsensor, umfassend: ein Halbleitersubstrat, das eine Fotodiode enthält; ein auf dem Halbleitersubstrat ausgebildetes Zwischenschicht-Dielektrikum, wobei das Zwischenschicht-Dielektrikum eine Vielzahl von Metallleitungen und einen Graben enthält, der entsprechend einem Lichtweg zur Fotodiode angeordnet ist; eine im Graben ausgebildete Passivierungsschicht; eine zusätzliche dielektrische Schicht, die den Graben füllt; ein Farbfilter, das auf der zusätzlichen dielektrischen Schicht ausgebildet ist; eine Planarisierungsschicht, die auf dem Farbfilter ausgebildet ist; und eine Mikrolinse, die auf der Planarisierungsschicht ausgebildet ist.
  12. CMOS-Bildsensor gemäß Anspruch 11, wobei das Zwischenschicht-Dielektrikum eine Schicht aus undotiertem Silikatglas (USG), einer Schicht aus mit Fluor dotiertem Silikatglas (FSG) oder einer Kombination daraus umfasst.
  13. CMOS-Bildsensor gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Passivierungsschicht ausgebildet wird, indem eine Siliziumnitrid-Schicht durch plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung (PECVD) aufgedampft wird.
  14. CMOS-Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die zusätzliche dielektrische Schicht ein dielektrisches Material umfasst, das eine höhere Lichtleitfähigkeit hat als das Zwischenschicht-Dielektrikum.
  15. CMOS-Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die zusätzliche dielektrische Schicht ein Material umfasst, das einen höheren Brechungsindex hat als das Zwischenschicht-Dielektrikum.
  16. CMOS-Bildsensor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die zusätzliche dielektrische Schicht ausgebildet wird, indem eine Siliziumnitrid-Schicht durch PECVD aufgedampft wird.
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