DE102010040275A1

DE102010040275A1 - Antireflex-Bildsensor und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102010040275A1
Application number: DE102010040275A
Authority: DE
Inventors: Jeong-Ho Lee; Sang-Ii Jung
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2011-03-24
Also published as: US20130267058A1; KR20110026881A; US20110057279A1; JP2011061203A; US8471311B2; CN102024832A; KR101647779B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bildsensor mit Antireflexionsfähigkeit sowie auf ein zugehöriges Herstellungsverfahren.
Ein erfindungsgemäßer Antireflex-Bildsensor beinhaltet ein Substrat (110), wenigstens ein Pixel (130R) zum Erfassen einer ersten Farbe und/oder ein Pixel (130G) zum Erfassen einer zweiten Farbe und/oder ein Pixel ((130B) zum Erfassen einer dritten Farbe, die in dem Substrat angeordnet sind, eine erste Schicht (141), die direkt auf den Pixeln zum Erfassen einer ersten, einer zweiten und/oder einer dritten Farbe angeordnet ist, eine zweite Schicht (142), die direkt auf der ersten Schicht angeordnet ist, und eine dritte Schicht (143), die direkt auf wenigstens einem Teil der zweiten Schicht angeordnet ist, wobei ein erster Brechungsindex der ersten Schicht kleiner als ein zweiter Brechungsindex der zweiten Schicht ist, der wiederum kleiner als ein dritter Brechungsindex der dritten Schicht ist.
Verwendung z. B. für bilderfassende Systeme in Mobiltelefonen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Antireflex-Bildsensor, d. h. einen Bildsensor mit Antireflexionsfähigkeit, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bildsensors.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Antireflex-Bildsensors, der verbesserte Antireflexionseigenschaften aufweist und/oder mit vergleichsweise geringem Aufwand hergestellt werden kann, sowie eines zugehörigen Herstellungsverfahrens zugrunde.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Antireflex-Bildsensors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Antireflex-Bildsensors bereit, das umfasst: Bilden einer Mehrzahl von ersten, zweiten beziehungsweise dritten farberfassenden Pixeln in einem Substrat; Aufbringen einer ersten Schicht, die direkt auf der Mehrzahl von ersten, zweiten und dritten farberfassenden Pixeln angeordnet ist; Aufbringen einer zweiten Schicht, die direkt auf der ersten Schicht angebracht ist, die über der Mehrzahl von ersten, zweiten und dritten farberfassenden Pixeln liegt; sowie Aufbringen einer dritten Schicht, die direkt auf Teilen der zweiten Schicht angeordnet ist, die über wenigstens einer der Mehrzahl von ersten oder zweiten farberfassenden Pixeln liegt, wobei die erste Schicht einen ersten Brechungsindex aufweist, die zweite Schicht einen zweiten Brechungsindex aufweist, der größer als der erste Brechungsindex ist, und die dritte Schicht einen dritten Brechungsindex aufweist, der größer als der zweite Brechungsindex ist.
Das Verfahren kann das Bilden eines Antireflex-Bildsensors beinhalten, bei dem die erste Farbe Rot ist, die zweite Farbe Grün ist und die dritte Farbe Blau ist oder bei dem die erste Farbe Magenta ist, die zweite Farbe Gelb ist und die dritte Farbe Cyan ist.
Das Verfahren kann das Bilden eines Antireflex-Bildsensors beinhalten, bei dem die erste Schicht SiO₂ beinhaltet, die zweite Schicht Si₃N₄ beinhaltet und die dritte Schicht TiO₂ oder wärmebehandeltes SiON beinhaltet. Eine weitere exemplarische Verfahrensausführung beinhaltet das Bilden eines Antireflex-Bildsensors, bei dem die erste Schicht einen Brechungsindex zwischen etwa 1,45 und etwa 1,50 aufweist und die zweite Schicht einen Brechungsindex zwischen etwa 1,95 und etwa 2,05 aufweist. Eine weitere exemplarische Verfahrensausführung stellt das Bilden eines Antireflex-Bildsensors bereit, bei dem die erste Schicht eine Dicke von etwa 15 nm aufweist, die zweite Schicht eine Dicke von etwa 7 nm aufweist und die dritte Schicht eine Dicke von etwa 15 nm aufweist. Eine weitere exemplarische Ausführungsform stellt das Bilden eines Antireflex-Bildsensors bereit, bei dem die erste Schicht eine Gatedielektrikumschicht oder eine isolierende Schicht ist.
Eine weitere exemplarische Verfahrensausführung stellt das Bilden eines Antireflex-Bildsensors bereit, das des Weiteren das Bilden einer vierten Schicht auf den freigelegten zweiten und dritten Schichten beinhaltet, wobei die vierte Schicht das gleiche Material wie die zweite Schicht beinhaltet. Es wird eine weitere exemplarische Verfahrensausführung der Bildung eines Antireflex-Bildsensors bereitgestellt, die des Weiteren umfasst: Bilden eines ersten dielektrischen Zwischenschichtbereichs auf der zweiten und dritten Schicht in einem Sensorfeldbereich sowie Bilden eines zweiten dielektrischen Zwischenschichtbereichs in einem peripheren Schaltkreisbereich, wobei eine Oberseite des ersten dielektrischen Zwischenschichtbereichs niedriger als eine Oberseite des zweiten dielektrischen Zwischenschichtbereichs ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend beschrieben und sind in den Zeichnungen gezeigt, in denen:
1 ein schematisches Blockdiagramm eines Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)-Bildsensors ist,
2 ein Ersatzschaltbild eines Sensorfelds von 1 ist,
3 ein schematisches Aufbaudiagramm eines Sensorbauelements einer ersten exemplarischen Ausführungsform ist,
4 ein schematisches Aufbaudiagramm eines Sensorbauelements einer zweiten exemplarischen Ausführungsform ist,
5 ein schematisches Aufbaudiagramm eines Sensorbauelements einer dritten exemplarischen Ausführungsform ist,
6 ein schematisches Aufbaudiagramm eines Sensorbauelements einer vierten exemplarischen Ausführungsform ist,
7 ein schematisches Aufbaudiagramm eines Sensorbauelements einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist,
8 ein schematisches Aufbaudiagramm des Sensorbauelements der ersten exemplarischen Ausführungsform bei einem spezifischen Fertigungsschritt ist,
9 ein schematisches Aufbaudiagramm des Sensorbauelements der ersten exemplarischen Ausführungsform bei einem anderen Fertigungsschritt ist,
10 ein schematisches Aufbaudiagramm des Sensorbauelements der zweiten exemplarischen Ausführungsform bei einem spezifischen Fertigungsschritt ist,
11 ein schematisches Aufbaudiagramm des Sensorbauelements der dritten exemplarischen Ausführungsform bei einem spezifischen Fertigungsschritt ist,
12 ein schematisches Aufbaudiagramm des Sensorbauelements der vierten exemplarischen Ausführungsform bei einem spezifischen Fertigungsschritt ist,
13 ein schematisches Aufbaudiagramm des Sensorbauelements der vierten exemplarischen Ausführungsform bei einem anderen Fertigungsschritt ist,
14 ein schematisches Aufbaudiagramm des Sensorbauelements der vierten exemplarischen Ausführungsform bei noch einem anderen Fertigungsschritt ist,
15 ein schematisches Blockdiagramm einer exemplarischen Ausführungsform eines bilderfassenden Systems ist,
16 ein schematisches Aufbaudiagramm einer exemplarischen Ausführungsform einer Bilderfassungsvorrichtung ist,
17 ein schematisches Aufbaudiagramm einer weiteren exemplarischen Ausführungsform einer Bilderfassungsvorrichtung ist und
18 eine schematische Darstellung eines Mobiltelefons einer exemplarischen Ausführungsform mit einem Bilderfassungssystem ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beinhalten Bildsensoren und zugehörige Herstellungsverfahren derselben, bei denen unter Verwendung einer Antireflexschichtstruktur eine außerordentliche Lichtempfindlichkeit bereitgestellt wird. Nachstehend werden exemplarische Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, beinhaltet ein Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)-Bildsensor gemäß der Erfindung ein Sensorfeld 10, einen Zeittaktgenerator 20, einen Zeilendecoder 30 in Signalkommunikation zu dem Zeittaktgenerator, einen Zeilentreiber 40 in Signalverbindung zwischen dem Zeilendecoder und dem Sensorfeld, einen korrelierten Doppelsampler (CDS) 50 in Signalkommunikation zu dem Sensorfeld 1, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 60 in Signalkommunikation zu dem CDS 50, einen Zwischenspeicher 70 in Signalkommunikation zu dem ADC 60 sowie einen Spaltendecoder 80 in Signalkommunikation zwischen dem Zeittaktgenerator 20 und dem Zwischenspeicher 70.
2 stellt einen Ersatzschaltkreis für das Sensorfeld 10 von 1 mit einer Mehrzahl von Pixeln P dar. Hierbei beinhaltet jedes Pixel P ein photoelektrisches Wandlerbauelement 11, einen floatenden Diffusionsbereich 13, ein Ladungstransferbauelement 15 in Signalkommunikation zwischen dem photoelektrischen Wandlerbauelement 11 und dem floatenden Diffusionsbereich 13, ein Treiberbauelement 17 in Signalkommunikation zu dem floatenden Diffusionsbereich 13, ein Rücksetzbauelement 18 in Signalkommunikation zu dem floatenden Diffusionsbereich 13 sowie ein Auswahlbauelement 19 in Signalkommunikation zwischen dem Treiberbauelement 17 und dem Rücksetzbauelement 18. Das photoelektrische Wandlerbauelement 11 beinhaltet eine Photodiode, einen Phototransistor, ein Photogate und eine gepinnte Photodiode.
Im Betrieb absorbiert das photoelektrische Wandlerbauelement 11 einfallendes Licht und akkumuliert eine Ladung entsprechend der Intensität des absorbierten Lichts. Der floatende Diffusionsbereich 13 wandelt die von der Photodiode transferierte Ladung in eine Spannung um.
Das Sensorfeld 10 beinhaltet die Pixel als eine Mehrzahl von Einheitspixeln P(i, j), die in zwei Dimensionen angeordnet sind, und das photoelektrische Wandlerbauelement 11, das eine optische Bildinformation in ein elektrisches Ausgangssignal wandelt.
Das Sensorfeld 10 arbeitet, indem es eine Mehrzahl von Treibersignalen, die ein Zeilenauswahlsignal, ein Rücksetzsignal, ein Ladungstransfersignal und dergleichen beinhalten, von dem Zeilentreiber 40 empfängt und das elektrische Ausgangssignal für den korrelierten Doppelsampler 50 bereitstellt.
Der Zeittaktgenerator 20 stellt ein Zeittaktsignal und ein Steuersignal für den Zeilendecoder 30 und den Spaltendecoder 80 bereit. Der Zeilentreiber 40 stellt die Mehrzahl von Treibersignalen zum Treiben der Mehrzahl von Einheitspixeln P gemäß dem von dem Zeilendecoder 30 decodierten Resultat für das Sensorfeld 10 bereit.
Der CDS 50 hält und sammelt das von dem Sensorfeld 10 empfangene elektrische Ausgangssignal. Der ADC 60 wandelt das Analogsignal von dem CDS in ein Digitalsignal. Der Zwischenspeicher 70 speichert das digitale Signal zwischen, und das zwischengespeicherte Signal wird nachfolgend in einen Bildsignalhandhabungsteil gemäß dem von dem Spaltendecoder 80 decodierten Resultat abgegeben.
Das Treiberbauelement 17 verstärkt eine elektrische Potentialänderung des floatenden Diffusionsbereichs 13 und gibt diese an eine Ausgangsleitung Vout ab. Das Rücksetzbauelement 18 setzt den floatenden Diffusionsbereich 13 durch eine von einer Rücksetzleitung RXi bereitgestellte Vorspannung, wie ein Rücksetzsignal, periodisch zurück.
Das Auswahlbauelement 19 wählt ein Pixel P von einer Zeileneinheit aus. Wenn das Auswahlbauelement 19 durch eine Vorspannung, wie ein von einer Zeilenauswahlleitung SELi bereitgestelltes Zeilenauswahlsignal, eingeschaltet wird, wird ein elektrisches Potential, wie eine Versorgungsspannung Vdd, eines Drainbereichs des Auswahlbauelements 19 zu einem Drainbereich des Treiberbauelements 17 transferiert.
Eine Transferleitung TXi, die Rücksetzleitung RXi und die Zeilenauswahlleitung SELi sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und erstrecken sich in einer Zeilenrichtung. Hierbei legt die Transferleitung TXi eine Vorspannung an das Ladungstransferbauelement 15 an, die Rücksetzleitung RXi legt eine Vorspannung an das Rücksetzbauelement 18 an, und die Zeilenauswahlleitung SELi legt eine Vorspannung an das Auswahlbauelement 19 an.
Sich nunmehr 3 zuwendend ist eine detailliertere Ausführungsform des Bildsensorbauelements gezeigt. In diesem Aufbau ist das Sensorfeld 10 von 2 in einem Sensorfeldbereich I ausgebildet. Der Zeittaktgenerator 20, der Zeilendecoder 30, der Zeilentreiber 40, der CDS 50, der ADC 60, der Zwischenspeicher 70 und der Spaltendecoder 80, sämtlich von 1, sind in einem peripheren Schaltkreisbereich II ausgebildet.
Der Sensorfeldbereich I beinhaltet geeignete Formationen. Diese Formationen beinhalten ein photoelektrisches Wandlerbauelement 130, einen floatenden Diffusionsbereich und eine Mehrzahl von MOS-Bauelementen, wie das Ladungstransferbauelement, das Auswahlbauelement, das Treiberbauelement, das Rücksetzbauelement und dergleichen.
Ein erstes photoelektrisches Wandlerbauelement 130R ist in einem ersten Einheitspixel 110R entsprechend einem roten Farbfilter 170R ausgebildet. Ein zweites photoelektrisches Wandlerbauelement 130G ist in einem zweiten Einheitspixel 110G entsprechend einem grünen Farbfilter 170G ausgebildet; und ein drittes photoelektrisches Wandlerbauelement 130B ist in einem dritten Einheitspixel 110B entsprechend einem blauen Farbfilter 170B ausgebildet.
Das photoelektrische Wandlerbauelement 130 beinhaltet somit eine rote Photodiode 130R, eine grüne Photodiode 130G und eine blaue Photodiode 130B. Hierbei ist die rote Photodiode 130R zum Empfangen von rotem Licht durch den roten Farbfilter 170R angeordnet, die grüne Photodiode 130G ist zum Empfangen von grünem Licht durch den grünen Farbfilter 170G angeordnet, und die blaue Photodiode 130B ist zum Empfangen von blauem Licht durch den blauen Farbfilter 170B angeordnet.
Eine Antireflexschichtstruktur ist in dem Sensorfeldbereich I auf dem Substrat 110 ausgebildet. Die Antireflexschichtstruktur verhindert im Wesentlichen eine Reflexion von Licht, das in die Photodioden eintritt, wodurch die Lichttransmissionsrate gemäß der Wellenlänge erhöht wird.
Die Antireflexschichtstruktur beinhaltet eine erste Antireflexschichtstruktur 144 mit einer ersten isolierenden Schicht 141 und einer zweiten isolierenden Schicht 142, die sequentiell auf den Photodioden 130R, 130G und 130B gestapelt sind. Die Antireflexschichtstruktur beinhaltet des Weiteren eine zweite Antireflexschichtstruktur 145, welche die erste isolierende Schicht 141, die zweite isolierende Schicht 142 sowie eine dritte isolierende Schicht 143 beinhaltet, die auf einigen der Photodioden gestapelt ist. Zum Beispiel kann die zweite Antireflexschichtstruktur auf den Photodioden 130R und 130G gestapelt sein, während sie nicht auf den Photodioden 130B gestapelt ist, wobei Brechungsindizes r₁₄₃, r₁₄₂, r₁₄₁ der Schichten 143, 142 beziehungsweise 141 die Beziehung r₁₄₃ > r₁₄₂ > r₁₄₁ aufweisen.
Die erste isolierende Schicht 141 ist direkt auf dem Substrat 110 ausgebildet, wobei sie jedes Einheitspixel 110R, 110G und 110B bedeckt und z. B. SiO₂ mit einem Brechungsindex von etwa 1,45 bis etwa 1,50 beinhalten kann. Die erste isolierende Schicht 141 kann eine Gatedielektrikumschicht oder eine durch einen zusätzlichen Schritt gebildete isolierende Schicht sein.
Die zweite isolierende Schicht 142 ist auf jedem Einheitspixel 110R, 110G und 110B ausgebildet, wobei sie die erste isolierende Schicht 141 bedeckt und z. B. Si₃N₄ mit einem Brechungsindex von etwa 1,95 bis etwa 2,05 beinhalten kann. Die dritte isolierende Schicht 143 ist auf der zweiten isolierenden Schicht 142 ausgebildet, wobei sie die Photodioden 130R und 130G bedeckt, jedoch nicht die Photodiode 130B. Die dritte isolierende Schicht 143 kann z. B. SiON oder TiO₂ beinhalten und weist einen Brechungsindex auf, der höher als jener der zweiten isolierenden Schicht 142 ist. Hierbei weist das TiO₂ einen Brechungsindex auf, der höher als jener des SiN ist. Im Allgemeinen ist der Brechungsindex von SiON kleiner als jener von SiN, das gemäß der Erfindung wärmebehandelte SiON weist jedoch einen Brechungsindex auf, der höher als jener des SiN ist.
Zum Beispiel kann die erste Antireflexschichtstruktur 144 die erste isolierende Schicht 141 aus SiO₂ mit einer Dicke von 15 nm und die zweite isolierende Schicht 142 aus SiN mit einer Dicke von 7 nm beinhalten. Diese erste Antireflexschichtstruktur 144 transmittiert nach Snells Gesetz kurzwelliges Licht oder blaues Licht von etwa 400 nm bis etwa 500 nm. Die zweite Antireflexschichtstruktur 145 kann die erste isolierende Schicht 141 aus SiO₂ mit einer Dicke von etwa 15 nm, die zweite isolierende Schicht 142 aus SiN mit einer Dicke von etwa 7 nm und die dritte isolierende Schicht 143 aus wärmebehandeltem SiON mit einer Dicke von 15 nm beinhalten. Diese zweite Antireflexschichtstruktur 145 transmittiert nach Snells Gesetz langwelliges Licht oder rotes/grünes Licht von etwa 500 nm bis etwa 700 nm.
Die dritte isolierende Schicht 143 kann selektiv auf lediglich der Photodiode 130R und/oder der Photodiode 130G ausgebildet sein. Außerdem kann die dritte isolierende Schicht allgemeiner so gebildet sein, dass sie eine Photodiode vollständig und eine benachbarte Photodiode teilweise bedeckt, z. B. die rote Photodiode 130R insgesamt, jedoch lediglich einen gewissen Teil der grünen Photodiode 130G.
Auf der Antireflexschichtstruktur ist eine Zwischendielektrikumschichtstruktur 150 ausgebildet. Die Zwischendielektrikumschichtstruktur 150 beinhaltet eine erste dielektrische Zwischenschicht 150a, eine erste Zwischenverbindungsschicht M1, eine zweite dielektrische Zwischenschicht 150b, eine zweite Zwischenverbindungsschicht M2, eine dritte dielektrische Zwischenschicht 150c, eine dritte Zwischenverbindungsschicht M3 und eine vierte dielektrische Zwischenschicht 150d.
Um die Lichtempfindlichkeit des CMOS-Bildsensors (CIS) zu erhöhen, sind Lichttransmissionsbereiche 160R, 160G und 160B entsprechend jeder Photodiode 130R, 130G beziehungsweise 130B durch Bilden eines Hohlraums zwischen entsprechenden Bereichen der Zwischenverbindungsschichten M1, M2 und M3 in der Zwischendielektrikumschichtstruktur 150 und Füllen des Hohlraums mit einem Lichttransmissionsmaterial wie einer organischen Polymerverbindung ausgebildet. Zum Beispiel kann Cytop^TM, PMMA-Polymer, ein Polysiloxanharz oder die Polysiloxanharz-TiO-Verbindung zum Füllen des Hohlraums verwendet werden.
Um den Hohlraum zu bilden, kann die erste dielektrische Zwischenschicht 150a in dem entsprechenden Gebiet hinsichtlich der Dicke teilweise oder vollständig entfernt sein oder kann alternativ nicht entfernt sein. Ein Abstand zwischen der Antireflexschichtstruktur 144, 145 und einem Bodenbereich der Lichttransmissionsbereiche 160R, 160G und 160B kann vorzugsweise etwa 0,08 μm bis etwa 0,11 μm betragen.
Auf der Zwischendielektrikumschichtstruktur 150 sind in dem Sensorfeldbereich I sequentiell eine untere Planarisierungsschicht 160, die Farbfilter 170R, 170G und 170B, eine obere Planarisierungsschicht 180, eine Linsenstruktur mit einer oder mehreren Mikrolinsen 190 sowie eine Schutzschicht 195 ausgebildet. Die gleiche oder eine weitere untere Planarisierungsschicht 165 und die obere Planarisierungsschicht 180 sind in dem peripheren Schaltkreisbereich II ausgebildet. In dem peripheren Schaltkreisbereich II kann zwischen der vierten dielektrischen Zwischenschicht 150d und der unteren Planarisierungsschicht 165 eine Passivierungsschicht wie SiN ausgebildet sein und diese kann sich in dem Sensorfeldbereich I in Richtung eines Ziels zwischen der vierten dielektrischen Zwischenschicht 150d und der unteren Planarisierung 160 erstrecken.
Es kann eine Kontaktstellenstruktur ausgebildet sein, um die dritte Zwischenverbindungsschicht M3 durch die obere Planarisierungsschicht 180, die untere Planarisierungsschicht 165, die Passivierungsschicht und die vierte dielektrische Zwischenschicht 150d in dem peripheren Schaltkreisbereich II hindurch zu verbinden.
4 zeigt ein zweites Bildsensorbauelement gemäß der Erfindung, das zum Bildsensorbauelement von 3 im Wesentlichen gleich ist, wobei eine doppelte Beschreibung von gleichen Elementen weggelassen werden kann. Im Vergleich zu der Ausführungsform von 3 ist in der Ausführungsform von 4 eine vierte isolierende Schicht 148 auf der zweiten und dritten isolierenden Schicht 142 beziehungsweise 143 ausgebildet. Die vierte isolierende Schicht 148 kann das gleiche Material wie die zweite isolierende Schicht 142 beinhalten, z. B. SiN.
Daher beinhaltet die Antireflexschichtstruktur in dieser Ausführungsform eine erste Antireflexschichtstruktur 146 und eine zweite Antireflexschichtstruktur 147. Die erste Antireflexschichtstruktur 146 beinhaltet die erste isolierende Schicht 141, die zweite isolierende Schicht 142 und die vierte isolierende Schicht 148. Die zweite Antireflexschichtstruktur 147 beinhaltet die erste isolierende Schicht 141, die zweite isolierende Schicht 142, die dritte isolierende Schicht 143 und die vierte isolierende Schicht 148. Die vierte isolierende Schicht 148 schützt die dritte isolierende Schicht 143.
Zum Beispiel kann die erste Antireflexschichtstruktur 146 die erste isolierende Schicht 141 aus SiO₂ mit einer Dicke von 15 nm, die zweite isolierende Schicht 142 aus SiN mit einer Dicke von 3,5 nm und die vierte isolierende Schicht 148 aus SiN mit einer Dicke von 3,5 nm beinhalten. Die erste Antireflexschichtstruktur transmittiert nach Snells Gesetz ein kurzwelliges blaues Licht von etwa 400 nm bis etwa 500 nm. Die zweite Antireflexschichtstruktur 147 kann die erste isolierende Schicht 141 aus SiO₂ mit einer Dicke von 15 nm, die zweite isolierende Schicht 142 aus SiN mit einer Dicke von 3,5 nm, die dritte isolierende Schicht 143 aus einem wärmebehandelten SiON mit einer Dicke von 15 nm und die vierte isolierende Schicht 148 aus SiN mit einer Dicke von 3,5 nm beinhalten. Die zweite Antireflexschichtstruktur transmittiert nach Snells Gesetz ein langwelliges rotes/grünes Licht von etwa 500 nm bis etwa 700 nm.
5 zeigt ein drittes Bildsensorbauelement gemäß der Erfindung, das zum Bildsensorbauelement von 3 im Wesentlichen gleich ist, wobei eine doppelte Beschreibung der gleichen Elemente weggelassen werden kann. Diese Ausführungsform beinhaltet einen aktiven Pixelsensor (APS) in dem Sensorfeldbereich I. Im Vergleich zu der ersten Ausführungsform von 3 liegt eine Oberseite einer ersten Zwischendielektrikumschichtstruktur 151 mit den Schichten 150a, 150b und 150c in dem Sensorfeldbereich I niedriger als jene einer zweiten Zwischendielektrikumschichtstruktur 152 mit den Schichten 150a bis 150d und einer zusätzlichen fünften dielektrischen Zwischenschicht 150e in dem peripheren Schaltkreisbereich II. Diese niedrigere Oberseite trägt weiter zu einer erhöhten Lichtempfindlichkeit bei. Die vierte isolierende Schicht 148 der zweiten Ausführungsform von 4 ist in ähnlicher Weise auf diese Ausführungsform anwendbar.
Zwischen der fünften dielektrischen Zwischenschicht 150e und der unteren Planarisierungsschicht 165 in dem peripheren Schaltkreisbereich II kann eine Passivierungsschicht wie SiN ausgebildet sein. Die Passivierungsschicht kann sich kontinuierlich in Richtung eines Ziels zwischen der dritten dielektrischen Zwischenschicht 150c und der unteren Planarisierungsschicht 160 in dem Sensorfeldbereich I erstrecken. Im Fall der Bildung der Passivierungsschicht in dem Sensorfeldbereich I und dem peripheren Schaltkreisbereich II kann die Passivierungsschicht aufgrund dieses Schritts mit unterschiedlichen Höhenniveaus in dem Sensorfeldbereich I und dem peripheren Schaltkreisbereich II ausgebildet sein.
Es kann eine Kontaktstellenstruktur ausgebildet sein, um eine vierte Zwischenverbindungsschicht M4 durch die obere Planarisierungsschicht 180, die untere Planarisierungsschicht 165, die Passivierungsschicht und die fünfte dielektrische Zwischenschicht 150e in dem peripheren Schaltkreisbereich II hindurch zu verbinden.
6 zeigt ein viertes Bildsensorbauelement gemäß der Erfindung, das zum Bildsensorbauelement von 3 im Wesentlichen gleich ist, wobei eine doppelte Beschreibung gleicher Elemente weggelassen werden kann. Im Vergleich zu der ersten Ausführungsform von 3 ist diese Ausführungsform so konfiguriert, dass Licht in die Rückseite des Substrats eintritt. Diese Ausführungsform ist somit von einem rückseitenbeleuchteten CIS-Typ (BI-CIS-Typ).
Hierbei sind die Photodioden 130R, 130G und 130B in dem Substrat 110 ausgebildet. Die Zwischendielektrikumschichtstruktur 150 ist auf einer Oberfläche oder Vorderseite (FS) des Substrats 110 ausgebildet und beinhaltet die Mehrzahl von dielektrischen Zwischenschichten 150a, 150b, 150c und 150d sowie die Zwischenverbindungsschichten M1, M2 und M3. Die Antireflexschichtstruktur 144, 145 ist auf der anderen Oberfläche oder Rückseite (BS) des Substrats 110 ausgebildet. Die vierte isolierende Schicht 148 der zweiten Ausführungsform von 4 ist in ähnlicher Weise auf diese Ausführungsform anwendbar. Die untere Planarisierungsschicht 165, die Farbfilter 170R, 1700 und 170B, die obere Planarisierungsschicht 180, die Linsenstruktur 190 und die Schutzschicht 195 sind sequentiell auf der Antireflexschichtstruktur 144, 145 ausgebildet.
7 zeigt ein alternatives Bildsensorbauelement gemäß der Erfindung, das jeweils irgendeinem der Bildsensorbauelemente der 3 bis 5 im Wesentlichen ähnlich ist, wobei eine doppelte Beschreibung gleicher Elemente weggelassen werden kann. Diese alternative Ausführungsform beinhaltet Merkmale, die optional auf die anderen Ausführungsformen anwendbar sind. Hierbei kann des Weiteren eine Auskleidungsschicht 163 zwischen einer Grabenstruktur 161 und den Lichttransmissionsbereichen 160R, 160G und/oder 160B ausgebildet sein. Die Auskleidungsschicht 163 kann sich auf der Oberfläche der vierten dielektrischen Zwischenschicht 150d und entlang der Seitenwände und der Unterseite der Grabenstruktur 161 erstrecken und kann sich des Weiteren in Richtung des peripheren Schaltkreisbereichs erstrecken. Im Fall einer Struktur mit einer Stufe, wie der dritten Ausführungsform von 5, weist die Auskleidungsschicht 163 eine Stufe benachbart zu einer Grenzfläche zwischen dem Sensorfeldbereich und dem peripheren Schaltkreisbereich auf. Zum Beispiel kann die Auskleidungsschicht 163 SiN, SiON, Al₂O₃, TiO₂ oder eine Kombination derselben beinhalten. Die Auskleidungsschicht wirkt als eine Lichtführung, um zur weiteren Erhöhung der Lichtempfindlichkeit schräges oder geneigtes Licht zu irgendeinem photoempfindlichen Gebiet zu leiten.
8 zeigt das erste exemplarische Bildsensorbauelement von 3 bei einem Zwischenschritt der Fertigung. Hier sind die Einheitspixel 110R, 1100 und 1108 durch einen Bauelementisolationsbereich 120 in dem Sensorfeldbereich I des Substrats 110 definiert. Die Photodioden 130R, 130G und 13B sind in dem Sensorfeldbereich I ausgebildet, und eine Mehrzahl von MOS-Transistoren, wie Ladungstransfertransistoren und dergleichen, ist in dem Sensorfeldbereich I und dem peripheren Schaltkreisbereich II ausgebildet.
Die erste bis dritte isolierende Schicht 141, 142 und 143 sind sequentiell auf dem Substrat 110 ausgebildet. Auf der dritten isolierenden Schicht 143 ist eine Maskenstruktur 201 ausgebildet, die einen Teil der dritten isolierenden Schicht 143 auf dem blauen photoelektrischen Wandlerbauelement 130B freilegt.
9 zeigt die erste exemplarische Ausführungsform von 3 bei einem auf jenen der 8 folgenden Zwischenschritt der Fertigung. Hier ist die dritte isolierende Schicht 143 unter Verwendung der Maskenstruktur 201 durch ein Nassätzverfahren oder alternativ ein Trockenätzverfahren weggeätzt, bis eine Oberseite der zweiten isolierenden Schicht 142 freiliegt. Im Fall der Verwendung des SiON als der dritten isolierenden Schicht 143 wird eine Wärmebehandlung zur Erhöhung des Brechungsindex des SiON verwendet, bei der ein schnelles thermisches Tempern (RTA) oder ein anderer Temperschritt bei einer Temperatur von etwa 500°C bis etwa 1100°C verwendet wird.
Hierbei wird die Wärmebehandlung nach dem Strukturieren des SiON angewendet. Alternativ kann die Wärmebehandlung vor dem selektiven Entfernen des SiON angewendet werden. Im Fall von TiO₂ als der dritten isolierenden Schicht 143 kann die Wärmebehandlung weggelassen werden. Die Zwischendielektrikumschichtstruktur 150, die untere Planarisierungsschicht 165, die Farbfilter 170R, 170G und 170B, die obere Planarisierungsschicht 180, die Linsenstruktur 190 und die Schutzschicht 195 werden sequentiell auf der Antireflexschichtstruktur 144, 145 ausgebildet.
10 zeigt die zweite exemplarische Ausführungsform von 4 bei einem mit 8 vergleichbaren Zwischenschritt der Fertigung. Hier ist die vierte isolierende Schicht 148 im Vergleich zu 8 nach der optionalen Wärmebehandlung von 9 auf der zweiten isolierenden Schicht 142 und der dritten isolierenden Schicht 143 ausgebildet. Die vierte isolierende Schicht ist aus dem gleichen Material wie die zweite isolierende Schicht, sie kann jedoch in alternativen Ausführungsformen unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann die vierte isolierende Schicht 148 durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) von SiN, Diffusion von SiN oder plasmaunterstützte (PE-)CVD von SiN gebildet sein, um verschiedene Verhältnisse von Verbindungsdichten zu erhalten.
Die Wärmebehandlung kann nach dem Bilden der vierten isolierenden Schicht 148 angewendet werden. Außerdem werden die Zwischendielektrikumschichtstruktur 150, die untere Planarisierungsschicht 165, die Farbfilter 170R, 170G und 170B, die obere Planarisierungsschicht 180, die Linsenstruktur 190 und die Schutzschicht 195 sequentiell auf der Antireflexschichtstruktur 146 und 147 ausgebildet.
11 zeigt die dritte exemplarische Ausführungsform von 5 bei einem Zwischenschritt der Fertigung. Hier ist die Passivierungsschicht nach dem Bilden der fünften dielektrischen Zwischenschicht 150e über den Sensorfeldbereich I und den peripheren Schaltkreisbereich II hinweg ausgebildet. Die Passivierungsschicht und die vierte und die fünfte dielektrische Zwischenschicht 150d beziehungsweise 150e des Sensorfeldbereichs I sind selektiv entfernt. Dies belässt die Passivierungsschicht und die vierte sowie die fünfte dielektrische Zwischenschicht 150d und 150e des peripheren Schaltkreisbereichs II.
Zurückkommend zu 5 wird nach der Bildung der Lichttransmissionsbereiche 160R, 160G und 160B in dem Sensorfeldbereich I die untere Planarisierungsschicht 165 über das Substrat 110 hinweg gebildet, das den Sensorfeldbereich I und den peripheren Schaltkreisbereich II beinhaltet. Die verbleibenden Schritte sind mit jenen der 8 und 10 vergleichbar.
Vor dem Bilden der unteren Planarisierungsschicht 165 kann eine zusätzliche Passivierungsschicht über den Sensorfeldbereich I und den peripheren Schaltkreisbereich II hinweg gebildet werden. Alternativ kann die Passivierungsschicht nach dem Bilden der fünften dielektrischen Zwischenschicht 150e, der Differenzstufe und der Lichttransmissionsbereiche 160R, 160G und 1606 und vor dem Bilden der unteren Planarisierungsschicht 165 über den Sensorfeldbereich I und den peripheren Schaltkreisbereich II hinweg gebildet werden.
12 zeigt die vierte exemplarische Ausführungsform von 6 bei einem Zwischenschritt der Fertigung. Hier sind die Einheitspixel 110R, 110G und 110B durch den Bauelementisolationsbereich 120 definiert. Jede Photodiode 130R, 130G und 130B ist in jedem Einheitspixel 110R, 110G beziehungsweise 110B ausgebildet. Die Zwischendielektrikumschichtstruktur 150 ist auf einer Oberfläche oder Frontseite (FS) des Substrats 110 ausgebildet. Ein Trägersubstrat 301 ist auf der Zwischendielektrikumschichtstruktur 150 des Substrats 110 angebracht, um das Substrat 110 zu tragen.
13 zeigt die vierte exemplarische Ausführungsform von 6 bei einem Zwischenschritt der Fertigung nach jenem von 12. Hier ist das Substrat 110 umgedreht, um die andere Oberfläche oder Rückseite (BS) des Substrats 110 nach oben zu positionieren. Die andere Oberfläche oder BS des Substrats 110 kann unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen, chemisch-mechanischem Polieren (CMP), Zurückschleifen (BGR) oder dergleichen teilweise entfernt sein, um die Lichtempfindlichkeit zu erhöhen.
Die erste bis dritte isolierende Schicht 141, 142 und 143 für die Antireflexschichtstruktur 144 und 145 sind auf der anderen Oberfläche oder BS des Substrats 110 ausgebildet. Die Ätzmaskenstruktur 201 legt die dritte isolierende Schicht 143 auf dem blauen Einheitspixel 110B frei.
14 zeigt die vierte exemplarische Ausführungsform von 6 bei einem Zwischenschritt der Fertigung nach jenen der 12 und 13. Hier wird die dritte isolierende Schicht 143 unter Verwendung der Ätzmaskenstruktur 201 als Ätzmaske strukturiert, bis die Oberseite der zweiten isolierenden Schicht 142 freigelegt ist. Im Fall von SiON als der dritten isolierenden Schicht 143 wird der Wärmebehandlungsschritt angewendet. Dieser Schritt kann vor dem selektiven Entfernen des SiON durchgeführt werden. Optional kann zusätzlich die vierte isolierende Schicht 148 von 4 gebildet werden.
Zurückkommend zu 6 werden die untere Planarisierungsschicht 165, die Farbfilter 170R, 170G und 170B, die obere Planarisierungsschicht 180, die Linsenstruktur 190 sowie die Schutzschicht 195 sequentiell auf der anderen Oberfläche oder BS des Substrats 110 einschließlich der Antireflexschichtstruktur 144 und 145 gebildet.
15 zeigt eine exemplarische Ausführungsform für ein Bilderfassungssystem 200. Das System 200 beinhaltet einen Übertragungsbus 205, einen Bildsensor 210 ISO mit dem Bus 205, einen Prozessor oder eine CPU 220 ISO mit dem Bus 205, ein Eingabe-/Ausgabe(I/O)-Element 230 ISO mit dem Bus 205, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 240 ISO mit dem Bus 205 sowie einen Anschluss 260 ISO mit dem Bus 205.
Der Anschluss 260 kann eine Videokarte, eine Tonkarte, eine Speicherkarte und/oder eine USB-Vorrichtung oder dergleichen koppeln und kann außerdem über Datentransfer mit anderen Vorrichtungen kommunizieren. Der Bildsensor 210 kann optional mit der CPU, einer digitalen Signalverarbeitungs(DSP)-Vorrichtung, einem Mikroprozessor und/oder einem Speicher oder dergleichen integriert sein.
16 zeigt eine exemplarische Ausführungsform für eine bilderfassende Vorrichtung bzw. eine Kameravorrichtung 400. Die Vorrichtung 400 beinhaltet eine CIS-Packung 410 mit einem durch einen Bonddraht auf einem Schaltkreissubstrat 411 ausgebildeten Bildsensor 413. Ein Gehäuse 420 ist auf dem Substrat 411 angebracht, um das Substrat 411 und den Bildsensor 413 zu schützen. Das Gehäuse 420 beinhaltet einen Zylinderteil 421, den ein Bild durchläuft, eine Schutzbedeckung 422, einen Filter 423 zum Blockieren von Infrarotlicht und Reflektionen sowie eine Linse 424.
17 zeigt eine weitere exemplarische Ausführungsform für eine bilderfassende Vorrichtung bzw. eine Kameravorrichtung 500. Die Vorrichtung 500 beinhaltet eine Bildsensorpackung 501, eine erste Linse 520, Trägerelemente 505 und 525, Linsenkomponenten 526 und 527, transparente Substrate 510 und 530, eine zweite Linse 540, eine Apertur 545, ein Glas 550, ein PCB-Substrat 560, einen Bildsensorchip 570 sowie eine Durchkontaktelektrode 572. Im Vergleich zu der Kameravorrichtung 400 von 16 beinhaltet die Kameravorrichtung 500 die CIS-Packung 501 mit einem PCB-Substrat 560, das durch die Durchkontaktelektrode 572 mit dem Bildsensorchip 570 verbunden ist.
18 zeigt eine exemplarische Ausführungsform für ein Mobiltelefon 450. Das Mobiltelefon 450 beinhaltet ein bilderfassendes System 452 mit einer Antireflexschichtstruktur gemäß der Erfindung. Somit zeigt das Mobiltelefon 450 eine Verbesserung hinsichtlich der Lichtempfindlichkeit.
Vorstehend wurden mehrere exemplarische Ausführungsformen der Erfindung mit unterschiedlichen eingebauten Merkmalen beschrieben. Außerdem wurden weitere alternative Ausführungsformen und Merkmale betrachtet. Zum Beispiel können das SiO₂, das SiN und/oder das SiON in einigen alternativen Ausführungsformen nur auf den roten Bereichen oder in anderen alternativen Ausführungsformen nur auf den grünen Bereichen ausgebildet sein. Außerdem kann das RGB-Farbmodell durch andere Modelle ersetzt werden, wie das abgeleitete HSV-Modell. Zum Beispiel können alternative Ausführungsformen magenta, gelb und cyan als Farben erfassende Pixel oder dergleichen verwenden, anstatt rot, grün und blau als Farben erfassende Pixel zu verwenden.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Offenbarung können ohne Weiteres von einem Fachmann auf diesem Gebiet basierend auf den Lehren hierin erfasst werden. Wenngleich illustrative Ausführungsformen hierin unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben wurden, versteht es sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf genau jene Ausführungsformen beschränkt ist und dass verschiedene weitere Änderungen und Modifikationen hierin vom Fachmann ausgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Alle derartigen Änderungen und Modifikationen sollen im Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sein.

Claims

Antireflex-Bildsensor mit – einem Substrat (110), – wenigstens einem in dem Substrat angeordneten, eine erste Farbe erfassenden Pixel (130R) und/oder wenigstens einem in dem Substrat angeordneten, eine zweite Farbe erfassenden Pixel (130G) und/oder wenigstens einem in dem Substrat angeordneten, eine dritte Farbe erfassenden Pixel (130B), – einer ersten Schicht (141), die direkt auf dem wenigstens eine erste, zweite und/oder dritte Farbe erfassenden Pixel angeordnet ist, – einer zweiten Schicht (142), die direkt auf der ersten Schicht angeordnet ist, und – einer dritten Schicht (143), die direkt auf wenigstens einem Teil der zweiten Schicht angeordnet ist, – wobei die erste Schicht einen ersten Brechungsindex aufweist, die zweite Schicht einen zweiten Brechungsindex aufweist, der größer als der erste Brechungsindex ist, und die dritte Schicht einen dritten Brechungsindex aufweist, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und/oder wobei die erste Schicht eine Siliciumoxid-Verbindung beinhaltet, die zweite Schicht eine Siliciumnitrid-Verbindung beinhaltet und die dritte Schicht eine wärmebehandelte Siliciumoxynitrid-Verbindung beinhaltet.
Antireflex-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die erste Farbe Rot ist und/oder die zweite Farbe Grün ist und/oder die dritte Farbe Blau ist oder wobei die erste Farbe Magenta ist und/oder die zweite Farbe Gelb ist und/oder die dritte Farbe Cyan ist.
Antireflex-Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Schicht SiO₂ beinhaltet, die zweite Schicht SiN oder Si₃N₄ beinhaltet und die dritte Schicht TiO₂ oder wärmebehandeltes SiON beinhaltet.
Antireflex-Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Schicht einen Brechungsindex zwischen etwa 1,45 und etwa 1,50 aufweist und die zweite Schicht einen Brechungsindex zwischen etwa 1,95 und etwa 2,05 aufweist.
Antireflex-Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Schicht eine Dicke von etwa 15 nm aufweist, die zweite Schicht eine Dicke von etwa 7 nm aufweist und die dritte Schicht eine Dicke von etwa 15 nm aufweist.
Antireflex-Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Schicht eine Gatedielektrikumschicht oder eine isolierende Schicht ist.
Antireflex-Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der des Weiteren eine vierte Schicht beinhaltet, die auf der zweiten und dritten Schicht angeordnet ist und das gleiche Material wie die zweite Schicht beinhaltet.
Antireflex-Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der des Weiteren beinhaltet: – einen ersten dielektrischen Zwischenschichtbereich (151), der auf der zweiten und dritten Schicht in einem Sensorfeldbereich (I) angeordnet ist, und – einen zweiten dielektrischen Zwischenschichtbereich (152), der in einem peripheren Schaltkreisbereich (II) angeordnet ist, wobei eine Oberseite des ersten dielektrischen Zwischenschichtbereichs niedriger als eine Oberseite des zweiten dielektrischen Zwischenschichtbereichs liegt.
Antireflex-Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der des Weiteren beinhaltet: – einen ersten dielektrischen Zwischenschichtbereich 150, der unter der ersten Schicht in einem Sensorfeldbereich angeordnet ist, und – eine über der ersten Schicht angeordnete Linsenstruktur (190) für eine Rückseitenbeleuchtung.
Antireflex-Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Mehrzahl von Pixeln für eine erste Farbe und eine Mehrzahl von Pixeln für eine zweite Farbe bereitgestellt ist und die dritte Schicht auf allen Pixeln für die erste Farbei und auf einigen Pixeln für die zweite Farbe angeordnet ist oder auf allen Pixeln für die zweite Farbe und auf einigen Pixeln für die erste Farbe angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors, welches das Bilden eines Antireflex-Bildsensors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.