DE102011079990A1

DE102011079990A1 - Photodetektor, Bildsensor und Verfahren zur Herstellung

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Publication number: DE102011079990A1
Application number: DE102011079990A
Authority: DE
Inventors: Frank Hochschulz; Stefan Dreiner; Uwe Paschen; Holger Vogt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: US9024401B2; US20120273910A1; DE102011079990B4

Abstract

Die Erkenntnis, dass mit vertretbarem Aufwand eine Schichtdicken- und/oder Brechungsindexvariation erzielbar ist, die unterschiedliche interne optische Weglängen für die auftreffende Strahlung realisiert, wodurch die Schwankung der spektralen Empfindlichkeit des Photodetektors reduziert wird, wird verwendet, um Bildsensoren mit weniger schwankender spektraler Empfindlichkeit bezogen auf verschiedene Wellenlängen bzw. Photodetektoren mit einer geringeren Schwankung der spektralen Empfindlichkeit von Photodetektor zu Photodetektor bezogen auf definierte Wellenlängen mit vertretbarem Aufwand zu schaffen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Photodetektor, wie z. B. eine Photodiode, einen Bildsensor mit einer Mehrzahl von Photodetektoren und entsprechende Verfahren zur Herstellung.
In den letzten Jahren haben CMOS-Bildsensoren einen führenden Marktanteil für allgemeine Photosensorikanwendungen erreicht. Wenn jedoch Standard-CMOS-Bildsensoren bei Anwendungen verwendet werden, die die Erfassung von Licht mit einer sehr kleinen spektralen Bandbreite oder (als ein Grenzfall) die Erfassung monochromatischen Lichts (wie es bei Anwendungen von 3D-Laufzeit-Bilderzeugung oder bei vielen Anwendungen mit Laserlichtbeleuchtung typisch ist) erfordern, werden spezifische Effekte wichtig, die bei Standardphotosensorikanwendungen mit Breitspektrumsbeleuchtung vernachlässigbar sind.
Ein spezifischer Effekt, der beobachtet werden kann, ist, dass es für eine gegebene zu erfassende Lichtwellenlänge eine starke Schwankung der Empfindlichkeit der Photodiode gibt (wobei mehrere davon ein Array bilden). Diese beobachtete Schwankung der Empfindlichkeit ist abhängig von kleinen prozessbezogenen Schwankungen des dielektrischen Stapels auf den Photodioden und führt zu großen Wafer-zu-Wafer- und Chip-zu-Chip-Schwankungen der spektralen Empfindlichkeit. In einem ähnlichen Maße trifft dies auch auf verschiedene Photodioden auf einem einzelnen Chip zu und beeinflusst daher die pixel-response-non-uniformity.
Bestrahlt man beispielsweise herkömmliche CMOS Bildsensoren bzw. CMOS Photodioden mit schmalbandigem Licht, treten Effekte auf, die bei normalen Anwendungen vernachlässigbar sind. Unter anderem kommt es bei schmalbandiger Beleuchtung zu einer Oszillation der spektralen Empfindlichkeit mit starker Abhängigkeit von kleinen Variationen der Wellenlänge und von kleinen Variationen der Schichtdicken der einzelnen dielektrischen Schichten, die in CMOS Prozessen auf das Silizium abgeschieden werden und die Metallbahnen voneinander isolieren. Die Interferenz von Teilstrahlen der einzelnen Materialgrenzflächen führt zu Oszillationen der Sensitivität, da die Strahlungsleistung, die in das Silizium gelangt, moduliert wird (siehe 1). Die Gesamtheit dieser Schichten wird auch optischer Stapel genannt, ist typischerweise ca. 5 μm dick und besteht üblicherweise aus Silizium-Oxid und Silizium-Nitrid, sowie ggf. weiteren Schichten wie Farbfiltern.
In breitbandigen Anwendungen sind im Spektrum des einfallenden Lichts Wellenlängen enthalten, die in verschiedenen Bereichen der Oszillation liegen, so dass es zu einer Mittelung kommt und keine Probleme vorliegen. Bei Anwendungen mit einer nahezu monochromatischen Beleuchtung (z. B. durch einen Laser) müssen die Unsicherheiten der spektralen Empfindlichkeit durch Prozess-bedingte Schichtdickenschwankungen jedoch berücksichtigt werden. Legt man als konkretes Beispiel monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge von ca. 750 nm zugrunde und einen Schichtstapel aus 4,4–6,4 μm Silizium-Oxid und 650–850 nm Silizium-Nitrid (dies sind realistische Schichtdicken-Schwankungen), so geht dies mit einer Quanteneffizienz zwischen 0,37 und 0,81 einher (siehe 4a). Die Differenz aus der maximalen und minimalen Quanteneffizienz beträgt in diesem Fall 0,43. Für viele Anwendungen wie z. B. dem 3D-time-of-flight Imaging, Triangulationssensoren und der Spektroskopie sind diese Unsicherheiten der spektralen Empfindlichkeit nicht tolerabel, da sie sich auf Unsicherheiten des Messwerts auswirken.
Eine mögliche Problemlösung besteht in einer Kalibrierung. Bei diesem Schritt wird jeder Bildsensor nach der Fertigung mit einer bekannten Bestrahlungsstärke beleuchtet und der resultierende Strom bestimmt. Aus dieser Rückrechnung lässt sich die Empfindlichkeit jeder einzelnen Photodiode bestimmen, die anschließend als Kalibrierdaten entweder direkt im Bildsensor bzw. im Kamerasystem gespeichert werden oder bei der Datenverarbeitung später berücksichtigt werden müssen.
Ein anderer theoretischer Weg könnten Anti-Reflex Beschichtungen (ARC) sein. Dabei muss zwischen drei verschiedenen ARC Begriffen unterschieden werden. In Zusammenhang mit kommerziellen CMOS Bildsensoren wird häufig eine SiN Schicht von < 100 nm über einer sehr dünnen SiO₂ Schicht (ca. 10 nm) über den photoaktiven Gebieten abgeschieden. Da der Brechungsindex von SiN zwischen dem von Si und SiO₂ liegt und die SiO₂ Schicht zwischen SiN und Si sehr klein ist, wird die Reflektion verringert. Im Allgemeinen versteht man unter einer ARC eine Multilagen Schicht aus verschiedenen Materialien, die über eine geschickte Ausnutzung von Interferenzen Reflektion unterdrücken. Für diese Methode müssen die Brechungsindizes der verwendeten Schichten bestimmte Relationen erfüllen, damit ein optimales Ergebnis erreicht wird. Als Spezialfall lässt sich diese Multilagen Schicht aus SiO₂ und SiN herstellen, was aber nicht zu optimalen Ergebnissen führt, da die Anforderungen an den Brechungsindex nicht genau erfüllt werden können.
Die erste Möglichkeit hat den Vorteil ohne neue Materialien auszukommen. SiN ist gut bekannt und daher in vielen CMOS Prozessen vorhanden (siehe z. B. Furumiya, M.; Ohkubo, H; Muramatsu, Y.; Kurosawa, S.; Okamoto, F.; Fujimoto, Y. & Nakashiba, Y High-sensitivity and no-crosstalk pixel technology for embedded CMOS image sensor Electron Devices, IEEE Transactions on, 2001, 48, 2221–2227). Die Integration einer entsprechend dicken Schicht in photoaktiven Gebieten ist allerdings notwendig. Simulationen, bei denen verschiedene Schichtdicken Kombinationen untersucht wurden, zeigen zwar eine Reduktion der Reflektion und damit auch der prozessabhängigen Sensitivitätsschwankungen, allerdings ist die damit erzielbare Reduktion wesentlich geringer als gewünscht.
Zieht man ARC-Schichtstapel mit Materialien in Betracht, die in CMOS Prozessen normalerweise nicht eingesetzt werden, so stellen sich viele neue Herausforderungen zum Beispiel an die Haftung, die Strukturierbarkeit, die Stabilität und die Integrierbarkeit in CMOS Prozesse. Eine besondere Herausforderung ist dabei die Einhaltung der Schichtdicken-Spezifikationen, um die Interferenzbedingung einhalten zu können. Wissenschaftliche Publikationen hierzu sind selten (siehe Vaillant, J.; Grand, G.; Lee, Y.; Raby, J.; Cazaux, Y.; Henrion, Y. & Hibon, V (Eds.) HIGH PERFORMANCE UV ANTIREFLECTION COATING FOR BACKTHINNED CCD AND CMOS IMAGE SENSORS, ICSO 2010). Ein weiterer Nachteil beider Methoden ist, dass die Anforderungen an die Schwankungen der Schichtdicke wesentlich höher sind, als bei unserer Erfindung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Photodetektor und ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaffen, so dass Bildsensoren mit weniger schwankender spektraler Empfindlichkeit bezogen auf verschiedene Wellenlängen bzw. Photodetektoren mit einer geringeren Schwankung der spektralen Empfindlichkeit von Photodetektor zu Photodetektor bezogen auf definierte Wellenlängen mit vertretbarem Aufwand erhaltbar sind.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der anhängigen unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass es mit vertretbarem Aufwand möglich ist, eine Schichtdicken– und/oder Brechungsindexvariation zu erzielen, die unterschiedliche interne optische Weglängen für die auftreffende Strahlung realisieren, wodurch die Schwankung bzw. Oszillation der spektralen Empfindlichkeit des Photodetektors reduziert wird und dadurch wiederum die Schaffung von Bildsensoren mit weniger schwankender spektraler Empfindlichkeit bezogen auf verschiedene Wellenlängen bzw. die Schaffung von Photodetektoren mit einer geringeren Schwankung der spektralen Empfindlichkeit von Photodetektor zu Photodetektor bezogen auf definierte Wellenlängen mit vertretbarem Aufwand ermöglicht wird.
Ein erfindungsgemäßer Photodetektor zum Erfassen auftreffender Strahlung umfasst somit eine Schichtdicken- und/oder Brechungsindexvariation, die unterschiedliche optische Weglängen für die eintreffende Strahlung innerhalb des Photodetektors realisiert, wodurch eine Schwankung der spektralen Empfindlichkeit des Photodetektors reduziert wird.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist der Photodetektor ein photosensitives Element auf, das durch eine oder mehrere dielektrische Schichten bedeckt ist, in denen die Schichtdicken- und/oder Brechungsindexvariation vorhanden ist, die die mehreren unterschiedlichen Weglängen für die eintreffende Strahlung innerhalb des Photodetektors realisiert, wodurch die Schwankung der spektralen Empfindlichkeit des Photodetektors in Abhängigkeit der Wellenlänge und Schwankungen der Schichtdicken der dielektrischen Schichten reduziert wird.
Bei manchen Ausführungsbeispielen werden die unterschiedlichen Dicken durch eine lokale Oxidation des Substrats des optischen Stapels erzeugt.
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden zudem Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Simulation der Quanteneffizienz von CMOS-Photodioden in Abhängigkeit von der Wellenlänge unter monochromatischer Beleuchtung für zwei unterschiedliche Dicken des dielektrischen Stapels der Photodiode sowie für eine Überlagerung dieser beiden Schichtdicken;
2 eine schematische Darstellung verschiedener Photodiodenstrukturen im Querschnitt, und zwar
(links) einer Photodiode unter Aktiv-Gebiet mit ~ 5 μm Stapeldicke unter Aktiv-Gebiet,
(Mitte) einer Photodiode mit ~ 5,13 μm Stapeldicke unter Feld-Gebiet,
(rechts) einer Photodiode mit sowohl ~ 5 μm als auch ~ 5,13 μm Stapeldicke bzw. 50% unter Aktiv-Gebiet und 50% unter Feld-Gebiet;
3 Graphen zum Vergleich von Messungen und Simulationen der Quanteneffizienz an Photodioden gemäß 2, nämlich
(oben) für Photodioden gemäß 2 links,
(Mitte) Feldgebiet für Photodioden gemäß 2 Mitte,
(unten) für Photodioden gemäß 2 rechts, wobei die hier gezeigten Simulationen die Spektralbreite des Messstandes berücksichtigen und deutlich die den Simulationen entsprechende Glättung der spektralen Sensitivität zu sehen ist;
4a grauskalencodierte Darstellung der Quanteneffizienz bei einer Wellenlänge von ~ 750 nm für eine Photodiode mit einer einzelnen Stapeldicke gemäß 2 links und mitte, aber aufgetragen für unterschiedliche Dicken der dielektrischen Schichten, die das Silizium bedecken;
4b zum Vergleich mit 4a eine grauskalencodierte Darstellung der Quanteneffizienzschwankungen mit Dickenschwankungen der dielektrischen Schichten für eine Photodiode mit eingearbeitetem Schichtdickenunterschied gemäß 2 rechts, wobei die Schwankungen sichtbar sehr viel kleiner für die Photodiode mit zwei aufgenommenen Stapeldicken gemäß 2 rechts sind;
5 einen Graphen, in welchem die maximale prozessbedingte Quanteneffizienzschwankung für unterschiedliche Pixelstrukturen dargestellt ist
6: eine grauskalencodierte Darstellung der Quanteneffizienz bei einer Wellenlänge von ~ 750 nm für eine Photodiode mit vier Dicken mit einem Unterschied von jeweils 65 nm für unterschiedliche Dicken der dielektrischen Schichten, die das Silizium bedecken; die Quanteneffizienzschwankungen mit Dickenschwankungen der dielektrischen Schichten sind für diesen Photodiodentyp sogar noch geringer.
7 eine schematische Querschnittdarstellung eines Photodetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 einen Graphen, in welchem die maximale, durch Schichtdickenschwankungen hervorgerufene Variation der Quanteneffizienz in Abhängigkeit vom Sollschichtdickenunterschied für unterschiedliche Photodioden dargestellt ist, nämlich für herkömmliche Photodioden mit einheitlicher Dicke, mit Zwei-Schichtdicken-Photodioden und Vier-Schichtdicken-Photodioden;
9 eine schematische Draufsicht auf einen Bildsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel.
10a, b eine schematische Querschnittdarstellung eines Photodetektors gemäß Ausführungsbeispielen, bei denen eine Granularität in die Gebiete unterschiedlicher Schichtdicke unterschiedlich gewählt ist; und
11a–d Draufsichten auf den photoempfindlichen Bereich bei senkrechter Beleuchtung (a, c) und schräg einfallendem Licht (b, d) für eine Photodiode gemäß 10a (a, b) und gemäß 10b (c, d).
Im folgenden werden anhand von Ausführungsbeispielen Konzepte offenbart, die die vorerwähnten Empfindlichkeitsschwankungen von Photodetektoren, wie z. B. CMOS-Photodioden, verringern, die ja insbesondere dann auftreten, wenn (beinahe) monochromatische Strahlung (nachfolgend als „Licht” bezeichnet) erfasst wird. Häufig werden dabei die Konzepte exemplarisch anhand einer CMOS-Photodiode beschrieben, obwohl selbige Konzepte natürlich auch im Zusammenhang mit anderen Herstellungsverfahren, also allgemein im Zusammenhang mit anderen Photodetektoren vorteilhaft sind, und auch mit anderen Detektortechnologien als solchen.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele sehen vor, mehrere optische Weglängen des dielektrischen Stapels in jede Photodiode einzubringen. Unter Verwendung dieses Konzepts kann die maximale Quanteneffizienzschwankung für prozessbedingte Dickenschwankungen für einen breiten Bereich von Wellenlängen wesentlich reduziert werden.
Wenn, wie gemäß einigen nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Fall, eine LOCOS-Technologie zum Bilden einer thermischen Oxidschicht über dem Substrat, das p-n-Übergänge enthält, zum Erzeugen von Photodioden verwendet wird, sind keine zusätzlichen Verarbeitungsschritte notwendig.
Eine Überlegung, die zu nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen führt bzw. ihre Vorteile veranschaulicht, kann wie folgt aussehen. Wenn Standard-CMOS-Photodioden mit monochromatischem Licht (oder Licht mit einer sehr kleinen spektralen Bandbreite) beleuchtet werden, werden wesentliche Abhängigkeiten der spektralen Empfindlichkeit von der erfassten Lichtwellenlänge – nachfolgend Oszillationen genannt – dominant. Diese Oszillationen ergeben sich aus der Interferenz von Teilwellen, die von Materialgrenzen in dem optischen Stapel reflektiert werden, der das Silizium in CMOS-Prozessen bedeckt (typische Dicke beispielsweise 5 μm).
Bei üblichen Bilderzeugungsanwendungen mit einer großen Spektralbreite des zu erfassenden Lichts sind diese Oszillationen in der Antwort des Sensors nicht sichtbar, da unterschiedliche Teile der Oszillation zu der Antwort beitragen und eine Verringerung der Oszillation auftritt.
Unterschiedliche Dicken des optischen Stapels dehnen die Oszillationen. In 1 sind solche Oszillationen aufgezeichnet für zwei Dicken eines dielektrischen Stapels mit 130 nm Dickendifferenz. 1 zeigt, dass die Amplituden der Schwankungen der Quanteneffizienz als eine Funktion der Wellenlänge riesig sind. Das gleiche gilt für die Quanteneffizienz bei einer festen Wellenlänge und einer Schwankung der Schichtdicke der dielektrischen Schichten.
In anderen Worten ausgedrückt schwankt die spektrale Empfindlichkeit wegen Interferenzeffekten von Teilstrahlen, die an den verschiedenen Materialgrenzflächen reflektiert werden. Je nach Phasendifferenz der Teilstrahlen kommt es dabei zu konstruktiver (Phasendifferenz 0) oder destruktiver Interferenz (Phasendifferenz π) und damit entweder zu einer Erniedrigung oder zu einer Erhöhung der Lichtleistung, die in das Substrat gelangt. Diese Phasendifferenz hängt von der Wellenlänge und der optischen Weglänge ab. Die Interferenzeffekte sind periodisch abhängig von der Phasendifferenz mit einer Periode von 2π. Andern sich also Wellenlänge und/oder optische Weglänge um mehr als 2π, werden auch die Interferenzeffekte als Oszillation der spektralen Empfindlichkeit sichtbar.
Aufgrund von Prozessschwankungen beim Verarbeiten des Wafers, der später CMOS-Bildsensoren und/oder CMOS-Photodioden trägt, können Dickenschwankungen auf unterschiedlichen Wafern auftreten und auch an unterschiedlichen Positionen auf einem einzelnen Wafer. Für Bildsensoren mit einem großen Aufnahmebereich kann eine wesentliche Dickenschwankung selbst innerhalb eines einzelnen Bildsensors auftreten. Somit sind für Anwendungen mit schmaler Strahlungsbandbreite (z. B. Spektroskopie, Laserbeleuchtung wie bei 3D-Laufzeit-Anwendungen) Maßnahmen erforderlich, um die Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Wellenlänge und/oder kleinen Dickenschwankungen des dielektrischen Stapels von den Photodioden zu glätten. Falls keine solchen Maßnahmen getroffen werden, wäre es notwendig, ein System mit der einzelnen Empfindlichkeitskurve jeder in dem System verwendeten Photodiode zu kalibrieren.
Gemäß nachfolgend beschriebener Ausführungsbeispiele werden zwei (oder mehr) unterschiedliche Dicken des optischen Stapels in jedes Pixel implementiert. Dies kann durch verschiedene Verarbeitungsschritte erreicht werden, beispielsweise einen Schritt der lokalen Oxidation von Silizium (LOCOS), der transparentes nichtleitendes Siliziumoxid aus Silizium thermisch erzeugt. Dieser Prozess verbraucht Silizium und bewegt somit die Siliziumoberfläche in den Bereichen, in der der Prozess nicht durch Masken gehemmt wird, nach unten. Falls spätere Schichten durch Nivellierungsverarbeitungsschritte behandelt werden, wie chemisch-mechanisches Polieren (CMP), hat die obere Grenze der Schichten das gleiche Niveau. Da der LOCOS-Schritt die Siliziumoberfläche in einigen Bereichen nach unten bewegt hat, werden somit zwei unterschiedliche Abstände von der Siliziumoberfläche zu der oberen Grenze des dielektrischen Stapels eingeführt, abhängig davon, ob der LOCOS-Prozess maskiert war. Die resultierende Dickenänderung kann auch durch andere Verarbeitungsschritte erzeugt werden, beispielsweise durch Ätzen einer Stufe in eine der Schichten, die das Silizium bedecken. Auf ähnliche Weise kann auch Flachgraben-Isolierung (bezeichnet als STI; STI = shallow trench isolation) verwendet werden.
Optischer Stapel bedeutet hier die eine oder die mehreren Schichten über dem Substrat, das den p-n-Übergang der Photodiode enthält.
Falls der Photodetektor unter zwei unterschiedlichen Dicken der dielektrischen Schichten liegt (die den optischen Stapel bilden), die das Silizium bedecken, ist die resultierende Empfindlichkeit desselben eine Überlagerung der Empfindlichkeit, die den einzelnen Dicken entspricht. Falls somit die Dickendifferenz auf eine Weise gesteuert wird, so dass die Oszillationen genau nichtphasig sind, werden prozessbedingte Empfindlichkeitsschwankungen minimiert. Für eine Zielwellenlänge λ und zwei Dicken sollte die resultierende Differenz nahe λ/(4·n) sein, wobei n der Brechungsindex der Schicht ist, die die Dickendifferenz aufweist.
Daher können gemäß nachfolgend beschriebener Ausführungsbeispiele die Oszillationen der spektralen Empfindlichkeit für ein breites Intervall von zu erfassenden Wellenlängen wesentlich reduziert werden.
Messungen und Simulationen für erste Prototypen von Photodioden, die die spektrale Bandbreite des Messsystems berücksichtigen, wurden durchgeführt, um das Prinzip zu veranschaulichen. Für diese Photodioden wurde der LOCOS-Verarbeitungsschritt verwendet, um eine Dickendifferenz von ~ 130 nm einzuführen.
Die Fläche, die aufgrund des LOCOS-Prozesses eine größere Dicke des thermischen Oxids aufweist, wird als Feld-Gebiet bezeichnet, der Bereich, der eine kleinere Dicke des thermischen Oxids aufweist, wird hier Aktiv-Gebiet genannt. Photodioden unter Aktiv-Gebiet, Photodioden unter Feld-Gebiet und Photodioden mit jeweils 50% ihrer Fläche unter Aktiv-Gebiet und 50% unter Feld-Gebiet wurden verarbeitet und charakterisiert (siehe die jeweiligen Regionen in 2).
Ein schematischer Querschnitt der Bauelemente ist in 2 gezeigt. 2 zeigt insbesondere drei Photodetektoren, nämlich zwei Photodetektoren 8a und 8b zu Vergleichszwecken links und in der Mitte der Figur und einen Photodetektor 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf der rechten Seite. Alle Detektoren 8a, 8b und 10 sind exemplarisch als Photodioden gestaltet mit jeweils einem pn-Übergang 12 in einem Substrat, auf dem sich ein optischer Stapel 14 aus dielektrischen Schichten 14a, 14b und 14c befindet. Exemplarisch zeigt 2, dass das Substrat 11, auf dem der optische Stapel 14 angeordnet ist, auf einer dem optischen Stapel 14 zugewandten Seite zur Bildung des pn-Übergangs 12 jeweils einen n-Dotierungsbereich in dem ansonsten p-dotierten Substrat 11 aufweist. Die Dotierungsverhältnisse könnten allerdings auch umgekehrt sein. Zudem könnten die pn-Übergänge auch anders erzeugt sein. Bei dem Substrat 11 müsste es sich nicht zwangsläufig wie in 2 gezeigt um ein epiktaktisches Substrat und ein Substrat aus Silizium handeln, sondern andere Halbleitermaterialien wären beispielsweise ebenfalls möglich und die pn-Übergänge 12 könnten ihrerseits wiederum in einer Wanne mit entgegengesetzter Dotierung eingebettet sein, in welchem Fall das Substrat 11 beispielsweise undotiert oder eine andere Grunddotierung aufweisen könnte.
Von dem Substrat 11 aus beginnend umfasst der Stapel 14 eine Schicht 14a aus thermischem Oxid 14a, gefolgt von einer abgeschiedenen Schicht 14b aus Siliziumdioxid wiederum gefolgt von einer Schicht aus Siliziumnitrid. Wie es später noch erörtert werden wird, ist das Ausführungsbeispiel für einen Photodetektor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung in vielerlei Hinsicht nur exemplarisch. Das bezieht sich auch auf die Anzahl der Schichten des Schichtstapels 14, auf die Materialien, auf die Herstellung der nachfolgend noch näher geschilderten Dickenvariation der Siliziumoxidkombinationsschicht 14a plus 14b aus einer LOCOS-Schicht 14a und dem weiteren abgeschiedenen Oxid 14b usw. Jedenfalls wurde bei dem Photodetektor 8a eine Maske bei der Anwendung des LOCOS-Prozesses auf die Oberfläche des Substrats 11 verwendet, an der die pn-Übergänge 12 gebildet sind, so dass die LOCOS-Schicht 14a des Detektors 8a dünn ist und kaum etwas oder nichts von dem Halbleitermaterial bzw. Silizium des Substrats 11 aufgebraucht hat. Bei dem Detektor 8b wurde dies genau umgekehrt gehandhabt. Dort ist die LOCOS-Schicht 14a dick und die Umwandlung des Siliziums fand bis zu einer tieferen Tiefe hin statt. Der Detektor 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist über den lateralen Bereich des pn-Übergangs 12 hinweg eine Zone 16 auf, in der die LOCOS-Schicht 14a durch Maskierung dünn ist bzw. fehlt, und eine Zone 18, in der die Schichtdicke der LOCOS-Schicht dick bzw. dicker und die entsprechende Umwandlungstiefe größer ist. Durch die Aufbringung des weiteren Siliziumdioxids 14b mit anschließender Planarisierung auf einer dem Substrat 11 abgewandten Seite 20 weist der Photodetektor 8a über seinem pn-Übergang 12 eine einheitliche Schichtdicke auf, die kleiner als eine einheitliche Schichtdicke oberhalb des pn-Übergangs 12 des Photodetektors 8b ist, und der pn-Übergang 12 des Photodetektors 10 wiederum sieht über sich zwei unterschiedliche Dicken des Siliziumdioxids 14a–14b, nämlich eine geringere Dicke in der Zone 16 und eine größere Dicke in der Zone 18. Die unterschiedlichen Dicken bringen, wie bereits oben ausgeführt wurde, und wie es im Folgenden noch einmal dezidierter ausgeführt wird, die Vorteile im Hinblick auf die Reduktion der Oszillation der spektralen Empfindlichkeit gegenüber der Detektoren 8a und 8b mit sich. Die gezeigten Schichtdickenangaben in 2 sind nur exemplarisch zu verstehen.
Da bei dem rechten Photodiodentyp 10 in 2 mehrere optische Weglängen die Quanteneffizienz bestimmen, ist die Abhängigkeit von prozessbedingten Dickenschwankungen der dielektrischen Schichten, die den optischen Stapel bilden, der aus Siliziumdioxid und Siliziumnitrid und möglicherweise anderen Materialien (z. B. Polyimid, spektrale Filter usw.) besteht, in typischen CMOS-Prozessen drastisch reduziert (siehe 4b im Vergleich mit 4a).
Unter Verwendung dieses Verfahrens können die prozessbedingten Chip-zu-Chip-Schwankungen der optischen Empfindlichkeit von Photodioden für eine spezifische schmalbandige Beleuchtung und die Spektralempfindlichkeitsoszillationen als eine Funktion der Wellenlänge ohne zusätzlichen Verarbeitungsaufwand drastisch reduziert werden.
Bevor nachfolgend noch weitere Ausführungsbeispiele für Photodetektoren und Bildsensoren sowie entsprechende Herstellungsverfahren beschrieben werden, soll zunächst auf einige Abwandlungsmöglichkeiten im Vergleich zur bisherigen Darstellung hingewiesen werden.
Eine Schwankung der Dicke des optischen Stapels wie oben beschrieben reduziert auch die Empfindlichkeitsschwankung aufgrund von Prozessschwankungen für Wellenlängen nahe λ = 4n·s (siehe 5), wobei s die Dickendifferenz zwischen den Schichten ist und n der Brechungsindex ist. Insbesondere zeigt 5, dass die prozessbedingten Dickenschwankungen zu einer wellenlängenabhängigen Maximaldifferenz der Quanteneffizienz (ihren, wobei diese maximale prozessbedingte Quanteneffizienzschwankung hier für unterschiedliche Pixelstrukturen gezeigt ist, nämlich (obere Linie) mit nur einer einzelnen Dicke, (mittlere Linie) mit zwei Dicken innerhalb eines Pixels, die sich um 130 nm unterscheiden, und (untere Linie) für vier Dicken innerhalb eines Pixels, die sich jeweils um 65 nm unterscheiden. Ein Pixel mit zwei Dicken leidet unter weniger prozessbedingten Schwankungen der Quanteneffizienz als ein Pixel mit einer einzelnen Dicke, selbst für eine breite Wellenlängenregion benachbart zu λ = 4·n·130 nm. Ein Pixel mit vier Dicken zeigt sogar noch weniger prozessbedingte Quanteneffizienzschwankungen über einen breiteren Wellenlängenbereich.
3 zeigt einen Vergleich von Simulation und Messungen an Prototypen-Strukturen der einzelnen Photodioden aus 2. Die Simulationen berücksichtigen in diesem Fall die spektrale Breite des Messtandes: Oben: Photodiode unter Aktiv-Gebiet. Mitte: Photodioden unter Feld-Gebiet (130 nm mehr SiO₂) Unten: Photodiode zur Hälfte und Feld- und zur Hälfte und Aktiv-Gebiet. Deutlich zu sehen ist eine den Simulationen entsprechende Glättung der spektralen Sensitivität.
Die unterschiedlichen optischen Wege müssen nicht durch den LOCOS- oder STI-Verarbeitungsschritt erzeugt werden. Dieselben können auch durch Ätzen einer ähnlichen Struktur in eine der oberen Schichten erzeugt werden, z. B. die Siliziumnitridpassivierung, oder durch jeden anderen Verarbeitungsschritt, der zu einer Dickenänderung führt.
Die unterschiedlichen optischen Wege müssen nicht durch physikalische Dickenänderungen erzeugt werden, sie können auch unter Verwendung von Schwankungen des Brechungsindex n aufgebaut werden. Dies kann beispielsweise erzeugt werden durch Ätzen des Siliziumoxids in einigen Bereichen und Ersetzen desselben mit einem Material, das einen anderen Brechungsindex aufweist.
Die Anzahl von Stapeldicken in einem einzelnen Pixel ist nicht auf zwei begrenzt. Durch Aufnehmen von vier Schichten mit unterschiedlichen Dicken d, d – λ/8, d – λ/4 und d – 3·λ/8, kann die Abhängigkeit der Empfindlichkeit von Prozessschwankungen weiter verringert werden. Indem mehrere Schritte verwendet werden, kann das Wellenlängenintervall, das von dem Prozess profitiert, erhöht werden (siehe 5 und 6).
Dies kann erweitert werden zu einer kontinuierlichen Schwankung der Dicke von d zu d – λ/2.
Wenn die auftreffende Strahlung die Photodiode nicht senkrecht zu der Oberfläche trifft, werden unterschiedliche Teile der zwei Photodiodenbereiche beleuchtet. Somit sollte die laterale Struktur der Schwankung des optischen Wegs auf eine Weise gesteuert werden, dass für jeden Beleuchtungswinkel ähnliche Teile der unterschiedlichen Dicken beleuchtet werden. Für diesen Zweck können Schachbrettstrukturen, sich radial verändernde (tortenstückförmige) oder kegelförmige Strukturen verwendet werden.
Unter den nachfolgend noch näher genannten Ausführungsbeispielen befinden sich also solche, bei denen Änderungen der physikalischen Dicke der Schichten in einem Photodetektor, wie z. B. einer CMOS-Photodiode, das ein Element eines Bildsensors bzw. CMOS-Bildsensors sein kann, vorgesehen werden. Die Dicke der Schichten kann beispielsweise unter Verwendung eines SEM-Querschnitt erfasst werden. Unter den nachfolgend noch näher genannten Ausführungsbeispielen befinden sich aber auch solche, bei denen nur der Brechungsindex geändert wird. Letztere machen sich nach Herstellung, in komplexeren Messwerkzeugen, um die optischen Eigenschaften der verwendeten Materialien zu messen, bemerkbar, wie beispielsweise TOF-SIMS oder RBS.
Ein Schwerpunkt von Ausführungsbeispielen vorliegender Erfindung liegt also darin, mehrere optische Weglängen in einen Photodetektor, wie z. B. eine CMOS-Photodiode, einzubringen, welches wiederum ein Element eines Arrays sein kann, das einen Bildsensor bzw. CMOS-Bildsensor bildet.
Ein Ausführungsbeispiel eines Photodetektors, für welches die Photodiode rechts in 2 quasi eine mögliche Implementierung darstellt, ist in 7 gezeigt. Zur Steigerung der Verständlichkeit werden Bezugszeichen verwendet, wie sie für entsprechende Elemente in 2 verwendet worden sind. 7 zeigt einen Photodetektor 10 zum Erfassen auftreffender Strahlung 30 mit einer Schichtdicken- und/oder Brechungsindexvariation, die unterschiedliche interne optische Weglängen 32 für die auftreffende Strahlung 30 realisiert, wodurch eine Oszillation 34 der spektralen Empfindlichkeit des Photodetektors 10 – gemessen als beispielsweise eine mittlere Streuungsbreite, wie z. B. Standardabweichung, der Empfindlichkeit in einem Betriebswellenlängenbereich 36 des Detektors 10, wie z. B. sichtbarem und/oder Infrarot- und/oder UV-Licht, wie es in 7 versinnbildlicht ist – reduziert ist.
Dabei kann der Photodetektor 10 eine Photodiode mit einem pn-Übergang 12 als photosensitives Element sein, wobei Alternativen allerdings ebenfalls möglich sind. Der Photodetektor 10 kann ein Substrat 11 und einen optischen Stapel mit zumindest einer, bzw. mindestens eine Schicht 14a oberhalb des Substrats 11 aufweisen, so dass die Strahlung 30 auf dem Weg zum photosensitiven Element 12 die Schicht 14a durchdringt. Das Substrat 11 ist beispielsweise ein geeignetes Halbleitersubstrat.
Die Schicht 14a und die eventuellen weiteren Schichten des optischen Stapels sind vorzugsweise dielektrische Schichten. Vorzugsweise weist bzw. weisen sie eine optische Transparenz in dem Bereich 36 auf. Der Transmissionsgrad der Schicht 14 ist in diesem Bereich 36 beispielsweise durchgängig größer als 50%.
Im Substrat 11 kann ein photosensitives Element, wie z. B. der pn-Übergang 12, gebildet sein, wie z. B. an der der Schicht 14a zugewandten Seite.
Zur Schichtdickenvariation kann nun die Schicht 14a beispielsweise mehrere unterschiedliche Dicken in dem lateralen Bereich 38 aufweisen, der von der Strahlung 30 durchdrungen wird, die in dem photosensitiven Element zur Photoumwandlung beiträgt, also z. B. innerhalb der lateralen Ausdehnung von Diffusions- plus Driftzone des pn-Übergangs 12. Insbesondere kann der Photodetektor die Schichtdickenvariation in einer LOCOS-Schicht 14a aufweisen. Eine auf die LOCOS-Schicht 14a aufgebrachte Schicht wie sie in 2 rechts exemplarisch mit 14b gezeigt wurde kann auf der dem Substrat 11 abgewandten Seite 20 planarisiert sein. Das Material kann das gleiche wie das Material der LOCOS-Schicht 14a sein, wodurch sich eine Schicht mit lateral variierender Schichtdicke ergibt, nämlich die Kombination aus 14a und 14b. Die Schichtdickenvariation kann in dem Bereich 38 kontinuierlich oder stufenweise realisiert sein. Eine Spannweite der Schichtdickenvariation ist beispielweise größer als 10 nm, wie z. B. bezogen auf den bzw. im Inneren des Bereich(s) 38, und liegt beispielsweise zwischen 10 nm und 400 nm, um in dem Wellenlängenbereich 36 die oben erläuterte Reduktion der Oszillation 34 besonders stark hervorzurufen. Eine andere Bereichsauswahl wäre, die Spannweite größer als 50 nm zu wählen, so dass sie beispielsweise zwischen 50 nm und 200 nm liegt. In dem Fall einer einfachen Stufe in dem Solldickenprofil der Schicht 14a oder einem anderen binären Stufenprofil, wie z. B. dem nachher noch erwähnten Schachbrettmuster, entspricht die Spannweite der Stufenhöhe.
Wie gesagt kann aber die Schicht 14a auch eine Schicht mit einer lateralen Brechungsindexvariation oder mit einer Schichtdicken- und Brechungsindexvariation sein, und dabei kann diese Variation zumindest in dem Bereich 38 so ausgestaltet sein, dass eine Standardabweichung derselben einer optischen Weglängenvariation entlang einer Dickenrichtung der Schicht 14a für Strahlung in dem Wellenlängebereich 36 von mehr als 10 nm und beispielsweise zwischen 10 und 400 nm entspricht, und vielleicht mehr als 50 nm und beispielsweise zwischen 50 und 200 nm. Die gewählten Bereiche ergeben ein Maximum des Quanteneffizienzschwankungsreduktionseffektes in gewünschten Wellenlängenbereichen 36 von beispielsweise sichtbarem, Infrarot- und/oder UV-Licht, wenn man beispielsweise von einem Material der Schicht 14a mit einem Brechungsindex zwischen 1,4 und 2,5 ausgeht, welcher Brechungsindexbereich allerdings nicht einschränkend verstanden werden soll, sondern hierzu auch Alternativen existieren.
Ätzen einer oder mehrerer Stufen oder einer Schräge in die Schicht 14a des Photodetektors 10 oder in das Substrat 11 des Photodetektors 10 im Bereich 36, oder ein Anwenden von LOCOS auf das Substrat 11 des Photodetektors 10, so dass die so entstehende LOCOS-Schicht 14a eine solche Stufe oder Schräge aufweist, wie es auch in 2 angedeutet ist, kann verwendet werden, um die Schichtdickenvariation zu erzielen. Teilweises Ätzen der Schicht 14a oder des Substrates 12 des Photodetektors 10 und Ersetzen des weggeätzten Teils mit einem Material mit anderem Brechungsindex als ein Schichtmaterial der Schicht 14a, so dass ein Übergang zwischen dem Material mit anderem Brechungsindex und dem Schichtmaterial in dem Bereich 38 liegt, kann verwendet werden, um eine Brechungsindexvariation zu erzielen.
Es versteht sich von selbst, dass die Schicht 14a nicht unmittelbar auf dem Substrat 11 aufgebracht sein muss. Sie kann auch durch eine weitere Schicht, mit der die Schicht 14a den optischen Stapel bildet, von dem Substrat 11 getrennt sein. Außerdem können natürlich auch mehrere Schichten im optischen Stapel mit unterschiedlichen optischen Weglängen ausgestattet werden.
Ein Bildsensor kann so aus einer Mehrzahl von solchen Photodetektoren gebildet werden, und zwar mit den Vorteilen, die im Vorhergehenden beschrieben worden sind. Ein solcher Bildsensor 40 könnte sich ergeben, wenn mehrere Photodetektoren in dem Substrat 11 und der Schicht 14a gemäß dem Photodetektor 10 gebildet werden, wie es in 9 angedeutet ist.
Soeben beschriebene Ausführungsbeispiele beruhen also anders ausgedrückt darauf, mehrere unterschiedliche optische Weglängen 32 in beispielsweise den optischen Stapel 14 bzw. 14a eines Pixels bzw. Einzelsensors 10 einzubauen. Der Unterschied der optischen Weglängen 32 kann dabei so gewählt werden, dass (laterale) Teile des Pixels stets in einem Maximum der Oszillation der Sensitivität liegen, während andere Teile in einem Minimum liegen (vgl. 16 und 18 in 2). Dies funktioniert streng genommen nur für eine bestimmte Wellenlänge, führt jedoch auch über einen weiten Wellenlängenbereich zu einer starken Glättung der Oszillationen. Auf diese Weise wird die Sensitivität geglättet, wobei sowohl Schwankungen der Wellenlänge als auch Schwankungen der Schichtdicke ausgeglichen werden.
Mehrere optische Weglängen können prinzipiell auf zwei verschiedene Möglichkeiten realisiert werden. Entweder wird die tatsächliche Schichtdicke variiert oder der Brechungsindex wird in Teilgebieten 16 bzw. 18 des Pixels verändert. Eine Variation der Schichtdicke der dielektrischen Schichten in einem Teilgebiet des Pixels ist zum Beispiel durch die lokale Oxidation von Silizium (LOCOS), shallow-trench-isolation (STI) Prozesse oder eine Ätzung möglich, wie es bezugnehmend auf 2 beschrieben wurde. Eine Variation des Brechungsindex kann zum Beispiel durch das Einfügen eines anderen Materials in Teilgebieten eines Pixels erreicht werden.
Als Beispiel wurde eine Photodiode mit zwei verschiedenen optischen Weglängen in 2 vorgestellt, die durch einen LOCOS Prozess erzeugt wurde. Der Vorteil dieser Variante liegt dabei darin, dass keine zusätzliche Masken oder Prozessschritte zur Erzeugung des optischen Weglängen-Unterschieds benötigt werden. Andererseits ist der Wegunterschied durch den Prozess vorgegeben. In diesem Fall unterscheidet man Aktiv-Gebiete und Feld-Gebiete, die eine größere thermische Oxidation aufweisen und je nach Prozess zwischen 10 nm und mehreren hundert nm tiefer ins Silizium ragen können, als Aktiv-Gebiete. In diesem Fall ist der Ziel-Schichtdickenunterschied d, bei dem die Glättung der Sensitivität am Besten funktioniert durch d = λ/(4·n) gegeben, wobei λ die Wellenlänge ist und n der Brechungsindex des Materials, in dem der Schichtdickenunterschied zu finden ist. Umgekehrt ergibt sich aus einem Schichtdickenunterschied der beiden Gebiete von zum Beispiel 130 nm eine Wellenlänge von ca. 750 nm.
Eine schematische Darstellung von Photodioden gänzlich unter Aktiv- bzw. gänzlich unter Feld-Gebiet sowie einer Photodiode, bei der ein Teil unter Feld- und ein Teil unter Aktiv-Gebiet liegt, zeigt 2. Eine Simulation der Sensitivität von Photodioden unter Aktiv- und Feld-Gebiet, sowie einer Überlagerung der beiden Gebiete zeigt 1. Aus dieser Simulation ist ersichtlich, dass die Überlagerung in einem weiten Wellenlängen Bereich um die Ziel-Wellenlänge von 750 nm zu einer Glättung der spektralen Sensitivität führt. Eine genaue Untersuchung der maximalen prozessbedingten Sensitivitätsschwankungen in Abhängigkeit der Wellenlänge ist in 8 dargestellt. Eine Vermessung von Prototypen-Strukturen im Vergleich zu Simulationen zeigt 3. Die Messungen bestätigen dabei die Glättung der spektralen Sensitivität über einen weiten Wellenlängen-Bereich. In 4b ist die Abhängigkeit der Sensitivität von Schichtdickenschwankungen für eine Wellenlänge von 750 nm simuliert. Diese Abhängigkeiten sinken dabei von 0,43 für eine herkömmliche Diode auf 0,13 für eine Photodiode entsprechend 2 rechts mit zwei optischen Weglängen. In weiteren Simulationen wurde der Einfluss von Variationen des Schichtdickenunterschieds auf die Prozess-bedingten Sensitivitäts-Schwankungen berechnet. Aus diesen Simulationen ergibt sich, wie oben erwähnt, dass für einen Schichtdicken-Unterschied von 130 ± 10 nm die prozessinduzierten Sensitivitätsschwankungen zwischen 0,15 und 0,13 liegen (herkömmliche Photodiode 0,43). Bei der Prozessierung des Schichtdickenunterschieds müssen also keine hohen Anforderungen an die Schichtdicke gestellt werden. Wie oben ebenfalls bereits erwähnt, kann dieser Prozess durch zusätzliche optische Weglängen erweitert werden. Betrachtet man vier Schichtdicken mit den Dicken d, d – λ/(8·n), d – λ/(4·n) und d – 3·λ/(8·n) ergibt sich eine nochmals reduzierte Abhängigkeit der Sensitivität von Prozessschwankungen auf 0,08 (siehe 6). In Graustufen ist in 6 die simulierte Quanteneffizienz einer Photodiode bei ca. 750 nm dargestellt, in deren optischem Stapel entsprechend vorliegender Ausführungsbeispiele vier Schichtdicken mit den Dicken d, d – λ/(8·n), d – λ/(4·n) und d – 3·λ/(8·n) vorhanden sind. Im Grenzfall ist auch eine Erweiterung auf einen kontinuierlichen optischen Weglängen-Unterschied von d bis d – λ/(2·n) denkbar. Für eine solche kontinuierliche Variation der optischen Weglänge ist allerdings eine technische Realisierung schwerer. 8 zeigt beispielsweise die maximalen, durch Schichtdickenherstellungsschwankungen hervorgerufenen Variationen der Quanteneffizienz in Abhängigkeit vom Schichtdickenunterschied. Eine normale Photodiode ohne Schichtdickenunterschied hat einen konstanten Wert. Für Photodioden gemäß 7 mit zwei bzw. vier Schichtdicken bzw. Bereichen mit zwei bzw. vier unterschiedlichen Schichtdicken ergeben sich in Abhängigkeit vom Schichtdickenunterschied verschiedene Werte.
Bei schrägem Lichteinfall, wie sie bei den äußeren Pixeln eines Bildsensors stets vorliegt, kommt es durch die begrenzenden Metallbahnen im optischen Stapel zu einer Abschattung von Pixelbereichen. Bei einer einfachen Geometrie, bei der zwei optischen Weglängen durch jeweils einen einzigen großen Bereich realisiert sind, kann es in diesem Fall zu einer Veränderung der bestrahlten Anteile der beiden optischen Weglängen und damit zu einer Minderung der Glättung der spektralen Empfindlichkeit kommen. Durch eine geschickte Anordnung der einzelnen Weglängen-Gebieten kann auch bei schrägem Lichteinfall gewährleistet werden, dass gleiche Teile der optischen Weglängen bestrahlt werden.
Zum Beispiel lässt sich dies durch Schachbrett-Muster, radial abwechselnde (tortenförmige) Strukturen oder konzentrische Ringe erreichen. Im Fall von kontinuierlichen Schichtdicken-Variationen können dafür kegelförmige Strukturen verwendet werden.
10a und 10b zeigen Photodetektoren 10 gemäß Ausführungsbeispielen bei schräger Beleuchtung, d. h. schräg einfallender Strahlung 30. 10a zeigt einen Detektor gemäß 2 rechts und 9b einen hierzu modifizierten. Der dargestellte Winkel von 32° ist wesentlich größer als in Wirklichkeit zu erwarten (max. 15°). Außerdem ist die Abbildung nicht maßstabstreu. Die Situation wurde gewählt, um das Problem des schrägen Lichteinfalls besser zu veranschaulichen. Werden die beiden Schichtdicken der Sicht 14a bzw. 14a + 14b durch einen einzigen großen Bereich realisiert, wie in 10a gezeigt, so wird beispielsweise aufgrund von Abschattungen durch nicht-transparente Strukturen 50, wie z. B. aus Metall, bei schräger Beleuchtung ein ungleicher Anteil der beiden Schichtdickenbereiche 16 und 18 tatsächlich beleuchtet, wodurch die Mittelung der Sensitivitäten in diesem beleuchteten Bereich 52 vermindert wird. Werden die Schichtdicken durch viele kleine Bereiche 16 bzw. 18 realisiert (rechts), die sich beispielsweise entlang zweier lateraler Achse mehr als fünf mal untereinander abwechseln, wird auch bei schräger Beleuchtung ein sehr ähnlicher Anteil der beiden Schichtdicken beleuchtet, und die Mittelung der Sensitivität erfolgt nahezu ungehindert. Die Schichtdickenbereiche 16 und 18 könnten zum Beispiel durch ein Schachbrett-Muster verwirklicht sein. 11a–d zeigen sich ergebende Draufsichten auf die Substratoberfläche für unterschiedliche Geometrien bzw. Muster der Bereiche 16 und 18. 11a zeigt eine Draufsicht auf ein Pixel bzw. Detektor 10 mit einfacher Zweiteilung des Bereichs 38 in Teilbereiche unterschiedlicher darüber befindlicher optischer Weglänge 16 bzw. 18 gemäß 10a unter senkrechter Beleuchtung und 11b bei schräger Beleuchtung (rechts), wie sie auch bei 10a dargestellt ist. 11a und 11b stehen stellvertretend für Geometrieaufteilungen, bei denen die Schichtdickenbereiche 16 und 18 mit den zugehörigen Schichtdicken d₁ und d₂ durch jeweils eine große einfachzusammenhängende Fläche realisiert sind. Bei dem schrägem Lichteinfall gemäß 11b wird in diesem Fall eine wesentlich größere Fläche mit der Dicke d₁ beleuchtet. Wenn, wie in 10b, die beiden Schichtdickenbereiche durch eine verschachtelte Anordnung kleinerer Flächen realisiert sind, führt dies zu einer gleichmäßigeren Beleuchtung der beiden Schichtdickenbereiche 16 und 18 nicht nur bei senkrechter Beleuchtung, wie sie in 11c gezeigt ist, sondern auch bei schräger Beleuchtung, wie sie in 11d gezeigt ist.
Wieder kurz auf 7 Bezug nehmend besagen also die Ausführungen zu 10a–11d, dass es vorteilhaft sein kann, wenn nicht nur die Variation des Solldickenprofils der Schicht 14a in Dickerichtung, d. h. die Häufigkeitsverteilung der Dicken, in dem Bereich 38 in dem vorerwähnten gewünschten Bereich liegt, sondern wenn auch die Verteilung der Bereiche mit unterschiedlichen Dicken verschachtelt zueinander sind bzw. in einer Granularität vorliegen, deren Korngröße flächenmäßig beispielsweise kleiner als ein Viertel der Fläche des photosensitiven Bereichs 38 des Photodetektors 10 ist. In einem diskontinuierlichen Schichtdickenprofil mit Stufen können die Bereiche unterschiedlicher Dicke, wie oben erwähnt, in einem Schachbrettmuster oder in einer ähnlichen regelmäßigen Anordnung angeordnet sein. Die Anordnung muss aber nicht regelmäßig sein, und die Bereiche unterschiedlicher Dicke müssen auch nicht zueinander getrennt sein bzw. sind nicht darauf beschränkt, sich nur an Eckpunkten mit Bereichen gleicher Dicke berühren zu dürfen. So könnte beispielsweise der Bereich 16 geringer Dicke in Form eines Streifengitters ein einziges mehrfach zusammenhängendes Gebiet sein, während das Gebiet 18 hoher Dicke der darüber befindlichen dielektrischen Schicht 14a disjunkte Bereiche in den Zwischenstreifenpositionen bzw. Lücken des Gitters einnimmt oder umgekehrt, von denen ein Option in 11a und 11b dargestellt ist. Ganz allgemein ausgedrückt ist es also zu bevorzugen, wenn das Sollschichtdickenprofil der Schicht 14a auch bestimmte Bedingungen hinsichtlich seiner Ortsfrequenzen zumindest im Inneren des Bereiches 38, d. h. des photosensitiven Bereichs, erfüllt, wie z. B. dass ein bestimmtes Maß für die zentrale Tendenz der spektralen Ortsfrequenz(häufigkeits)verteilung einer Periodenlänge entspricht, die in zwei zueinander senkrechten lateralen Richtungen kleiner als beispielsweise die laterale Ausdehnung des photosensitiven Bereiches 38 oder sogar der Hälfte derselben ist. Die Hälfte der mittleren Periodenlänge entspricht quasi einer Granularitätskorngröße einer Granularität des Dickenprofils. Als Maß für die zentrale Tendenz kann beispielsweise der Mittelwert, der Median oder der Modus verwendet werden.
Die Bestimmung der vorerwähnten Maße für die zentrale Tendenz der Ortsraumfrequenzen und die Streuung der Dicken im Solldickenprofil der Schicht 14a im Inneren des photosensitiven Bereichs 38 können beispielsweise wie folgt ermittelt werden. Beispielsweise wird das Solldickenprofil der Schicht 14a im Bereich 38 äquidistant zweidimensional abgetastet, um ein zweidimensionales Feld von Dickenwerten zu erhalten. Aus diesen Dickenwerten wird dann beispielsweise das Maß für die Streuung bestimmt, wie z. B. die Spannweite oder die Standardabweichung. Zur Ortsfrequenzauswertung kann das Feld dann beispielsweise einer Fouriertransformation oder einer anderen geeigneten Ortsfrequenzzerlegungstransformation unterzogen werden, um die sich ergebenden Spektralwerte einer statistischen Auswertung zur Ermittlung der zentralen Tendenz zu entziehen, d. h. zu bestimmen, wo in dem zweidimensionalen Feld von Ortsraumfrequenzen, die ja dem Kehrwert von Periodenlängen des Dickenprofils entsprechen, die zentrale Tendenz der spektralen Verteilung liegt. Die Auswertung kann beispielsweise für zwei orthogonale Ortsraum- bzw. laterale Richtungen getrennt ausgeführt werden. In beiden Richtungen sollte dann beispielsweise die ermittelte mittlere Periodenlänge kleiner als die maximale Ausdehnung des photosensitiven Bereichs 38 oder sogar kleiner als die Hälfte der maximalen Ausdehnung, wie z. B. Seitenlänge oder Durchmesser des Bereichs 38, sein. Wie gesagt, kann das Solldickenprofil der Schicht 14a kontinuierlich oder diskontinuierlich ausfallen. In dem Fall zum Beispiel, dass keine abschattenden Strukturen 50 vorhanden sind, oder die beschriebenen Abschattungseffekte nicht stören oder sogar gewünscht sind, können die Anforderungen an das Profil der Ortsraumfrequenzverteilung des Solldickenprofils der Schicht 14a auch reduziert bzw. weggelassen werden. Eben gemachte Aussagen gelten natürlich für Brechungsindexschwankungen entsprechend.
Noch einmal in anderen Worten zusammenfassend besteht also eine Wirkung oben gezeigter Weglängendiversifikation in einer Glättung der spektralen Empfindlichkeit bei schmalbandiger Beleuchtung von CMOS Photodioden bei geringem bis gar keinem zusätzlichen Prozessierungsaufwand. Genauer gesagt wird der Einfluss von Variationen der Wellenlänge und prozessbedingten Schichtdickenschwankungen auf die spektrale Empfindlichkeit reduziert. Eine solche homogene Sensitivität hat für viele Anwendungen, wie 3D-ToF Imaging, Spektroskopie oder Triangulationssensoren, Vorteile, da die Pixel response non uniformity (PRNU) vermindert wird.
Ein Vorteil obiger Ausführungsbeispiele ist somit generell eine Verbesserung der Homogenität der Sensitivität, was zum Beispiel bei spektroskopischen Anwendungen Vorteile hat. Zum anderen wird es durch die verbesserte Homogenität der Sensoren für bestimmte Anwendungsgebiete in manchen Fällen möglich, Sensoren zu verwenden, die ohne eine Kalibrierung auskommen. In diesem Fall können die Sensoren, die gemäß obigen Ausführungsbeispielen konstruiert sind, wesentlich preisgünstiger angeboten werden. Anwendungen, die bisher an den hohen Kosten von speziellen Bildsensoren gescheitert sind, können durch oben beschriebene Ausführungsbeispiele daher möglich gemacht werden. Ein Beispiel für eine solche Anwendung sind 3D-ToF Sensoren zur Erfassung von Insassen in einem Auto, um entsprechend deren Position die Auslösekraft eines Airbags zu kontrollieren.
Alternative Möglichkeiten, die ähnliche Vorteile liefern wie die obigen Ausführungsbeispiele, wie z. B. die Kalibrierung oder ausgereifte Multi-Schicht Anti-Reflex Schichten, sind alle mit mehr Aufwand verbunden und/oder reduzieren die prozessbedingten Sensitivitätsschwankungen nicht so effektiv wie die vorgestellten Ausführungsbeispiele.
Insgesamt können alle Bildgebungsverfahren, die auf eine Detektion von schmalbandigem Licht ausgelegt sind, von den vorgestellten Ausführungsbeispielen profitieren. Dazu gehören zum Beispiel sämtliche Anwendungen, die mit einer Laser-Beleuchtung arbeiten, wie 3D-time-of-flight Imaging und Triangulationssensoren. Außerdem profitieren zum Beispiel spektroskopische Anwendungen von der homogeneren Systemantwort. Einige Ausführungsbeispiele zielen dabei zum einen auf eine generelle Homogenisierung der Sensitivität für alle beschriebenen Anwendungsbereiche ab, zum anderen auf Systeme mit hohen Stückzahlen, bei denen der Preis eines einzelnen Bauteils möglichst niedrig sein muss. Mit Hilfe der obigen Ausführungsbeispiele können Bildsensoren für schmalbandige Anwendungsgebiete gefertigt werden, die ein herausragendes Preis/Präzisions-Verhältnis haben.
Zu obigen Ausführungsbeispielen wird noch darauf hingewiesen, dass es ohne weiteres möglich wäre, dass die optische Schicht 14a bzw. der entsprechende Stapel 14 auf der Substratrückseite für eine Rückseitenbelichtung platziert ist.
In anderen Worten ausgedrückt, zeigen obige Ausführungsbeispiele also Photodetektoren, wie zum Beispiel für monochromatische Anwendungen und/oder Anwendungen mit kleiner spektraler Bandbreite und Verfahren zum Herstellen desselben. Photodetektoren wurden beschrieben, die ein photoempfindliches Element aufweisen, das durch eine oder mehrere dielektrische Schichten bedeckt ist, und das Licht mit schmaler Spektralbreite oder monochromatisches Licht erfassen soll. Häufig wurden die Beispiele anhand einer CMOS-Photodiode erklärt. Ein Bildsensor kann aus einer Mehrzahl der photoempfindlichen Elemente bestehen. Verfahren zum Herstellen der photoempfindlichen Elemente wurden ebenfalls beschrieben.
Insbesondere wurde unter anderem oben auch ein Photodetektor beschrieben, der ein Substrat, einen oder mehrere p-n-Übergänge auf dem Substrat, eine oder mehrere dielektrische Schicht(en), wie z. B. aus thermischem Oxid, die das Substrat bedecken, aufweist, wobei die Dicke von einer oder mehreren der dielektrischen Schichten in dem Photodetektor variiert. Die Photodiode soll so gebildet sein, dass eine auftreffende Strahlung durch optische Wege mit unterschiedlichen optischen Längen verläuft, bevor dieselbe einen p-n-Übergang erreicht. Verfahren zum Erzeugen einer solchen Photodiode mit unterschiedlichen internen optischen Weglängen können ein Ätzen der einen oder der mehreren dielektrischen Abdeckschicht(en) auf solche Weise sein, dass Schwankungen bei der Dicke der einen oder der mehreren dielektrischen Abdeckungsschicht(en) erreicht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Furumiya, M.; Ohkubo, H; Muramatsu, Y.; Kurosawa, S.; Okamoto, F.; Fujimoto, Y. & Nakashiba, Y High-sensitivity and no-crosstalk pixel technology for embedded CMOS image sensor Electron Devices, IEEE Transactions on, 2001, 48, 2221–2227 [0008]
Vaillant, J.; Grand, G.; Lee, Y.; Raby, J.; Cazaux, Y.; Henrion, Y. & Hibon, V (Eds.) HIGH PERFORMANCE UV ANTIREFLECTION COATING FOR BACKTHINNED CCD AND CMOS IMAGE SENSORS, ICSO 2010 [0009]

Claims

Photodetektor zum Erfassen auftreffender Strahlung, der eine Schichtdicken- und/oder Brechungsindexvariation aufweist, die unterschiedliche interne optische Weglängen für die eintreffende Strahlung realisiert, wodurch eine Schwankung der spektralen Empfindlichkeit des Photodetektors reduziert wird.
Photodetektor gemäß Anspruch 1, bei dem der Photodetektor eine Photodiode ist.
Photodetektor gemäß Anspruch 1 oder 2, der ein Substrat (11) und einen optischen Stapel (14) mit zumindest einer Schicht (14a, b) oberhalb des Substrats (11) aufweist, wobei in dem Substrat (11) ein photosensitives Element (12) des Photodetektors gebildet ist, und in dem optischen Stapel (14) eine Schichtdicke zumindest in einer der Schichten (14a, b) mehrere unterschiedliche Dicken aufweist, unter denen das photosensitive Element angeordnet ist.
Photodetektor gemäß Anspruch 3, bei der der Photodetektor die unterschiedlichen Dicken in einer LOCOS-Schicht (14a) des optischen Stapels (14) aufweist.
Photodetektor gemäß Anspruch 4, bei dem der optische Stapel eine Planarisierungsfläche (20) als Grenzfläche zwischen zwei Schichten (14b, c) des optischen Stapels (14) aufweist, wobei die LOCOS-Schicht (14a) zwischen der Planarisierungsfläche (20) und dem Substrat (11) angeordnet ist.
Photodetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Photodetektor eine Schichtdickenvariation innerhalb eines zur spektralen Empfindlichkeit des Photodetektors (10) beitragenden photosensitiven Bereichs (38) des Photodetektors (10) mit einer Spannweite größer als 10 nm aufweist.
Photodetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Photodetektor eine Schicht (14a) mit einer lateralen Schichtdicken- und/oder Brechungsindexvariation innerhalb eines zur spektralen Empfindlichkeit des Photodetektors (10) beitragenden photosensitiven Bereichs (38) des Photodetektors (10) mit einer Standardabweichung aufweist, die einer optischen Weglängenvariation entlang einer Dickenrichtung der Schicht für sichtbares Licht von mehr als 10 nm entspricht.
Photodetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Photodetektor eine Schicht mit einer lateralen Schichtdicken- und/oder Brechungsindexvariation in einem zur spektralen Empfindlichkeit des Photodetektors (10) beitragenden photosensitiven Bereich (38) mit einer mittleren Strukturlänge aufweist, die kleiner als eine laterale Ausdehnung des photosensitiven Bereichs (38) ist, oder kleiner als die Hälfte der lateralen Ausdehnung.
Bildsensor mit einer Mehrzahl von Photodetektoren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
Bildsensor gemäß Anspruch 8, mit einem Substrat (11) und einem optischen Stapel (14) mit zumindest einer Schicht (14a, b) oberhalb des Substrats (11), wobei für jeden Photodetektor (10) in dem Substrat (11) ein photosensitives Element (12) gebildet ist, wobei für jeden Photodetektor (10) in dem optischen Stapel (14) eine Schichtdicke zumindest einer der Schichten (14a, b) mehrere unterschiedliche Dicken aufweist, unter denen das photosensitive Element des jeweiligen Photodetektors (10) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Photodetektors (10) mit Schichtdicken- und/oder Brechungsindexvariation, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist: Erzeugen einer Schicht des Photodetektors mit einer Schichtdicken- und/oder Brechungsindexvariation, die unterschiedliche interne optische Weglängen für die eintreffende Strahlung realisiert, wodurch eine Schwankung der spektralen Empfindlichkeit des Photodetektors reduziert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Erzeugen so durchgeführt wird, dass die Schichtdicken- und/oder Brechungsindexvariation eine Standardabweichung aufweist, die einer optischen Weglängenvariation entlang einer Dickenrichtung der Schicht für sichtbares Licht von mehr als 10 nm entspricht, oder so dass die Schichtdickenvariation eine Spannweite größer als 10 nm aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das Erzeugen ein Ätzen einer Stufe (22) oder einer Schräge in zumindest eine Schicht (14a) des Photodetektors (10) oder in ein Substrat des Photodetektors, die von der eintreffenden Strahlung durchdrungen wird, oder ein Anwenden von LOCOS auf ein Substrat (11) des Photodetektors (10), so dass eine entstehende LOCOS-Schicht eine Stufe (22) oder einer Schräge aufweist, die von der eintreffenden Strahlung durchdrungen wird, aufweist, um die Schichtdickenvariation zu erzielen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das Erzeugen ein teilweises Ätzen einer Schicht oder eines Substrates des Photodetektors und Ersetzen desselben mit einem Material mit anderem Brechungsindex als ein Schichtmaterial der Schicht aufweist.