DE102018113096A1 - Lichtlaufzeitpixel und Lichtlaufzeitsensor mit entsprechenden Pixel - Google Patents

Lichtlaufzeitpixel und Lichtlaufzeitsensor mit entsprechenden Pixel Download PDF

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Abstract

Lichtlaufzeitpixel (100) ausgebildet für eine rückseitige Beleuchtung in einem Halbleitersubstrat, mit- einem photoaktiven Bereich (120) zur Generierung von Ladungsträgern,- mindestens einem Integrationsknoten (Ga, Gb),- einer Pixelschaltung (140),- mindestens einem modulierbaren Trench (110, Gam, Gbm) zu je einem Integrationsknoten (Ga, Gb) gehörig,- mindestens eine vergrabene Reflektionsschicht (160), wobei die Reflektionsschicht (160) die Pixelschaltung (140) ganzflächig und die Integrationsknoten (Ga, Gb) in Richtung der Lichteintrittsseite des Lichtlaufzeitpixels (100) ganzflächig; teilweise oder nicht abdeckt.

Description

  • Die Erfindung betrifft Lichtlaufzeitpixel und einen Lichtlaufzeitsensor ausgestaltet mit entsprechenden Lichtlaufzeitpixel nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
  • Die Druckschrift US 2007/108476 A1 beschreibt einen Bildsensor mit mehreren Pixeln, der (i) eine Schichtanordnung mit einer photosensitiven Schicht sowie einer Reflexionsschicht zur Reflexion von Photonen und (ii) Strukturierungen zur Ausbildung von Photoelementen (photo conversion devices) der Pixel aufweist. Die Strukturierungen bilden beispielsweise Photodioden, Phototransistoren oder andere Photoelemente. Diese Druckschrift zeigt auch eine entsprechende Pixelzelle für einen mehrere Pixeln aufweisenden Bildsensor.
  • Die Druckschrift US 6,232,626 B1 beschreibt einen CMOS-Bildsensor mit mehreren Pixeln, wobei der Sensor pro Pixel eine Pixelzelle aufweist. Die einzelne Pixelzelle umfasst eine Schichtanordnung, die ihrerseits eine photosensitive Schicht, eine leitfähige Schicht sowie eine Isolationsschicht zur elektrischen Isolation der photosensitiven Schicht von der leitfähigen Schicht aufweist, sowie eine Strukturierung zur Ausbildung eines Photoelements. Dabei betrifft die Strukturierung unter anderem auch die drei genannten Schichten. Die Strukturierung bildet eine Photodiode oder einen anderen Photosensor (Photoelement).
  • Photonische Mischelemente sind beispielsweise aus der Druckschrift DE 197 04 496 C2 bekannt, die unter anderem auch eine typische Struktur eines solchen photonischen Mischelements, also eines einzelnen Pixels eines Photomischdetektors, zeigt. Unter einem Photomischdetektor oder PMD-Sensor (PMD: Photonic Mixing Device) ist ein optischer Sensor zu verstehen, dessen Funktionsprinzip auf dem Lichtlaufzeitverfahren (TOF: Time of Flight) beruht und im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Pixeln subsumiert werden soll.
  • Des Weiteren sind aus den Schriften DE 10 2016 209 316 A1 und DE 10 2016 209 319 A1 Lichtlaufzeitpixel bekannt, die eine Strukturierung zur Reflektion von photogenerierten Elektronen aufweisen. Zudem werden auch vergrabende Strukturen gezeigt an denen Potenziale zur Elektronenlenkung angelegt werden können.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lichtlaufzeitpixel bzw. -sensor anzugeben, die sich durch hohe Empfindlichkeit auszeichnen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale.
  • Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitpixel für eine rückseitige Beleuchtung in einem Halbleitersubstrat vorgesehen, mit
    • - mindestens einem Integrationsknoten,
    • - einer Pixelschaltung,
    • - mindestens einem modulierbaren Trench zu je einem Integrationsknoten gehörig,
    • - mindestens eine vergrabene Reflektionsschicht,
    wobei die Reflektionsschicht die Pixelschaltung ganzflächig und die Integrationsknoten in Richtung der Lichteintrittsseite des Lichtlaufzeitpixels ganzflächig, teilweise oder nicht abdeckt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen schematisch:
    • 1 ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
    • 2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger,
    • 3 einen Querschnitt durch einen PMD-Lichtlaufzeitpixel mit Potentialverteilung,
    • 4 eine Aufsicht eines erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitpixel,
    • 5 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitpixel,
    • 6 einen bevorzugten Herstellungsprozess,
    • 7 a, b, c, d, e, f einen Querschnitt des Lichtlaufzeitpixels in den einzelnen Fertigungsschritten gemäß 6,
    • 8, einen weiteren bevorzugten Herstellungsprozess,
    • 9 a, b, c, d, e, f einen Querschnitt des Lichtlaufzeitpixels in den einzelnen Fertigungsschritten gemäß 8.
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
  • 1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
  • Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.
  • Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.
  • Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal Mo mit einer Basisphasenlage φ0 beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals M0 der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.
  • Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + Δφ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal Mo mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
  • Ferner weist das System ein Modulationssteuergerät 27 auf, das in Abhängigkeit der vorliegenden Messaufgabe die Phasenlage φvar das Modulationssignal M0 verändert und/oder über einen Frequenzoszillator 38 die Modulationsfrequenz einstellt.
  • Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.
  • Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals M0 mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal Sp2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit tL phasenverschoben Δφ(tL) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage des Modulationssignals M0 in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M0 + 180° in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(tL) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
  • 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist. Die Modulationsphotogates Gam, G0, Gbm bilden den lichtsensitiven Bereich eines PMD-Pixels. Entsprechend der an den Modulationsgates Gam, G0, Gbm angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate bzw. Integrationsknoten Ga, Gb gelenkt. Die Integrationsknoten können als Gate oder auch als Diode ausgebildet sein.
  • 3b zeigt einen Potenzialverlauf, bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Integrationskonten Ga abfließen, während das Potenzial gemäß 3c die Ladung q in Richtung des zweiten Integrationsknoten Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationssignale vorgegeben. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 100 MHz. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt.
  • In 3 ist ferner eine Ausleseeinheit 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Lichtlaufzeitsensors sein kann. Die als Kapazitäten bzw. Dioden ausgebildeten Integrationsknoten Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Gates Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit 400 hochohmig für den A- und B-Kanal abgegriffen werden. Die Integrationszeiten sind vorzugsweise so zu wählen, dass für die zu erwartende Lichtmenge der Lichtlaufzeitsensor bzw. die Integrationsknoten und/oder die lichtsensitiven Bereiche nicht in Sättigung geraten.
  • 4 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Lichtlaufzeitpixels 100. Anstelle der in 3 gezeigten Modulationsgates sind für die Demodulation der Ladungsträger modulierbare Trenches 110, Gam, Gbm vorgesehen, die die Integrationsknoten Ga, Gb bzw. die Pixelschaltung 140 umklammern. Zwischen den Trenches 110 der A- und B-Kanäle ist ein isolierender Bereich 165 vorgesehen.
  • 5 zeigt den Aufbau gemäß 4 im Querschnitt. Das Lichtlaufzeitpixel 100 ist als BSI-Pixel (BSI= backside illuminated, rückseitenbestrahlt) aufgebaut. Beginnend mit der Rückseite ist eine Mikrolinse 200 über eine Passivierung 105 mit dem Halbleiter verbunden. Der photoaktive Bereich 120 des Pixels ist von Grabenstrukturen 110 umgeben, die hier als modulierbare Trenches 110, Gam, Gbm ausgebildet sind. Die Trenches 110 sind gegenüber dem übrigen Halbleiter und insbesondere gegenüber dem photoaktiven Bereich 120 mittels einer dünnen dielektrischen Schicht 115 elektrisch isoliert.
  • Der Mikrolinse 200 bzw. dem Lichteintrittsbereich gegenüberliegend sind am distalen Ende des Pixels bzw. photoaktiven Bereichs 120 die Integrationsknoten 110, Ga, Gb sowie die Pixelschaltung 140 angeordnet. Hierbei ist zumindest die Pixelschaltung 140 mit einer Reflektionsschicht 160 abgedeckt. Die Integrationsknoten können ggf. frei bleiben oder sind teilweise oder ganz von der Reflektionsschicht 160 abgedeckt. Die Integrationsknoten Ga, Gb befinden sich in unmittelbarer Nähe zum modulierbaren Trench Gam, Gbm des jeweiligen Kanals. Den Integrationsknoten Ga, Gb, den Trenches 110 und der Pixelschaltung 140 nachgeordnet, baut sich eine Verschaltungsschicht 150 bzw. Metallisierungsebene zur elektrischen Kontaktierung der elektrischen Elemente auf.
  • Eine derartige Struktur kann beispielsweise in einem Prozess gemäß 6 und den in 7 schematisch dargestellten Prozessschritten erzeugt werden:
    • a) Ausgangsmaterial ist beispielsweise ein Silicon on Insulator (SOI) Wafer mit einer vergrabenen Reflexionsschicht bzw. Reflektionsschicht 160, die beispielsweise als SiO-Schicht ausgebildet ist.
    • b) Die gewünschte Struktur der Reflektionsschicht 160 wird mit üblichen Lithografie sowie Silizium- und Oxid-Ätzverfahren herausgebildet.
    • c) Zum Aufbau eines Si-Volumens, in dem die elektronischen Komponenten realisiert werden, wird Silizium epitaktisch aufgewachsen und abschließend chemisch und mechanisch poliert (CMP chemical mechanical polishing).
    • d) Hiernach erfolgt ein Trenchprozess, der aus den Prozessschritten Ätzen, Einbringen eines Lineroxids und Verfüllen der Trenches mit leitfähigen Material besteht. Abschließend erfolgt wiederum ein CMP-Schritt.
    • e) Die Pixelschaltung 140, die Integrationsknoten 110, Verdrahtungsebene 150 und ggf. weitere benötigte elektronische Komponenten werden mittels CMOS-Prozess aufgebaut.
    • f) In einem BSI-Prozess wird die Rückseite bis zu den Trenches 110 abgedünnt sowie eine Passivierung 105 und eine Mikrolinse 200 aufgebracht.
  • Die Realisierung einer reflektierenden Schicht bzw. Reflektionsschicht ist selbstverständlich nicht auf SiO bzw. SiO2 beschränkt, sondern es sind grundsätzlich auch andere Schichten mit einem Brechungsindex n < ns denkbar. Hierbei kommt insbesondere auch Luft in Betracht. Als geometrische Strukturen sind tubes, Platten oder auch Sphären denkbar.
  • Eine Struktur mit einer alternativen Reflektionsschicht 160 ist beispielhaft in einem Prozess gemäß 8 und Prozessschritten gemäß 9 gezeigt.
    1. a) Ausgansmaterial ist ein Si-Wafer ohne eingebetteter Reflektionsschicht.
    2. b) In einem so genannte Venezia oder auch ,Silicon on nothing‘-Prozess wird innerhalb des Si-Wafer eine gewünschte Reflektionsschicht 160 aufgebaut.
  • Die nachfolgenden Schritte c) bis f) unterscheiden sich dann grundsätzlich nicht von den in 6 und 7 dargestellten Schritten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lichtlaufzeitkamerasystem
    10
    Beleuchtungsmodul
    12
    Beleuchtung
    20
    Empfänger, Lichtlaufzeitkamera
    22
    Lichtlaufzeitsensor
    27
    Auswerteeinheit
    30
    Modulator
    35
    Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber
    38
    Modulationssteuergerät
    40
    Objekt
    100
    Pixel
    105
    Schutzschicht, Passivierung
    110
    Trench, modulierbar
    115
    dielektrische Schicht
    120
    photoaktiver Bereich
    130
    vergrabener Reflektor
    140
    Pixelschaltung
    150
    Verschaltungsschicht; Metallisierungsebene
    160
    Reflektionsschicht
    165
    Isolation
    200
    Mikrolinse
    400
    Auswerteeinheit
    φ, Δφ(tL)
    laufzeitbedingte Phasenverschiebung
    φvar
    Phasenlage
    φ0
    Basisphase
    M0
    Modulationssignal
    p1
    erste Phase
    p2
    zweite Phase
    Sp1
    Sendesignal mit erster Phase
    Sp2
    Empfangssignal mit zweiter Phase
    Ga, Gb
    Integrationsknoten
    Gam, Gbm
    Modulationsgates
    d
    Objektdistanz
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2007108476 A1 [0002]
    • US 6232626 B1 [0003]
    • DE 19704496 C2 [0004, 0020]
    • DE 102016209316 A1 [0005]
    • DE 102016209319 A1 [0005]
    • DE 19704496 A1 [0012]

Claims (6)

  1. Lichtlaufzeitpixel (100) ausgebildet für eine rückseitige Beleuchtung in einem Halbleitersubstrat, mit - einem photoaktiven Bereich (120) zur Generierung von Ladungsträgern, - mindestens einem Integrationsknoten (Ga, Gb), - einer Pixelschaltung (140), - mindestens einem modulierbaren Trench (110, Gam, Gbm) zu je einem Integrationsknoten (Ga, Gb) gehörig, - mindestens eine vergrabene Reflektionsschicht (160), wobei die Reflektionsschicht (160) in Richtung der Lichteintrittsseite des Lichtlaufzeitpixels (100) die Pixelschaltung (140) ganzflächig und die Integrationsknoten (Ga, Gb) ganzflächig; teilweise oder nicht abdeckt.
  2. Lichtlaufzeitpixel (100) nach Anspruch 1, bei dem die Reflektionsschicht (160) einen Abstand von 200 nm bis 3000 nm zu den modulierbaren Trenches (110) aufweist.
  3. Lichtlaufzeitpixel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sowohl der Trench (Gam) des A-Kanals als auch der Trench (Gbm) des B-Kanals den photoaktiven Bereich (120) jeweils an drei Seiten einfasst.
  4. Lichtlaufzeitsensor (22) mit einer Matrixanordnung von Lichtlaufzeitpixeln (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
  5. Lichtlaufzeitkamera oder Lichtlaufzeitkamerasystem mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) gemäß Anspruch 4.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Lichtlaufzeitpixels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zur Realisierung der Reflektionsschicht (160) als Ausgangsmaterial ein SOI-Material oder ein Standard-Silizium mit nachfolgendem ,silicon on nothing‘ verwendet wird.
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