DE102018122345A1 - Halbleiter-bildsensor - Google Patents

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DE102018122345A1
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image sensor
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bsi image
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front side
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DE102018122345.5A
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Chun-Hao Chuang
Keng-Yu Chou
Wen-Hau Wu
Wei-Chieh Chiang
Chien-Hsien Tseng
Kazuaki Hashimoto
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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Original Assignee
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Abstract

Ein rückseitig beleuchteter Bildsensor (BSI-Bildsensor) weist ein Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt, und eine Mehrzahl von Pixelsensoren auf, die in einer Matrix angeordnet sind. Die Pixelsensoren weisen jeweils Folgendes auf: ein Lichtabtastelement in dem Substrat; ein Farbfilter über dem Pixelsensor auf der Rückseite; und eine optische Struktur über dem Farbfilter auf der Rückseite. Die optische Struktur weist eine erste Seitenwand auf, wobei die erste Seitenwand und eine Ebene, die im Wesentlichen parallel zu einer Vorderseite des Substrats ist, einen eingeschlossenen Winkel bilden, der größer als 0° ist.

Description

  • Prioritätsanspruch und Querverweis
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 26. September 2017 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 62/563.298, die durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Digitale Kameras und andere bildgebende Geräte verwenden Bildsensoren. Bildsensoren wandeln optische Bilder in digitale Daten um, die als digitale Bilder dargestellt werden können. Ein Bildsensor weist eine Matrix von Pixelsensoren und unterstützende Logikschaltkreise auf. Die Pixelsensoren der Matrix sind Einheits-Bauelemente zum Messen von einfallendem Licht, und die unterstützenden Logikschaltkreise ermöglichen das Lesen der Messergebnisse. Ein Bildsensortyp, der häufig in optischen bildgebenden Geräten verwendet wird, ist ein rückseitig beleuchteter Bildsensor (BSI-Bildsensor). Die Herstellung von BSI-Bildsensoren kann wegen ihrer niedrigen Kosten, geringen Größe und hohen Integration in herkömmliche Halbleiterprozesse integriert werden. Außerdem haben BSI-Bildsensoren eine niedrige Betriebsspannung, einen geringen Energieverbrauch, eine hohe Quantenausbeute und ein geringes Leserauschen und gestatten einen Direktzugriff.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Vielmehr können der Übersichtlichkeit der Erörterung halber die Abmessungen der verschiedenen Elemente beliebig vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1 ist eine Schnittansicht eines Pixelsensors eines BSI-Bildsensors gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen.
    • Die 2A bis 2E sind eine Reihe von Schnittansichten von Pixelsensoren eines Bildsensors auf verschiedenen Herstellungsstufen, die gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen hergestellt werden.
    • 3 ist eine Schnittansicht eines Pixelsensors eines BSI-Bildsensors gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen.
    • Die 4A und 4B sind eine Reihe von Schnittansichten von Pixelsensoren eines Bildsensors auf verschiedenen Herstellungsstufen, die gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen hergestellt werden.
    • 5 ist eine Schnittansicht eines Pixelsensors eines BSI-Bildsensors gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen.
    • Die 6A und 6B sind eine Reihe von Schnittansichten von Pixelsensoren eines Bildsensors auf verschiedenen Herstellungsstufen, die gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen hergestellt werden.
    • 7 ist eine Schnittansicht eines Pixelsensors eines BSI-Bildsensors gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen.
    • 8 ist eine Schnittansicht eines Pixelsensors eines BSI-Bildsensors gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen.
    • 9 ist eine Schnittansicht eines Pixelsensors eines BSI-Bildsensors gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen.
    • 10 ist eine Schnittansicht eines Pixelsensors eines BSI-Bildsensors gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen.
    • 11 ist eine Schnittansicht eines Pixelsensors eines BSI-Bildsensors gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen.
    • 12 ist eine Schnittansicht eines Pixelsensors eines BSI-Bildsensors gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so hergestellt werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“, „auf“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen des in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Bauelements umfassen. Das Bauelement kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden.
  • Die hier verwendeten Begriffe „erste(r) / erstes“, „zweite(r) / zweites“, „dritte(r) / drittes“ bezeichnen verschiedene Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Teile, aber diese Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Teile sollen nicht durch diese Begriffe beschränkt werden. Diese Begriffe dienen lediglich zum Unterscheiden eines Elements, einer Komponente, eines Bereichs, einer Schicht oder eines Teils von einem anderen Element, Komponente, Bereich, Schicht und/oder Teil. Die hier verwendeten Begriffe „erste(r) / erstes“, „zweite(r) / zweites“, „dritte(r) / drittes“ beinhalten keine Reihenfolge, wenn es nicht ausdrücklich im Kontext angegeben ist.
  • Die hier verwendeten Begriffe „ungefähr“, „im Wesentlichen“, „wesentlich“ und „etwa“ dienen zum Bezeichnen und Erfassen von kleinen Abweichungen. Wenn die Begriffe in Verbindung mit einem Ereignis oder Umstand verwendet werden, können sie Fälle, in denen das Ereignis oder der Umstand exakt auftritt, oder Fälle bezeichnen, in denen das Ereignis oder der Umstand mit hoher Näherung auftritt. Wenn die Begriffe zum Beispiel in Verbindung mit einem Zahlenwert verwendet werden, können sie einen Streubereich von kleiner als oder gleich ±10 % des Zahlenwerts bezeichnen, wie etwa kleiner als oder gleich ±5 %, kleiner als oder gleich ±4 %, kleiner als oder gleich ±3 %, kleiner als oder gleich ±2 %, kleiner als oder gleich ±1 %, kleiner als oder gleich ±0,5 %, kleiner als oder gleich ±0,1 % oder kleiner als oder gleich ±0,05 %. Zum Beispiel können zwei Zahlenwerte als „im Wesentlichen“ gleich oder gleichgroß angesehen werden, wenn eine Differenz zwischen den Werten kleiner als oder gleich ±10 % eines Mittelwerts der Werte ist, wie etwa kleiner als oder gleich ±5 %, kleiner als oder gleich ±4 %, kleiner als oder gleich ±3 %, kleiner als oder gleich ±2 %, kleiner als oder gleich ±1 %, kleiner als oder gleich ±0,5 %, kleiner als oder gleich ±0,1 % oder kleiner als oder gleich ±0,05 %. Zum Beispiel kann „im Wesentlichen parallel“ einen Bereich einer Winkelabweichung in Bezug zu 0° bezeichnen, der kleiner als oder gleich ±10 % ist, wie etwa kleiner als oder gleich ±5 %, kleiner als oder gleich ±4 %, kleiner als oder gleich ±3 %, kleiner als oder gleich ±2 %, kleiner als oder gleich ±1 %, kleiner als oder gleich ±0,5 %, kleiner als oder gleich ±0,1 % oder kleiner als oder gleich ±0,05 %. Zum Beispiel kann „im Wesentlichen senkrecht“ einen Bereich einer Winkelabweichung in Bezug zu 90° bezeichnen, der kleiner als oder gleich ±10 % ist, wie etwa kleiner als oder gleich ±5 %, kleiner als oder gleich ±4 %, kleiner als oder gleich ±3 %, kleiner als oder gleich ±2 %, kleiner als oder gleich ±1 %, kleiner als oder gleich ±0,5 %, kleiner als oder gleich ±0,1 % oder kleiner als oder gleich ±0,05 %.
  • Der hier verwendete Begriff „Mikrostrukturen“ bezeichnet ausgesparte oder überstehende Strukturen, die eine ungleichmäßige oder raue Oberfläche eines Substrats oder eines Farbfilters bilden. Der hier verwendet Begriff „Aussparung“ bezeichnet eine Struktur, die gegenüber einem Umfang oder einem Rand einer anderen Struktur vertieft ist, und ein „Vorsprung“ ist eine Struktur, die über einen Umfang oder einen Rand einer anderen Struktur übersteht.
  • Ein BSI-Bildsensor weist eine Matrix von Pixelsensoren auf. Typischerweise weisen BSI-Bildsensoren Folgendes auf: einen integrierten Schaltkreis mit einem Halbleitersubstrat und Fotodioden, die den Pixelsensoren entsprechen, die in dem Substrat angeordnet sind; eine BEOL-Metallisierung (BEOL: Back End of Line) des integrierten Schaltkreises, die über einer Vorderseite des Substrats angeordnet ist; und einen optischen Stapel mit Farbfiltern und Mikrolinsen, die den Pixelsensoren entsprechen, die über einer Rückseite des Substrats angeordnet sind. Wenn die Größe von BSI-Bildsensoren abnimmt, stehen sie einer Reihe von Problemen gegenüber. Ein Problem bei BSI-Bildsensoren ist die Kreuzkopplung zwischen benachbarten Pixelsensoren, und ein weiteres Problem ist die Lichtkollektion. Wenn BSI-Bildsensoren immer kleiner werden, wird auch die Oberfläche für die Lichtkollektion immer kleiner, sodass die Empfindlichkeit der Pixelsensoren verringert wird. Das ist bei Umgebungen mit geringer Lichtstärke problematisch. Daher müssen die Absorptionseffizienz der Pixelsensoren und die Winkelempfindlichkeit erhöht werden, sodass die Empfindlichkeit der BSI-Bildsensoren verbessert wird.
  • Die vorliegende Erfindung stellt daher bei einigen Ausführungsformen einen Pixelsensor eines BSI-Bildsensors bereit, der eine Isolierstruktur mit einer gekrümmten Oberfläche aufweist, die zu einer Vorderseite des BSI-Bildsensors übersteht, sodass Licht weiter konzentriert wird. Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin einen BSI-Bildsensor mit einer optischen Struktur bereit, die das gleiche Material wie das von Farbfiltern oder Mikrolinsen aufweist. Die optische Struktur dient als ein Lichtleiter, und bei einigen Ausführungsformen wird von der optischen Struktur eine längere Lichtlaufstrecke erzeugt. Weiterhin stellt die Erfindung einen BSI-Bildsensor mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen über einem einzigen Farbfilter bereit, und bei einigen Ausführungsformen wird von der Mehrzahl von Mikrolinsen eine längere Lichtlaufstrecke erzeugt. Mit anderen Worten, da sich Licht in dem Pixelsensor mit einem großen Winkel ausbreitet, werden die Empfindlichkeit und das Winkelverhalten verbessert.
  • 1 ist eine Schnittansicht eines Pixelsensors 110 eines BSI-Bildsensors 100 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einigen Ausführungsformen, und die 2A bis 2E sind eine Reihe von Schnittansichten von Pixelsensoren eines Bildsensors auf verschiedenen Herstellungsstufen, die gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen hergestellt werden. Es ist klar, dass gleiche Elemente in den 1 und 2A bis 2E mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Wie in 1 gezeigt ist, weist der BSI-Bildsensor 100 ein Substrat 102 auf, und das Substrat 102 ist zum Beispiel ein Volumenhalbleitersubstrat, wie etwa ein massives Siliziumsubstrat (Si-Substrat), oder ein Silizium-auf-Isolator(SOI)-Substrat. Das Substrat 102 hat eine Vorderseite 102F und eine Rückseite 102B, die der Vorderseite 102F gegenüberliegt. Der BSI-Bildsensor 100 weist eine Mehrzahl von Pixelsensoren 110 auf, die typischerweise in einer Matrix angeordnet sind, und die Pixelsensoren 110 weisen jeweils ein Lichtabtastelement, wie etwa eine Fotodiode 112, auf, das in dem Substrat 102 angeordnet ist. Mit anderen Worten, der BSI-Bildsensor 100 weist eine Mehrzahl von Fotodioden 112 auf, die den Pixelsensoren 110 entsprechen. Die Fotodioden 112 sind in dem Substrat 102 in Zeilen und Spalten angeordnet, und sie sind so konfiguriert, dass sie Ladung (z. B. Elektronen) von Photonen speichern, die darauf auftreffen. Außerdem kann ein logisches Bauelement, wie etwa ein Transistor 114, das so konfiguriert ist, dass es das Lesen der Fotodioden 112 ermöglicht, über dem Substrat 102 auf der Vorderseite 102F angeordnet werden. Der Pixelsensor 110 ist so angeordnet, dass er Licht mit einer festgelegten Wellenlänge empfängt. Daher können bei einigen Ausführungsformen die Fotodioden 112 so betrieben werden, dass sie einfallendes sichtbares Licht abtasten. Bei einigen Ausführungsformen können die Fotodioden 112 so betrieben werden, dass sie einfallendes Infrarot(IR)- oder nahes Infrarotlicht (NIR-Licht) abtasten.
  • In dem Substrat 102 ist eine Trennstruktur 120, wie etwa eine DTI-Struktur (DTI: tiefe Grabenisolation), angeordnet, wie in 1 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die DTI-Struktur 120 mit den folgenden Schritten hergestellt werden. Zum Beispiel wird eine erste Ätzung von der Rückseite 102B des Substrats 102 durchgeführt. Durch die erste Ätzung entsteht eine Mehrzahl von tiefen Gräben (nicht dargestellt) um die und zwischen den Fotodioden 112. Dann wird ein Isoliermaterial, wie etwa Siliziumoxid (SiO), mit einem geeigneten Abscheidungsverfahren, wie etwa chemische Aufdampfung (CVD), so abgeschieden, dass es die tiefen Gräben füllt. Bei einigen Ausführungsformen werden mindestens Seitenwände der tiefen Gräben mit einem Belag 122 bedeckt, und die tiefen Gräben werden dann mit einem Isoliermaterial 124 aufgefüllt. Der Belag 122 kann ein Metall, wie etwa Wolfram (W), Kupfer (Cu) oder Aluminiumkupfer (AlCu), oder ein Low-n-Material sein, das eine Brechzahl n hat, die kleiner als die von Silizium ist. Das Low-n-Material kann SiO oder Hafniumoxid (HfO) sein, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Isoliermaterial 124, das die tiefen Gräben füllt, das Low-n-Isoliermaterial sein. Dann wird eine Planarisierung durchgeführt, um überschüssiges Isoliermaterial zu entfernen, sodass die Oberfläche des Substrats 102 auf der Rückseite 102B freigelegt wird, und es entsteht die DTI-Struktur 120, die sich um die und zwischen den Fotodioden 112 befindet, wie in 1 gezeigt ist. Die DTI-Struktur 120 ermöglicht eine optische Trennung zwischen benachbarten Pixelsensoren 110, und dadurch dient sie als ein Substrat-Trenngitter und verringert die Kreuzkopplung.
  • Über der Vorderseite 102F des Substrats 102 ist ein BEOL-Metallisierungsstapel 130 angeordnet. Der BEOL-Metallisierungsstapel 130 umfasst eine Mehrzahl von Metallisierungsschichten 132, die in einer Zwischenschichtdielektrikum-Schicht (ILD-Schicht) 134 aufeinander gestapelt sind. Ein oder mehrere Kontakte des BEOL-Metallisierungsstapels 130 sind mit dem logischen Bauelement 114 elektrisch verbunden. Bei einigen Ausführungsformen kann die ILD-Schicht 134 ein dielektrisches Low-k-Material (d. h. ein dielektrisches Material mit einer Dielektrizitätskonstante, die kleiner als 3,9 ist) oder ein Oxid aufweisen, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Die Mehrzahl von Metallisierungsschichten 132 kann ein Metall, wie etwa Kupfer (Cu), Wolfram (W) oder Aluminium (Al), aufweisen, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen kann ein anderes Substrat (nicht dargestellt) zwischen der Metallisierungsstruktur 130 und äußeren Verbindungselementen, wie etwa einem Kugelgitter-Array (BGA) (nicht dargestellt), angeordnet sein. Der BSI-Bildsensor 100 ist über die äußeren Verbindungselemente mit anderen Bauelementen oder Schaltkreisen elektrisch verbunden, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt.
  • In 1 ist bei einigen Ausführungsformen eine Mehrzahl von Farbfiltern 150, die den Pixelsensoren 110 entsprechen, über den Pixelsensoren 110 auf der Rückseite 102B des Substrats 102 angeordnet. Mit anderen Worten, jeder der Pixelsensoren 110 weist ein Farbfilter 150 über dem Lichtabtastelement 112 auf der Rückseite 102B auf. Außerdem ist bei einigen Ausführungsformen eine Low-n-Struktur 140 zwischen den Farbfiltern 150 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen ist die Low-n-Struktur 140 eine Gitterstruktur, und die Farbfilter 150 werden in dem Gitter angeordnet. Somit umschließt die Low-n-Struktur 140 jedes Farbfilter 150, und sie trennt die Farbfilter 150 voneinander, wie in 1 gezeigt ist. Die Low-n-Struktur 140 kann eine zusammengesetzte Struktur mit Schichten mit einer Brechzahl sein, die kleiner als die der Farbfilter 150 ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Low-n-Struktur 140 ein zusammengesetzter Stapel mit zumindest einer Metallschicht 142 und einer dielektrischen Schicht 144 sein, die über der Metallschicht 142 angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Metallschicht 142 W, Cu oder AlCu aufweisen. Die dielektrische Schicht 144 weist ein Material mit einer Brechzahl, die kleiner als die des Farbfilters 150 ist, oder ein Material mit einer Brechzahl auf, die kleiner als die von Si ist, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Auf Grund der niedrigen Brechzahl dient die Low-n-Struktur 140 als ein Lichtleiter zum Richten oder Reflektieren von Licht zu den Farbfiltern 150. Somit erhöht die Low-n-Struktur 140 wirksam die Menge des Lichts, das in die Farbfilter 150 einfällt. Außerdem ermöglicht die Low-n-Struktur 140 auf Grund der niedrigen Brechzahl eine optische Trennung zwischen benachbarten Farbfiltern 150.
  • Jedes Farbfilter 150 ist über einer entsprechenden der Fotodioden 112 angeordnet. Die Farbfilter 150 sind entsprechenden Farben oder Wellenlängen des Lichts zugeordnet, und sie sind so konfiguriert, dass sie alle außer den zugewiesenen Farben oder Wellenlängen des Lichts herausfiltern. Typischerweise wechseln die Zuweisungen der Farbfilter 150 zwischen rotem, grünem und blauem Licht, sodass die Farbfilter 150 rote Farbfilter, grüne Farbfilter und blaue Farbfilter umfassen. Bei einigen Ausführungsformen sind die roten Farbfilter, die grünen Farbfilter und die blauen Farbfilter in einer Bayer-Mosaikstruktur angeordnet, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Mikrolinse 160, die einem einzelnen Pixelsensor 110 entspricht, über dem Farbfilter 150 angeordnet. Es dürfte klar sein, dass Positionen und Flächen jeder Mikrolinse 160 denen des Farbfilters 150 oder denen des Pixelsensors 110 entsprechen, wie in 1 gezeigt ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist jeder der Pixelsensoren 110 eine Mehrzahl von Mikrostrukturen 116 auf, die über der Rückseite 102B des Substrats 102 angeordnet sind, wie in 1 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen können die Mikrostrukturen 116 mit den folgenden Schritten hergestellt werden. Über der Oberfläche des Substrats 102 auf der Rückseite 102B wird einen Maskenschicht (nicht dargestellt) angeordnet, und anschließend wird ein strukturiertes Fotoresist (nicht dargestellt) über der Maskenschicht hergestellt. Dann wird das Substrat 102 durch das strukturierte Fotoresist und die Maskenschicht von der Rückseite 102B geätzt, und dadurch entsteht die Mehrzahl von Mikrostrukturen 116 über der Rückseite 102B des Substrats 102 in jedem der Pixelsensoren 110. Dann werden das strukturierte Fotoresist und die Maskenschicht entfernt. Bei einigen Ausführungsformen können weitere Schritte, wie etwa Nassätzung, ausgeführt werden. Dadurch werden obere und untere Teile der Mikrostrukturen 116 abgeschrägt oder gerundet, und es wird eine Wellenstruktur erhalten, wie in 1 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen bilden eine Seitenwand der Mikrostrukturen 116 und eine Richtung oder eine Ebene DH einen eingeschlossenen Winkel θ1. Bei einigen Ausführungsformen ist die Ebene DH im Wesentlichen parallel zu einer Vorderseite 102s des Substrats 102. Bei einigen Ausführungsformen beträgt der eingeschlossene Winkel θ1 etwa 48° bis etwa 58°, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen können die Mikrostrukturen 116 zusammenhängende Strukturen sein und ein Wellenprofil haben, wie in 1 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen können die Mikrostrukturen 116 diskrete Strukturen sein, die durch das Substrat 102 voneinander beabstandet sind.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist ein Antireflexbelag (ARC) 118 über dem Substrat 102 auf der Rückseite 102B angeordnet. Oberflächen der Mikrostrukturen 116 sind mit dem konform hergestellten ARC 118 bedeckt. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Isolierstruktur 170 über dem ARC 118 auf der Rückseite 102B des Substrats 102 angeordnet, wobei die Isolierstruktur 170 eine erste Fläche 170a, die zu der Vorderseite 102F zeigt, und eine zweite Fläche 170b aufweist, die zu der Rückseite 102B zeigt. Die erste Fläche 170a der Isolierstruktur 170 hat ein Profil, das dem der Mikrostrukturen 116 gleicht. Zudem ist die zweite Fläche 170b eine gekrümmte Fläche, die zu der Vorderseite 102F eingedrückt oder gekrümmt ist.
  • In den 2A bis 2E kann die Isolierstruktur 170 mit den folgenden Schritten hergestellt werden. Zum Beispiel wird ein Isoliermaterial 172 über den Mikrostrukturen 116 und dem ARC 118 (in den 2A bis 2E nicht dargestellt) auf der Rückseite 102B des Substrats 102 angeordnet. Wie in 2A gezeigt ist, füllt das Isoliermaterial 172 Zwischenräume zwischen den Mikrostrukturen 116, und ein Planarisierungsprozess, wie etwa eine CMP, kann an dem Isoliermaterial 172 durchgeführt werden, um eine im Wesentlichen ebene oder glatte Fläche über der Rückseite 102B des Substrats 102 bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Isoliermaterial 172 zum Beispiel ein Oxid, wie etwa Siliziumdioxid, sein, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt.
  • In 2B wird dann die Low-n-Struktur 140 über dem Isoliermaterial 172 angeordnet. Wie vorstehend dargelegt worden ist, hat die Low-n-Struktur 140 eine Gitterstruktur, damit die Farbfilter 150 in dem Gitter angeordnet werden können. In 2C wird eine Ätzung an dem Isoliermaterial 172 durchgeführt, sodass eine gekrümmte Fläche entsteht, die zu der Vorderseite 102F eingedrückt oder gekrümmt ist. Dadurch wird die Isolierstruktur 170 erhalten. Die Isolierstruktur 170 weist die erste Fläche 170a auf, die die Mikrostrukturen 116 bedeckt und eine Wellenstruktur hat, die den Mikrostrukturen 116 in einer Schnittansicht gleicht. Die Trennstruktur 120 weist weiterhin die zweite Fläche 170b auf, die die gekrümmte Fläche umfasst, die zu der Vorderseite 102F gekrümmt ist, wie in 2C gezeigt ist. Anschließend werden die Farbfilter 150 in der Low-n-Struktur 140 angeordnet, wie in 2D gezeigt ist, und dann werden die Mikrolinsen 160 über den einzelnen Farbfiltern 150 angeordnet, wie in 2E gezeigt ist. Dadurch wird die Isolierstruktur 170 zwischen das Substrat 102 und die optische Struktur (die das Farbfilter 150 und die Mikrolinse 160 umfasst) geschichtet. Die erste Fläche 170a der Isolierstruktur 170 zeigt zu dem Substrat 102, während die zweite Fläche 170b zu der optischen Struktur 150/160 zeigt. Außerdem hat das Farbfilter 150, das über der zweiten Fläche 170b angeordnet ist, eine ebene Fläche, die zu der Mikrolinse 160 zeigt, und eine gekrümmte Fläche, die zu der Isolierstruktur 170 zeigt.
  • Kommen wir zu 1 zurück. Einfallendes Licht L wird von der Mikrolinse 160 über jedem Farbfilter 150 konzentriert und dann auf das Farbfilter 150 konvergiert. Das einfallende Licht L, das durch die Isolierstruktur 170 hindurchgeht, wird jedoch auf Grund der gekrümmten zweiten Fläche 170b weiter konzentriert. Mit anderen Worten, es kann mehr Licht von der optischen Struktur (die die Mikrolinse 160 und das Farbfilter 150 umfasst) und der Isolierstruktur 170 aufgefangen werden. Außerdem wird das konzentrierte Licht von den Mikrostrukturen 116 gestreut oder zerstreut, und somit wird das direkte einfallende Licht von den Mikrostrukturen 116 gebeugt, wenn es in die Fotodiode 112 eintritt. Dadurch entsteht eine längere Lichtlaufstrecke in der Fotodiode 112. Darüber hinaus kann Licht mittels der DTI-Struktur 120 zu der Fotodiode 112 zurück reflektiert werden. Mit anderen Worten, Licht wird in der Fotodiode 112 eingefangen, und dadurch wird die Empfindlichkeit des Pixelsensors 110 verbessert. Da die Lichtlaufstrecke verlängert wird, kann außerdem die Dicke der Fotodiode 112 oder des Substrats 102 reduziert werden, und somit wird das Verfahren weiter vereinfacht und verbessert.
  • 3 ist eine Schnittansicht eines Pixelsensors 210 eines BSI-Bildsensors 200 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen, und die 4A und 4B sind eine Reihe von Schnittansichten der Pixelsensoren 210 des Bildsensors 200 auf verschiedenen Herstellungsstufen, die gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen hergestellt werden. Es ist klar, dass gleiche Elemente in den 3 und den 4A und 4B mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Elemente, die in dem BSI-Bildsensor 100 und dem BSI-Bildsensor 200 gleich sind, können das gleiche Material aufweisen und/oder mit den gleichen Schritten hergestellt werden, und daher werden diese Einzelheiten der Kürze halber weggelassen. Wie in 3 gezeigt ist, weist der BSI-Bildsensor 200 ein Substrat 202 auf, und das Substrat 202 hat eine Vorderseite 202F und eine Rückseite 202B, die der Vorderseite 202F gegenüberliegt. Der BSI-Bildsensor 200 weist eine Mehrzahl von Pixelsensoren 210 auf, die typischerweise in einer Matrix angeordnet sind. Eine Mehrzahl von Lichtabtastelementen, wie etwa Fotodioden 212, die den Pixelsensoren 210 entsprechen, ist in dem Substrat 202 angeordnet. Die Fotodioden 212 sind in dem Substrat 202 in Zeilen und Spalten angeordnet. Mit anderen Worten, die Pixelsensoren 210 weisen jeweils ein Lichtabtastelement, wie etwa die Fotodiode 212, auf. Außerdem kann ein logisches Bauelement, wie etwa ein Transistor 214, das so konfiguriert ist, dass es das Lesen der Fotodiode 212 ermöglicht, über der Vorderseite 202F des Substrats 202 angeordnet werden.
  • In dem Substrat 202 ist eine Trennstruktur 220, wie etwa eine DTI-Struktur, angeordnet, wie in 3 gezeigt ist. Bei einigen Ausfiihrungsformen werden zumindest Seitenwände der tiefen Gräben mit einem Belag 222 bedeckt, und die tiefen Gräben werden dann mit einem Isoliermaterial 224 aufgefüllt. Die DTI-Struktur 220 ermöglicht eine optische Trennung zwischen benachbarten Pixelsensoren 210, und dadurch dient sie als ein Substrat-Trenngitter und verringert die Kreuzkopplung. Über der Vorderseite 202F des Substrats 202 ist ein BEOL-Metallisierungsstapel 230 angeordnet. Der BEOL-Metallisierungsstapel 230 umfasst eine Mehrzahl von Metallisierungsschichten 232, die in einer ILD-Schicht 234 aufeinander gestapelt sind. Ein oder mehrere Kontakte des BEOL-Metallisierungsstapels 230 sind mit dem logischen Bauelement 214 elektrisch verbunden. Bei einigen Ausführungsformen kann ein anderes Substrat (nicht dargestellt) zwischen der Metallisierungsstruktur 230 und äußeren Verbindungselementen, wie etwa einem Kugelgitter-Array (BGA) (nicht dargestellt), angeordnet sein. Der BSI-Bildsensor 200 ist über die äußeren Verbindungselemente mit anderen Bauelementen oder Schaltkreisen elektrisch verbunden, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt.
  • In 3 ist bei einigen Ausführungsformen eine Mehrzahl von Farbfiltern 250, die den Pixelsensoren 210 entsprechen, über den Pixelsensoren 210 auf der Rückseite 202B des Substrats 202 angeordnet. Mit anderen Worten, jeder der Pixelsensoren 210 weist ein Farbfilter 250 über dem Lichtabtastelement 212 auf der Rückseite 202B auf. Außerdem ist bei einigen Ausführungsformen eine Low-n-Struktur 240 zwischen den Farbfiltern 250 angeordnet. Wie vorstehend dargelegt worden ist, ist die Low-n-Struktur 240 eine Gitterstruktur, und die Farbfilter 250 werden in dem Gitter angeordnet. Somit umschließt die Low-n-Struktur 240 jedes Farbfilter 250, und sie trennt die Farbfilter 250 voneinander, wie in 3 gezeigt ist. Die Low-n-Struktur 240 kann eine zusammengesetzte Struktur mit Schichten mit einer Brechzahl sein, die kleiner als die der Farbfilter 250 ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Low-n-Struktur 240 ein zusammengesetzter Stapel mit zumindest einer Metallschicht 242 und einer dielektrischen Schicht 244 sein, die über der Metallschicht 242 angeordnet ist. Auf Grund der niedrigen Brechzahl dient die Low-n-Struktur 240 als ein Lichtleiter zum Richten oder Reflektieren von Licht zu den Farbfiltern 250. Somit erhöht die Low-n-Struktur 240 wirksam die Menge des Lichts, das in die Farbfilter 250 einfällt. Außerdem ermöglicht die Low-n-Struktur 240 auf Grund der niedrigen Brechzahl eine optische Trennung zwischen benachbarten Farbfiltern 250. Die Farbfilter 250 sind entsprechenden Farben oder Wellenlängen des Lichts zugeordnet, und sie sind so konfiguriert, dass sie alle außer den zugewiesenen Farben oder Wellenlängen des Lichts herausfiltern.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist jeder der Pixelsensoren 210 eine Mehrzahl von Mikrostrukturen 216 auf, die über der Rückseite 202B des Substrats 202 angeordnet sind, wie in 3 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen werden die Mikrostrukturen 216 abgeschrägt oder gerundet, um eine Wellenstruktur zu erhalten, wie sie in 3 gezeigt ist. Wie vorstehend dargelegt worden ist, bilden eine Seitenwand der Mikrostrukturen 216 und eine Richtung oder eine Ebene DH einen eingeschlossenen Winkel θ1. Bei einigen Ausführungsformen ist die Ebene DH im Wesentlichen parallel zu einer Vorderseite 202s des Substrats 202. Bei einigen Ausführungsformen beträgt der eingeschlossene Winkel θ1 etwa 48° bis etwa 58°, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen können die Mikrostrukturen 216 zusammenhängende Strukturen sein und ein Wellenprofil haben, wie in 3 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen können die Mikrostrukturen 216 diskrete Strukturen sein, die durch das Substrat 202 voneinander beabstandet sind.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist ein ARC 218 über dem Substrat 202 auf der Rückseite 202B angeordnet. Oberflächen der Mikrostrukturen 216 sind mit dem konform hergestellten ARC 218 bedeckt. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Isolierstruktur 270 über dem ARC 218 auf der Rückseite 202B des Substrats 202 angeordnet, wobei die Isolierstruktur 270 eine erste Fläche 270a, die zu der Vorderseite 202F zeigt, und eine zweite Fläche 270b aufweist, die zu der Rückseite 202B zeigt. Die Isolierstruktur 270 kann mit den Schritten hergestellt werden, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 2A bis 2E beschrieben worden sind, und daher werden Einzelheiten der Kürze halber weggelassen. Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Fläche 270a eine Wellenstruktur auf, die der der Mikrostrukturen 116 in der Schnittansicht gleicht. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Fläche 270b eine im Wesentlichen ebene Fläche, wie in 3 gezeigt ist, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Zum Beispiel kann bei einigen Ausführungsformen die zweite Fläche 270b eine gekrümmte Fläche sein, wie in 1 gezeigt ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist jeder der Pixelsensoren 210 eine optische Struktur 252 über dem Farbfilter 250 auf der Rückseite 202B auf. Bei einigen Ausführungsformen weist die optische Struktur 252 eine erste Seitenwand 252a auf, und die erste Seitenwand 252a und die Ebene DH , die im Wesentlichen parallel zu einer Vorderseite 202s des Substrats 202 ist, bilden einen eingeschlossenen Winkel θ2, der größer als 0° ist. Bei einigen Ausführungsformen weisen die optische Struktur 252 und das Farbfilter 250 das gleiche Material auf, und die optische Struktur 252 steht zu der Rückseite 202B über, wie in 3 gezeigt ist.
  • In 4A kann die optische Struktur 252 mit den folgenden Schritten hergestellt werden. Zum Beispiel wird die Isolierstruktur 270 über dem Substrat 202 auf der Rückseite 202B angeordnet, und anschließend wird die Low-n-Struktur 240 angeordnet. Außerdem kann bei einigen Ausführungsformen nach dem Anordnen der Low-n-Struktur 240 eine Ätzung durchgeführt werden, um eine gekrümmte zweite Fläche zu erzeugen. Dann werden die Farbfiltermaterialien in der Low-n-Struktur 240 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen bedecken die Farbfiltermaterialien die Low-n-Struktur 240. Anschließend werden die Farbfiltermaterialien in Form gebracht. Die Formung kann mit geeigneten Schritten wie Maskierungs- und lithografischen Schritten durchgeführt werden, und Einzelheiten werden der Kürze halber weggelassen. Nach der Durchführung der Formung werden die Farbfilter 250 in der Low-n-Struktur 240 erhalten, und die optischen Strukturen 252 werden jeweils über dem Farbfilter 250 und der Low-n-Struktur 240 erhalten. Mit anderen Worten, die optischen Strukturen 252 werden jeweils so hergestellt, dass sie das Farbfilter 250 oder einen Teil einer Oberseite der Low-n-Struktur 240 bedecken. Außerdem weisen die optischen Strukturen 252 jeweils das gleiche Material wie ihr darunter befindliches Farbfilter 250 auf.
  • Kommen wir zu 3 zurück. Auf Grund der optischen Struktur 252 über dem Farbfilter 250 wird das Licht L, das in die optische Struktur 252 und das Farbfilter 250 eintritt, zerstreut, und dadurch wird eine längere Lichtlaufstrecke erhalten. Zudem ist auf Grund der optischen Struktur 252 keine Mikrolinse in dem BSI-Bildsensor 200 mehr erforderlich. Somit wird die Höhe des optischen Stapels reduziert, und das Winkelverhalten wird verbessert. Weiterhin wird in 3 das Licht L nicht nur von der optischen Struktur 252 zerstreut, sondern es wird auch von der optischen Struktur 252 und den Mikrostrukturen 216 gebeugt, wenn es in die Fotodiode 212 eintritt, und somit wird eine längere Lichtlaufstrecke erhalten. Folglich wird die Absorption der Fotodiode 212 erhöht. Und da das Licht mittels der DTI-Struktur 220 zu der Fotodiode 212 zurück reflektiert werden kann, wird es mutmaßlich in der Fotodiode 212 eingefangen, wie in 3 gezeigt ist. Somit können mehr Photonen absorbiert werden, und die Empfindlichkeit des BSI-Bildsensors 200 wird verbessert. Da die Lichtlaufstrecke verlängert wird, kann außerdem die Dicke der Fotodiode 212 oder des Substrats 202 reduziert werden, und somit wird das Verfahren weiter vereinfacht und verbessert.
  • 5 ist eine Schnittansicht eines Pixelsensors 310 eines BSI-Bildsensors 300 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen, und die 6A und 6B sind eine Reihe von Schnittansichten der Pixelsensoren 310 des Bildsensors 300 auf verschiedenen Herstellungsstufen, die gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen hergestellt werden. Es ist klar, dass gleiche Elemente in den 5 und den 6A und 6B mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Elemente, die in dem BSI-Bildsensor 300 und dem BSI-Bildsensor 100/200 gleich sind, können das gleiche Material aufweisen und/oder mit den gleichen Schritten hergestellt werden, und daher werden diese Einzelheiten der Kürze halber weggelassen. Wie in 5 gezeigt ist, weist der BSI-Bildsensor 300 ein Substrat 302 auf, und das Substrat 302 hat eine Vorderseite 302F und eine Rückseite 302B, die der Vorderseite 302F gegenüberliegt. Der BSI-Bildsensor 300 weist eine Mehrzahl von Pixelsensoren 310 auf, die typischerweise in einer Matrix angeordnet sind. Eine Mehrzahl von Lichtabtastelementen, wie etwa Fotodioden 312, die den Pixelsensoren 310 entsprechen, ist in dem Substrat 302 angeordnet. Die Fotodioden 312 sind in dem Substrat 302 in Zeilen und Spalten angeordnet. Mit anderen Worten, die Pixelsensoren 310 weisen jeweils ein Lichtabtastelement, wie etwa die Fotodiode 312, auf. Außerdem kann ein logisches Bauelement, wie etwa ein Transistor 314, das so konfiguriert ist, dass es das Lesen der Fotodioden 312 ermöglicht, über der Vorderseite 302F des Substrats 302 angeordnet werden.
  • In dem Substrat 302 ist eine Trennstruktur 320, wie etwa eine DTI-Struktur, angeordnet, wie in 5 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen werden zumindest Seitenwände der tiefen Gräben mit einem Belag 322 bedeckt, und die tiefen Gräben werden dann mit einem Isoliermaterial 324 aufgefüllt. Die DTI-Struktur 320 ermöglicht eine optische Trennung zwischen benachbarten Pixelsensoren 310, und dadurch dient sie als ein Substrat-Trenngitter und verringert die Kreuzkopplung. Über der Vorderseite 302F des Substrats 302 ist ein BEOL-Metallisierungsstapel 330 angeordnet. Der BEOL-Metallisierungsstapel 330 umfasst eine Mehrzahl von Metallisierungsschichten 332, die in einer ILD-Schicht 334 aufeinander gestapelt sind. Ein oder mehrere Kontakte des BEOL-Metallisierungsstapels 330 sind mit dem logischen Bauelement 314 elektrisch verbunden. Bei einigen Ausführungsformen kann ein anderes Substrat (nicht dargestellt) zwischen der Metallisierungsstruktur 330 und äußeren Verbindungselementen, wie etwa einem Kugelgitter-Array (BGA) (nicht dargestellt), angeordnet sein. Der BSI-Bildsensor 300 ist über die äußeren Verbindungselemente mit anderen Bauelementen oder Schaltkreisen elektrisch verbunden, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist jeder der Pixelsensoren 310 eine Mehrzahl von Mikrostrukturen 316 auf, die über der Rückseite 302B des Substrats 302 angeordnet sind, wie in 5 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen werden die Mikrostrukturen 316 abgeschrägt oder gerundet, um eine Wellenstruktur zu erhalten, wie sie in 5 gezeigt ist. Wie vorstehend dargelegt worden ist, bilden eine Seitenwand der Mikrostrukturen 316 und eine Richtung oder eine Ebene DH einen eingeschlossenen Winkel θ1 (wie in 1 gezeigt ist). Bei einigen Ausführungsformen ist die Ebene DH im Wesentlichen parallel zu einer Vorderseite 302s des Substrats 302. Bei einigen Ausführungsformen beträgt der eingeschlossene Winkel θ1 etwa 48° bis etwa 58°, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen können die Mikrostrukturen 316 zusammenhängende Strukturen sein und ein Wellenprofil haben, wie in 5 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen können die Mikrostrukturen 316 diskrete Strukturen sein, die durch das Substrat 302 voneinander beabstandet sind.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist ein ARC 318 über dem Substrat 302 auf der Rückseite 302B angeordnet. Oberflächen der Mikrostrukturen 316 sind mit dem konform hergestellten ARC 318 bedeckt. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Isolierstruktur 370 über dem ARC 318 auf der Rückseite 302B des Substrats 302 angeordnet, wobei die Isolierstruktur 370 eine erste Fläche 370a, die zu der Vorderseite 302F zeigt, und eine zweite Fläche 370b aufweist, die zu der Rückseite 302B zeigt. Die Isolierstruktur 370 kann mit den Schritten hergestellt werden, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 2A bis 2E beschrieben worden sind, und daher werden Einzelheiten der Kürze halber weggelassen. Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Fläche 370a eine Wellenstruktur auf, die der der Mikrostrukturen 316 in der Schnittansicht gleicht. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Fläche 370b eine im Wesentlichen ebene Fläche, wie in 5 gezeigt ist, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Zum Beispiel kann bei einigen Ausführungsformen die zweite Fläche 370b eine gekrümmte Fläche sein, wie in 1 gezeigt ist.
  • In 5 ist bei einigen Ausführungsformen eine Mehrzahl von Farbfiltern 350, die den Pixelsensoren 310 entsprechen, über den Pixelsensoren 310 auf der Rückseite 302B des Substrats 302 angeordnet. Mit anderen Worten, jeder der Pixelsensoren 310 weist ein Farbfilter 350 über dem Lichtabtastelement 312 auf der Rückseite 302B auf. Außerdem ist bei einigen Ausführungsformen eine Low-n-Struktur 340 zwischen den Farbfiltern 350 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen ist die Low-n-Struktur 340 eine Gitterstruktur, und die Farbfilter 350 werden in dem Gitter angeordnet. Somit umschließt die Low-n-Struktur 340 jedes Farbfilter 350, und sie trennt die Farbfilter 350 voneinander, wie in 5 gezeigt ist. Die Low-n-Struktur 340 kann eine zusammengesetzte Struktur mit Schichten mit einer Brechzahl sein, die kleiner als die der Farbfilter 350 ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Low-n-Struktur 340 ein zusammengesetzter Stapel mit zumindest einer Metallschicht 342 und einer dielektrischen Schicht 344 sein, die über der Metallschicht 342 angeordnet ist. Auf Grund der niedrigen Brechzahl dient die Low-n-Struktur 340 als ein Lichtleiter zum Richten oder Reflektieren von Licht zu den Farbfiltern 350. Somit erhöht die Low-n-Struktur 340 wirksam die Menge des Lichts, das in die Farbfilter 350 einfällt. Außerdem ermöglicht die Low-n-Struktur 340 auf Grund der niedrigen Brechzahl eine optische Trennung zwischen benachbarten Farbfiltern 350.
  • Jedes Farbfilter 350 ist über einer entsprechenden der Fotodioden 312 angeordnet. Die Farbfilter 350 sind entsprechenden Farben oder Wellenlängen des Lichts zugeordnet, und sie sind so konfiguriert, dass sie alle außer den zugewiesenen Farben oder Wellenlängen des Lichts herausfiltern. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Mikrolinse 360, die einem einzelnen Pixelsensor 310 entspricht, über dem Farbfilter 350 angeordnet. Es dürfte klar sein, dass Positionen und Flächen jeder Mikrolinse 360 denen des Farbfilters 350 oder denen des Pixelsensors 310 entsprechen, wie in 5 gezeigt ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist jeder der Pixelsensoren 310 eine optische Struktur 362 auf, die zwischen das Farbfilter 350 und die Mikrolinse 360 auf der Rückseite 302B geschichtet ist. Bei einigen Ausführungsformen weist die optische Struktur 362 eine erste Seitenwand 362a auf, und die erste Seitenwand 362a und die Ebene DH bilden einen eingeschlossenen Winkel θ3, der größer als 0° ist. Der Winkel θ3 kann zum Beispiel etwa 35° bis etwa 55° betragen. Bei einigen Ausführungsformen können die optische Struktur 362 und die Mikrolinse 360 das gleiche Material aufweisen, und die optischen Strukturen 362 stehen jeweils zu der Vorderseite 302F über, wie in 5 gezeigt ist.
  • In 6A kann die optische Struktur 362 mit den folgenden Schritten hergestellt werden. Zum Beispiel wird die Isolierstruktur 370 über dem Substrat 302 auf der Rückseite 302B angeordnet, und anschließend wird die Low-n-Struktur 340 angeordnet. Außerdem kann bei einigen Ausführungsformen nach dem Anordnen der Low-n-Struktur 340 eine Ätzung durchgeführt werden, um eine gekrümmte zweite Fläche zu erzeugen. Dann werden die Farbfilter 350 in der Low-n-Struktur 340 angeordnet. Anschließend kann eine Ätzung durchgeführt werden, um eine Aussparung 354 in jedem der Farbfilter 350 zu erzeugen, wie in 6B gezeigt ist. Mit anderen Worten, jedes der Farbfilter 350 weist eine Aussparung 354 auf, die zu der Vorderseite 302F vertieft oder eingedrückt ist. Nach dem Erzeugen der Aussparung 354 werden die Mikrolinse 360 und die optische Struktur 362 angeordnet. Die optische Struktur 362 wird so angeordnet, dass sie die Aussparung 354 füllt, während die Mikrolinse 360 über der obersten Struktur 362, dem Farbfilter 350 und der Low-n-Struktur 340 angeordnet wird, wie in 5 gezeigt ist.
  • Kommen wir zu 5 zurück. Auf Grund der optischen Struktur 362 zwischen der Mikrolinse 360 und dem Farbfilter 350 wird das Licht L, das in die Mikrolinse 360 eintritt, konzentriert und wird dann von der optischen Struktur 362 zerstreut, und dadurch wird eine längere Lichtlaufstrecke erhalten. Wie in 5 gezeigt ist, wird das Licht L, das von der optischen Struktur 362 zerstreut wird, von den Mikrostrukturen 316 gebeugt, wenn es in die Fotodiode 312 eintritt, und somit wird eine längere Lichtlaufstrecke erhalten. Folglich wird die Absorption der Fotodiode 312 erhöht. Und da das Licht mittels der DTI-Struktur 320 zu der Fotodiode 312 zurück reflektiert wird, wird es mutmaßlich in der Fotodiode 312 eingefangen, wie in 5 gezeigt ist. Somit können mehr Photonen absorbiert werden, und die Empfindlichkeit des BSI-Bildsensors 300 wird verbessert. Da die Lichtlaufstrecke verlängert wird, kann außerdem die Dicke der Fotodiode 312 oder des Substrats 302 reduziert werden, und somit wird das Verfahren weiter vereinfacht und verbessert.
  • 7 ist eine Schnittansicht eines Pixelsensors 410 eines BSI-Bildsensors 400 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen. Es ist klar, dass Elemente, die in dem BSI-Bildsensor 400 und dem BSI-Bildsensor 100/200/300 gleich sind, das gleiche Material aufweisen können und/oder mit den gleichen Schritten hergestellt werden können, und daher werden diese Einzelheiten der Kürze halber weggelassen. Wie in 7 gezeigt ist, weist der BSI-Bildsensor 400 ein Substrat 402 auf, und das Substrat 402 hat eine Vorderseite 402F und eine Rückseite 402B, die der Vorderseite 402F gegenüberliegt. Der BSI-Bildsensor 400 weist eine Mehrzahl von Pixelsensoren 410 auf, die typischerweise in einer Matrix angeordnet sind. Eine Mehrzahl von Lichtabtastelementen, wie etwa Fotodioden 412, die den Pixelsensoren 410 entsprechen, ist in dem Substrat 402 angeordnet. Die Fotodioden 412 sind in dem Substrat 402 in Zeilen und Spalten angeordnet. Mit anderen Worten, die Pixelsensoren 410 weisen jeweils ein Lichtabtastelement, wie etwa die Fotodiode 412, auf. Außerdem werden logische Bauelemente, wie etwa Transistoren 414, die so konfiguriert sind, dass sie das Lesen der Fotodioden 412 ermöglichen, über der Vorderseite 402F des Substrats 402 angeordnet.
  • In dem Substrat 402 ist eine Trennstruktur 420, wie etwa eine DTI-Struktur, angeordnet, wie in 7 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen werden zumindest Seitenwände der tiefen Gräben mit einem Belag 422 bedeckt, und die tiefen Gräben werden dann mit einem Isoliermaterial 424 aufgefüllt. Die DTI-Struktur 420 ermöglicht eine optische Trennung zwischen benachbarten Pixelsensoren 410, und dadurch dient sie als ein Substrat-Trenngitter und verringert die Kreuzkopplung. Über der Vorderseite 402F des Substrats 402 ist ein BEOL-Metallisierungsstapel 430 angeordnet. Der BEOL-Metallisierungsstapel 430 umfasst eine Mehrzahl von Metallisierungsschichten 432, die in einer ILD-Schicht 434 aufeinander gestapelt sind. Ein oder mehrere Kontakte des BEOL-Metallisierungsstapels 430 sind mit dem logischen Bauelement 414 elektrisch verbunden. Bei einigen Ausführungsformen kann ein anderes Substrat (nicht dargestellt) zwischen der Metallisierungsstruktur 430 und äußeren Verbindungselementen, wie etwa einem Kugelgitter-Array (BGA) (nicht dargestellt), angeordnet sein. Der BSI-Bildsensor 400 ist über die äußeren Verbindungselemente mit anderen Bauelementen oder Schaltkreisen elektrisch verbunden, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist jeder der Pixelsensoren 410 eine Mehrzahl von Mikrostrukturen 416 auf, die über der Rückseite 402B des Substrats 402 angeordnet sind, wie in 7 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen werden die Mikrostrukturen 416 abgeschrägt oder gerundet, um eine Wellenstruktur zu erhalten, wie sie in 7 gezeigt ist. Wie vorstehend dargelegt worden ist, bilden eine Seitenwand der Mikrostrukturen 416 und eine Richtung oder eine Ebene DH einen eingeschlossenen Winkel θ1. Bei einigen Ausführungsformen ist die Ebene DH im Wesentlichen parallel zu einer Vorderseite 402s des Substrats 402. Bei einigen Ausführungsformen beträgt der eingeschlossene Winkel θ1 etwa 48° bis etwa 58°, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen können die Mikrostrukturen 416 zusammenhängende Strukturen sein und ein Wellenprofil haben, wie in 7 gezeigt ist. Bei einigen Ausfiihrungsformen können die Mikrostrukturen 416 diskrete Strukturen sein, die durch das Substrat 402 voneinander beabstandet sind.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist ein ARC 418 über dem Substrat 402 auf der Rückseite 402B angeordnet. Oberflächen der Mikrostrukturen 416 sind mit dem konform hergestellten ARC 418 bedeckt. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Isolierstruktur 470 über dem ARC 418 auf der Rückseite 402B des Substrats 402 angeordnet, wobei die Isolierstruktur 470 eine erste Fläche 470a, die zu der Vorderseite 402F zeigt, und eine zweite Fläche 470b aufweist, die zu der Rückseite 402B zeigt. Die Isolierstruktur 470 kann mit den Schritten hergestellt werden, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 2A bis 2E beschrieben worden sind, und daher werden Einzelheiten der Kürze halber weggelassen. Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Fläche 470a eine Wellenstruktur auf, die der der Mikrostrukturen 416 in der Schnittansicht gleicht. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Fläche 470b eine im Wesentlichen ebene Fläche, wie in 7 gezeigt ist, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Zum Beispiel kann bei einigen Ausführungsformen die zweite Fläche 470b eine gekrümmte Fläche sein, wie in 1 gezeigt ist.
  • In 7 ist bei einigen Ausführungsformen eine Mehrzahl von Farbfiltern 450, die den Pixelsensoren 410 entsprechen, über den Pixelsensoren 410 auf der Rückseite 402B des Substrats 402 angeordnet. Mit anderen Worten, jeder der Pixelsensoren 410 weist ein Farbfilter 450 über dem Lichtabtastelement 412 auf der Rückseite 402B auf. Außerdem ist bei einigen Ausführungsformen eine Low-n-Struktur 440 zwischen den Farbfiltern 450 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen ist die Low-n-Struktur 440 eine Gitterstruktur, und die Farbfilter 450 werden in dem Gitter angeordnet. Somit umschließt die Low-n-Struktur 440 jedes Farbfilter 450, und sie trennt die Farbfilter 450 voneinander, wie in 7 gezeigt ist. Die Low-n-Struktur 440 kann eine zusammengesetzte Struktur mit Schichten mit einer Brechzahl sein, die kleiner als die der Farbfilter 450 ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Low-n-Struktur 440 ein zusammengesetzter Stapel mit zumindest einer Metallschicht 442 und einer dielektrischen Schicht 444 sein, die über der Metallschicht 442 angeordnet ist. Auf Grund der niedrigen Brechzahl dient die Low-n-Struktur 440 als ein Lichtleiter zum Richten oder Reflektieren von Licht zu den Farbfiltern 450. Somit erhöht die Low-n-Struktur 440 wirksam die Menge des Lichts, das in die Farbfilter 450 einfällt. Außerdem ermöglicht die Low-n-Struktur 440 auf Grund der niedrigen Brechzahl eine optische Trennung zwischen benachbarten Farbfiltern 450. Jedes Farbfilter 450 ist über einer entsprechenden der Fotodioden 412 angeordnet. Die Farbfilter 450 sind entsprechenden Farben oder Wellenlängen des Lichts zugeordnet, und sie sind so konfiguriert, dass sie alle außer den zugewiesenen Farben oder Wellenlängen des Lichts herausfiltern.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist jeder der Pixelsensoren 410 eine optische Struktur 460 auf, die über dem Farbfilter 450 und der Low-n-Struktur 440 angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen weist die optische Struktur 460 Materialien auf, die zum Herstellen einer Mikrolinse verwendet werden. Mit anderen Worten, die optische Struktur 460 kann eine Mikrolinse umfassen. Bei einigen Ausführungsformen weist die optische Struktur 460 eine erste Seitenwand 460a auf, und die erste Seitenwand 460a und die Ebene DH bilden einen eingeschlossenen Winkel θ4, der größer als 0° ist. Bei einigen Ausführungsformen bilden die erste Seitenwand 460a und das Farbfilter 450 den eingeschlossenen Winkel θ4. Bei einigen Ausführungsformen kann der eingeschlossene Winkel θ4 etwa 35° bis etwa 55° betragen, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen steht die optische Struktur 460 zu der Rückseite 402B über, wie in 7 gezeigt ist.
  • Wie in 7 gezeigt ist, wird auf Grund der optischen Struktur 460, die über dem Farbfilter 450 angeordnet ist, das Licht L, das in die Mikrolinse 460 eintritt, gebeugt. Außerdem wird das Licht L dann von den Mikrostrukturen 416 gebeugt, wenn es in die Fotodiode 412 eintritt, und somit wird eine längere Lichtlaufstrecke erhalten. Folglich wird die Absorption der Fotodiode 412 erhöht. Und da das Licht mittels der DTI-Struktur 420 zu der Fotodiode 412 zurück reflektiert wird, wird es mutmaßlich in der Fotodiode 412 eingefangen, wie in 7 gezeigt ist. Somit können mehr Photonen absorbiert werden, und die Empfindlichkeit des BSI-Bildsensors 400 wird verbessert. Da die Lichtlaufstrecke verlängert wird, kann außerdem die Dicke der Fotodiode 412 oder des Substrats 402 reduziert werden, und somit wird das Verfahren weiter vereinfacht und verbessert.
  • Die 7 und 8 sind Schnittansichten eines Pixelsensors 410 eines BSI-Bildsensors 400 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einigen Ausführungsformen. Es ist zu beachten, dass bei einigen Ausführungsformen alle Seitenwände der optischen Struktur 460 und die Ebene DH (oder das Farbfilter 450) den in 7 gezeigten eingeschlossenen Winkel θ4 bilden können, und daher werden alle Seitenwände als die erste Seitenwand 460a bezeichnet. Außerdem sind die ersten Seitenwände 460a miteinander in Kontakt, sodass ein Scheitelpunkt 460c1 entsteht, wie in 7 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die optische Struktur 460 jedoch eine erste Seitenwand 460a und eine zweite Seitenwand 460b aufweisen. Die erste Seitenwand 460a und die Richtung DH (oder das Farbfilter 450) bilden den eingeschlossenen Winkel θ4, und die zweite Seitenwand 460b und die Richtung DH (oder das Farbfilter 450) bilden einen eingeschlossenen Winkel θ5, wobei der eingeschlossene Winkel θ5 von dem eingeschlossenen Winkel θ4 verschieden ist. Bei einigen Ausführungsformen ist der eingeschlossene Winkel θ5 größer als der eingeschlossene Winkel θ4. Außerdem sind die erste Seitenwand 460a und die zweite Seitenwand 460b miteinander in Kontakt, sodass ein Scheitelpunkt 460c2 entsteht, wie in 8 gezeigt ist.
  • Kommen wir zu 9, die eine Schnittansicht einer Mehrzahl von Pixelsensoren 410 des BSI-Bildsensors 400 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einigen Ausführungsformen ist. Fachleuten ist bekannt, dass die Pixelsensoren 410 in einer Matrix von Zeilen und Spalten angeordnet sind, sodass es Pixelsensoren 410, die in dem mittleren Bereich der Matrix angeordnet sind, aber auch Pixelsensoren 410 gibt, die in dem peripheren oder Randbereich der Matrix angeordnet sind. Zudem kann das Licht, das in die Pixelsensoren 410 eintritt, in Abhängigkeit von den Pixelsensoren 410 unterschiedliche Einfallswinkel haben. Daher kann bei einigen Ausführungsformen der eingeschlossene Winkel θ5, der von der zweiten Seitenwand 460b und der Ebene DH (oder dem Farbfilter 450) gebildet wird, eingestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen können Pixelsensoren 410c, die in dem mittleren Bereich der Matrix angeordnet sind, nur die ersten Seitenwände 460a und den eingeschlossenen Winkel θ4 haben, und Pixelsensoren 410p1, die um den mittleren Bereich angeordnet sind, können die erste Seitenwand 460a und die zweite Seitenwand 460b haben. Zudem wird der eingeschlossene Winkel θ5 der Pixelsensoren 410 mit zunehmendem Abstand der Pixelsensoren 410 von dem mittleren Bereich größer. Wie in 9 gezeigt ist, ist der eingeschlossene Winkel θ5 von Pixelsensoren 410p2, die an dem peripheren oder Randbereich angeordnet sind, größer als der eingeschlossene Winkel θ5 der Pixelsensoren 410p1, die zwischen den Pixelsensoren 410c und den Pixelsensoren 410p2 angeordnet sind. Bei einigen Ausführungsformen kann der eingeschlossene Winkel θ5 der Pixelsensoren 410p2, die an dem Randbereich der Matrix angeordnet sind, 90° betragen, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Außerdem kann bei einigen Ausführungsformen der Erfindung der Scheitelpunkt 460c eingestellt werden. Zum Beispiel befindet sich der Scheitelpunkt 460c1 des Pixelsensors 410c, der in dem mittleren Bereich der Matrix angeordnet ist, ebenfalls in der Mitte der optischen Struktur 460, während sich der Scheitelpunkt 460c2 von dem mittleren Bereich immer weiter entfernt, wenn der Abstand des Pixelsensors 410 von dem mittleren Bereich zunimmt. Wie vorstehend dargelegt worden ist, kann das Licht, das in die Pixelsensoren 410 eintritt, in Abhängigkeit von den Positionen der Pixelsensoren 410 unterschiedliche Einfallswinkel haben. Der eingeschlossene Winkel θ5 kann so eingestellt werden, dass die erste Seitenwand 460a eine ausreichend große Fläche zum Richten des einfallenden Lichts bereitstellt. Folglich wird das Licht L dann von den Mikrostrukturen 416 gebeugt, wenn es in die Fotodiode 412 eintritt, und somit wird eine längere Lichtlaufstrecke erhalten.
  • Die 10 bis 12 sind Schnittansichten eines Pixelsensors 510 eines BSI-Bildsensor 500 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen. Es ist zu beachten, dass Elemente, die in dem BSI-Bildsensor 500 und dem BSI-Bildsensor 100/200/300/400 gleich sind, das gleiche Material aufweisen können und/oder mit den gleichen Schritten hergestellt werden können, und daher werden diese Einzelheiten der Kürze halber weggelassen. Wie in den 10 bis 12 gezeigt ist, weist der BSI-Bildsensor 500 ein Substrat 502 auf, und das Substrat 502 hat eine Vorderseite 502F und eine Rückseite 502B, die der Vorderseite 502F gegenüberliegt. Der BSI-Bildsensor 500 weist eine Mehrzahl von Pixelsensoren 510 auf, die typischerweise in einer Matrix angeordnet sind. Eine Mehrzahl von Fotodioden 512, die den Pixelsensoren 510 entsprechen, ist in dem Substrat 502 angeordnet. Die Fotodioden 512 sind in dem Substrat 502 in Zeilen und Spalten angeordnet. Außerdem sind logische Bauelemente, wie etwa Transistoren 514, die so konfiguriert sind, dass sie das Lesen der Fotodiode 512 ermöglichen, über der Vorderseite 502F des Substrats 502 angeordnet.
  • In dem Substrat 502 ist eine Trennstruktur 520, wie etwa eine DTI-Struktur, angeordnet, wie in den 10 bis 12 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen werden zumindest Seitenwände der tiefen Gräben mit einem Belag 522 bedeckt, und die tiefen Gräben werden dann mit einem Isoliermaterial 524 aufgefüllt. Die DTI-Struktur 520 ermöglicht eine optische Trennung zwischen benachbarten Pixelsensoren 510, und dadurch dient sie als ein Substrat-Trenngitter und verringert die Kreuzkopplung. Über der Vorderseite 502F des Substrats 502 ist ein BEOL-Metallisierungsstapel 530 angeordnet. Der BEOL-Metallisierungsstapel 530 umfasst eine Mehrzahl von Metallisierungsschichten 532, die in einer ILD-Schicht 534 aufeinander gestapelt sind. Ein oder mehrere Kontakte des BEOL-Metallisierungsstapels 530 sind mit dem logischen Bauelement 514 elektrisch verbunden. Bei einigen Ausführungsformen kann ein anderes Substrat (nicht dargestellt) zwischen der Metallisierungsstruktur 530 und äußeren Verbindungselementen, wie etwa einem Kugelgitter-Array (BGA) (nicht dargestellt), angeordnet sein. Der BSI-Bildsensor 500 ist über die äußeren Verbindungselemente mit anderen Bauelementen oder Schaltkreisen elektrisch verbunden, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist jeder der Pixelsensoren 510 eine Mehrzahl von Mikrostrukturen 516 auf, die über der Rückseite 502B des Substrats 502 angeordnet sind, wie in den 10 bis 12 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen werden die Mikrostrukturen 516 abgeschrägt oder gerundet, um eine Wellenstruktur zu erhalten, wie sie in 10 gezeigt ist. Wie vorstehend dargelegt worden ist, bilden eine Seitenwand der Mikrostrukturen 516 und eine Richtung oder eine Ebene DH , die im Wesentlichen parallel zu einer Vorderseite 502s des Substrats 502 ist, einen eingeschlossenen Winkel θ1, wie in 1 gezeigt ist, wobei der eingeschlossene Winkel θ1 etwa 48° bis etwa 58° betragen kann, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen können die Mikrostrukturen 516 zusammenhängende Strukturen sein und ein Wellenprofil haben, wie in den 10 bis 12 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen können die Mikrostrukturen 516 diskrete Strukturen sein, die durch das Substrat 502 voneinander beabstandet sind.
  • Bei einigen Ausführungsformen ist ein ARC 518 über dem Substrat 502 auf der Rückseite 502B angeordnet. Oberflächen der Mikrostrukturen 516 sind mit dem konform hergestellten ARC 518 bedeckt. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Isolierstruktur 570 über dem ARC 518 auf der Rückseite 502B des Substrats 502 angeordnet, wobei die Isolierstruktur 570 eine erste Fläche 570a, die zu der Vorderseite 502F zeigt, und eine zweite Fläche 570b aufweist, die zu der Rückseite 502B zeigt. Die Isolierstruktur 570 kann mit den Schritten hergestellt werden, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 2A bis 2E beschrieben worden sind, und daher werden Einzelheiten der Kürze halber weggelassen. Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Fläche 570a eine Wellenstruktur auf, die der der Mikrostrukturen 516 in der Schnittansicht gleicht. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Fläche 570b eine im Wesentlichen ebene Fläche, wie in den 10 bis 12 gezeigt ist, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Zum Beispiel kann bei einigen Ausführungsformen die zweite Fläche 570b eine gekrümmte Fläche sein, wie in 1 gezeigt ist.
  • In den 10 bis 12 ist bei einigen Ausführungsformen eine Mehrzahl von Farbfiltern 550, die den Pixelsensoren 510 entsprechen, über den Pixelsensoren 510 auf der Rückseite 502B des Substrats 502 angeordnet. Außerdem ist bei einigen Ausführungsformen eine Low-n-Struktur 540 zwischen den Farbfiltern 550 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen ist die Low-n-Struktur 540 eine Gitterstruktur, und die Farbfilter 550 werden in dem Gitter angeordnet. Somit umschließt die Low-n-Struktur 540 jedes Farbfilter 550, und sie trennt die Farbfilter 550 voneinander, wie in 10 gezeigt ist. Die Low-n-Struktur 540 kann eine zusammengesetzte Struktur mit Schichten mit einer Brechzahl sein, die kleiner als die der Farbfilter 550 ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Low-n-Struktur 540 ein zusammengesetzter Stapel mit zumindest einer Metallschicht 542 und einer dielektrischen Schicht 544 sein, die über der Metallschicht 542 angeordnet ist. Auf Grund der niedrigen Brechzahl dient die Low-n-Struktur 540 als ein Lichtleiter zum Richten oder Reflektieren von Licht zu den Farbfiltern 550. Somit erhöht die Low-n-Struktur 540 wirksam die Menge des Lichts, das in die Farbfilter 550 einfällt. Außerdem ermöglicht die Low-n-Struktur 540 auf Grund der niedrigen Brechzahl eine optische Trennung zwischen benachbarten Farbfiltern 550. Jedes Farbfilter 550 ist über einer entsprechenden der Fotodioden 512 angeordnet. Die Farbfilter 550 sind entsprechenden Farben oder Wellenlängen des Lichts zugeordnet, und sie sind so konfiguriert, dass sie alle außer den zugewiesenen Farben oder Wellenlängen des Lichts herausfiltern.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist jeder der Pixelsensoren 510 eine Mehrzahl von optischen Struktur 560 auf, die über dem Farbfilter 550 auf der Rückseite 502B angeordnet sind. Bei einigen Ausführungsformen weisen die optischen Strukturen 560 Materialien auf, die zum Herstellen einer Mikrolinse verwendet werden. Mit anderen Worten, die optischen Strukturen 560 können eine Mikrolinse umfassen. Es dürfte klar sein, dass Anzahlen, Positionen und Flächen der Mehrzahl von Mikrolinsen 560 eines einzelnen Pixelsensors 510 denen der darunter befindlichen Farbfilter 550 entsprechen, wie in den 10 bis 12 gezeigt ist. Zum Beispiel ist eine untere Fläche jeder der Mehrzahl von Mikrolinsen 560 kleiner als eine obere Fläche des darunter befindlichen Farbfilters 550. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Breite jeder der Mehrzahl von Mikrolinsen 560 im Wesentlichen gleich der Hälfte einer Breite des Pixelsensors 510, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Summe der unteren Flächen der Mehrzahl von Mikrolinsen 560 größer als die obere Fläche des Farbfilters 550 unter der Mehrzahl von Mikrolinsen 560. Bei einigen Ausführungsformen bedeckt mindestens eine der Mehrzahl von Mikrolinsen 560a einen Teil der Low-n-Struktur 540, wie in den 10 bis 12 gezeigt ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen haben die Mikrolinsen 560 jeweils die Form eines Prismas, wie in 10 gezeigt ist. Die prismenförmigen Mikrolinsen 560a weisen jeweils eine erste Seitenwand 562a auf, und die erste Seitenwand 562a und die Ebene DH , die im Wesentlichen parallel zu der Vorderseite 502s des Substrats 502 ist, bilden einen eingeschlossenen Winkel θ6, der größer als 0° ist. Bei einigen Ausführungsformen kann der eingeschlossene Winkel θ6 etwa 35° bis etwa 55° betragen, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen stehen die Mikrolinsen 560a zu der Rückseite 502B über, wie in 10 gezeigt ist. Außerdem hängt eine Höhe der Mikrolinsen 560a von der Pixelgröße und dem eingeschlossenen Winkel θ6 ab.
  • Bei einigen Ausführungsformen sind die Mikrolinsen 560 jeweils halbkreisförmig, wie in 11 gezeigt ist. Die halbkreisförmigen Mikrolinsen 560b weisen jeweils eine Fläche auf, die zu der Rückseite 502B gekrümmt ist. Bei einigen Ausführungsformen haben die Mikrolinsen 560 jeweils die Form eines Halbtropfens oder einer Halbellipse, wie in 12 gezeigt ist. Die Mikrolinsen 560c, die die Form eines Halbtropfens oder einer Halbellipse haben, weisen jeweils eine Fläche auf, die zu der Rückseite 502B gekrümmt ist. Außerdem haben die Mikrolinsen 560c jeweils eine quasi Hauptachse, wobei die quasi Hauptachse und ein Normalvektor des Farbfilters 550 einen eingeschlossenen Winkel θ7 bilden, der etwa 0° bis etwa 45° beträgt. Außerdem hängt eine Höhe der Mikrolinsen 560b oder 560c von der Pixelgröße und dem eingeschlossenen Winkel θ7 ab.
  • Wie in den 10 bis 12 gezeigt ist, wird auf Grund der Mehrzahl von Mikrolinsen 560, die über dem einen Farbfilter 550 angeordnet sind, das Licht L, das in die Mikrolinsen 560 eintritt, gebeugt. Außerdem wird das Licht L dann von den Mikrostrukturen 516 gebeugt, wenn es in die Fotodiode 512 eintritt, und somit wird eine längere Lichtlaufstrecke erhalten. Folglich wird die Absorption der Fotodiode 512 erhöht. Und da das Licht mittels der DTI-Struktur 520 zu der Fotodiode 512 zurück reflektiert wird, wird es mutmaßlich in der Fotodiode 512 eingefangen, wie in den 10 bis 12 gezeigt ist. Somit können mehr Photonen absorbiert werden, und die Empfindlichkeit des BSI-Bildsensors 500 wird verbessert. Da die Lichtlaufstrecke verlängert wird, kann außerdem die Dicke der Fotodiode 512 oder des Substrats 502 reduziert werden, und somit wird das Verfahren weiter vereinfacht und verbessert.
  • Die vorliegende Erfindung stellt also einen Pixelsensor eines BSI-Bildsensors bereit, der eine Isolierstruktur aufweist, die eine gekrümmte Fläche hat, die zu einer Vorderseite des BSI-Bildsensors übersteht, sodass bei einigen Ausführungsformen Licht weiter konzentriert wird. Die vorliegende Erfindung stellt außerdem einen BSI-Bildsensor bereit, der eine optische Struktur mit einem Material aufweist, das dem des Farbfilters oder der Mikrolinse gleicht. Die optische Struktur dient als ein Lichtleiter, und bei einigen Ausführungsformen wird durch die optische Struktur eine längere Lichtlaufstrecke in der Fotodiode erzeugt. Dadurch werden mehr Photonen absorbiert. Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung einen BSI-Bildsensor mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen über einem einzigen Farbfilter bereit, und bei einigen Ausführungsformen wird durch die Mehrzahl von Mikrolinsen eine längere Lichtlaufstrecke in der Fotodiode erzeugt. Mit anderen Worten, da sich das Licht mit einem großen Winkel in dem Pixelsensor ausbreitet, werden die Empfindlichkeit und das Winkelverhalten verbessert.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird ein BSI-Bildsensor bereitgestellt. Der BSI-Bildsensor weist Folgendes auf: ein Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt; einen Pixelsensor in dem Substrat; eine Isolierstruktur, die über dem Substrat auf der Rückseite angeordnet ist; ein Farbfilter über dem Substrat auf der Rückseite; und eine Mikrolinse über dem Farbfilter auf der Rückseite. Die Isolierstruktur weist eine erste Fläche, die zu der Vorderseite zeigt, und eine zweite Fläche auf, die zu der Rückseite zeigt, wobei die zweite Fläche eine gekrümmte Fläche umfasst, die zu der Vorderseite gekrümmt ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird ein BSI-Bildsensor bereitgestellt. Der BSI-Bildsensor weist Folgendes auf: ein Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt; und eine Mehrzahl von Pixelsensoren, die in einer Matrix angeordnet sind. Die Pixelsensoren weisen jeweils Folgendes auf: ein Lichtabtastelement in dem Substrat; ein Farbfilter über dem Pixelsensor auf der Rückseite; und eine optische Struktur über dem Farbfilter. Die optische Struktur weist eine erste Seitenwand auf, wobei die erste Seitenwand und eine Ebene, die im Wesentlichen parallel zu einer Vorderseite des Substrats ist, einen eingeschlossenen Winkel bilden, der größer als 0° ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird ein BSI-Bildsensor bereitgestellt. Der BSI-Bildsensor weist Folgendes auf: ein Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt; einen Pixelsensor in dem Substrat; ein Farbfilter über dem Substrat auf der Rückseite; und eine Mehrzahl von Mikrolinsen über dem Farbfilter. Eine untere Fläche jeder der Mehrzahl von Mikrolinsen ist kleiner als eine obere Fläche des Farbfilters, und eine Summe der unteren Flächen der Mehrzahl von Mikrolinsen ist größer als die obere Fläche des Farbfilters.
  • Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (20)

  1. Rückseitig beleuchteter Bildsensor (BSI-Bildsensor) mit: einem Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt; einem Pixelsensor in dem Substrat; einer Isolierstruktur, die über dem Substrat auf der Rückseite angeordnet ist, wobei die Isolierstruktur eine erste Fläche, die zu der Vorderseite zeigt, und eine zweite Fläche aufweist, die zu der Rückseite zeigt, wobei die zweite Fläche eine gekrümmte Fläche umfasst, die zu der Vorderseite gekrümmt ist; einem Farbfilter über dem Substrat auf der Rückseite; und einer Mikrolinse über dem Farbfilter auf der Rückseite.
  2. BSI-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei der Pixelsensor eine Mehrzahl von Mikrostrukturen aufweist, die über der Rückseite des Substrats angeordnet sind.
  3. BSI-Bildsensor nach Anspruch 2, wobei eine Seitenwand der Mikrostrukturen und eine Ebene, die im Wesentlichen parallel zu einer Vorderseite des Substrats ist, einen eingeschlossenen Winkel bilden, wobei der eingeschlossene Winkel etwa 48° bis etwa 58° beträgt.
  4. BSI-Bildsensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste Fläche der Isolierstruktur die Mikrostrukturen bedeckt und eine Wellenstruktur in einer Schnittansicht aufweist.
  5. Rückseitig beleuchteter Bildsensor (BSI-Bildsensor) mit: einem Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt; und einer Mehrzahl von Pixelsensoren, die in einer Matrix angeordnet sind, wobei die Pixelsensoren jeweils Folgendes aufweisen: ein Lichtabtastelement in dem Substrat, ein Farbfilter über dem Lichtabtastelement auf der Rückseite, und eine optische Struktur über dem Farbfilter, wobei die optische Struktur eine erste Seitenwand aufweist und die erste Seitenwand und eine Ebene, die im Wesentlichen parallel zu einer Vorderseite des Substrats ist, einen eingeschlossenen Winkel bilden, der größer als 0° ist.
  6. BSI-Bildsensor nach Anspruch 5, wobei der eingeschlossene Winkel etwa 35° bis etwa 55° beträgt.
  7. BSI-Bildsensor nach Anspruch 5 oder 6, wobei die optischen Strukturen und die Farbfilter das gleiche Material aufweisen und die optischen Strukturen jeweils zu der Rückseite überstehen.
  8. BSI-Bildsensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, der weiterhin eine Mehrzahl von Low-n-Strukturen (n: Brechzahl) aufweist, die über dem Substrat auf der Rückseite angeordnet sind, wobei die Low-n-Strukturen die Farbfilter umschließen und trennen.
  9. BSI-Bildsensor nach Anspruch 8, wobei die optischen Strukturen jeweils Oberseiten der Low-n-Strukturen bedecken.
  10. BSI-Bildsensor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Pixelsensoren weiterhin jeweils eine Mikrolinse aufweisen, die über dem Farbfilter auf der Rückseite angeordnet ist.
  11. BSI-Bildsensor nach Anspruch 10, wobei die optischen Strukturen und die Mikrolinse das gleiche Material aufweisen.
  12. BSI-Bildsensor nach Anspruch 11, wobei die Farbfilter jeweils eine Aussparung aufweisen, die zu der Vorderseite vertieft ist.
  13. BSI-Bildsensor nach Anspruch 12, wobei die optischen Strukturen jeweils zwischen den einzelnen Farbfiltern und den einzelnen Mikrolinsen in der Aussparung angeordnet sind.
  14. BSI-Bildsensor nach einem der Ansprüche 5 bis 13, wobei die optischen Strukturen jeweils eine Mikrolinse umfassen.
  15. BSI-Bildsensor nach einem der Ansprüche 5 bis 14, wobei die optischen Strukturen weiterhin jeweils eine zweite Seitenwand aufweisen und die erste Seitenwand und die zweite Seitenwand miteinander in Kontakt sind, sodass ein Scheitelpunkt entsteht.
  16. BSI-Bildsensor nach Anspruch 15, wobei eine Position des Scheitelpunkts jeder der optischen Strukturen in der Matrix einstellbar ist.
  17. Rückseitig beleuchteter Bildsensor (BSI-Bildsensor) mit: einem Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt; einem Pixelsensor in dem Substrat; einem Farbfilter über dem Substrat auf der Rückseite; und einer Mehrzahl von Mikrolinsen über dem Farbfilter, wobei eine untere Fläche jeder der Mehrzahl von Mikrolinsen kleiner als eine obere Fläche des Farbfilters ist und eine Summe der unteren Flächen der Mehrzahl von Mikrolinsen größer als die obere Fläche des Farbfilters ist.
  18. BSI-Bildsensor nach Anspruch 17, wobei die Mikrolinsen jeweils eine Seitenwand aufweisen und die Seitenwand und eine Ebene, die im Wesentlichen parallel zu einer Vorderseite des Substrats ist, einen eingeschlossenen Winkel von etwa 35° bis etwa 55° bilden.
  19. BSI-Bildsensor nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Mikrolinsen jeweils eine Prismenform aufweisen.
  20. BSI-Bildsensor nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Mikrolinsen jeweils eine quasi Hauptachse aufweisen und die quasi Hauptachse und ein Normalvektor des Farbfilters einen eingeschlossenen Winkel bilden, wobei der eingeschlossene Winkel etwa 0° bis etwa 45° beträgt.
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