DE102019135080A1 - Rückseitige brechungsschicht für rückseitig beleuchteten bildsensor und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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Po-Han Chen
Kuo-Cheng Lee
Fu-Cheng Chang
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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Abstract

Auf einer Vorderseite eines Halbleitersubstrats können Lichtsensoren hergestellt werden. Auf einer Rückseite des Halbleitersubstrats kann eine optische Brechungsschicht mit einer ersten Brechzahl hergestellt werden. Eine Gitterstruktur mit Öffnungen wird über der optischen Brechungsschicht ausgebildet. Über der Gitterstruktur und der optischen Brechungsschicht wird eine Maskierungsmaterialschicht hergestellt. Die Maskierungsmaterialschicht kann mit einem anisotropen Ätzprozess anisotrop geätzt werden, in dem zusätzlich ein Material der optischen Brechungsschicht geätzt wird und nicht-planare distale Oberflächenteile mit zufälligen Vorsprüngen auf physikalisch freigelegten Teilen der optischen Brechungsschicht hergestellt werden. Auf den nicht-planaren distalen Oberflächenteilen der optischen Brechungsschicht kann eine optisch durchlässige Schicht mit einer zweiten Brechzahl hergestellt werden, die von der ersten Brechzahl verschieden ist. Eine Brechungsgrenzfläche bricht einfallendes Licht in zufälligen Richtungen und verbessert eine Quantenausbeute der Lichtsensoren.

Description

  • Hintergrund
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiter-Bauelemente und insbesondere einen rückseitig beleuchteten CMOS-Bildsensor (CMOS: Komplementärer Metalloxidhalbleiter) und Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Halbleiter-Bildsensoren werden zum Abtasten von elektromagnetischer Strahlung verwendet, wie etwa von Licht im sichtbaren Bereich, Infrarotstrahlung und/oder ultraviolettem Licht. CMOS-Bildsensoren (CIS) und CCD-Sensoren (CCD: ladungsgekoppeltes Bauelement) kommen in verschiedenen Anwendungsgebieten zum Einsatz, wie etwa in digitalen Kameras oder internen Kameras von mobilen Geräten. In diesen Geräten wird eine Matrix von Pixeln (die Fotodioden und Transistoren sein können) zum Detektieren von Strahlung durch Fotogeneration von Elektronen-Loch-Paaren verwendet. Ein rückseitig beleuchteter Bildsensor (BSI-Bildsensor) ist ein Bildsensor, der so konfiguriert ist, dass er Licht detektiert, das auf eine Rückseite eines Halbleitersubstrats auftrifft. Auf einer Vorderseite eines Halbleitersubstrats kann eine CMOS-Schaltungsanordnung zum Detektieren und Verarbeiten von fotogenerierten Signalen hergestellt werden.
  • 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.
    • 1A ist eine Draufsicht einer ersten Konfiguration für eine Matrix von Pixeln eines Bildsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 1B ist eine Draufsicht einer zweiten Konfiguration für eine Matrix von Pixeln eines Bildsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2A ist eine Draufsicht von vorderseitigen Sensorkomponenten in einem Bereich eines Teilpixels in einer beispielhaften Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2B ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur entlang der vertikalen Ebene B - B' von 2A.
    • 3 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Herstellen von metallischen Verbindungsstrukturen, die in dielektrischen Schichten auf Verbindungsebene hergestellt werden, und dem Befestigen eines Trägersubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Dünnen des Halbleitersubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 5 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Erzeugen von tiefen Gräben auf der Rückseite des Halbleitersubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 6 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Entfernen einer Hartmaskenschicht und einer dielektrischen Padschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 7 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Herstellen eines dielektrischen Metalloxidbelags und einer dielektrischen Isolationsschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 8 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Erzeugen von tiefen Grabenisolationsstrukturen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 9 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Herstellen einer ARC-Schicht (ARC: Antireflexbelag), einer optischen Brechungsschicht, einer dielektrischen Gitter-Materialschicht, einer metallischen Reflexionsmaterialschicht und einer strukturierten Fotoresistschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 10A ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Herstellen einer Verbund-Gitterstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 10B ist eine Draufsicht der beispielhaften Struktur von 10A. Die drehbare vertikale Ebene A - A' entspricht der Ebene der vertikalen Schnittansicht von 10A.
    • 11A ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Herstellen einer Maskierungsmaterialschicht und einer strukturierten Fotoresistschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 11B ist eine Draufsicht der beispielhaften Struktur von 11A. Die drehbare vertikale Ebene A - A' entspricht der Ebene der vertikalen Schnittansicht von 11A.
    • 11C ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur entlang der vertikalen Ebene C - C' von 11B.
    • 12A ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Herstellen von nicht-planaren distalen Oberflächenteilen auf der optischen Brechungsschicht durch anisotropes Ätzen der Maskierungsmaterialschicht und zusätzliches Ätzen von oberen Teilen der optischen Brechungsschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 12B ist eine Draufsicht der beispielhaften Struktur von 12A. Die drehbare vertikale Ebene A - A' entspricht der Ebene der vertikalen Schnittansicht von 12A.
    • 12C ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur entlang der vertikalen Ebene C - C' von 12B.
    • 12D ist eine Rasterelektronenmikroskop(REM)-Aufnahme einer Oberseite einer optischen Brechungsschicht eines Prüfkörpers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 13A ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Entfernen der strukturierten Fotoresistschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 13B ist eine Draufsicht der beispielhaften Struktur von 13A. Die drehbare vertikale Ebene A - A' entspricht der Ebene der vertikalen Schnittansicht von 13A.
    • 13C ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur entlang der vertikalen Ebene C - C' von 13B.
    • 14 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Herstellen einer optisch durchlässigen Schicht, von Farbfiltern und von Linsen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 15A ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Entfernen des Trägersubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 15B ist eine weitere vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur von 15A.
    • 16 ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Prozessablaufs zum Herstellen eines Bildsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 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“ 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 der in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung 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.
  • Im Allgemeinen können die Strukturen und Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Bereitstellen eines Bildsensors mit einer höheren Quantenausbeute verwendet werden, die der Anteil von Photonen, die ein Elektronen-Loch-Paar erzeugen, an allen Photonen ist, die auf ein fotoreaktives Materialteil auftrifft. Eine optische Brechungsschicht mit einer zufälligen Oberflächenrauheit wird zum Erzeugen einer zufälligen Brechung von Photonen, die auf einen Lichtsensor auftreffen, verwendet, wodurch die Quantenausbeute des Lichtsensors erhöht wird.
  • Eine Brechungsstruktur in dem optischen Pfad von Photonen in einem Bildsensor kann einen günstigen Effekt durch Erhöhen der Wahrscheinlichkeit einer Photonen-Absorption in einem Lichtsensor haben. Zum Beispiel beschreiben Z. Y. Wang et al. in dem Artikel „Broadband optical absorption by tunable Mie resonances in silicon nanocone arrays“ („Optische Breitband-Absorption mittels abstimmbaren Mie-Resonanzen in Silizium-Nanokegel-Anordnungen“), Scientific Reports, Vol. 5, Article number: 7810 (2015), wie eine Anordnung von Brechungssäulenstrukturen den Absorptionskoeffizienten für Photonen verschiedener Wellenlängen in dem optischen Bereich erhöhen kann. Die Herstellung einer derartigen periodischen Anordnung von Säulen erfordert jedoch ein lithografisches Strukturieren von periodischen Strukturen durch DLTV-Lithografie (DUV: tiefes Ultraviolett) und kann daher ein kostspieliger Prozess sein. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Zufallsbrechungsfläche mit zufälligen Vorsprüngen und mit Querabmessungen in der Größenordnung von 100 nm bereit, die mit einem anisotropen Ätzprozesses erzeugt wird. Eine Prozess-Ungleichmäßigkeit, die zu lokalen Änderungen der Ätzdicke in einer Maskierungsmaterialschicht führt, wird in einem tieferliegenden optisch durchlässigen Material durch Verwenden einer Ätzchemikalie verstärkt, die das optisch durchlässige Material mit einer höheren Ätzrate als das Material der Maskierungsmaterialschicht ätzt. Die resultierende Zufallsbrechungsfläche wird in dem optischen Pfad von auftreffenden Photonen in einem Bildsensor bereitgestellt, um die Quantenausbeute des Bildsensors zu verbessern.
  • In den 1A und 1B sind eine erste Konfiguration einer Matrix 1000 von Pixeln 900 eines Bildsensors und eine zweite Konfiguration der Matrix 1000 der Pixel 900 des Bildsensors jeweils in einer Draufsicht dargestellt. Der Bildsensor kann eine rückseitig beleuchtete Bildsensorvorrichtung (BSI-Bildsensorvorrichtung) sein. Es dürfte jedoch wohlverstanden sein, dass Ausführungsformen der Erfindung auch in einem vorderseitig beleuchteten Bildsensor (FSI-Bildsensor) verwendet werden können.
  • Jedes Pixel 900 stellt eine kleinste Flächeneinheit zum Erzeugen eines Bilds von dem Bildsensor dar. Der Bereich mit der Matrix 1000 von Pixeln 900 wird hier als ein Pixelmatrixbereich bezeichnet. Die Pixel 900 in dem Pixelmatrixbereich können in Zeilen und Spalten angeordnet werden. Zum Beispiel kann der Pixelmatrixbereich M Zeilen und N Spalten umfassen, wobei M und N ganze Zahlen in dem Bereich von 1 bis 216, z. B. 28 bis 214, sind. Die Zeilen von Pixeln 900 können nacheinander mit ganzen Zahlen von 1 bis M nummeriert werden, und die Spalten von Pixeln 900 können nacheinander mit ganzen Zahlen von 1 bis N nummeriert werden. Ein Pixel Pij bezieht sich auf ein Pixel 900 in der i-ten Zeile und in der j-ten Spalte.
  • Jedes Pixel 900 umfasst mindestens einen Lichtsensor, der so konfiguriert ist, dass er Strahlung eines gegebenen Wellenlängenbereichs detektiert. Jedes Pixel 900 kann eine Mehrzahl von Lichtsensoren umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie Strahlung eines jeweiligen Wellenlängenbereichs detektieren, der zwischen den mehreren Lichtsensoren unterschiedlich sein kann. Bei einer Ausführungsform kann jedes Pixel 900 eine Mehrzahl von Teilpixeln umfassen, die jeweils eine entsprechende Kombination aus einem Lichtsensor und einer elektronischen Schaltung umfassen, die zum Detektieren von Strahlung konfiguriert sind, die auf den Lichtsensor auftrifft. Zum Beispiel kann ein Pixel 900 Folgendes umfassen: ein Teilpixel, das so konfiguriert ist, dass es Strahlung in einem roten Wellenlängenbereich (wie etwa von 635 nm bis 700 nm) detektiert; ein Teilpixel, das so konfiguriert ist, dass es Strahlung in einem grünen Wellenlängenbereich (wie etwa von 520 nm bis 560 nm) detektiert; und ein Teilpixel, das so konfiguriert ist, dass es Strahlung in einem blauen Wellenlängenbereich (wie etwa von 450 nm bis 490 nm) detektiert. Diese Teilpixel werden als ein rotes Teilpixel, ein grünes Teilpixel bzw. ein blaues Teilpixel bezeichnet.
  • Im Allgemeinen erzeugt ein Pixel 900 Informationen beim Auftreffen von Strahlung für eine Detektionsflächeneinheit. Ein Teilpixel erzeugt Informationen zu der Intensität der auftreffenden Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich, die in einem Bereich der Detektionsflächeneinheit detektiert wird. Ein monochromatisches Pixel 900 kann nur ein Teilpixel umfassen. Ein Pixel 900, das so konfiguriert ist, dass es eine spektrale Verteilung von auftreffender Strahlung detektiert, umfasst mehrere Teilpixel mit mindestens zwei unterschiedlichen Detektions-Wellenlängenbereichen. Lichtsensoren in einem Pixelmatrixbereich können Fotodioden, CMOS-Bildsensoren (CMOS: komplementärer Metalloxidhalbleiter), CCD-Sensoren (CCD: ladungsgekoppeltes Bauelement), aktive Sensoren, passive Sensoren, andere geeignete Sensoren oder eine Kombination davon umfassen.
  • In den 2A und 2B sind vorderseitige Sensorkomponenten 600 in den Bereichen eines Teilpixels in einem Bildsensor gezeigt. Ein Halbleitersubstrat 500 weist eine Substrat-Halbleiterschicht 601 auf. Die vorderseitigen Sensorkomponenten 600 umfassen alle Komponenten des Bildsensors, die auf einer Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 500 oder in der Substrat-Halbleiterschicht 601 hergestellt werden können. Jedes Teilpixel weist einen Lichtsensor und eine Sensorschaltung für den Lichtsensor auf. Eine Gruppe von Teilpixeln kann für ein Pixel verwendet werden, und eine Matrix 1000 von Pixeln kann so angeordnet werden, wie es in 1A oder 1B gezeigt ist, oder sie kann in einer anderen Matrixkonfiguration angeordnet werden, die zum Bereitstellen eines Bildsensors geeignet ist.
  • Jedes Teilpixel kann auf oder in der Substrat-Halbleiterschicht 601 hergestellt werden, die eine Vorderseite 609 und eine Rückseite hat. Die Substrat-Halbleiterschicht 601 weist ein Halbleitermaterial, wie etwa Silizium oder Germanium, eine Silizium-Germanium-Legierung, ein Verbindungshalbleitermaterial oder ein anderes Halbleitermaterial auf, das einen Bandabstand hat, der nicht größer als die Energie der zu detektierenden Photonen ist. Das Material in der Substrat-Halbleiterschicht 601 kann auf Grund des Energiebereichs der von dem Teilpixel zu detektierenden Photonen gewählt werden. Bei einer Ausführungsform kann das Substrat-Halbleiterschicht 601 einkristallines Silizium sein. Für das Halbleitersubstrat 500 kann ein handelsübliches einkristallines Halbleitersubstrat verwendet werden. Das Halbleitersubstrat 500, das auf dieser Bearbeitungsstufe bereitgestellt wird, hat eine so hohe Dicke, dass es den normalen CMOS-Bearbeitungsschritten standhalten kann. Die Dicke des Halbleitersubstrats 500 kann zum Beispiel 200 µm bis 1 mm betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • Ein oberer Teil der Substrat-Halbleiterschicht 601 kann in geeigneter Weise so dotiert werden, dass er einen ersten Leitfähigkeitstyp hat, der p oder n sein kann. Zum Beispiel kann ein epitaxialer Halbleiter-Abscheidungsprozess durchgeführt werden, um eine einkristalline epitaxiale Halbleitermaterialschicht auf einem oberen Teil der Substrat-Halbleiterschicht 601 so herzustellen, dass die Atomkonzentration der Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps 1,0 × 1013/cm3 bis 1,0 × 1016/cm3 beträgt, aber es können auch niedrigere und höhere Atomkonzentrationen verwendet werden. Die Dicke der einkristallinen epitaxialen Halbleitermaterialschicht kann 1 µm bis 10 µm betragen.
  • Um Bereiche, in denen später STI-Strukturen 620 (STI: flache Grabenisolation) hergestellt werden können, können Erster-Leitfähigkeitstyp-Wannen 607 durch Ionenimplantation hergestellt werden. Die Atomkonzentration der Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps in den Erster-Leitfähigkeitstyp-Wannen 607 kann 1,0 × 1015/cm3 bis 1,0 x 1018/cm3 betragen, aber es können auch niedrigere und höhere Atomkonzentrationen verwendet werden. Die STI-Strukturen 620 können so hergestellt werden, dass sie eine elektrische Isolation gegen die verschiedenen Komponenten in dem Teilpixel bereitstellen.
  • Über der Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 500 können Gatestrukturen (614, 605, 615) durch Abscheiden und Strukturieren eines Schichtstapels mit einer dielektrischen Gateschicht und einer Gate-Elektrodenschicht hergestellt werden. Jeder strukturierte Teil des Schichtstapels stellt eine Gatestruktur (614, 605, 615) dar, die eine Transfergatestruktur (614, 605) und Steuergatestrukturen (614, 615) umfasst. Die Transfergatestruktur (614, 605) ist die Gatestruktur für einen Transfertransistor 630 und umfasst einen Stapel aus einem Gatedielektrikum 614 und einer Transfer-Gate-Elektrode 605. Die Steuergatestrukturen (614, 615) umfassen jeweils einen entsprechenden Schichtstapel aus einem Gatedielektrikum 614 und einer Gate-Elektrode 615 anderer Transistoren in einer Sensorschaltung, die einen Rücksetztransistor 640, einen Sourcefolgertransistor 650, einen Auswahltransistor 660 und andere geeignete Transistoren umfassen können, die zum Verstärken des von dem Lichtsensor des Teilpixels erzeugten Signals verwendet werden können.
  • Die Dotanden des zweiten Leitfähigkeitstyps können durch die Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 500 mit mindestens einem maskierten Ionenimplantationsprozess implantiert werden. Der zweite Leitfähigkeitstyp ist das Gegenteil des ersten Leitfähigkeitstyps. Wenn zum Beispiel der erste Leitfähigkeitstyp der p ist, ist der zweite Leitfähigkeitstyp n, und umgekehrt. Mit dem mindestens einen maskierten Ionenimplantationsprozess können verschiedene dotierte Bereiche mit einer Dotierung des zweiten Leitfähigkeitstyps hergestellt werden. Unter der Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 500 kann eine gepinnte Zweiter-Leitfähigkeitstyp-Fotodiodenschicht 602 so hergestellt werden, dass sich in einer Draufsicht eine Peripherie der gepinnten Zweiter-Leitfähigkeitstyp-Fotodiodenschicht 602 mit einem Rand der Transfer-Gate-Elektrode 605 überdeckt. Es können verschiedene aktive Bereiche (608, 612) mit einer Dotierung des zweiten Leitfähigkeitstyps hergestellt werden, die einen Floating-Diffusionsbereich 608 umfassen, der als ein Drain-Bereich des Transfertransistors 630 fungiert. Die gepinnte Zweiter-Leitfähigkeitstyp-Fotodiodenschicht 602, die elektrische Ladungen (wie etwa Elektronen, wenn der zweite Leitfähigkeitstyp n ist) während des Abtastens (d. h., während das Teilpixel aktiv die darauf auftreffenden Photonen detektiert, zum Beispiel um Aufnahmen zu machen) speichert, funktioniert als ein Source-Bereich des Transfertransistors 630. Die aktiven Bereiche 612 umfassen Source-Bereiche und Drain-Bereiche der verschiedenen Transistoren (640, 650, 660) in der Sensorschaltung.
  • Eine Erste-Leitfähigkeitstyp-Pinning-Fotodiodenschicht 603 kann durch Ionenimplantation von Dotanden des ersten Leitfähigkeitstyps direkt auf der gepinnten Zweiter-Leitfähigkeitstyp-Fotodiodenschicht 602 hergestellt werden. Die Erste-Leitfähigkeitstyp-Pinning-Fotodiodenschicht 603 kann die Verarmung der Grenzfläche zwischen der gepinnten Zweiter-Leitfähigkeitstyp-Fotodiodenschicht 602 und der Erste-Leitfähigkeitstyp-Pinning-Fotodiodenschicht 603 unterdrücken und stabilisiert die gepinnte Zweiter-Leitfähigkeitstyp-Fotodiodenschicht 602 elektrisch.
  • Über der Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 500 können dielektrische Verbindungsebene-Schichten 670 hergestellt werden, und in jedem Teilpixel können metallische Verbindungsstrukturen 680 (die eine metallische Leitungsstruktur 684 und eine metallische Durchkontaktierungsstruktur 682 umfassen) hergestellt werden, die verschiedene Knoten der Transistoren (630, 640, 650, 660) verbinden. Die dielektrischen Verbindungsebene-Schichten 670 können ein jeweiliges dielektrisches Material aufweisen, wie etwa undotiertes Silicatglas, ein dotiertes Silicatglas, ein Organosilicatglas, ein poröses dielektrisches Material oder Kombinationen davon. Optional können in den dielektrischen Verbindungsebene-Schichten 670 dielektrische Beläge verwendet werden, die verschiedene dielektrische Materialien aufweisen, wie etwa Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid, Siliziumoxidcarbid und/oder dielektrische Metalloxide. Die metallischen Verbindungsstrukturen 680 können verschiedene metallische Durchkontaktierungsstrukturen 682 und verschiedene metallische Leitungsstrukturen 684 umfassen. Zum Beispiel kann der Floating-Diffusionsbereich 608 mittels einer Teilmenge der metallischen Verbindungsstrukturen 680 mit der Gate-Elektrode 615 des Sourcefolgertransistors 650 verbunden werden. Ein Lichtsensor kann einen Transfertransistor 630 aufweisen und kann mit einer Sensorschaltung verbunden werden, die weitere Transistoren (640, 650, 660) umfasst.
  • In 3 können weitere dielektrische Verbindungsebene-Schichten 670 und weitere metallische Verbindungsstrukturen 680 auf der Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 500 hergestellt werden. Eine Vorderseite einer Gruppe aus dem Halbleitersubstrat 500, den dielektrischen Verbindungsebene-Schichten 670 und den darin hergestellten Strukturen kann an ein Trägersubstrat 690 gebondet werden. Das Trägersubstrat 690 kann temporär an der Gruppe aus dem Halbleitersubstrat 500 und den dielektrischen Verbindungsebene-Schichten 670 befestigt werden, um ein späteres Dünnen des Halbleitersubstrats 500 und ein späteres Handhaben einer Gruppe aus einem gedünnten Halbleitersubstrat 500 und den dielektrischen Verbindungsebene-Schichten 670 zu ermöglichen. Das Trägersubstrat 690 kann ein Halbleitermaterial, ein Isoliermaterial oder ein metallisches Material aufweisen und kann eine Dicke von 300 µm bis 1 mm haben, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • Zum Bonden des Trägersubstrats 690 an die Vorderseite der dielektrischen Verbindungsebene-Schichten 670 kann jedes geeignete Bondverfahren verwendet werden. Beispielhafte Bondverfahren, die zum Bonden des Trägersubstrats 690 an die dielektrischen Verbindungsebene-Schichten 670 verwendet werden können, sind unter anderem Oxid-Oxid-Bonden, Oxid-Halbleiter-Bonden, Schmelzbonden, Hybridbonden, anodisches Bonden, Direktbonden, andere geeignete Bondverfahren und/oder Kombinationen davon. Es können auch andere geeignete Bondverfahren innerhalb des beabsichtigten Schutzumfangs der Erfindung verwendet werden. Optional kann eine Bond-Pufferschicht 689, die ein Zwischen-Bondmaterial (z. B. Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder ein Halbleitermaterial) aufweist, zum Erzeugen einer Bondung zwischen den dielektrischen Verbindungsebene-Schichten 670 und dem Trägersubstrat 690 verwendet werden.
  • In 4 kann eine Rückseite des Halbleitersubstrats 500 zum Beispiel durch Schleifen, Polieren, isotropes Ätzen und/oder anisotropes Ätzen gedünnt werden. Das Trägersubstrat 690 kann während des Dünnens das Halbleitersubstrat 500 mechanisch abstützen. Bei einer Ausführungsform kann das Halbleitersubstrat 500 auf eine Dicke von 1 µm bis 12 µm, z. B. 1,5 µm bis 8 µm, gedünnt werden. Das Halbleitersubstrat 500, das nach dem Dünnungsprozess gedünnt ist, wird hier als ein gedünntes Halbleitersubstrat 510 oder als ein Halbleitersubstrat 500 bezeichnet. Die Dicke des gedünnten Halbleitersubstrats 510 kann von der maximalen Tiefe von tiefen Gräben bestimmt werden, die später auf der Rückseite des gedünnten Halbleitersubstrats 510 erzeugt werden sollen. Bei einer Ausführungsform kann die Dicke des gedünnten Halbleitersubstrats 510 so gewählt werden, dass die tiefen Gräben, die später auf der Rückseite des gedünnten Halbleitersubstrats 510 erzeugt werden sollen, proximale Oberflächen der STI-Strukturen 620 erreichen. Eine Rückseite 709 des gedünnten Halbleitersubstrats 510 kann poliert werden, um eine planare horizontale Fläche bereitzustellen, die parallel zu der Vorderseite 609 des gedünnten Halbleitersubstrats 510 ist. Die beispielhafte Struktur kann anschließend für eine Weiterbearbeitung gewendet werden.
  • In 5 können eine optionale dielektrische Padschicht 711 und eine Hartmaskenschicht 712 über der Rückseite 709 des Halbleitersubstrats 510 hergestellt werden. Die optionale dielektrische Padschicht 711, falls vorhanden, kann eine Siliziumoxidschicht umfassen und kann eine Dicke von 5 nm bis 50 nm haben. Die Hartmaskenschicht 712 weist ein Ätzmaskenmaterial auf, das später selektiv für die dielektrische Padschicht 711 und/oder für das Halbleitersubstrat 510 entfernt werden kann. Die Hartmaskenschicht 712 kann zum Beispiel Siliziumnitrid, Borsilicatglas oder ein metallisches Material aufweisen. Die Hartmaskenschicht 712 kann eine Dicke von 50 nm bis 800 nm haben, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • Über der Hartmaskenschicht 712 kann eine Fotoresistschicht (nicht dargestellt) aufgebracht werden, die lithografisch strukturiert werden kann, um Öffnungen zu erzeugen, die im Allgemeinen die Struktur der darunter befindlichen STI-Strukturen 620 reproduzieren. Ein erster Ätzprozess kann durchgeführt werden, um die Struktur in der Fotoresistschicht durch die Hartmaskenschicht 712 und die optionale dielektrische Padschicht 711 zu übertragen. Unmaskierte Teile des Halbleitersubstrats 510 können durch Durchführen eines zweiten anisotropen Ätzprozesses geätzt werden, der die Struktur der Öffnungen in der Fotoresistschicht und der Hartmaskenschicht 712 durch das Halbleitersubstrat 510 auf eine Oberseite einer jeweiligen der STI-Strukturen 620 überträgt. Die Tiefe von tiefen Gräben 719 kann 1 µm bis 10 µm, z. B. 1,5 µm bis 8 µm, betragen. Die Fotoresistschicht kann während des zweiten anisotropen Ätzprozesses vollständig aufgezehrt werden. Die tiefen Gräben 719 können durch das Halbleitersubstrat 510 erzeugt werden.
  • Die tiefen Gräben 719 können Bereiche für Teilpixel 800 definieren. Jedes Teilpixel 800 kann in einem jeweiligen Teilpixelbereich angeordnet sein, der sich in einem Bereich eines Pixels, d. h., in einem Pixelbereich, befindet. Ein Bereich eines Pixels kann zum Beispiel einen Bereich eines ersten Teilpixels 801, einen Bereich eines zweiten Teilpixels 802 und einen Bereich eines dritten Teilpixels 803 umfassen. In einem erläuternden Beispiel kann das erste Teilpixel 801 in einem Bereich hergestellt werden, der einen Lichtsensor aufweist, der so konfiguriert, dass er grünes Licht detektiert; das zweite Teilpixel 802 kann in einem Bereich hergestellt werden, der einen Lichtsensor aufweist, der so konfiguriert, dass er rotes Licht detektiert; und das dritte Teilpixel 803 kann in einem Bereich hergestellt werden, der einen Lichtsensor aufweist, der so konfiguriert, dass er blaues Licht detektiert. Jedes Teilpixel 800 kann ein Volumen haben, das einen strukturierten säulenförmigen Teil des Halbleitersubstrats 510 enthält, der seitlich von einer zusammenhängenden Gruppe von tiefen Gräben 719 umschlossen sein kann. Ein Pixelbereich eines Pixels umfasst alle Teilpixelbereiche für die Gruppe von Teilpixeln 800, die in dem Pixel enthalten sind.
  • In 6 kann die Hartmaskenschicht 712 selektiv für das Halbleitersubstrat 510, die dielektrische Padschicht 711 und die STI-Strukturen 620 entfernt werden. In einem erläuternden Beispiel kann, wenn die Hartmaskenschicht 712 Siliziumnitrid aufweist, ein Nassätzprozess unter Verwendung von heißer Phosphorsäure durchgeführt werden, um die Hartmaskenschicht 712 zu entfernen. Anschließend kann die dielektrische Padschicht 711 selektiv für das Halbleitersubstrat 510 entfernt werden.
  • In 7 kann ein dielektrischer Metalloxidbelag 721 konform über den physikalisch freigelegten Oberflächen des Halbleitersubstrats 510 abgeschieden werden. Der dielektrische Metalloxidbelag 721 kann auf Seitenwänden der tiefen Gräben 719, auf der Rückseite 709 des Halbleitersubstrats 510 und auf Oberflächen der STI-Strukturen 620 hergestellt werden, wenn die STI-Strukturen 620 zu den tiefen Gräben 719 physikalisch freigelegt werden. Der dielektrische Metalloxidbelag 721 weist ein dielektrisches Metalloxidmaterial mit einer Dielektrizitätskonstante von mehr als 7,9 (d. h., ein dielektrisches High-k-Material) auf. Es können auch andere geeignete dielektrische High-k-Materialien verwendet werden. Zum Beispiel können dielektrische High-k-Materialien eine Dielektrizitätskonstante von 7,9 bis 100 haben. Beispielhafte dielektrische Metalloxidmaterialien, die für den dielektrischen Metalloxidbelag 721 verwendet werden können, sind Hafniumoxid, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Yttriumoxid, Tantaloxid, Strontiumoxid, Titanoxid, Lanthanoxid, Bariumoxid oder Kombinationen davon. Andere geeignete Materialien liegen ebenfalls innerhalb des beabsichtigten Schutzumfangs der Erfindung. Der dielektrische Metalloxidbelag 721 kann durch chemische Aufdampfung (CVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) abgeschieden werden. Die Dicke des dielektrischen Metalloxidbelags 721 kann 2 nm bis 6 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • Der dielektrische Metalloxidbelag 721 kann so hergestellt werden, dass er negative Ladungen einfangen kann. Der dielektrische Metalloxidbelag 721 kann zum Beispiel mit einer nicht-stöchiometrischen sauerstoffreichen Zusammensetzung abgeschieden werden, oder er kann zum Beispiel mit Plasma oberflächenbehandelt werden, sodass er eine nichtstöchiometrische sauerstoffreiche Oberflächenverdichtung hat. In diesem Fall kann der dielektrische Metalloxidbelag 721 ein sauerstoffreiches dielektrisches Metalloxidmaterial mit negativ geladenen Zwischengitter-Sauerstoffatomen und/oder freien oder gelösten Metalloxid-Bindungen aufweisen, wodurch negative Ladungen in dem dielektrischen Metalloxidbelag 721 gespeichert werden. In einem erläuternden Beispiel kann eine Flächendichte der gespeicherten negativen Ladungen in dem dielektrischen Metalloxidbelag 721 5,0 × 109 Elektronen/cm2 bis 1,0 × 1014 Elektronen/cm2, z. B. 1,0 × 1010 Elektronen/cm2 bis 2,0 × 1013 Elektronen/cm2, betragen. Das dielektrische Metalloxidmaterial, das in dem Metalloxidbelag 721 verwendet wird, kann mehr negative Ladungen als andere dielektrische Materialien, wie etwa Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, speichern. Die negative Ladung in dem dielektrischen Metalloxidbelag 721 erhöht die Anreicherung von Löchern in Grenzflächenteilen der Erster-Leitfähigkeitstyp-Wannen 607 und der Substrat-Halbleiterschicht 601 des Halbleitersubstrats 510. In Teilen der Erster-Leitfähigkeitstyp-Wannen 607 und der Substrat-Halbleiterschicht 601 des Halbleitersubstrats 510, die sich in der Nähe des dielektrischen Metalloxidbelags 721 befinden, kann ein Verarmungsbereich entstehen. Der Verarmungsbereich reduziert einen Dunkelstrom und/oder weiße Pixel für den Bildsensor.
  • Eine dielektrische Isolationsschicht 722 kann durch konformes Abscheiden eines dielektrischen Materials in übrigen Volumina der tiefen Gräben 719 hergestellt werden. Die dielektrische Isolationsschicht 722 weist ein dielektrisches Material auf, wie etwa undotiertes Silicatglas, ein dotiertes Silicatglas (wie etwa Borsilicatglas) oder eine Kombination davon. Eine Kombination aus dem dielektrischen Metalloxidbelag 721 und der dielektrischen Isolationsschicht 722 kann die tiefen Gräben 719 (mit oder ohne Nähte und/oder verkapselte Hohlräume) füllen.
  • In 8 können horizontale Teile der dielektrischen Isolationsschicht 722 und des dielektrischen Metalloxidbelags 721 mit einem Planarisierungsprozess von der Oberseite der Rückseite 709 des Halbleitersubstrats 510 entfernt werden. Zum Entfernen der horizontalen Teile der dielektrischen Isolationsschicht 722 und des dielektrischen Metalloxidbelags 721 können eine Aussparungsätzung und/oder eine chemisch-mechanische Polierung verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann der dielektrische Metalloxidbelag 721 als eine Ätzstoppschicht während einer Aussparungsätzung, bei der die horizontalen Teile der dielektrischen Isolationsschicht 722 entfernt werden, oder als eine Stoppschicht während einer chemisch-mechanische Polierung, bei der die horizontalen Teile der dielektrischen Isolationsschicht 722 entfernt werden, verwendet werden. Die horizontalen Teile des dielektrischen Metalloxidbelags 721, die sich über der Rückseite 709 des Halbleitersubstrats 510 befinden, können anschließend durch Durchführen eines isotropen Ätzprozesses (wie etwa eines Nassätzprozesses) entfernt werden, in dem das Material des dielektrischen Metalloxidbelags 721 selektiv für das Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 510 geätzt wird. Verbliebene vertikal verlaufende Teile des dielektrischen Metalloxidbelags 721 und der dielektrischen Isolationsschicht 722 füllen die tiefen Gräben 719 und werden hier als STI-Strukturen 720 bezeichnet.
  • In 9 können eine optionale ARC-Schicht 732 (ARC: Antireflexbelag), eine optische Brechungsschicht 734, eine dielektrische Gitter-Materialschicht 742L und eine metallische Reflexionsmaterialschicht 744L nacheinander über der Rückseite 709 des Halbleitersubstrats 510 abgeschieden werden.
  • Die optionale ARC-Schicht 732 kann ein Antireflexbelag-Material aufweisen, das die Reflexion zwischen dem Halbleitermaterial des Halbleitersubstrats 510 und der darüber befindlichen Materialschicht, d. h., der optischen Brechungsschicht 734, reduziert. Die optionale ARC-Schicht 732, falls vorhanden, kann eine Brechzahl haben, die zwischen der Brechzahl des Halbleitermaterials des Halbleitersubstrats 510 und der Brechzahl der optischen Brechungsschicht 734 liegt. Die optionale ARC-Schicht 732 kann nur eine Materialschicht oder einen Schichtstapel aus mehreren Schichten mit sich schrittweise ändernden Brechzahlen umfassen. Die optionale ARC-Schicht 732 weist ein optisch durchlässiges Material auf und kann ein Halbleitermaterial, ein Isoliermaterial, ein leitfähiges Material und/oder ein Polymermaterial aufweisen. Die ARC-Schicht 732 kann eine Dicke von 50 nm bis 300 nm haben, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • Die optische Brechungsschicht 734 kann ein Halbleitermaterial (wie etwa Silizium, Germanium, eine Silizium-Germanium-Legierung oder ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial) oder ein dielektrisches Material (wie etwa Siliziumoxid, Siliziumoxidnitrid, Siliziumnitrid oder ein dielektrisches Metalloxid wie z. B. Aluminiumoxid) aufweisen. Die optische Brechungsschicht 734 kann ein Material aufweisen, das der Erzeugung von Gräben mit einem hohen Seitenverhältnis während eines späteren anisotropen Ätzprozesses dienlich ist. Die optische Brechungsschicht 734 kann als eine nicht-strukturierte (Schutz-)Materialschicht mit zwei horizontalen planaren Oberflächen hergestellt werden, die parallel zu der Rückseite 709 des Halbleitersubstrats 510 sind. Die distale Oberfläche der optischen Brechungsschicht 734 kann eine der zwei horizontalen planaren Oberflächen der optischen Brechungsschicht 734, die von dem Halbleitersubstrat 510 weiter entfernt ist, d. h., eine Oberseite der optischen Brechungsschicht 734, sein.
  • Die dielektrische Gitter-Materialschicht 742L kann ein dielektrisches Material, wie etwa Siliziumoxid, ein poröses dielektrisches Material, ein Polyimid oder ein anderes geeignetes dielektrisches Material aufweisen. Die Dicke der dielektrischen Gitter-Materialschicht 742L kann 50 nm bis 500 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden. Die metallische Reflexionsmaterialschicht 744L kann ein metallisches Material aufweisen, das einen hohen Reflexionsgrad bietet. Die metallische Reflexionsmaterialschicht 744L kann zum Beispiel Silber, Aluminium, Kupfer, Gold oder ein anderes hochreflektierendes metallisches Material aufweisen. Die Dicke der metallischen Reflexionsmaterialschicht 744L kann 50 nm bis 500 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • Über der metallischen Reflexionsmaterialschicht 744L kann eine Fotoresistschicht 747 aufgebracht werden, die lithografisch strukturiert werden kann, um Öffnungen in Bereichen der gepinnten Zweiter-Leitfähigkeitstyp-Fotodiodenschichten 602 zu erzeugen, d. h., in den Bereichen der Lichtsensoren, die einen jeweiligen pn-Übergang zwischen den gepinnten Zweiter-Leitfähigkeitstyp-Fotodiodenschichten 602 und den Erster-Leitfähigkeitstyp-Wannen 607 aufweisen. Die Bereiche der Transistoren der Sensorschaltung (wie etwa der Rücksetztransistoren 640, der Sourcefolgertransistoren 650 und der Auswahltransistoren 660) können von der Fotoresistschicht 747 bedeckt sein oder auch nicht.
  • In den 10A und 10B können Teile der dielektrischen Gitter-Materialschicht 742L und der metallischen Reflexionsmaterialschicht 744L, die nicht von den strukturierten Teilen der Fotoresistschicht 747 maskiert sind, geätzt werden, um Öffnungen darin zu erzeugen. Verbliebene Teile der dielektrischen Gitter-Materialschicht 742L bilden eine dielektrische Gitterstruktur 742, und verbliebene Teile der metallischen Reflexionsmaterialschicht 744L bilden eine metallische Gitterstruktur 744. Der Stapel aus der dielektrischen Gitterstruktur 742 und der metallischen Gitterstruktur 744 bildet eine Gitterstruktur 740, die auch als eine Verbund-Gitterstruktur bezeichnet wird.
  • Die Gitterstruktur 740 kann sich über Peripherien der gepinnten Zweiter-Leitfähigkeitstyp-Fotodiodenschichten 602 befinden und kann einen Lichtkollektionsbereich für jeden Lichtsensor definieren, der in einem jeweiligen Teilpixel 800 angeordnet ist. Ein Pixel 900 kann eine Gruppe von Teilpixeln umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen detektieren. Jedes Pixel 900 kann sich in einem jeweiligen Pixelbereich befinden, der eine Gruppe von Teilpixeln 800 aufweist. Zum Beispiel kann jedes Pixel 900 mindestens eine Instanz eines ersten Teilpixels 801, mindestens eine Instanz eines zweiten Teilpixels 802 und mindestens eine Instanz eines dritten Teilpixels 803 umfassen. In dem dargestellten Beispiel kann ein Pixel Folgendes umfassen: ein erstes Teilpixel 801 (wie etwa ein grünes Teilpixel), das sich in einem ersten Teilpixelbereich befindet; zwei zweite Teilpixel 802 (wie etwa zwei rote Teilpixel), die sich in zwei zweiten Teilpixelbereichen befinden; und ein drittes Teilpixel 803 (wie etwa ein blaues Teilpixel), das sich in einem dritten Teilpixelbereich befindet. In der Regel kann ein Pixel 900 verschiedene Kombinationen aus mindestens zwei Arten von Teilpixeln 800 umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie Licht mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen detektieren. Alternativ kann ein Bildsensor ein monochromatischer Bildsensor mit nur einer Art von Teilpixeln 800 sein. In diesem Fall kann jedes Pixel 900 nur ein Teilpixel 800 umfassen.
  • Im Allgemeinen umfasst die Gitterstruktur 740 zumindest eine metallische Gitterstruktur 744, die reflektierende Seitenwände hat. Die Gitterstruktur 740 kann eine Verbund-Gitterstruktur mit einem vertikalen Stapel aus einer metallischen Gitterstruktur 744 mit reflektierenden Seitenwänden und einer dielektrischen Gitterstruktur 742 sein. Die Gitterstruktur 740 kann über der distalen Oberfläche der optischen Brechungsschicht 734 hergestellt werden. Die Gitterstruktur 740 weist Öffnungen auf, die sich über einem jeweiligen von Lichtsensoren 630 befinden. Die Teile der distalen Oberfläche der optischen Brechungsschicht 734, die von Unterseiten der Gitterstruktur kontaktiert werden, sind planare distale Oberflächenteile der distalen Oberfläche der optischen Brechungsschicht 734. Die Teile der distalen Oberfläche der optischen Brechungsschicht 734, die die Gitterstruktur 740 nicht kontaktieren, können während des anisotropen Ätzprozesses zum Strukturieren der Gitterstruktur zusätzlich in Bezug zu der horizontalen Ebene, die die Unterseite der Gitterstruktur umfasst, vertikal ausgespart werden.
  • Die Gitterstruktur 740 kann jedes Teilpixel 800 in einen Detektorbereich und einen Sensorschaltungsbereich unterteilen. Zum Beispiel kann ein erstes Teilpixel 801 einen ersten Detektorbereich 801D, der sich über der gepinnten Zweiter-Leitfähigkeitstyp-Fotodiodenschicht 602 des ersten Teilpixels 801 befindet, und einen ersten Sensorschaltungsbereich 801S aufweisen, der sich über der Sensorschaltung (640, 650, 660) des ersten Teilpixels 801 befindet. Ein zweites Teilpixel 802 kann einen zweiten Detektorbereich 802D, der sich über der gepinnten Zweiter-Leitfähigkeitstyp-Fotodiodenschicht 602 des zweiten Teilpixels 802 befindet, und einen zweiten Sensorschaltungsbereich 802S aufweisen, der sich über der Sensorschaltung (640, 650, 660) des zweiten Teilpixels 802 befindet. Ein drittes Teilpixel 803 kann einen dritten Detektorbereich 803D, der sich über der gepinnten Zweiter-Leitfähigkeitstyp-Fotodiodenschicht 602 des dritten Teilpixels 803 befindet, und einen dritten Sensorschaltungsbereich 803S aufweisen, der sich über der Sensorschaltung (640, 650, 660) des dritten Teilpixels 803 befindet. In der Regel kann die Gruppe aller Teilpixel 800 in einem Pixel 900 in jeder Struktur angeordnet werden, die einer periodische Wiederholung der Pixel 900 in der Matrix 1000 der Pixel 900 dienlich ist.
  • In den 11A bis 11C kann eine Maskierungsmaterialschicht 750L über der Gitterstruktur 740 und der optischen Brechungsschicht 734 abgeschieden werden. Die Maskierungsmaterialschicht 750L kann ein Material aufweisen, das mit lokalen Ätzraten-Änderungen in einem späteren anisotropen Ätzprozess geätzt werden kann. Die Maskierungsmaterialschicht 750L kann zum Beispiel ein Material aufweisen, das mit signifikanten Dickenänderungen während eines Abscheidungsprozesses abgeschieden werden kann, wie etwa eines physikalischen Aufdampfprozesses, in dem ein Material mit Teilchengrößen-Änderungen abgeschieden wird. Zusätzlich oder alternativ kann die Maskierungsmaterialschicht 750L ein Material aufweisen, das eine höhere Ätzrate an Korngrenzen ermöglicht. Zusätzlich oder alternativ kann das Maskierungsmaterial ein Material sein, das Lochfraß-Eigenschaften in dem Material während eines späteren anisotropen Ätzprozesses zeigt. Zusätzlich oder alternativ kann das Maskierungsmaterial ein Material sein, das eine signifikante Ätzraten-Abhängigkeit von lokalen Plasma-Bedingungen während eines späteren anisotropen Ätzprozesses zeigt. Im Allgemeinen weist die Maskierungsmaterialschicht 750L ein Material mit einer instabilen Ätzrate während eines späteren Ätzprozesses auf, sodass signifikante lokale Dickenänderungen während eines späteren anisotropen Ätzprozesses entstehen.
  • Die Maskierungsmaterialschicht 750L kann ein metallisches Material, ein Halbleitermaterial oder ein dielektrisches Material aufweisen. Wenn ein metallisches Material für die Maskierungsmaterialschicht 750L verwendet wird, kann sie ein leitfähiges metallisches Deckmaterial, wie etwa TiN, TaN oder WN, oder ein metallisches Material, wie etwa Ti, Ta oder W, oder einen Stapel aus mindestens zwei metallischen Materialien aufweisen. Andere geeignete Materialien liegen ebenfalls innerhalb des beabsichtigten Schutzumfangs der Erfindung. In einem erläuternden Beispiel kann die Maskierungsmaterialschicht 750L einen Stapel aus einer Titannidridschicht und einer Titanschicht aufweisen. Die Dicke des horizontalen Teils der Maskierungsmaterialschicht 750L kann 20 nm bis 100 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • Über der Maskierungsmaterialschicht 750L kann eine Fotoresistschicht 757 aufgebracht und lithografisch strukturiert werden, um Öffnungen in den Detektorbereichen (801D, 802D, 803D) und in den Maskierungsbereichen der Sensorschaltungsbereiche (801S, 802S, 803S) zu erzeugen. Die strukturierten Teile der Fotoresistschicht 757 befinden sich während eines späteren anisotropen Ätzprozesses über tieferliegenden Teilen der Maskierungsmaterialschicht 750L und schützen diese. Bei einer Ausführungsform können sich Ränder der strukturierten Teile der Fotoresistschicht 757 über den Bereichen der Gitterstruktur 740 befinden.
  • In den 12A bis 12C kann die Maskierungsmaterialschicht 750L durch Durchführen eines anisotropen Ätzprozesses, wie etwa eines reaktiven Ionenätzprozesses, anisotrop geätzt werden. Die Chemikalien für den anisotropen Ätzprozess können so gewählt werden, dass er zufällige Änderungen der Ätzrate quer über die Maskierungsmaterialschicht 750L bewirkt. Die Ursachen für die zufälligen Änderungen der Ätzrate können unter anderem die Kornstruktur in der Maskierungsmaterialschicht 750L, lokale Änderungen der Materialzusammensetzung, eine hohe Empfindlichkeit der Ätzrate für lokale Plasma-Bedingungen, Lochfraß-Tendenz während des Ätzprozesses, Empfindlichkeit des Plasmas für eine lokale Ladungsspeicherung oder Kombinationen davon sein. Unterschiedliche Bereiche der optischen Brechungsschicht 734 können zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des anisotropen Ätzprozesses auf Grund der Ätzraten-Änderungen quer über die Maskierungsmaterialschicht 750L physikalisch freigelegt werden.
  • Die Chemikalien für den anisotropen Ätzprozess können so gewählt werden, dass zusätzlich das Material der optischen Brechungsschicht 734 geätzt wird und dass nicht-planare distale Oberflächenteile 734N mit zufälligen Vorsprüngen 734R auf physikalisch freigelegten Teilen der optischen Brechungsschicht 734 entstehen. Im Allgemeinen können die nicht-planaren distalen Oberflächenteile 734N dadurch auf der optischen Brechungsschicht 734 hergestellt werden, dass die Maskierungsmaterialschicht 750L anisotrop geätzt wird und zusätzlich obere Teile der optischen Brechungsschicht 734 in einem letzten Schritt des anisotropen Ätzprozesses geätzt werden.
  • Obwohl ein Einsatz in 12A eine Art von vertikalem Querschnittsprofil für die zufälligen Vorsprünge 734R in den nicht-planaren distalen Oberflächenteilen 734N der optischen Brechungsschicht 734 zeigt, werden hier ausdrücklich Ausführungsformen in Betracht gezogen, bei denen die zufälligen Vorsprünge 734R unterschiedliche vertikale Querschnittsprofile haben. In der Regel können Änderungen des vertikalen Querschnittsprofils der zufälligen Vorsprünge 734R durch Auswählen des Materials in der Maskierungsmaterialschicht 750L und der Ätzchemikalien erzielt werden, die zum Ätzen der Maskierungsmaterialschicht 750L und der optischen Brechungsschicht 734 verwendet werden.
  • Bei einer Ausführungsform können Gräben, die unterschiedliche Tiefen haben, in der optischen Brechungsschicht 734 durch Ätzen von physikalisch freigelegten Teilen der optischen Brechungsschicht 734 mit einer höheren Ätzrate als der des Materials der Maskierungsmaterialschicht 750L erzeugt werden. Mit anderen Worten, Materialteile der optischen Maskierungsmaterialschicht 750L, die vor der Beendigung des anisotropen Ätzprozesses physikalisch freigelegt werden, können während des anisotropen Ätzprozesses mit einer höheren Ätzrate als das Material der Maskierungsmaterialschicht 750L geätzt werden.
  • Bei einer Ausführungsform können die zufälligen Vorsprünge 734R eine mittlere Querabmessung von 10 nm bis 200 nm haben. Eine mittlere Querabmessung bezieht sich auf einen Durchmesser eines äquivalenten Kreises, der die gleiche Fläche wie der zufällige Vorsprung 734R hat. Bei einer Ausführungsform haben die zufälligen Vorsprünge 734R eine mittlere vertikale Abmessung von 10 nm bis 100 nm. Eine mittlere vertikale Abmessung bezieht sich auf eine Höhe einer zylindrischen Form, die die gleiche Querschnittsform und das gleiche Volumen wie der zufällige Vorsprung 734R hat.
  • In der Regel kann die optische Brechungsschicht 734 auf der Rückseite 709 des Halbleitersubstrats 510 angeordnet werden. Die optische Brechungsschicht 734 hat eine erste Brechzahl und weist planare distale Oberflächenteile und nicht-planare distale Oberflächenteile 734N mit zufälligen Vorsprüngen 734R auf. Die planaren distalen Oberflächenteile sind Oberflächenteile, die die Unterseite der Gitterstruktur 740 kontaktieren, und sie können die gleichen Bereiche wie die Unterseite der Gitterstruktur 740 haben. Bei einer Ausführungsform können die nicht-planaren distalen Oberflächenteile 734N jeweils eine Flächenüberdeckung mit einem jeweiligen der Lichtsensoren 630 in einer Draufsicht haben, d. h., in einer Darstellung entlang einer Richtung, die senkrecht zu der Rückseite 709 des Halbleitersubstrats 510 ist.
  • Ungeätzte Teile der Maskierungsmaterialschicht 750L können nach dem anisotropen Ätzprozess eine Anordnung von Maskierungsstrukturen 750 bilden. Bei einer Ausführungsform kann sich die Anordnung von Maskierungsstrukturen 750 außerhalb von Bereichen der nicht-planaren distalen Oberflächenteile 734N der optischen Brechungsschicht 734 befinden. Die Anordnung von Maskierungsstrukturen 750 kann Seitenwände haben, die sich über einem jeweiligen Teil einer Oberseite der Gitterstruktur 740 befinden und diesen kontaktieren. Bei einer Ausführungsform kann sich jede Maskierungsstruktur 750 in der Anordnung von Maskierungsstrukturen 750 über einer jeweiligen der Sensorschaltungen (640, 650, 660) befinden und kann in einer Draufsicht eine Flächenüberdeckung mit dieser haben. Bei einer Ausführungsform können sich Ränder der Maskierungsstrukturen 750 auf der Oberseite der Gitterstruktur 740 befinden. Bei einer Ausführungsform kontaktieren die Maskierungsstrukturen 750 erste Seitenwände der Gitterstruktur 740, die zu einer jeweiligen der Öffnungen in der Gitterstruktur 740 zeigen, nicht oder sie sind nicht über diesen angeordnet, sondern sie kontaktieren zweite Seitenwände der Gitterstruktur 740, die von einer proximalsten der Öffnungen in der Gitterstruktur 740 weg zeigen. Jeder Bereich, der von einer angrenzenden Gruppe von zweiten Seitenwänden der Gitterstruktur 740 umschlossen ist, kann sich in einem jeweiligen der Sensorschaltungsbereiche (801S, 802S, 803S) befinden.
  • 12D zeigt eine Rasterelektronenmikroskop(REM)-Aufnahme einer Oberseite einer optischen Brechungsschicht 734 eines Prüfkörpers nach dem Herstellen von zufälligen Vorsprüngen 734R. Die zufälligen Vorsprünge 734R in der optischen Brechungsschicht 734 können zufällige Formen und eine zufällige Größenverteilung und/oder einen zufälligen Abstand zwischen benachbarten Paaren von zufälligen Vorsprüngen 734R haben.
  • In den 13A bis 13C sind die beispielhaften Strukturen nach dem Entfernen der strukturierten Fotoresistschicht 757 dargestellt. Das Entfernen der strukturierten Fotoresistschicht 757 kann zum Beispiel durch Ablösen erfolgen.
  • In 14 kann eine optisch durchlässige Schicht 770 mit einer planaren Oberseite über der Gitterstruktur 740 hergestellt werden. Die optisch durchlässige Schicht 770 kann durch Abscheiden eines selbst-planarisierenden dielektrischen Materials, wie etwa eines fließfähigen Oxids (FOX), hergestellt werden. Alternativ kann ein optisch durchlässiges dielektrisches Material abgeschieden werden und zum Beispiel durch chemisch-mechanische Planarisierung planarisiert werden, um die optisch durchlässige Schicht 770 herzustellen.
  • Die optisch durchlässige Schicht 770 erstreckt sich vertikal durch die Öffnungen in der Gitterstruktur 740 und hat eine zweite Brechzahl, die von der ersten Brechzahl verschieden ist. Die optisch durchlässige Schicht 770 kann auf den nicht-planaren distalen Oberflächenteilen 734N der optischen Brechungsschicht 734 hergestellt werden. Somit ermöglicht die nicht-planare Grenzfläche zwischen der optisch durchlässigen Schicht 770 und den nicht-planaren distalen Oberflächenteilen 734N der optischen Brechungsschicht 734 eine zufällige Brechung von Photonen, die auf den darunter befindlichen Lichtsensor 630 auftreffen, und sie kann die Quantenausbeute der Lichtsensoren 630 in dem Bildsensor erhöhen.
  • Über der optisch durchlässigen Schicht 770 können verschiedene Farbfiltermaterialien aufgebracht werden, die so strukturiert werden können, dass verschiedene Farbfilter 780 entstehen. Die Farbfilter 780 können Folgendes umfassen: Farbfilter 781 eines ersten Typs, die in den Bereichen der ersten Teilpixel 801 hergestellt werden; Farbfilter 782 eines zweiten Typs, die in den Bereichen der zweiten Teilpixel 802 hergestellt werden; und Farbfilter 783 eines dritten Typs, die in den Bereichen der dritten Teilpixel 803 hergestellt werden. Die Zusammensetzung jedes Farbfiltermaterials kann so gewählt werden, dass Licht in einem Soll-Wellenlängenbereich durch das Farbfiltermaterial hindurchgeht, während Licht außerhalb des Soll-Wellenlängenbereichs von dem Farbfiltermaterial absorbiert wird.
  • Über den Farbfiltern 780 können optische Linsen 790 durch Aufbringen eines optisch durchlässigen Materials über den Farbfiltern 780 und durch Strukturieren des optisch durchlässigen Materials zu Materialteilen mit konvexen Oberflächen hergestellt werden, die auf einer jeweiligen der darunter befindlichen Öffnungen in der Gitterstruktur 740 zentriert sind.
  • In den 15A und 15B können das Trägersubstrat 690 und die Bond-Pufferschicht 689 (falls vorhanden) von den dielektrischen Verbindungsebene-Schichten 670 abgelöst werden. Das Halbleitersubstrat 510 und die darauf befindlichen Bauelementstrukturen können vor oder nach dem Ablösen des Trägersubstrats 690 von dem Halbleitersubstrat 510 in diskrete Bildsensoren vereinzelt werden.
  • Im Allgemeinen kann eine Matrix 1000 von Pixeln auf dem Halbleitersubstrat 510 hergestellt werden. Jedes Pixel in der Matrix 1000 von Pixeln weist mindestens ein Teilpixel auf, und jedes Teilpixel weist einen jeweiligen Lichtsensor 630 und eine jeweilige Sensorschaltung (640, 650, 660) auf, die auf einer Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 510 angeordnet sind. Die optisch durchlässige Schicht 770 kann über der Anordnung von Maskierungsstrukturen 750 angeordnet sein.
  • In 16 wird ein übliches Verfahren zum Herstellen eines Bildsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. In einem Schritt 1610 können Lichtsensoren 630 auf einer Vorderseite eines Halbleitersubstrats 500 hergestellt werden. In einem Schritt 1620 kann eine optische Brechungsschicht 734 mit einer ersten Brechzahl auf einer Rückseite des Halbleitersubstrats 510 hergestellt werden, das nach der Herstellung der Lichtsensoren 630 und vor der Herstellung der optischen Brechungsschicht 734 gedünnt werden kann. In einem Schritt 1630 kann eine Gitterstruktur 740 über einer distalen Oberfläche der optischen Brechungsschicht 734 hergestellt werden, die eine planare horizontale Oberfläche (d. h., Oberseite) sein kann, die von dem Halbleitersubstrat 510 entfernt ist. Die Gitterstruktur 740 weist Öffnungen auf, die sich über einem jeweiligen der Lichtsensoren 630 befinden. In einem Schritt 1640 kann eine Maskierungsmaterialschicht 750L über der Gitterstruktur 740 und der optischen Brechungsschicht 734 hergestellt werden. In einem Schritt 1650 kann die Maskierungsmaterialschicht 750L mit einem anisotropen Ätzprozess anisotrop geätzt werden, in dem zusätzlich das Material der optischen Brechungsschicht 734 geätzt wird und nicht-planare distale Oberflächenteile 734N hergestellt werden, die zufällige Vorsprünge 734R auf physikalisch freigelegten Teilen der optischen Brechungsschicht 734 aufweisen. In einem Schritt 1660 kann eine optisch durchlässige Schicht 770 mit einer zweiten Brechzahl, die von der ersten Brechzahl verschieden ist, auf den nicht-planaren distalen Oberflächenteilen 734N der optischen Brechungsschicht 734 hergestellt werden.
  • In allen Zeichnungen und gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden eine optische Struktur und ein Verfahren zum Herstellen der optischen Struktur bereitgestellt, die eine optische Brechungsschicht eines Bildsensors zum Verlängern eines Photonenpfads von Licht bereitstellt, das auf den Bildsensor auftrifft. Durch die Verlängerung des Photonenpfads kann die Lichtabsorption erhöht werden, um die Quantenausbeute des Bildsensors zu verbessern.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine optische Struktur bereitgestellt, die vorderseitige Sensoren 600 (die einen Transfertransistor 630 umfassen können) aufweist und mit einer Sensorschaltung verbunden werden kann, die weitere Transistoren (640, 650, 660) umfasst, die auf einer Vorderseite eines Halbleitersubstrats 510 angeordnet sind. Die optische Struktur weist weiterhin Folgendes auf: eine optische Brechungsschicht 734, die auf einer Rückseite des Halbleitersubstrats 510 angeordnet ist, eine erste Brechzahl hat und planare distale Oberflächenteile und nicht-planare distale Oberflächenteile 734N mit zufälligen Vorsprüngen 734R aufweist; eine Gitterstruktur 740, die auf den planaren distalen Oberflächenteilen angeordnet ist und Öffnungen aufweist, die sich über den nicht-planaren distalen Oberflächenteilen 734N befinden; und eine optisch durchlässige Schicht 770, die sich vertikal durch die Öffnungen in der Gitterstruktur 740 erstreckt, die nicht-planaren distalen Oberflächenteile 734N kontaktiert und eine zweite Brechzahl hat, die von der ersten Brechzahl verschieden ist, wodurch eine Brechungsgrenzfläche mit den nicht-planaren distalen Oberflächenteilen 734N bereitgestellt wird, die einfallendes Licht in zufälligen Richtungen bricht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Bildsensor bereitgestellt der Folgendes aufweist: eine Matrix 1000 von Pixeln 900, die auf einem Halbleitersubstrat 510 angeordnet sind, wobei jedes Pixel 900 in der Matrix 1000 von Pixeln 900 mindestens ein Teilpixel 800 aufweist und jedes Teilpixel 800 einen jeweiligen vorderseitigen Sensor 600 (der einen Transfertransistor 630 umfassen kann) aufweist und mit einer Sensorschaltung verbunden sein kann, die weitere Transistoren (640, 650, 660) umfasst, die auf einer Vorderseite 609 des Halbleitersubstrats 510 angeordnet sind; eine optische Brechungsschicht 734, die auf einer Rückseite des Halbleitersubstrats 510 angeordnet ist, eine erste Brechzahl hat und planare distale Oberflächenteile und nicht-planare distale Oberflächenteile 734N mit zufälligen Vorsprüngen 734R aufweist, wobei jeder der nicht-planaren distalen Oberflächenteile 734N in einer Draufsicht eine Flächenüberdeckung mit einem jeweiligen der Lichtsensoren 630 hat; eine Gitterstruktur 740, die auf den planaren distalen Oberflächenteilen angeordnet ist und Öffnungen aufweist, die sich über den nicht-planaren distalen Oberflächenteilen 734N befinden; und eine optisch durchlässige Schicht 770, die sich vertikal durch die Öffnungen in der Gitterstruktur 740 erstreckt und eine zweite Brechzahl hat, die von der ersten Brechzahl verschieden ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Struktur einen Schritt zum Herstellen von Lichtsensoren 630 auf einer Vorderseite eines Halbleitersubstrats 510 auf. Das Verfahren umfasst weiterhin einen Schritt zum Herstellen einer optischen Brechungsschicht 734 mit einer ersten Brechzahl auf einer Rückseite des Halbleitersubstrats. Das Verfahren umfasst weiterhin einen Schritt zum Herstellen einer Gitterstruktur 740 mit Öffnungen, die über einem jeweiligen der Lichtsensoren über einer distalen Oberfläche der optischen Brechungsschicht 734 angeordnet sind. Das Verfahren umfasst weiterhin einen Schritt zum Herstellen einer Maskierungsmaterialschicht 750L über der Gitterstruktur 740 und der optischen Brechungsschicht 734. Das Verfahren umfasst weiterhin einen Schritt zum anisotropen Ätzen der Maskierungsmaterialschicht 750L mit einem anisotropen Ätzprozess, in dem zusätzlich ein Material der optischen Brechungsschicht 734 geätzt wird und nicht-planare distale Oberflächenteile hergestellt werden, die zufällige Vorsprünge auf physikalisch freigelegten Teilen der optischen Brechungsschicht 734 aufweisen; und einen Schritt zum Herstellen einer optisch durchlässigen Schicht 770 mit einer zweiten Brechzahl, die von der ersten Brechzahl verschieden ist, auf den nicht-planaren distalen Oberflächenteilen der optischen Brechungsschicht 734.
  • 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. Optische Struktur mit: Lichtsensoren, die auf einer Vorderseite eines Halbleitersubstrats angeordnet sind; einer optischen Brechungsschicht, die auf einer Rückseite des Halbleitersubstrats angeordnet ist, eine erste Brechzahl hat und planare distale Oberflächenteile und nicht-planare distale Oberflächenteile mit zufälligen Vorsprüngen aufweist; einer Gitterstruktur, die auf den planaren distalen Oberflächenteilen angeordnet ist und Öffnungen aufweist, die über den nicht-planaren distalen Oberflächenteilen angeordnet sind; und einer optisch durchlässigen Schicht, die sich vertikal durch die Öffnungen in der Gitterstruktur erstreckt, die nicht-planaren distalen Oberflächenteile kontaktiert und eine zweite Brechzahl hat, die von der ersten Brechzahl verschieden ist, wodurch eine Brechungsgrenzfläche mit den nicht-planaren distalen Oberflächenteilen bereitgestellt wird, die einfallendes Licht in zufälligen Richtungen bricht.
  2. Optische Struktur nach Anspruch 1, wobei die zufälligen Vorsprünge eine mittlere Querabmessung von 10 nm bis 200 nm haben.
  3. Optische Struktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zufälligen Vorsprünge eine mittlere vertikale Abmessung von 10 nm bis 100 nm haben.
  4. Optische Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Brechungsschicht ein Halbleitermaterial oder ein dielektrisches Material aufweist.
  5. Optische Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gitterstruktur zumindest eine metallische Gitterstruktur mit reflektierenden Seitenwänden umfasst.
  6. Optische Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin eine Anordnung von Maskierungsstrukturen aufweist, die außerhalb von Bereichen der nicht-planaren distalen Oberflächenteile der optischen Brechungsschicht angeordnet sind und Seitenwände haben, die über einem jeweiligen Teil einer Oberseite der Gitterstruktur angeordnet sind und diesen kontaktieren, wobei die optisch durchlässige Schicht über der Anordnung von Maskierungsstrukturen angeordnet ist.
  7. Bildsensor mit: einer Matrix von Pixeln, die auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sind, wobei jedes Pixel in der Matrix von Pixeln mindestens ein Teilpixel aufweist und jedes Teilpixel einen jeweiligen Lichtsensor und eine jeweilige Sensorschaltung aufweist, die auf einer Vorderseite des Halbleitersubstrats angeordnet sind; einer optischen Brechungsschicht, die auf einer Rückseite des Halbleitersubstrats angeordnet ist, eine erste Brechzahl hat und planare distale Oberflächenteile und nicht-planare distale Oberflächenteile mit zufälligen Vorsprüngen aufweist, wobei jeder der nicht-planaren distalen Oberflächenteile in einer Draufsicht eine Flächenüberdeckung mit einem der Lichtsensoren hat; einer Gitterstruktur, die auf den planaren distalen Oberflächenteilen angeordnet ist und Öffnungen aufweist, die sich über den nicht-planaren distalen Oberflächenteilen befinden; und einer optisch durchlässigen Schicht, die sich vertikal durch die Öffnungen in der Gitterstruktur erstreckt und eine zweite Brechzahl hat, die von der ersten Brechzahl verschieden ist.
  8. Bildsensor nach Anspruch 7, der weiterhin eine Anordnung von Maskierungsstrukturen aufweist, die außerhalb von Bereichen der nicht-planaren distalen Oberflächenteile der optischen Brechungsschicht angeordnet sind und Seitenwände haben, die über einem jeweiligen Teil einer Oberseite der Gitterstruktur angeordnet sind und diesen kontaktieren, wobei die optisch durchlässige Schicht über der Anordnung von Maskierungsstrukturen angeordnet ist.
  9. Bildsensor nach Anspruch 8, wobei jede Maskierungsstruktur in der Anordnung von Maskierungsstrukturen über einer jeweiligen der Sensorschaltungen angeordnet ist und in einer Draufsicht eine Flächenüberdeckung mit dieser hat.
  10. Bildsensor nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Maskierungsstrukturen erste Seitenwände der Gitterstruktur, die zu einer jeweiligen der Öffnungen in der Gitterstruktur zeigen, nicht kontaktieren oder über diesen angeordnet sind, sondern zweite Seitenwände der Gitterstruktur kontaktieren, die von einer proximalsten der Öffnungen in der Gitterstruktur weg zeigen.
  11. Bildsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die zufälligen Vorsprünge eine mittlere Querabmessung von 10 nm bis 200 nm haben.
  12. Bildsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die zufälligen Vorsprünge eine mittlere vertikale Abmessung von 10 nm bis 100 nm haben.
  13. Bildsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die optische Brechungsschicht ein Halbleitermaterial oder ein dielektrisches Material aufweist.
  14. Bildsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei die Gitterstruktur eine Verbund-Gitterstruktur umfasst, die einen vertikalen Stapel aus einer metallischen Gitterstruktur mit reflektierenden Seitenwänden und einer dielektrischen Gitterstruktur umfasst.
  15. Bildsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 14, der weiterhin Folgendes aufweist: eine Anordnung von Farbfiltern, die über der optisch durchlässigen Schicht angeordnet sind; und eine Anordnung von Linsen, die über der Anordnung von Farbfiltern angeordnet sind.
  16. Verfahren zum Herstellen einer optischen Struktur mit den folgenden Schritten: Herstellen von Lichtsensoren auf einer Vorderseite eines Halbleitersubstrats; Herstellen einer optischen Brechungsschicht mit einer ersten Brechzahl auf einer Rückseite des Halbleitersubstrats; Herstellen einer Gitterstruktur mit Öffnungen, die über einem jeweiligen der Lichtsensoren über einer distalen Oberfläche der optischen Brechungsschicht angeordnet sind; Herstellen einer Maskierungsmaterialschicht über der Gitterstruktur und der optischen Brechungsschicht; anisotropes Ätzen der Maskierungsmaterialschicht mit einem anisotropen Ätzprozess, in dem zusätzlich ein Material der optischen Brechungsschicht geätzt wird und nicht-planare distale Oberflächenteile hergestellt werden, die zufällige Vorsprünge auf physikalisch freigelegten Teilen der optischen Brechungsschicht aufweisen; und Herstellen einer optisch durchlässigen Schicht mit einer zweiten Brechzahl, die von der ersten Brechzahl verschieden ist, auf den nicht-planaren distalen Oberflächenteilen der optischen Brechungsschicht.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei: der anisotrope Ätzprozess zufällige Änderungen einer Ätzrate quer über die Maskierungsmaterialschicht umfasst und unterschiedliche Bereiche der optischen Brechungsschicht zu unterschiedlichen Zeitpunkten physikalisch freilegt, und Materialteile der optischen Brechungsschicht, die vor einer Beendigung des anisotropen Ätzprozesses physikalisch freigelegt werden, mit einer höheren Ätzrate als ein Material der Maskierungsmaterialschicht während des anisotropen Ätzprozesses geätzt werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, das weiterhin ein Aufbringen und Strukturieren einer Fotoresistschicht über der Maskierungsmaterialschicht umfasst, wobei strukturierte Teile der Fotoresistschicht über Teilen der Maskierungsmaterialschicht angeordnet sind und diese schützen und nach dem anisotropen Ätzprozess ungeätzte Teile der Maskierungsmaterialschicht eine Anordnung von Maskierungsstrukturen bilden.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die zufälligen Vorsprünge eine mittlere Querabmessung von 10 nm bis 200 nm und eine mittlere vertikale Abmessung von 10 nm bis 100 nm haben.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei: die optische Brechungsschicht ein Halbleitermaterial oder ein dielektrisches Material aufweist, und die Gitterstruktur zumindest eine metallische Gitterstruktur mit reflektierenden Seitenwänden umfasst.
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