DE102020107096A1 - Linsenstruktur, die zum erhöhen der quantenausbeute eines bildsensors konfiguriert ist - Google Patents

Linsenstruktur, die zum erhöhen der quantenausbeute eines bildsensors konfiguriert ist Download PDF

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Jiech-Fun Lu
Chun-Tsung Kuo
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Original Assignee
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Abstract

Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf einen Bildsensor gerichtet, der ein Substrat mit einer Mehrzahl von Seitenwänden aufweist, die eine Mehrzahl von Vorsprüngen entlang einer ersten Seite des Substrats definieren. Das Substrat hat eine erste Brechzahl. Ein Fotodetektor ist in dem Substrat und unter der Mehrzahl von Vorsprüngen angeordnet. Eine Mehrzahl von Mikrolinsen ist über der ersten Seite des Substrats angeordnet. Die Mikrolinsen haben eine zweite Brechzahl, die kleiner als die erste Brechzahl ist. Die Mikrolinsen sind jeweils seitlich zwischen einem Paar von benachbarten Vorsprüngen der Mehrzahl von Vorsprüngen angeordnet und kontaktieren dieses direkt. Außerdem weisen die Mikrolinsen jeweils eine konvexe Oberseite auf.

Description

  • Verweis auf verwandte Anmeldung
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 31. Oktober 2019 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 62/928.559, die durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Hintergrund
  • Zahlreiche modere elektronische Geräte (z. B. Digitalkameras, optische Bildgebungsgeräte usw.) weisen Bildsensoren auf. Bildsensoren wandeln optische Bilder in digitale Daten um, die als digitale Bilder dargestellt werden können. Ein Bildsensor ist eine Anordnung von Pixelsensoren, die Einheitsbauelemente für die Umwandlung eines optischen Bilds in digitale Daten sind. Arten von Pixelsensoren sind CCD-Bildsensoren (CCD: ladungsgekoppeltes Bauelement) und CMOS-Bildsensoren (CISs) (CMOS: komplementärer Metalloxidhalbleiter). CISs werden auf Grund ihres niedrigen Energieverbrauchs, ihrer geringen Größe, schnellen Datenverarbeitung, direkten Datenausgabe und niedrigen Herstellungskosten gegenüber CCD-Pixelsensoren bevorzugt.
  • 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 zeigt eine Schnittansicht einiger Ausführungsformen eines Bildsensors, der ein Substrat mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen und eine Mehrzahl von Mikrolinsen aufweist, die über den Vorsprüngen angeordnet sind und seitlich zwischen den Vorsprüngen beabstandet sind.
    • 2 zeigt eine Schnittansicht einiger alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 1, in der eine Mehrzahl von Halbleiter-Bauelementen auf einer Vorderseite des Substrats angeordnet ist.
    • Die 3A und 3B zeigen Schnittansichten einiger alternativer Ausführungsformen des Bildsensors von 2, in denen Lichtfilter über der Mehrzahl von Mikrolinsen angeordnet sind.
    • Die 4 bis 9 zeigen Schnittansichten einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines Bildsensors, der ein Substrat mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen und eine Mehrzahl von Mikrolinsen aufweist, die über den Vorsprüngen angeordnet sind und seitlich zwischen den Vorsprüngen beabstandet sind.
    • 10 ist ein Ablaufdiagrammformat, das einige Ausführungsformen zum Herstellen eines Bildsensors zeigt, der ein Substrat mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen und eine Mehrzahl von Mikrolinsen aufweist, die über den Vorsprüngen angeordnet sind und seitlich zwischen den Vorsprüngen beabstandet sind.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale der vorliegenden Erfindung. 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.
  • CMOS-Bildsensoren (CISs) weisen normalerweise eine Anordnung von Pixelbereichen auf, in denen jeweils ein Fotodetektor in einem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Lichtfilter, z. B. Farbfilter, Infrarot(IR)-Filter und dergleichen, sind über den Fotodetektoren angeordnet und sind so konfiguriert, dass sie einfallendes Licht filtern, das für unterschiedliche Fotodetektoren in dem CIS bereitgestellt wird. Die Fotodetektoren sind weiterhin so konfiguriert, dass sie beim Empfangen von Licht elektrische Signale erzeugen, die dem empfangenen Licht entsprechen. Die elektrischen Signale von den Fotodetektoren können mit einer Signalverarbeitungseinheit verarbeitet werden, um ein Bild zu ermitteln, das von dem CIS aufgenommen worden ist. Eine Quantenausbeute (QE) ist ein Verhältnis einer Anzahl von Photonen, die an einem elektrischen Signal mitwirken, das von einem Fotodetektor in einem Pixelbereich erzeugt wird, zu einer Anzahl von Photonen, die auf den Pixelbereich auftreffen. Es ist erkannt worden, dass die QE eines CIS mit chipintegrierten Absorptionsverstärkungsstrukturen verbessert werden kann.
  • Eine Absorptionsverstärkungsstruktur kann eine Mehrzahl von Vorsprüngen aufweisen, die entlang einer Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet sind. Die Absorptionsverstärkungsstruktur kann die Absorption dadurch erhöhen, dass sie die Reflexion von einfallender Strahlung verringert. Außerdem ist eine Passivierungsschicht über der Absorptionsverstärkungsstruktur angeordnet, die Aussparungen zwischen den mehreren Vorsprüngen füllt. Während der Herstellung der Passivierungsschicht über der Absorptionsverstärkungsstruktur wird eine Antireflexbelagschicht (ARC-Schicht) über der Passivierungsschicht hergestellt. Anschließend werden die ARC-Schicht und die Passivierungsschicht mit der gleichen Geschwindigkeit geätzt, bis eine Oberseite der Vorsprünge erreicht ist, sodass die Passivierungsschicht eine im Wesentlichen ebene Oberseite hat. Wenn einfallende Strahlung durch die im Wesentlichen ebene Oberseite der Passivierungsschicht hindurchgeht, kann sie jedoch von einer Seitenwand eines Vorsprungs reflektiert werden, der von einem darunter befindlichen Fotodetektor entfernt ist. Dies kann daran liegen, dass das einfallende Licht sich entlang einem Weg, der ungefähr senkrecht zu der im Wesentlichen ebenen Oberseite der Passivierungsschicht ist, ausbreitet und nicht zu dem darunter befindlichen Fotodetektor fokussiert werden kann. Die reflektierte Strahlung kann zu einem benachbarten tieferliegenden Fotodetektor gelenkt werden, sodass es zu einer Kreuzkopplung zwischen Fotodetektoren kommt, und/oder sie kann von dem Pixelbereich weg reflektiert werden. Außerdem kann die reflektierte Strahlung von dem Halbleitersubstrat weg gelenkt werden, wodurch Strahlung, die auf den tieferliegenden Fotodetektor auftrifft, verringert wird. Dadurch kann eine QE des tieferliegenden Fotodetektors teilweise verringert werden.
  • Dementsprechend sind einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf einen Bildsensor gerichtet, der ein Substrat mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen und eine Mehrzahl von Mikrolinsen aufweist, die jeweils eine konvexe Oberseite haben und über den Vorsprüngen angeordnet sind und seitlich zwischen diesen beabstandet sind. Zum Beispiel wird bei der Herstellung des Bildsensors ein Fotodetektor in einem Substrat hergestellt, und eine Mehrzahl von Vorsprüngen wird entlang einer Rückseite des Substrats hergestellt. Über der Mehrzahl von Vorsprüngen wird eine Passivierungsschicht so hergestellt, dass sie eine Mehrzahl von Aussparungen füllt, die zwischen den mehreren Vorsprüngen angeordnet sind. Über der Passivierungsschicht wird eine ARC-Schicht hergestellt, und an der ARC-Schicht wird eine partielle Ätzung durchgeführt, bis eine Oberseite der Passivierungsschicht erreicht ist, wodurch zumindest ein Teil der ARC-Schicht über der Passivierungsschicht zurückbleibt. Außerdem werden ein oder mehrere hochselektive Ätzprozesse an der ARC-Schicht und der Passivierungsschicht durchgeführt, sodass die Passivierungsschicht mit einer höheren Geschwindigkeit als die ARC-Schicht geätzt wird. Dadurch wird teilweise eine Mehrzahl von Mikrolinsen über der Mehrzahl von Vorsprüngen definiert, sodass eine Mikrolinse zwischen jedem Paar von benachbarten Vorsprüngen angeordnet ist und jede Mikrolinse eine konvexe Oberseite hat. Auf Grund der konvexen Oberseite sind die Mikrolinsen so konfiguriert, dass sie einfallende Strahlung zu einem Brennpunkt zwischen jedem Paar von benachbarten Vorsprüngen fokussieren, wodurch eine Reflexion von einfallender Strahlung verringert wird und mehr einfallende Strahlung zu dem Fotodetektor gelenkt wird. Dadurch wird wiederum eine QE des Bildsensors erhöht.
  • 1 zeigt eine Schnittansicht einiger Ausführungsformen eines Bildsensors 100, der ein Substrat 104 mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen 110 und eine Mehrzahl von Mikrolinsen 112 aufweist, die über den Vorsprüngen 110 angeordnet sind und seitlich zwischen den Vorsprüngen 110 beabstandet sind.
  • Der Bildsensor 100 weist eine Verbindungsstruktur 102 auf, die entlang einer Vorderseite 104f des Substrats 104 angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen weist das Substrat 104 einen Halbleiterkörper (z. B. massives Silizium, epitaxiales Silizium, ein anderes geeignetes Halbleitermaterial oder dergleichen) auf, und/oder es hat eine erste Dotierungsart (z. B. eine p-Dotierung). In dem Substrat 104 ist ein Fotodetektor 108 angeordnet, der so konfiguriert ist, dass er einfallende elektromagnetische Strahlung 114 (z. B. Photonen) in elektrische Signale umwandelt (d. h., Elektron-Loch-Paare aus der einfallenden elektromagnetischen Strahlung 114 erzeugt). Der Fotodetektor 108 hat eine zweite Dotierungsart (z. B. n-Dotierung), die der ersten Dotierungsart entgegengesetzt ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste Dotierungsart n, und die zweite Dotierungsart ist p, oder umgekehrt. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Fotodetektor 108 als eine Fotodiode konfiguriert sein, oder er kann eine Fotodiode aufweisen. In dem Substrat 104 ist eine Isolationsstruktur 106 angeordnet, die sich von der Vorderseite 104f des Substrats 104 bis zu einem Punkt über der Vorderseite 104f erstreckt. Bei einigen Ausführungsformen kann die Isolationsstruktur 106 ein dielektrisches Material (z. B. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder dergleichen) aufweisen, und/oder sie kann als eine STI-Struktur (STI: flache Grabenisolation), eine DTI-Struktur (DTI: tiefe Grabenisolation) oder eine andere geeignete Isolationsstruktur konfiguriert sein.
  • Eine Rückseite 104b des Substrats 104 befindet sich gegenüber der Vorderseite 104f des Substrats 104. Die Rückseite 104b des Substrats 104 weist eine nicht-planare Oberfläche auf, die eine Mehrzahl von Vorsprüngen 110 definiert, die in einer periodischen Struktur angeordnet sind. Daher können die Vorsprünge 110 das gleiche Material (z. B. Silizium) wie das Substrat 104 sein oder aufweisen. Die mehreren Vorsprünge 110 sind durch Aussparungen in der Rückseite 104b des Substrats 104 seitlich voneinander getrennt. Die mehreren Vorsprünge 110 weisen jeweils gegenüberliegende angeschrägte Seitenwände auf. Die Vorsprünge 110 des Substrats 104 sind so konfiguriert, dass sie zum Beispiel eine Lichtempfangsfläche auf dem Fotodetektor 108 für die einfallende elektromagnetische Strahlung 114 vergrößern. Dadurch werden eine Empfindlichkeit und/oder Quantenausbeute (QE) des Bildsensors 100 teilweise erhöht.
  • Außerdem ist eine Mehrzahl von Mikrolinsen 112 in den Aussparungen seitlich zwischen den Vorsprüngen 110 so angeordnet, dass sich eine der Mikrolinsen 112 seitlich zwischen einem entsprechenden Paar von Vorsprüngen 110 befindet. Bei einigen Ausführungsformen können die Mikrolinsen 112 zum Beispiel ein dielektrisches Material (z. B. Siliziumdioxid) sein oder aufweisen, und/oder sie können eine erste Brechzahl haben. Es dürfte wohlverstanden sein, dass auch andere Materialien für die Mikrolinsen 112 innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Bei weiteren Ausführungsformen weist das Substrat 104 ein Halbleitermaterial (z. B. Silizium) auf, das von dem dielektrischen Material der Mikrolinsen 112 verschieden ist, und/oder es hat eine zweite Brechzahl, die von der ersten Brechzahl verschieden ist. Es dürfte wohlverstanden sein, dass auch andere Materialien für das Substrat 104 innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Brechzahl größer als die erste Brechzahl. Bei einigen Ausführungsformen weisen die Mikrolinsen 112 jeweils einen Mikrolinsenvorsprung 112p auf, der Seitenwänden der Vorsprünge 110 entspricht und die Aussparungen zwischen den Vorsprüngen 110 füllt. Bei weiteren Ausführungsformen kontaktieren die Mikrolinsen 112 die Vorsprünge 110 direkt. Jede der Mikrolinsen 112 weist eine konvexe Oberseite 112us auf, die in einer Richtung weg von den Vorsprüngen 110 gewölbt und/oder gerundet ist. Wie in 1 gezeigt ist, tritt die einfallende elektromagnetische Strahlung 114 (die durch Pfeile dargestellt ist) über die konvexe Oberseite 112us in die Mikrolinsen 112 ein. Auf Grund der konvexen Oberseite 112us jeder Mikrolinse 112 wird die einfallende elektromagnetische Strahlung 114 erheblich zu einem Brennpunkt 119 unter der konvexen Oberfläche 102r abgelenkt und/oder abgewinkelt. Der Brennpunkt 119 ist entlang einer Brennebene 120 angeordnet, die durch eine erste Höhe h1 vertikal von einer Oberseite 110ts der Vorsprünge 110 beabstandet ist und durch eine zweite Höhe h2 vertikal von einer Unterseite 110bs der Vorsprünge 110 beabstandet ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste Höhe h1 größer als die zweite Höhe h2. Bei diesen Ausführungsformen wird dadurch die einfallende elektromagnetische Strahlung 114 an der Reflexion von einer Seitenwand der Vorsprünge 110 in einer Richtung weg von dem Fotodetektor 108 gehindert. Bei weiteren Ausführungsformen ist aufgrund dessen, dass die zweite Höhe h2 kleiner als die erste Höhe h1 ist, ein Winkel θ1 der auf eine Seitenwand der Vorsprünge 110 auftreffenden elektromagnetischen Strahlung 114 sehr klein, sodass Licht nicht von dem Substrat 104 weg reflektiert wird. Andere elektromagnetische Strahlungen (nicht dargestellt), die nicht parallel zu der einfallenden elektromagnetischen Strahlung 114 sind und die in die Mikrolinsen 112 eintreten, werden gebrochen, wie vorstehend dargelegt worden ist, und sie schneiden sich in anderen Brennpunkten entlang der Brennebene 120.
  • Nachdem die einfallende elektromagnetische Strahlung 114 zu dem Brennpunkt 119 abgewinkelt worden ist, kann sie durch Seitenwände der Vorsprünge 110 hindurchgehen. Da bei einigen Ausführungsformen die Mikrolinsen 112 die erste Brechzahl haben, die kleiner als die zweite Brechzahl der darunter befindlichen Vorsprünge 110 ist, wird die einfallende elektromagnetische Strahlung 114 von den entsprechenden senkrechten Achsen 122 weg zu dem Fotodetektor 108 gebrochen. Mit anderen Worten, dadurch, dass die Mikrolinsen 112 eine niedrigere Brechzahl als die Vorsprünge 110 haben, hat die einfallende elektromagnetische Strahlung 114 einen Brechungswinkel 82, der kleiner als ein entsprechender Einfallswinkel 81 ist, wodurch die einfallende elektromagnetische Strahlung 114 zu dem Fotodetektor 108 fokussiert wird. Dadurch wird die Absorption der einfallenden elektromagnetischen Strahlung 114 durch das Substrat 104 erhöht (z. B. durch Reduzieren der Reflexion der einfallenden elektromagnetischen Strahlung 114 von den Vorsprüngen 110). Durch Erhöhen der Absorption der einfallenden elektromagnetischen Strahlung 114 wird eine QE des Fotodetektors 102 erhöht, wodurch eine Leistung des Bildsensors 100 verbessert wird.
  • 2 zeigt eine Schnittansicht einiger Ausführungsformen eines Bildsensors 200, die einer alternativen Ausführungsform des Bildsensors 100 von 1 entsprechen.
  • Bei einigen Ausführungsformen weist der Bildsensor 200 ein Substrat 104 über einer Verbindungsstruktur 102 auf. Der Bildsensor 200 kann als ein rückseitig beleuchteter CMOS-Bildsensor (BSI-CIS) konfiguriert sein. In der Verbindungsstruktur 102 und entlang der Vorderseite 104f des Substrats 104 ist eine Mehrzahl von Halbleiter-Bauelementen 212 angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen können die Halbleiter-Bauelemente 212 als Pixel-Elemente konfiguriert sein, die ein von Fotodetektoren 108 erzeugtes elektrisches Signal ausgeben und/oder verarbeiten können. Die Halbleiter-Bauelemente 212 können zum Beispiel als Transfertransistoren, Sourcefolgertransistoren, Zeilenwähltransistoren und/oder Rücksetztransistoren konfiguriert sein. Es dürfte wohlverstanden sein, dass Halbleiter-Bauelemente 212, die als andere Halbleiter-Bauelemente konfiguriert sind, ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Außerdem können die Halbleiter-Bauelemente 212 jeweils eine Gatestruktur 216, die entlang der Vorderseite 104f des Substrats 104 angeordnet ist, und eine Seitenwand-Abstandshalterstruktur 214 aufweisen, die entlang Seitenwänden der Gatestruktur 216 angeordnet ist. Bei weiteren Ausführungsformen weist die Gatestruktur 216 eine dielektrische Gateschicht und eine Gateelektrode auf, wobei die dielektrische Gateschicht zwischen dem Substrat 104 und der Gateelektrode angeordnet ist.
  • Die Verbindungsstruktur 102 kann eine dielektrische Verbindungsstruktur 206, eine Mehrzahl von leitfähigen Drähten 208 und eine Mehrzahl von leitfähigen Durchkontaktierungen 210 umfassen. Bei einigen Ausführungsformen weist die dielektrische Verbindungsstruktur 206 eine oder mehrere Zwischenebenendielektrikum-Schichten (ILD-Schichten) auf, die jeweils ein Oxid, wie etwa Siliziumdioxid, ein Fluorsilicatglas, ein Phosphatglas (z. B. Borphosphorsilicatglas), ein anderes geeignetes dielektrisches Material oder eine Kombination davon sein oder aufweisen können. Es dürfte wohlverstanden sein, dass eine Verbindungsstruktur 206, die andere geeignete Materialien aufweist, ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegt. Die leitfähigen Drähte und Durchkontaktierungen 208 und 210 sind in der dielektrischen Verbindungsstruktur 206 angeordnet und sind so konfiguriert, dass sie Bauelemente, die in dem Bildsensor 200 angeordnet sind, miteinander und/oder mit einem anderen integrierten Chip (nicht dargestellt) elektrisch verbinden. Bei einigen Ausführungsformen können die leitfähigen Drähte und Durchkontaktierungen 208 und 210 zum Beispiel jeweils Kupfer, Aluminium, Titannidrid, Tantalnitrid, Wolfram, ein anderes leitfähiges Material oder eine Kombination davon sein oder aufweisen. Es dürfte wohlverstanden sein, dass leitfähigen Drähte und Durchkontaktierungen 208 und 210, die andere geeignete Materialien aufweisen, ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 104 ein Halbleiterkörper (z. B. massives Silizium, ein anderes geeignetes Halbleitermaterial oder dergleichen) sein, und/oder es hat eine erste Dotierungsart (z. B. eine p-Dotierung). Pixelbereiche 202a und 202b sind durch eine Mehrzahl von Isolationsstrukturen 106 seitlich voneinander getrennt. Bei einigen Ausführungsformen kann die Mehrzahl von Isolationsstrukturen 106 als STI-Strukturen, DTI-Strukturen, BDTI-Strukturen (BDTI: rückseitige tiefe Grabenisolation), andere geeignete Isolationsstrukturen oder eine Kombination davon konfiguriert sein. Bei weiteren Ausführungsformen können die Isolationsstrukturen 106 Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder dergleichen sein oder aufweisen. Außerdem ist ein Fotodetektor 108 in jedem der Pixelbereiche 202a und 202b angeordnet. Die Fotodetektoren 108 können zum Beispiel eine zweite Dotierungsart (z. B. eine n-Dotierung) haben, die der ersten Dotierungsart entgegengesetzt ist. Es dürfte wohlverstanden sein, dass ein Fotodetektor 108 und/oder ein Substrat 104, die eine andere Dotierungsart haben, ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen.
  • Bei einigen Ausführungsformen können die Fotodetektoren 108 so konfiguriert sein, dass sie elektrische Signale aus NIR-Strahlung (NIR: nahes Infrarot) erzeugen, die eine elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich ist. Zum Beispiel kann der erste Wellenlängenbereich etwa 850 nm bis 940 nm sein. Es dürfte wohlverstanden sein, dass andere Werte für den ersten Wellenlängenbereich ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Das Substrat 104 hat eine Dicke Ts, die zwischen der Vorderseite 104f des Substrats 104 und seiner Rückseite 104b definiert ist. Bei einigen Ausführungsformen beträgt die Dicke Ts etwa 4 µm bis 6 µm. Es dürfte wohlverstanden sein, dass andere Werte für die Dicke Ts ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Die Dicke Ts des Substrats 104 wird so gewählt, dass eine hohe QE für den ersten Wellenlängenbereich gewährleistet ist. Wenn zum Beispiel die Dicke Ts des Substrats 104 zu klein ist (z. B. weniger als etwa 4 µm beträgt), haben die Fotodetektoren 108 eine geringe NIR-Licht-QE, was ein Phasendetektionsvermögen verringern kann. Und wenn die Dicke Ts des Substrats 104 zu groß ist (z. B. größer als etwa 6 µm), kann die Platzierung von Pixel-Elementen, wie etwa von Kontaktbereichen, Isolationsstrukturen und/oder Transfertransistoren, beeinträchtigt werden, ohne dass zum Beispiel die QE für NIR-Licht steigt.
  • Die Rückseite 104b des Substrats 104 weist eine Mehrzahl von Vorsprüngen 110 auf, und zwischen benachbarten Paaren von Vorsprüngen 110 ist eine Mehrzahl von Mikrolinsen 112 angeordnet. Die Mikrolinsen 112 haben jeweils eine konvexe Oberseite 112us, die so konfiguriert ist, dass sie einfallende Strahlung zu tieferliegenden Fotodetektoren 108 lenkt, wie in 1 gezeigt ist und unter Bezugnahme auf diese dargelegt wird. Dadurch wird eine QE der Fotodetektoren 108 erhöht, wodurch eine Leistung des Bildsensors 200 steigt.
  • Bei weiteren Ausführungsformen kann die Mehrzahl von Mikrolinsen 112 als eine Passivierungsschicht konfiguriert sein oder bezeichnet werden, die sich zusammenhängend seitlich quer über die Rückseite 104b des Substrats 104 erstreckt. Bei diesen Ausführungsformen ist die Passivierungsschicht über jedem Vorsprung 110 angeordnet, und sie weist eine Mehrzahl von oberen konvexen Vorsprüngen 112up, die seitlich zwischen benachbarten Paaren der Vorsprünge 110 beabstandet sind, und eine Mehrzahl von unteren Vorsprüngen 112lp auf, die unter den oberen konvexen Vorsprüngen 112up angeordnet sind. Die unteren Vorsprünge 112lp kontaktieren die Seitenwände der Vorsprünge 110 direkt. Außerdem kann sich bei einigen Ausführungsformen die Passivierungsschicht zusammenhängend seitlich quer über die Vorsprünge 110 entlang einem nicht unterbrochenen Pfad erstrecken.
  • 3A zeigt eine Schnittansicht einiger Ausführungsformen eines Bildsensors 300a, die einer alternativen Ausführungsform des Bildsensors 200 von 2 entsprechen.
  • Der Bildsensor 300a weist eine obere dielektrische Schicht 302 über den Mikrolinsen 112 und der Rückseite 104b des Substrats 104 auf. Bei einigen Ausführungsformen kann die obere dielektrische Schicht 302 zum Beispiel eine PEOX-Schicht (PEOX: plasmaunterstütztes Oxid), Siliziumdioxid oder ein anderes geeignetes dielektrisches Material sein oder aufweisen. Es dürfte wohlverstanden sein, dass andere Materialien für die obere dielektrische Schicht 302 ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Außerdem ist eine Mehrzahl von Lichtfiltern 304 (z. B. von Farbfiltern, Infrarotfiltern und dergleichen) über der oberen dielektrischen Schicht 302 angeordnet. Die mehreren Lichtfilter 304 sind jeweils so konfiguriert, dass sie spezielle Wellenlängen einfallender Strahlung durchlassen. Zum Beispiel kann ein erstes Lichtfilter Strahlung mit Wellenlängen in einem ersten Bereich durchlassen, während ein zweites Lichtfilter, das zu dem ersten Lichtfilter benachbart ist, Strahlung mit Wellenlängen in einem zweiten Bereich, der von dem ersten Bereich verschieden ist, durchlassen kann. Bei anderen Ausführungsformen können die Lichtfilter 304 zum Beispiel als Farbfilter konfiguriert sein, wobei ein erstes Lichtfilter so konfiguriert ist, dass es eine erste Farbe (z. B. grünes Licht) durchlässt, und ein benachbartes zweites Lichtfilter so konfiguriert ist, dass es eine zweite Farbe (z. B. blaues Licht), die von der ersten Farbe verschieden ist, durchlässt. Außerdem ist eine Mehrzahl von oberen Linsen 306 über der Mehrzahl von Lichtfiltern 304 angeordnet. Jeweilige der oberen Linsen 306 sind seitlich zu den Lichtfiltern 304 ausgerichtet und sind über den Pixelbereichen 202a und 202b angeordnet. Die mehreren oberen Linsen 306 sind so konfiguriert, dass sie einfallende elektromagnetische Strahlung zu den Fotodetektoren 108 fokussieren, wodurch die QE der Fotodetektoren steigt und eine Leistung des Bildsensors 300a erhöht wird.
  • Die Fotodetektoren 108 sind so konfiguriert, dass sie elektrische Signale aus elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge λ erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Wellenlänge λ NIR-Strahlung umfassen, die eine elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 850 nm bis 940 nm ist. Es dürfte wohlverstanden sein, dass andere Werte für die Wellenlänge λ ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Bei anderen Ausführungsformen kann eine Höhe hp der Vorsprünge 110 größer als etwa λ/2,5 sein, sodass die Lichtempfangsfläche auf dem Substrat 104 für einfallende elektromagnetische Strahlung vergrößert wird. Die Höhe hp kann zum Beispiel größer als etwa 340 nm sein. Es dürfte wohlverstanden sein, dass andere Werte für die Höhe hp ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Dadurch werden eine Empfindlichkeit und/oder QE des Bildsensors 300a teilweise erhöht. Ein Abstand d1 wird zwischen Oberseiten von zwei benachbarten Vorsprüngen 110 definiert. Bei weiteren Ausführungsformen kann der Abstand d1 größer als etwa λ/2 sein, sodass die Lichtempfangsfläche auf dem Substrat 104 für einfallende elektromagnetische Strahlung vergrößert wird. Der Abstand d1 kann zum Beispiel größer als etwa 425 nm sein. Es dürfte wohlverstanden sein, dass andere Werte für den Abstand d1 ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Dadurch werden die Empfindlichkeit und/oder QE des Bildsensors 300a teilweise erhöht. Aufgrund dessen, dass die Höhe hp größer als etwa λ/2,5 ist und der Abstand d1 größer als etwa λ/2 ist, wird eine Absorption von einfallender Strahlung mit der Wellenlänge λ durch das Substrat 104 erhöht, während die Reflexion der einfallenden Strahlung mit der Wellenlänge λ von den Fotodetektoren 108 weg verringert wird. Bei einigen Ausführungsformen ist der Abstand d1 größer als die Höhe hp.
  • 3B zeigt eine Schnittansicht einiger Ausführungsformen eines Bildsensors 300b, die alternativen Ausführungsformen des Bildsensors 300a von 3A entsprechen und bei denen die obere dielektrische Schicht 302 weggelassen ist. Bei diesen Ausführungsformen kontaktiert die Mehrzahl von Lichtfiltern 304 die Mehrzahl von Mikrolinsen 112 direkt.
  • Die 4 bis 9 zeigen Schnittansichten 400 bis 900 einiger Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines Bildsensors, der bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Substrat mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen und eine Mehrzahl von Mikrolinsen aufweist, die über den Vorsprüngen angeordnet sind und seitlich zwischen den Vorsprüngen beabstandet sind. Die in den 4 bis 9 gezeigten Schnittansichten 400 bis 900 werden zwar für ein Verfahren beschrieben, aber es dürfte wohlverstanden sein, dass die in diesen Figuren gezeigten Strukturen nicht auf das Verfahren beschränkt sind, sondern als Strukturen eigenständig und unabhängig von dem Verfahren verwendet werden können. Die 4 bis 9 werden zwar als eine Reihe von Schritten beschrieben, aber es dürfte wohlverstanden sein, dass die Reihenfolge dieser Schritte bei anderen Ausführungsformen geändert werden kann und die offenbarten Verfahren auch für andere Strukturen verwendet werden können. Bei anderen Ausführungsformen können einige der dargestellten und/oder beschriebenen Schritte vollständig oder teilweise weggelassen werden.
  • Wie in der Schnittansicht 400 von 4 gezeigt ist, wird ein Substrat 104 bereitgestellt, und auf einer Vorderseite 104f des Substrats 104 wird eine Isolationsstruktur 106 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 104 zum Beispiel ein massives Substrat (z. B. ein massives Siliziumsubstrat), ein Silizium-auf-Isolator(SOI)-Substrat oder ein anderes geeignetes Substrat sein. Es dürfte wohlverstanden sein, dass andere Materialien für das Substrat 104 ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Bei einigen Ausführungsformen wird vor dem Herstellen der Isolationsstruktur 106 ein erster Implantationsprozess durchgeführt, um das Substrat 104 mit einer ersten Dotierungsart (z. B. p) zu dotieren. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Herstellen der Isolationsstruktur 106 Folgendes umfassen: selektives Ätzen des Substrats 104, um einen Graben in dem Substrat 104 zu erzeugen, der sich von der Vorderseite 104f des Substrats 104 in das Substrat 104 erstreckt; und Füllen des Grabens, z. B. durch chemische Aufdampfung (CVD), Atomlagenabscheidung (ALD), physikalische Aufdampfung (PVD), thermische Oxidation oder dergleichen, mit einem dielektrischen Material, z. B. Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumdioxid, einem anderen geeigneten dielektrischen Material oder einer Kombination davon. Bei weiteren Ausführungsformen wird das Substrat 104 durch Herstellen einer Maskierungsschicht (nicht dargestellt) auf der Vorderseite 104f des Substrats 104 selektiv geätzt, und anschließend wird das Substrat 104 mit einem oder mehreren Ätzmitteln behandelt, die so konfiguriert sind, dass sie unmaskierte Teile des Substrats 104 selektiv entfernen.
  • Wie in 4 gezeigt ist, wird dann ein Fotodetektor 108 in dem Substrat 104 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen weist der Fotodetektor 108 einen Bereich des Substrats 104 mit einer zweiten Dotierungsart (z. B. n) auf, die der ersten Dotierungsart entgegengesetzt ist. Bei einigen Ausführungsformen kann der Fotodetektor 108 durch einen selektiven Ionenimplantationsprozess hergestellt werden, bei dem eine Maskierungsschicht (nicht dargestellt) auf der Vorderseite 104f des Substrats 104 verwendet wird, um Ionen selektiv in das Substrat 104 zu implantieren. Bei weiteren Ausführungsformen umfasst die erste Dotierungsart p-Dotanden, und die zweite Dotierungsart umfasst n-Dotanden, oder umgekehrt. Der Fotodetektor 108 ist so konfiguriert, dass er elektrische Signale aus elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge λ erzeugt. Bei einigen Ausführungsformen kann die Wellenlänge λ NIR-Strahlung umfassen, die eine elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 850 nm bis 940 nm ist. Es dürfte wohlverstanden sein, dass andere Werte für die Wellenlänge λ ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen.
  • Wie außerdem in 4 gezeigt ist, wird nach dem Herstellen des Fotodetektors 108 ein Dünnungsprozess an der Rückseite 104b des Substrats 104 durchgeführt, um eine Anfangsdicke Ti des Substrats 104 auf eine Dicke Ts zu reduzieren. Die Dicke Ts ist zwischen der Vorderseite 104f des Substrats 104 und seiner Rückseite 104b definiert. Bei einigen Ausführungsformen beträgt die Dicke Ts etwa 4 µm bis 6 µm. Es dürfte wohlverstanden sein, dass andere Werte für die Dicke Ts ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Bei einigen Ausführungsformen kann der Dünnungsprozess ein Durchführen eines mechanischen Schleifprozesses, eines CMP-Prozesses (CMP: chemisch-mechanische Planarisierung), eines anderen geeigneten Dünnungsprozesses oder einer Kombination davon umfassen.
  • Wie in der Schnittansicht 500 von 5 gezeigt ist, wird die Struktur von 4 gewendet und anschließend strukturiert, um eine Mehrzahl von Vorsprüngen 110 entlang der Rückseite 104b des Substrats 104 zu definieren. Die Rückseite 104b des Substrats 104 liegt seiner Vorderseite 104f gegenüber. Bei einigen Ausführungsformen wird die Mehrzahl von Vorsprüngen 110 durch Durchführen eines oder mehrerer Ätzprozesse entsprechend einer oder mehrerer Maskierungsschichten (nicht dargestellt) hergestellt. Der eine oder die mehreren Ätzprozesse können zum Beispiel einen Nassätzprozess, einen Trockenätzprozess, andere geeignete Ätzprozesse oder eine Kombination davon umfassen. Außerdem werden bei einigen Ausführungsformen die Vorsprünge 110 so hergestellt, dass eine Höhe hp der Vorsprünge 110 größer als etwa λ/2,5 ist und ein Abstand d1 größer als etwa λ/2 ist, sodass eine Lichtempfangsfläche auf dem Substrat 104 für einfallende elektromagnetische Strahlung vergrößert wird. Der Abstand d1 ist zwischen Oberseiten von zwei benachbarten Vorsprüngen 110 definiert. Bei noch weiteren Ausführungsformen kann die Höhe hp größer als etwa 340 nm sein, und/oder der Abstand d1 kann größer als etwa 425 nm sein. Es dürfte wohlverstanden sein, dass andere Werte für die Höhe hp und/oder den Abstand d1 ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen.
  • Wie in der Schnittansicht 600 von 6 gezeigt ist, wird eine obere dielektrische Schicht 602 über den Vorsprüngen 110 abgeschieden. Eine Oberseite der oberen dielektrischen Schicht 602 kann der Form der Vorsprünge 110 entsprechen. Bei einigen Ausführungsformen kann die obere dielektrische Schicht 602 zum Beispiel durch CVD, ALD, PVD, thermische Oxidation, ein plasmaunterstütztes Abscheidungsverfahren, z. B. plasmaunterstützte CVD (PECVD), oder mit einem anderen geeigneten Abscheidungs- oder Aufwachsverfahren abgeschieden werden. Somit kann die obere dielektrische Schicht 602 zum Beispiel ein plasmaunterstütztes Oxid, Siliziumdioxid, Siliziumoxidcarbid (SiOC), ein anderes geeignetes dielektrisches Material oder eine Kombination davon sein oder aufweisen, und/oder sie kann mit einer Dicke von etwa 3000 Å bis 5000 Å hergestellt werden. Es dürfte wohlverstanden sein, dass andere Werte für die Dicke der oberen dielektrischen Schicht 602 ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Bei noch weiteren Ausführungsformen wird eine BARC-Schicht 604 (BARC: unterer Antireflexbelag) über der oberen dielektrischen Schicht 602 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen kann die BARC-Schicht 604 zum Beispiel durch CVD, ALD, PVD oder mit einem anderen geeigneten Abscheidungs- oder Aufwachsverfahren hergestellt werden. Bei noch weiteren Ausführungsformen kann die BARC-Schicht 604 zum Beispiel ein dielektrisches High-k-Material (d. h., ein dielektrisches Material mit einer Dielektrizitätskonstante von mehr als 3,9), ein anderes geeignetes dielektrisches Material oder eine Kombination davon sein oder aufweisen, und/oder sie kann mit einer Dicke von etwa 4000 Ä bis 6000 Ä hergestellt werden. Es dürfte wohlverstanden sein, dass andere Werte für die Dicke der BARC-Schicht 604 ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Somit hat bei einigen Ausführungsformen die BARC-Schicht 604 eine größere Dicke als die obere dielektrische Schicht 602.
  • Wie in der Schnittansicht 700 von 7 gezeigt ist, wird ein erster Strukturierungsprozess an der BARC-Schicht 604 durchgeführt, wodurch eine Anfangsdicke der BARC-Schicht 604 reduziert wird. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der erste Strukturierungsprozess ein Durchführen eines Trockenätzprozesses, eines Schutz-Trockenätzprozesses oder eines anderen geeigneten Ätzprozesses. Bei weiteren Ausführungsformen kann der erste Strukturierungsprozess ein Behandeln der BARC-Schicht 604 mit einem oder mehreren Ätzmitteln umfassen, wie etwa Sauerstoff (02), Kohlenmonoxid (CO), einem anderen geeigneten Ätzmittel oder einer Kombination davon. Bei noch weiteren Ausführungsformen wird bei dem ersten Strukturierungsprozess die obere dielektrische Schicht 602 nicht geätzt.
  • Die 8A bis 8C zeigen Schnittansichten 800a bis 800c, die einigen Ausführungsformen des Durchführens eines zweiten Strukturierungsprozesses an der oberen dielektrischen Schicht 602 und der BARC-Schicht 604 entsprechen, mit dem die Mikrolinsen 112 hergestellt werden. Der zweite Strukturierungsprozess wird so durchgeführt, dass die Mikrolinsen 112 jeweils eine konvexe Oberseite 112us haben, die sich über den Vorsprüngen 110 befindet. Die 8A und 8B zeigen Schnittansichten 800a und 800b, die einigen Ausführungsformen einer ersten Momentaufnahme und einer zweiten Momentaufnahme des zweiten Strukturierungsprozesses entsprechen. 8C zeigt eine Schnittansicht 800c, die einigen Ausführungsformen der Mikrolinsen 112 nach Beendigung des zweiten Ätzprozesses entsprechen.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst der zweite Strukturierungsprozess ein Durchführen eines Trockenätzprozesses, eines Schutz-Trockenätzprozesses oder eines anderen geeigneten Ätzprozesses. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird der zweite Strukturierungsprozess ausschließlich mit einem Schutz-Trockenätzprozess durchgeführt. Bei weiteren Ausführungsformen kann der zweite Strukturierungsprozess ein Behandeln der oberen dielektrischen Schicht 602 und der BARC-Schicht 604 mit einem oder mehreren Ätzmitteln umfassen, wie etwa mit Polymer-reichen Ätzmitteln, Octafluorcyclobutan (C4F8), Trifluormethan (CHF3), einem anderen geeigneten Ätzmittel oder einer Kombination davon. Während des zweiten Strukturierungsprozesses wird die obere dielektrische Schicht 602 mit einer ersten Ätzrate geätzt, und die BARC-Schicht 604 wird mit einer zweiten Ätzrate geätzt. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste Ätzrate mindestens 10mal größer als die zweite Ätzrate. Bei diesen Ausführungsformen hat der zweite Ätzprozess eine niedrigere Ätzselektivität für die BARC-Schicht 604 als für die obere dielektrische Schicht 602, sodass die obere dielektrische Schicht 602 schneller (z. B. mindestens 10mal schneller) als die BARC-Schicht 604 geätzt wird. Dies kann daran liegen, dass das eine oder die mehreren Ätzmittel die obere dielektrische Schicht 602 schneller als die BARC-Schicht 604 entfernen. Aufgrund dessen, dass die erste Ätzrate mindestens 10mal höher als die zweite Ätzrate ist, haben die Mikrolinsen 112 jeweils eine konvexe Oberseite 112us. Bei einigen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis der ersten Ätzrate zu der zweiten Ätzrate zum Beispiel etwa 10 : 1, etwa 11 : 1, etwa 12 : 1, oder sie beträgt 10 : 1 bis 20 : 1, oder sie ist größer als 10 : 1. Es dürfte wohlverstanden sein, dass andere Werte für das Verhältnis der ersten Ätzrate zu der zweiten Ätzrate ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Die konvexen Oberseiten 112us der Mikrolinsen 112 sind jeweils so konfiguriert, dass sie einfallende elektromagnetische Strahlung zu einem Brennpunkt unter der entsprechenden konvexen Oberseite 112us ablenken und/oder abwinkeln. Dadurch wird eine Absorption der einfallenden elektromagnetischen Strahlung durch das Substrat 104 erhöht (z. B. durch Reduzieren einer Reflexion der einfallenden elektromagnetischen Strahlung von dem Substrat 104 weg). Durch Erhöhen der Absorption der einfallenden elektromagnetischen Strahlung wird eine QE des Fotodetektors 108 erhöht.
  • Die Schnittansicht 800a von 8A zeigt einige Ausführungsformen einer zu einem ersten Zeitpunkt gemachten ersten Momentaufnahme des zweiten Strukturierungsprozesses, bei dem die obere dielektrische Schicht 602 schneller als die BARC-Schicht 604 entfernt wird. Weiterhin zeigt die Schnittansicht 800b von 8B einige Ausführungsformen einer zweiten Momentaufnahme des zweiten Strukturierungsprozesses, die zu einem zweiten Zeitpunkt gemacht wird, wobei die zweite Momentaufnahme einige Zeit nach der ersten Momentaufnahme gemacht wird. Wie in 8B gezeigt ist, sind Reste der BARC-Schicht 604 entlang der Oberseite der oberen dielektrischen Schicht 602 angeordnet, sodass eine Oberseite der BARC-Schicht 604 oder der oberen dielektrischen Schicht 602, die seitlich zwischen benachbarten Paaren der Vorsprünge 110 beabstandet ist, nach außen in einer Richtung von den Vorsprüngen 110 weg gewölbt und/oder gerundet wird (d. h., konvex wird). Die Schnittansicht 800c von 8C zeigt einige Ausführungsformen der Mikrolinsen 112 nach dem Durchführen des zweiten Strukturierungsprozesses an der oberen dielektrischen Schicht 602 und der BARC-Schicht 604. Die konvexe Oberseite 112us jeder der Mikrolinsen 112 entspricht der gewölbten Oberseite der BARC-Schicht 604 und der oberen dielektrischen Schicht 602, die in 8B gezeigt sind.
  • Wie in der Schnittansicht 900 von 9 gezeigt ist, wird ein Lichtfilter 304 über den Mikrolinsen 112 hergestellt. Das Lichtfilter 304 wird aus einem Material hergestellt, das einfallende elektromagnetische Strahlung (z. B. Licht) mit einem speziellen Wellenlängenbereich durchlassen kann, während es einfallendes Licht mit anderen Wellenlängen außerhalb des festgelegten Bereichs blockiert. Bei weiteren Ausführungsformen kann das Lichtfilter 304 durch CVD, PVD, ALD, Sputtern oder dergleichen hergestellt werden und/oder kann nach der Herstellung zum Beispiel mit einem CMP-Prozess planarisiert werden. Außerdem wird eine obere Linse 306 über dem Lichtfilter 304 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen kann die obere Linse 306 durch Abscheiden (z. B. durch CVD, PVD und dergleichen) eines Linsenmaterials auf dem Lichtfilter 304 hergestellt werden. Über dem Linsenmaterial wird eine Linsenschablone (nicht dargestellt) mit einer gewölbten Oberseite strukturiert. Die obere Linse 306 wird dann durch selektives Ätzen des Linsenmaterials entsprechend der Linsenschablone hergestellt.
  • 10 zeigt ein Verfahren 1000 zum Herstellen eines Bildsensors, der ein Substrat mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen und eine Mehrzahl von Mikrolinsen aufweist, die über den Vorsprüngen angeordnet sind und seitlich zwischen den Vorsprüngen beabstandet sind, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 1000 wird zwar als eine Reihe von Schritten oder Ereignissen dargestellt und/oder beschrieben, aber es dürfte wohlverstanden sein, dass das Verfahren nicht auf die dargestellte Reihenfolge oder die dargestellten Schritte beschränkt ist. Daher können bei einigen Ausführungsformen die Schritte in anderen Reihenfolgen als dargestellt und/oder gleichzeitig ausgeführt werden. Außerdem können bei einigen Ausführungsformen die dargestellten Schritte oder Ereignisse in mehrere Schritte oder Ereignisse unterteilt werden, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder gleichzeitig mit anderen Schritten oder Teilschritten stattfinden können. Bei einigen Ausführungsformen können einige dargestellte Schritte oder Ereignisse weggelassen werden, und andere nicht-dargestellte Schritte oder Ereignisse können hinzugefügt werden.
  • In einem Schritt 1002 wird eine Isolationsstruktur in einer Vorderseite eines Substrats hergestellt. 4 zeigt eine Schnittansicht 400, die einigen Ausführungsformen des Schritts 1002 entspricht.
  • In einem Schritt 1004 wird ein Fotodetektor in dem Substrat hergestellt. 4 zeigt eine Schnittansicht 400, die einigen Ausführungsformen des Schritts 1004 entspricht.
  • In einem Schritt 1006 wird eine Mehrzahl von Vorsprüngen in einer Rückseite des Substrats hergestellt. 5 zeigt eine Schnittansicht 500, die einigen Ausführungsformen des Schritts 1006 entspricht.
  • In einem Schritt 1008 wird eine obere dielektrische Schicht über der Mehrzahl von Vorsprüngen abgeschieden. Außerdem wird eine BARC-Schicht über der oberen dielektrischen Schicht abgeschieden. 6 zeigt eine Schnittansicht 600, die einigen Ausführungsformen des Schritts 1008 entspricht.
  • In einem Schritt 1010 wird ein erster Strukturierungsprozess an der BARC-Schicht durchgeführt. 7 zeigt eine Schnittansicht 700, die einigen Ausführungsformen des Schritts 1010 entspricht.
  • In einem Schritt 1012 wird ein zweiter Strukturierungsprozess an der oberen dielektrischen Schicht und der BARC-Schicht durchgeführt. Die obere dielektrische Schicht wird schneller als die BARC-Schicht geätzt. Außerdem wird in dem zweiten Strukturierungsprozess eine Mehrzahl von Mikrolinsen über den Vorsprüngen so definiert, dass jede Mikrolinse eine konvexe Oberseite hat. Die 8A bis 8C zeigen Schnittansichten 800a bis 800c, die einigen Ausführungsformen des Schritts 1012 entsprechen.
  • In einem Schritt 1014 wird ein Lichtfilter über der Mehrzahl von Mikrolinsen hergestellt. 9 zeigt eine Schnittansicht 900, die einigen Ausführungsformen des Schritts 1014 entspricht.
  • In einem Schritt 1016 wird eine obere Linse über dem Lichtfilter hergestellt. 9 zeigt eine Schnittansicht 900, die einigen Ausführungsformen des Schritts 1014 entspricht.
  • Somit betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einigen Ausführungsformen einen Bildsensor, der ein Substrat mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen aufweist, die entlang einer Rückseite des Substrats angeordnet sind. Außerdem ist eine Mehrzahl von Mikrolinsen über den Vorsprüngen angeordnet und seitlich zwischen den Vorsprüngen beabstandet. Die Mikrolinsen weisen jeweils eine konvexe Oberseite auf, die so konfiguriert ist, dass sie einfallende Strahlung zu einem Brennpunkt unter der konvexen Oberseite lenkt.
  • Bei einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Anmeldung einen Bildsensor bereit, der Folgendes aufweist: ein Substrat mit einer Mehrzahl von Seitenwänden, die eine Mehrzahl von Vorsprüngen entlang einer ersten Seite des Substrats definieren, wobei das Substrat eine erste Brechzahl hat; einen Fotodetektor, der in dem Substrat und unter der Mehrzahl von Vorsprüngen angeordnet ist; und eine Mehrzahl von Mikrolinsen über der ersten Seite des Substrats, wobei die Mikrolinsen eine zweite Brechzahl haben, die kleiner als die erste Brechzahl ist, die Mikrolinsen jeweils seitlich zwischen einem Paar von benachbarten Vorsprüngen der Mehrzahl von Vorsprüngen angeordnet sind und dieses direkt kontaktieren und jeweils eine konvexe Oberseite aufweisen.
  • Bei einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Anmeldung einen integrierten Chip bereit, der Folgendes aufweist: ein Substrat mit einer Mehrzahl von ersten Vorsprüngen entlang einer Rückseite des Substrats, wobei das Substrat ein erstes Material mit einer ersten Brechzahl aufweist; eine Verbindungsstruktur, die entlang einer Vorderseite des Substrats angeordnet ist; einen Fotodetektor, der in dem Substrat und unter der Mehrzahl von ersten Vorsprüngen angeordnet ist; eine Passivierungsschicht, die auf und zwischen den mehreren ersten Vorsprüngen angeordnet ist, wobei die Passivierungsschicht eine Mehrzahl von zweiten Vorsprüngen entlang einer Oberseite der Passivierungsschicht aufweist, wobei die Mehrzahl von zweiten Vorsprüngen von der Mehrzahl von ersten Vorsprüngen verschieden ist, wobei die Passivierungsschicht ein zweites Material mit einer zweiten Brechzahl aufweist, die von der ersten Brechzahl verschieden ist; und ein Lichtfilter über der Passivierungsschicht.
  • Bei einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Anmeldung ein Verfahren zum Herstellen eines Bildsensors mit den folgenden Schritten bereit: Durchführen eines Ionenimplantationsprozesses, um einen Fotodetektor in einem Substrat zu definieren; Ätzen einer ersten Seite des Substrats, um eine Mehrzahl von Vorsprüngen über dem Fotodetektor zu definieren; Abscheiden einer dielektrischen Schicht über der Mehrzahl von Vorsprüngen, wobei die dielektrische Schicht ein erstes Material aufweist; Abscheiden einer ARC-Schicht (ARC: Antireflexbelag) über der dielektrischen Schicht, wobei die ARC-Schicht ein zweites Material aufweist, das von dem ersten Material verschieden ist; Durchführen eines ersten Strukturierungsprozesses an der ARC-Schicht; und Durchführen eines zweiten Strukturierungsprozesses an der dielektrischen Schicht und der ARC-Schicht, wodurch eine Mehrzahl von Mikrolinsen definiert wird, die jeweils eine konkave Oberseite aufweisen, wobei die dielektrische Schicht mit einer ersten Geschwindigkeit während des zweiten Strukturierungsprozesses geätzt wird und die ARC-Schicht mit einer zweiten Geschwindigkeit während des zweiten Strukturierungsprozesses geätzt wird, wobei die erste Geschwindigkeit höher als die zweite Geschwindigkeit ist.
  • 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. Bildsensor mit: einem Substrat mit einer Mehrzahl von Seitenwänden, die eine Mehrzahl von Vorsprüngen entlang einer ersten Seite des Substrats definieren, wobei das Substrat eine erste Brechzahl hat; einem Fotodetektor, der in dem Substrat und unter der Mehrzahl von Vorsprüngen angeordnet ist; und einer Mehrzahl von Mikrolinsen über der ersten Seite des Substrats, wobei die Mikrolinsen eine zweite Brechzahl haben, die kleiner als die erste Brechzahl ist, wobei die Mikrolinsen jeweils seitlich zwischen einem Paar von benachbarten Vorsprüngen der Mehrzahl von Vorsprüngen angeordnet sind und dieses direkt kontaktieren und jeweils eine konvexe Oberseite aufweisen.
  2. Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die mehreren Vorsprünge durch Aussparungen in der ersten Seite des Substrats seitlich voneinander getrennt sind, wobei die mehreren Mikrolinsen jeweils einen Linsenvorsprung aufweisen, der eine entsprechende Aussparung füllt.
  3. Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat Silizium aufweist und die Mikrolinsen Siliziumdioxid aufweisen.
  4. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Höhe der Mehrzahl von Mikrolinsen größer als eine Höhe der Vorsprünge ist.
  5. Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Vorsprüngen einen ersten Vorsprung und einen zweiten Vorsprung umfasst, die seitlich zueinander benachbart sind, wobei der erste Vorsprung einen ersten oberen Punkt aufweist und der zweite Vorsprung einen zweiten oberen Punkt aufweist, wobei eine Höhe der Mehrzahl von Vorsprüngen kleiner als ein seitlicher Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten oberen Punkt ist.
  6. Bildsensor nach Anspruch 5, wobei die Mehrzahl von Mikrolinsen eine erste Mikrolinse umfasst, die zwischen dem ersten und dem zweiten Vorsprung angeordnet ist, wobei eine konvexe Oberseite der ersten Mikrolinse seitlich zwischen dem ersten oberen Punkt des ersten Vorsprungs und dem zweiten oberen Punkt des zweiten Vorsprungs beabstandet ist.
  7. Bildsensor nach Anspruch 5 oder 6, wobei die erste Mikrolinse so konfiguriert ist, dass sie einfallende elektromagnetische Strahlung zu einem Brennpunkt unter der konvexen Oberseite der ersten Mikrolinse lenkt, wobei der Brennpunkt seitlich zwischen dem ersten und dem zweiten Vorsprung beabstandet ist und vertikal über einer Unterseite der Mehrzahl von Vorsprüngen beabstandet ist.
  8. Integrierter Chip mit: einem Substrat mit einer Mehrzahl von ersten Vorsprüngen entlang einer Rückseite des Substrats, wobei das Substrat ein erstes Material mit einer ersten Brechzahl aufweist; einer Verbindungsstruktur, die entlang einer Vorderseite des Substrats angeordnet ist; einem Fotodetektor, der in dem Substrat und unter der Mehrzahl von ersten Vorsprüngen angeordnet ist; einer Passivierungsschicht, die auf und zwischen den mehreren ersten Vorsprüngen angeordnet ist, wobei die Passivierungsschicht eine Mehrzahl von zweiten Vorsprüngen entlang einer Oberseite der Passivierungsschicht aufweist, wobei die Mehrzahl von zweiten Vorsprüngen von der Mehrzahl von ersten Vorsprüngen verschieden ist, wobei die Passivierungsschicht ein zweites Material mit einer zweiten Brechzahl aufweist, die von der ersten Brechzahl verschieden ist; und einem Lichtfilter über der Passivierungsschicht.
  9. Integrierter Chip nach Anspruch 8, wobei die ersten Vorsprünge jeweils eine dreieckige Form haben und die zweiten Vorsprünge jeweils eine halbkreisförmige Form haben.
  10. Integrierter Chip nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine Unterseite der Passivierungsschicht eine Mehrzahl von dritten Vorsprüngen aufweist, die in eine Mehrzahl von Aussparungen einrasten, die zwischen den mehreren ersten Vorsprüngen des Substrats beabstandet sind.
  11. Integrierter Chip nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die erste Brechzahl mindestens zweimal größer als die zweite Brechzahl ist.
  12. Integrierter Chip nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Fotodetektor so konfiguriert ist, dass er elektrische Signale aus naher Infrarotstrahlung (NIR-Strahlung) erzeugt.
  13. Integrierter Chip nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei eine Dicke des Substrats etwa 4 µm bis 6 µm beträgt.
  14. Integrierter Chip nach einem der Ansprüche 8 bis 13, der weiterhin eine obere Linse über dem Lichtfilter aufweist, wobei eine Oberseite der oberen Linse konvex ist.
  15. Integrierter Chip nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei eine Unterseite des Lichtfilters die Mehrzahl von zweiten Vorsprüngen direkt kontaktiert.
  16. Verfahren zum Herstellen eines Bildsensors mit den folgenden Schritten: Durchführen eines Ionenimplantationsprozesses, um einen Fotodetektor in einem Substrat zu definieren; Ätzen einer ersten Seite des Substrats, um eine Mehrzahl von Vorsprüngen über dem Fotodetektor zu definieren; Abscheiden einer dielektrischen Schicht über der Mehrzahl von Vorsprüngen, wobei die dielektrische Schicht ein erstes Material aufweist; Abscheiden einer ARC-Schicht (ARC: Antireflexbelag) über der dielektrischen Schicht, wobei die ARC-Schicht ein zweites Material aufweist, das von dem ersten Material verschieden ist; Durchführen eines ersten Strukturierungsprozesses an der ARC-Schicht; und Durchführen eines zweiten Strukturierungsprozesses an der dielektrischen Schicht und der ARC-Schicht, wodurch eine Mehrzahl von Mikrolinsen definiert wird, die jeweils eine konkave Oberseite aufweisen, wobei die dielektrische Schicht mit einer ersten Geschwindigkeit während des zweiten Strukturierungsprozesses geätzt wird und die ARC-Schicht mit einer zweiten Geschwindigkeit während des zweiten Strukturierungsprozesses geätzt wird, wobei die erste Geschwindigkeit höher als die zweite Geschwindigkeit ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der zweite Strukturierungsprozess einen Schutz-Trockenätzprozess umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, das weiterhin ein Herstellen eines Lichtfilters über der Mehrzahl von Mikrolinsen so umfasst, dass das Lichtfilter die Mikrolinsen direkt kontaktiert.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, das weiterhin ein Herstellen einer oberen Linse über dem Lichtfilter so umfasst, dass die obere Linse eine gewölbte Oberseite aufweist.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei der zweite Strukturierungsprozess ein Behandeln der dielektrischen Schicht und der ARC-Schicht mit einem oder mehreren Ätzmitteln umfasst, wobei das eine oder die mehreren Ätzmittel Octafluorcyclobutan und/oder Tetrafluormethan umfassen.
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