DE102021100278A1 - Verbesserter entwurf für bildsensortechnik - Google Patents

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Chun-Hao Chuang
Jen-Cheng Liu
Kazuaki Hashimoto
Ming-En Chen
Shyh-Fann Ting
Shuang-Ji Tsai
Wei-Chieh Chiang
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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen integrierten Chip. Der integrierte Chip umfasst ein Bildsensorelement, welches in einem Substrat angeordnet ist. Eine Gate-Struktur ist entlang einer Vorderseite des Substrats angeordnet. Eine Rückseite des Substrats umfasst eine oder mehrere erste gewinkelte Oberflächen, welche einen zentralen Diffusor definieren, welcher über dem Bildsensorelement angeordnet ist. Die Rückseite des Substrats umfasst weiterhin zweite gewinkelte Oberflächen, welche mehrere periphere Diffusoren definieren, welche den zentralen Diffusor lateral umgeben. Die mehreren peripheren Diffusoren sind von einer kleineren Größe als der zentrale Diffusor.

Description

  • HINTERGRUND
  • Integrierte Chips (ICs) mit Bildsensoren werden in einem großen Bereich heutiger elektronischer Vorrichtungen verwendet. In den vergangenen Jahren haben komplementäre Metalloxid-Halbleiter-(CMOS-)Bildsensoren begonnen, eine weit verbreitete Verwendung zu finden, wobei sie im Wesentlichen ladungsgekoppelte (CCD-)Bildsensoren ersetzen. Im Vergleich zu CCD-Bildsensoren werden CMOS-Bildsensoren aufgrund von geringem Stromverbrauch, einer kleinen Größe, schneller Datenverarbeitung, einer unmittelbaren Datenausgabe und geringen Herstellungskosten zunehmend bevorzugt. Manche Typen von CMOS-Bildsensoren umfassen vorderseitig belichtete (FSI-)Bildsensoren und rückseitig belichtete (BSI-)Bildsensoren.
  • Figurenliste
  • Gesichtspunkte der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung am besten verstanden, wenn sie mit den begleitenden Figuren gelesen wird. Es ist anzumerken, dass gemäß der normalen Branchenpraxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zugunsten einer klaren Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1 illustriert eine Querschnittsansicht von manchen Ausführungsformen eines integrierten Bildsensorchips (IC), welcher verschieden bemessene Diffusoren aufweist, welche eingerichtet sind, um einem Bildsensor eine gute Quantenausbeute bereitzustellen.
    • 2A bis 2B illustrieren Querschnittsansichten von manchen Ausführungsformen von offenbarten Bildsensor-ICs, welche einfallende Strahlung mit verschiedenen Einfallswinkeln empfangen.
    • 2C illustriert ein Schaubild, welches manche Ausführungsformen beispielhafter Quantenausbeuten eines offenbarten Bildsensor-IC als eine Funktion des Einfallswinkels zeigt.
    • 3A bis 3B illustrieren Querschnittsansichten von manchen Ausführungsformen von offenbarten Bildsensor-ICs, welche Mikrolinsen mit verschieden Blendenwerten aufweisen.
    • 3C illustriert ein Schaubild, welches manche Ausführungsformen beispielhafter Quantenausbeuten von Mikrolinsen mit verschieden Blendenwerten zeigt.
    • 4A bis 4B illustrieren einige zusätzliche Ausführungsformen eines Bildsensor-IC, welche verschieden bemessene Diffusoren aufweisen, welche eingerichtet sind, um einem Bildsensor eine gute Quantenausbeute bereitzustellen.
    • 5A bis 5B illustrieren einige detailliertere Ausführungsformen eines Bildsensor-IC, welche verschieden bemessene Diffusoren aufweisen, welche eingerichtet sind, um einem Bildsensor eine gute Quantenausbeute bereitzustellen.
    • 6 bis 7 illustrieren Draufsichten von einigen zusätzlichen Ausführungsformen von Bildsensor-ICs, welche verschieden bemessene Diffusoren aufweisen, welche eingerichtet sind, um einem Bildsensor eine gute Quantenausbeute bereitzustellen.
    • 8A bis 8B illustrieren einige zusätzliche Ausführungsformen eines Bildsensor-IC, welche verschieden bemessene Diffusoren aufweisen, welche eingerichtet sind, um einem Bildsensor eine gute Quantenausbeute bereitzustellen.
    • 9 bis 20 illustrieren Querschnittsansichten von manchen Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung eines Bildsensor-IC mit verschieden bemessenen Diffusoren.
    • 21 illustriert ein Ablaufdiagramm von manchen Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung eines Bildsensor-IC mit verschieden bemessenen Diffusoren.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des vorgestellten Gegenstands bereit. Spezifische Beispiele von Komponenten und Anordnungen sind nachfolgend beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und sind nicht als einschränkend vorgesehen. Beispielsweise kann die Ausbildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der nachfolgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei welchen das erste und das zweite Merkmal in unmittelbarem Kontakt ausgebildet sind, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei welchen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal derartig ausgebildet sein können, dass das erste und das zweite Merkmal nicht in unmittelbarem Kontakt stehen müssen. Zusätzlich kann die vorliegende Offenbarung Bezugszahlen und/oder Bezugszeichen bei den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und diktiert in sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen diskutierten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
  • Weiterhin können relative räumliche Begriffe, wie beispielsweise „unterhalb“, „unter“, „niedriger“, „über“, „höher“ und dergleichen, hier zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um eine Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element (Elementen) oder Merkmal (Merkmalen) zu beschreiben, wie in den Figuren illustriert. Diese relativen räumlichen Begriffe sind vorgesehen, verschiedene Orientierungen der Vorrichtung beim Gebrauch oder im Betrieb zusätzlich zu der Orientierung zu umfassen, welche in den Figuren dargestellt ist. Die Vorrichtung kann auf andere Weise orientiert sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Orientierungen) und die hier verwendeten relativen räumlichen Deskriptoren können dementsprechend ebenso interpretiert werden.
  • In den vergangenen Jahren sind integrierte Bildsensorchips (ICs) mit Fähigkeiten, um Strahlung im nahen Infrarotbereich (NIR) zu detektieren (z. B. Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen ungefähr 900 nm und ungefähr 2.500 nm) zunehmend üblicher geworden. Ein Grund dafür ist, dass Bildsensor-ICs, welche in der Lage sind, NIR zu detektieren, mit wenig bis ohne sichtbares Licht wirksam arbeiten können, wodurch derartige Bildsensor-ICs ideal für Maschinen- und/oder Nachtsichtkameras sind. Weil außerdem der Nachthimmel mehr NIR-Photonen als sichtbare Photonen enthält, ermöglicht die Fähigkeit eines Bildsensor-IC, NIR-Strahlung zu detektieren, eine gute Bildaufnahme ohne die Verwendung zusätzlicher Beleuchtung (z. B. LEDs), wodurch der Stromverbrauch vermindert wird und die Batteriedauer des Bildsensor-IC erhöht wird.
  • Bildsensor-ICs umfassen typischerweise ein Bildsensorelement (z. B. eine Fotodiode), welches in einem Silizium-Substrat angeordnet ist. Jedoch nimmt der Absorptionskoeffizient von Silizium mit Erhöhen einer Wellenlänge der Strahlung ab. Deshalb sind Bildsensor-ICs normalerweise in der Lage, NIR-Strahlung mit einer relativ geringen Quantenausbeute zu detektieren (z. B. einem Verhältnis der Anzahl Photonen, welche zu einem elektrischen Signal beitragen, welches durch ein Bildsensorelement innerhalb eines Pixelbereichs erzeugt wird, zu der Anzahl Photonen, welche auf den Pixelbereich einfallen).
  • Es ist anerkannt, dass die Quantenausbeute von rückseitig belichteten (BSI-)Bildsensoren durch Ätzen eines Silizium-Substrats, um gewinkelte Oberflächen auszubilden, welche einen oder mehrere Diffusoren entlang einer Rückseite des Silizium-Substrats definieren, verbessert werden kann. Die gewinkelten Oberflächen der Diffusoren sind eingerichtet, um eine Reflexion einfallender Strahlung weg von der Rückseite des Silizium-Substrats zu reduzieren und auch um einen Winkel von einfallender Strahlung, welche in das Silizium-Substrat eindringt, zu verändern. Durch Verändern des Winkels von einfallender Strahlung, welche in das Silizium-Substrat eindringt, nimmt die Strahlung einen längeren Weg in dem Silizium-Substrat und erhöht dadurch Absorption und Quantenausbeute.
  • Es ist auch anerkannt, dass eine Quantenausbeute eines Bildsensors durch große Diffusoren um einen größeren Betrag verbessert wird als durch kleine Diffusoren. Anordnen eines großen Diffusors (z. B. eines Diffusors mit einer Breite, welche einer Wellenlänge der NIR-Strahlung ähnlich ist) in einer Mitte eines Pixelbereichs stellt beispielsweise eine bessere Quantenausbeute bereit als mehrere kleine Diffusoren (z. B. Diffusoren mit einer Breite, welche deutlich kleiner ist als eine Wellenlänge der NIR-Strahlung), welche einen gleichen Bereich abdecken. Weil jedoch die Größe von Pixelbereichen oft relativ klein ist (z. B. zwischen ungefähr 2 µm und ungefähr 3 µm), ist eine Fläche eines Pixelbereichs, über welchem große Diffusoren angeordnet werden können, begrenzt. Beispielsweise lässt die Platzierung eines großen Diffusors über einer Mitte eines Pixelbereichs oft keinen Raum für zusätzliche große Diffusoren innerhalb des Pixelbereichs. Während weiterhin ein großer Diffusor, welcher in einer Mitte eines Pixelbereichs angeordnet ist, eine gute Quantenausbeute über kleine Einfallswinkel bereitstellt, stellt der große Diffusor keine gute Quantenausbeute über größere Einfallswinkel bereit. Dies liegt daran, dass sich mit Erhöhen eines Winkels einfallender Strahlung ein Brennpunkt der einfallenden Strahlung von einem zentralen großen Diffusor weg und in Richtung auf eine Peripherie des Pixelbereichs hinbewegt.
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft bei manchen Ausführungsformen einen integrierten Bildsensorchip (IC), welcher ein Substrat mit einer Rückseite umfasst, welche gewinkelte Oberflächen innerhalb eines Pixelbereichs umfasst. Die gewinkelten Oberflächen definieren einen zentralen Diffusor, welcher von mehreren peripheren Diffusoren umgeben ist. Der zentrale Diffusor weist eine größere Abmessung (z. B. Tiefe und/oder Breite) auf als die mehreren peripheren Diffusoren, so dass der zentrale Diffusor in der Lage ist, dem Bildsensor-IC eine gute Quantenausbeute bei kleinen Einfallswinkeln (z. B. zwischen ungefähr -10° und ungefähr 10°) bereitzustellen. Weiterhin sind die mehreren peripheren Diffusoren in der Lage, dem Bildsensor-IC eine gute Quantenausbeute bei größeren Einfallswinkeln (z. B. kleiner als ungefähr -10° und größer als ungefähr 10°) bereitzustellen. Deshalb stellt die Kombination aus dem zentralen Diffusor und den mehreren peripheren Diffusoren zusammen dem Bildsensor-IC eine gute Quantenausbeute über einen breiten Bereich von Einfallswinkeln bereit.
  • 1A illustriert manche Ausführungsformen eines integrierten Bildsensorchips (IC) 100, welcher verschieden bemessene Diffusoren aufweist, welche eingerichtet sind, um einem Bildsensor eine gute Quantenausbeute bereitzustellen.
  • Der Bildsensor-IC 100 umfasst ein Substrat 102 mit einem Pixelbereich 104, welcher von einem oder mehreren Isolationsbereichen 106 umgeben ist. Bei mancher Ausführungsform kann das Substrat 102 Silizium, Germanium, Galliumarsenid oder ein anderes Halbleitermaterial umfassen. Ein Bildsensorelement 108 ist in dem Substrat 102 innerhalb des Pixelbereichs 104 angeordnet. Das Bildsensorelement 108 ist eingerichtet, um einfallende Strahlung (z. B. Photonen) in ein elektrisches Signal umzuwandeln (d. h. Elektron-Loch-Paare aus der einfallenden Strahlung zu erzeugen). Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Bildsensorelement 108 eine Fotodiode, einen Fotodetektor oder dergleichen umfassen.
  • Das Substrat 102 weist eine Vorderseite 102f und eine Rückseite 102b auf. Bei manchen Ausführungsformen können eine oder mehrere Gate-Strukturen 110 entlang der Vorderseite 102f des Substrats 102 und innerhalb des Pixelbereichs 104 angeordnet sein. Bei manchen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Gate-Strukturen 110 einem Übertragungstransistor, einem Source-Folgertransistor, einem Zeilenauswahltransistor und/oder einem Rücksetztransistor entsprechen. Bei manchen Ausführungsformen ist auch eine dielektrische Struktur 112 entlang der Vorderseite 102f des Substrats 102 und auf der einen oder den mehreren Gate-Strukturen 110 eingerichtet. Die dielektrische Struktur 112 umgibt mehrere leitende Verbindungsschichten 114.
  • Die Rückseite 102b des Substrats 102 umfasst mehrere gewinkelte Oberflächen 103a bis 103b innerhalb des Pixelbereichs 104. Bei manchen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren Isolationsbereiche 106 einen oder mehrere Isolationsgräben 107 umfassen, welche in der Rückseite 102b des Substrats 102 eingerichtet sind und den Pixelbereich 104 lateral umgeben. Ein Antireflexmaterial 120 ist entlang der Rückseite 102b des Substrats 102 angeordnet. Das Antireflexmaterial 120 kleidet die mehreren gewinkelten Oberflächen 103a bis 103b aus und erstreckt sich in den einen oder die mehreren Isolationsgräben 107. Ein oder mehrere dielektrische Materialien 122 sind auf dem Antireflexmaterial 120 angeordnet. Das eine oder die mehreren dielektrischen Materialien 122 können sich auch in den einen oder die mehreren Isolationsgräben 107 und unmittelbar zwischen den mehreren gewinkelten Oberflächen 103a bis 103b erstrecken.
  • Ein Farbfilter 124 ist auf dem einen oder den mehreren dielektrischen Materialien 122 eingerichtet. Das Farbfilter 124 ist eingerichtet, um spezifische Wellenlängen der einfallenden Strahlung zu übertragen. Beispielsweise kann das Farbfilter 124 eingerichtet sein, um Strahlung mit Wellenlängen innerhalb eines ersten Bereichs (z. B. entsprechend grünem Licht) zu übertragen, während es Strahlung mit Wellenlängen innerhalb eines zweiten Bereichs (z. B. entsprechend rotem Licht) reflektiert, welcher von dem ersten Bereich verschieden ist, usw. Auf dem Farbfilter 124 ist eine Mikrolinse 126 angeordnet. Bei manchen Ausführungsformen kann die Mikrolinse 126 lateral mit dem Farbfilter 124 ausgerichtet sein und im Wesentlichen über dem Pixelbereich 104 zentriert sein.
  • Die mehreren gewinkelten Oberflächen 103a bis 103b definieren mehrere konisch zulaufende Hohlräume mit verschiedenen Größen. Die mehreren konisch zulaufenden Hohlräume können eingerichtet sein, um als optische Diffusoren und/oder Resonanzhohlräume zu wirken. Bei manchen Ausführungsformen bilden eine oder mehrere erste gewinkelte Oberflächen 103a einen ersten konisch zulaufenden Hohlraum aus, welcher einen zentralen Diffusor 116 definiert, und bilden zweite gewinkelte Oberflächen 103b zweite konisch zulaufende Hohlräume aus, welche mehrere periphere Diffusoren 118 definieren, welche den zentralen Diffusor 116 lateral umgeben. Der zentrale Diffusor 116 weist eine größere Abmessung (z. B. Tiefe und/oder Breite) auf als jeweilige der mehreren peripheren Diffusoren 118. Bei manchen Ausführungsformen kann der zentrale Diffusor 116 unmittelbar über dem Bildsensorelement 108 eingerichtet sein. Bei manchen Ausführungsformen ist der zentrale Diffusor 116 näher an einer Mitte der Mikrolinse 126 als jeweilige der mehreren peripheren Diffusoren 118. Bei manchen Ausführungsformen ist der zentrale Diffusor 116 unmittelbar unter der Mitte der Mikrolinse 126 angeordnet.
  • Beim Betrieb ist die Mikrolinse 126 eingerichtet, um die einfallende Strahlung 128 (z. B. Strahlung im nahen Infrarotbereich) in Richtung auf das Bildsensorelement 108 zu fokussieren. Für einfallende Strahlung 128, welche in einem Winkel auf das Substrat 102 auftrifft, welcher größer ist als ein kritischer Winkel, können die mehreren gewinkelten Oberflächen 103a bis 103b wirken, um die einfallende Strahlung 128 auf den zentralen Diffusor 116 oder auf die mehreren peripheren Diffusoren 2 zu reflektieren, wo ein Anteil der einfallenden Strahlung 128 auf eine andere Oberfläche des Substrats 102 auftreffen und nachfolgend in das Substrat 102 eindringen kann. Weil die einfallende Strahlung 128 von mehreren gewinkelten Oberflächen des Substrats 102 reflektiert wird, dringt die einfallende Strahlung 128 mit verschiedenen Winkeln in das Substrat 102 ein (z. B. wird die einfallende Strahlung 128 gestreut). Die verschiedenen Winkel ermöglichen, dass etwas der einfallenden Strahlung 128 mit Winkeln in das Substrat 102 eindringt, welche eine Weglänge der einfallenden Strahlung 128 in dem Substrat 102 erhöhen. Durch Erhöhen einer Weglänge der einfallenden Strahlung 128 in dem Substrat 102 wird eine Absorption der einfallenden Strahlung 128 durch das Substrat 102 erhöht.
  • Der Brennpunkt der einfallenden Strahlung 128 verändert sich (z. B. bewegt sich lateral) in Abhängigkeit von einem Einfallswinkel θ der einfallenden Strahlung 128. Beispielsweise fokussiert die Mikrolinse 126 bei kleinen Einfallswinkeln θ die einfallende Strahlung 128 in Richtung auf den zentralen Diffusor 116, während die Mikrolinse 126 bei größeren Einfallswinkeln θ die einfallende Strahlung 128 in Richtung auf einen oder mehrere der mehreren peripheren Diffusoren 118 fokussieren kann. Der zentrale Diffusor 116 ermöglicht, dass das Substrat 102 die einfallende Strahlung 128 bei kleinen Einfallswinkeln wirksam absorbiert, während die mehreren peripheren Diffusoren 118 statt dem zentralen Diffusor 116 ermöglichen, dass das Substrat 102 Strahlung bei einem großen Einfallswinkel wirksam absorbiert. Deshalb stellt Umgeben des zentralen Diffusors 116 mit den mehreren peripheren Diffusoren 118 dem Bildsensorelement 108 eine gute Quantenausbeute über einen großen Bereich von Einfallswinkeln bereit.
  • 2A bis 2C illustrieren manche Ausführungsformen eines beispielhaften Betriebs eines offenbarten Bildsensor-IC, welcher einfallende Strahlung über einen Bereich von Einfallswinkeln empfängt. Es ist anerkannt, dass die in 2A bis 2B gezeigte einfallende Strahlung als ein vereinfachtes Strahlendiagramm illustriert ist und vorgesehen ist, um eine Wirkung einer Mikrolinse auf die einfallende Strahlung zu repräsentieren, welche in verschiedenen Winkeln orientiert ist. Die einfallende Strahlung illustriert keine anderen Veränderungen, welche in der einfallenden Strahlung auftreten können (z. B. Reflexion der einfallenden Strahlung an dem Substrat 102, Brechung der einfallenden Strahlung an dem Substrat 102 usw.).
  • 2A illustriert eine Querschnittsansicht 200 von manchen Ausführungsformen eines offenbarten Bildsensor-IC, welcher einfallende Strahlung bei einem ersten Einfallswinkel empfängt.
  • Wie in der Querschnittsansicht 200 gezeigt, umfasst der Bildsensor-IC ein Bildsensorelement 108, welches innerhalb eines Pixelbereichs 104 eines Substrats 102 angeordnet ist. Ein zentraler Diffusor 116 und mehrere periphere Diffusoren 118 sind entlang einer Rückseite 102b des Substrats 102 angeordnet. Eine Mikrolinse 126 ist auch auf der Rückseite 102b des Substrats 102 angeordnet.
  • Die Mikrolinse 126 empfängt einfallende Strahlung 202 bei einem ersten Einfallswinkel θ1 (gemessen hinsichtlich einer optischen Achse 203) und fokussiert die einfallende Strahlung 202 in Richtung auf einen ersten Punkt 204 innerhalb eines zentralen Teils des Pixelbereichs 104. Wenn der erste Einfallswinkel θ1 größer ist als 0° (d. h. wenn die einfallende Strahlung 202 nicht parallel zu der optischen Achse 203 ist), ist der erste Punkt 204 auf einer Brennebene 205 an einem Punkt angeordnet, welcher lateral von der optischen Achse 203 separiert ist. Weil der erste Punkt 204 innerhalb eines zentralen Teils des Pixelbereichs 104 ist, wird eine große Menge der einfallenden Strahlung 202 durch den zentralen Diffusor 116 empfangen. Deshalb ist der zentrale Diffusor 116 in der Lage, dem Bildsensorelement 108 eine gute Quantenausbeute bereitzustellen, wenn einfallende Strahlung 202 bei dem ersten Einfallswinkel θ1 empfangen wird.
  • 2B illustriert eine Querschnittsansicht 206 von manchen Ausführungsformen eines offenbarten Bildsensor-IC, welcher einfallende Strahlung bei einem zweiten Einfallswinkel empfängt, welcher größer ist als der erste Einfallswinkel.
  • Wie in der Querschnittsansicht 206 gezeigt, empfängt die Mikrolinse 126 einfallende Strahlung 208 bei einem zweiten Einfallswinkel 82, welcher größer ist als der erste Einfallswinkel (81 der 2A). Die Mikrolinse 126 fokussiert die einfallende Strahlung 208 in Richtung auf einen zweiten Punkt 210. Weil der zweite Einfallswinkel 82 größer ist als der erste Einfallswinkel 0i, ist der zweite Punkt 210 auf der Brennebene 205 in einem größeren Abstand von der optischen Achse 203 angeordnet als der erste Punkt (204 der 2A), was dazu führt, dass der zweite Punkt 210 näher an einem Rand des Pixelbereichs 104 ist als der erste Punkt (204 der 2A). Weil der zweite Punkt 210 näher an einem Rand des Pixelbereichs 104 ist als der erste Punkt (204 der 2A), wird mehr der einfallenden Strahlung 208 durch die mehreren peripheren Diffusoren 118 empfangen als durch den zentralen Diffusor 116. Deshalb sind die mehreren peripheren Diffusoren 118 in der Lage, dem Bildsensorelement 108 eine gute Quantenausbeute bereitzustellen, wenn einfallende Strahlung 208 bei einem zweiten Einfallswinkel θ2 empfangen wird, welcher größer ist als der erste Einfallswinkel θ1.
  • 2C illustriert ein Schaubild 212, welches manche Ausführungsformen beispielhafter Quantenausbeuten eines offenbarten Bildsensor-IC als eine Funktion eines Einfallswinkels von einfallender Strahlung zeigt.
  • Wie in dem Schaubild 212 gezeigt, weist ein Bildsensor-IC mit einem großen zentralen Diffusor in einer Mitte eines Pixelbereichs eine Quantenausbeute 214 auf, welche durch eine erste Linie gezeigt ist, während ein Bildsensor-IC mit einer Matrix von kleineren Diffusoren über einem Pixelbereich eine Quantenausbeute 216 aufweist, welche durch eine zweite Linie gezeigt ist. Innerhalb eines Einfallswinkels, welcher zwischen ungefähr -10° und ungefähr 10° liegt, ist die Quantenausbeute 214, welche durch den großen zentralen Diffusor bereitgestellt wird, größer als die Quantenausbeute 216, welche durch die Matrix von kleineren Diffusoren bereitgestellt wird, während bei einem Einfallswinkel, welcher größer ist als ungefähr 10° und welcher kleiner ist als ungefähr -10°, die Quantenausbeute 216, welche durch die Matrix von kleineren Diffusoren bereitgestellt wird, größer ist als die Quantenausbeute 216, welche durch den großen zentralen Diffusor bereitgestellt wird.
  • Die Linie 218 zeigt eine Quantenausbeute eines Bildsensor-IC mit einem Pixelbereich mit einem großen zentralen Diffusor, welcher von mehreren peripheren Diffusoren umgeben ist (z. B. wie in 2A gezeigt). Der große zentrale Diffusor ermöglicht, dass der Bildsensor-IC einfallende Strahlung bei kleinen Einfallswinkeln mit einer guten Quantenausbeute absorbiert. Bei manchen Ausführungsformen weist eine Quantenausbeute des Bildsensor-IC einen Maximalwert von mehr als ungefähr 50 % bei einem Einfallswinkel in einem Bereich zwischen ungefähr -10° und ungefähr 10° auf. Weiterhin ermöglichen die mehreren peripheren Diffusoren dem Bildsensor-IC auch, einfallende Strahlung bei großen Einfallswinkeln mit einer guten Quantenausbeute zu absorbieren. Wie in der Linie 218 gezeigt, kann der Bildsensor-IC beispielsweise eine Quantenausbeute aufweisen, welche größer ist als ungefähr 45 % für einfallende Strahlung mit einem Einfallswinkel, welcher zwischen ungefähr -20° und ungefähr 20° liegt. Dementsprechend ist der offenbarter Bildsensor-IC in der Lage, eine gute Quantenausbeute über einen breiten Bereich von Einfallswinkeln bereitzustellen.
  • Es ist anerkannt, dass zusätzlich zum Bereitstellen einer guten Quantenausbeute über einen breiten Bereich von Einfallswinkeln die offenbarten verschieden bemessenen Diffusoren auch in der Lage sind, den Bildsensor-ICs eine gute Quantenausbeute bereitzustellen, welche Mikrolinsen mit verschiedenen Blendenwerten (d. h. einem Verhältnis einer Mikrolinsenbrennweite zu einem Durchmesser der Mikrolinse) und/oder eine Mikrolinse mit einem anpassbaren Blendenwert aufweisen. Dies liegt daran, dass der Blendenwert einer Mikrolinse beeinflusst, wie einfallende Strahlung auf einen Pixelbereich einer Halbleiterstruktur fokussiert wird.
  • 3A bis 3B illustrieren Querschnittsansichten von manchen Ausführungsformen offenbarter Bildsensor-ICs, welche Mikrolinsen mit verschieden Blendenwerten (d. h. Blendenwertverhältnissen) aufweisen. Es ist anerkannt, dass die in 3A bis 3B gezeigte einfallende Strahlung als ein vereinfachtes Strahlendiagramm illustriert ist und vorgesehen ist, um eine Wirkung einer Mikrolinse, welche verschiedene Blendenwerte aufweist, auf die einfallende Strahlung zu repräsentieren. Die einfallende Strahlung illustriert keine anderen Veränderungen, welche in der einfallenden Strahlung auftreten können (z. B. Reflexion der einfallenden Strahlung an dem Substrat 102, Brechung der einfallenden Strahlung an dem Substrat 102 usw.).
  • Wie in der Querschnittsansicht 300 der 3A gezeigt, ist eine erste Mikrolinse 302 mit einem ersten Blendenwert entlang einer Rückseite 102b eines Substrats 102 angeordnet, welches ein Bildsensorelement 108 aufweist. Der erste Blendenwert ist durch eine erste Brennweite und einen ersten Durchmesser der ersten Mikrolinse 302 definiert. Die erste Mikrolinse 302 empfängt einfallende Strahlung 304 und fokussiert die einfallende Strahlung 304 in Richtung auf einen ersten Brennpunkt 306 innerhalb eines zentralen Teils eines Pixelbereichs 104.
  • Die gekrümmte Oberfläche der Mikrolinse 126 verändert eine Richtung der einfallenden Strahlung 304 in einen Winkel, welcher zu einem lateralen Abstand von einer Mitte der Mikrolinse 126 proportional ist. Deshalb bewirkt die erste Mikrolinse 302 mit dem ersten Blendenwert, dass die einfallende Strahlung 304 über einen ersten Winkelbereich fokussiert wird, welcher bewirkt, dass die einfallende Strahlung 304 in einem ersten Bereich 308 konvergiert, welcher bewirkt, dass eine große Menge der einfallenden Strahlung 202 durch den zentralen Diffusor 116 empfangen wird. Dementsprechend ist der zentrale Diffusor 116 in der Lage, dem Bildsensorelement 108 eine gute Quantenausbeute bereitzustellen, wenn die erste Mikrolinse 302 einen ersten Blendenwert aufweist.
  • Wie in der Querschnittsansicht 310 der 3B gezeigt, weist eine zweite Mikrolinse 312 einen zweiten Blendenwert auf, welcher kleiner ist als der erste Blendenwert. Die zweite Mikrolinse 312 empfängt einfallende Strahlung 314 und fokussiert die einfallende Strahlung 314 in Richtung auf einen zweiten Brennpunkt 316 innerhalb eines zentralen Teils des Pixelbereichs 104. Weil der zweite Blendenwert kleiner ist als der erste Blendenwert, wird die einfallende Strahlung 314 über einen zweiten Winkelbereich fokussiert, welcher bewirkt, dass die einfallende Strahlung 314 in einem zweiten Bereich 318 konvergiert, welcher größer ist als der erste Bereich (308 der 3A). Da der zweite Bereich 318 größer ist als der erste Bereich, wird eine große Menge der einfallenden Strahlung 202 durch die mehreren peripheren Diffusoren 118 empfangen. Deshalb sind die mehreren peripheren Diffusoren 118 in der Lage, dem Bildsensorelement 108 eine gute Quantenausbeute bereitzustellen, wenn die zweite Mikrolinse 312 einen zweiten Blendenwert aufweist, welcher kleiner ist als der erste Blendenwert.
  • 3C illustriert ein Schaubild 320, welches eine Quantenausbeute als eine Funktion des Einfallswinkels zeigt. Wie in dem Schaubild 320 gezeigt, weist ein Bildsensor-IC mit einem großen zentralen Diffusor in einer Mitte eines Pixelbereichs eine Quantenausbeute 214 auf, welche durch eine erste Linie gezeigt ist, während ein Bildsensor-IC mit einer Matrix von kleineren Diffusoren über einem Pixelbereich eine Quantenausbeute 216 aufweist, welche durch eine zweite Linie gezeigt ist. Die Linie 218 zeigt eine Quantenausbeute eines Bildsensor-IC mit einem Pixelbereich mit einem großen zentralen Diffusor, welcher von mehreren peripheren Diffusoren umgeben ist (z. B. wie in 3A gezeigt).
  • Wie auch durch das Schaubild 320 gezeigt, überspannt einfallende Strahlung, welche durch die erste Mikrolinse (z. B. 302) in dem ersten Bereich (z. B. 308) fokussiert wird, einen ersten Bereich von Einfallswinkeln 322, während einfallende Strahlung, welche durch die zweite Mikrolinse (z. B. 312) in dem zweiten Bereich (z. B. 318) fokussiert wird, einen zweiten Bereich von Einfallswinkeln 324 überspannt, welcher größer ist als der erste Bereich von Einfallswinkeln 322. Bei manchen Ausführungsformen kann der erste Bereich von Einfallswinkeln 322 zwischen ungefähr -10° und ungefähr 10° liegen, während der zweite Bereich von Einfallswinkeln 324 zwischen ungefähr -30° und ungefähr 300 liegen kann. Weil der zentrale Diffusor in der Lage ist, bei Einfallswinkeln zwischen ungefähr -10° und ungefähr 10° eine gute Quantenausbeute bereitzustellen, ist der offenbarte Bildsensor-IC in der Lage, Mikrolinsen mit einem großen Blendenwert (z. B. einem Blendenwert von ungefähr f/3 oder mehr) eine gute Quantenausbeute bereitzustellen. Weil weiterhin die mehreren peripheren Diffusoren 118 in der Lage sind, bei größeren Einfallswinkeln eine gute Quantenausbeute bereitzustellen, ist der offenbarte Bildsensor-IC auch in der Lage, Mikrolinsen mit kleineren Blendenwerten (z. B. einem Blendenwert von ungefähr f/o,9 oder mehr) eine gute Quantenausbeute bereitzustellen. Beispielsweise können bei manchen Ausführungsformen die verschieden bemessenen Diffusoren einem Bildsensor-IC eine Quantenausbeute von mehr als ungefähr 35 % für nahe infrarote Strahlung mit Mikrolinsen bereitstellen, welche Blendenwerte von mehr als ungefähr f/0,9 aufweisen.
  • 4A illustriert eine Querschnittsansicht einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines Bildsensor-IC 400 mit verschieden bemessenen Diffusoren.
  • Der Bildsensor-IC umfasst ein Bildsensorelement 108, welches innerhalb eines Pixelbereichs 104 eines Substrats 102 angeordnet ist. Mehrere leitende Verbindungsschichten 114 sind in einer dielektrischen Struktur 112 angeordnet, welche entlang einer Vorderseite 102f des Substrats 102 eingerichtet ist. Bei manchen Ausführungsformen umfasst die dielektrische Struktur 112 mehrere gestapelte Zwischenschichtdielektrikumsschichten (ILD-Schichten) 402a bis 402c. Die mehreren leitenden Verbindungsschichten 114 umfassen alternierende Schichten von Durchkontaktleitern und leitenden Drähte, welche in den mehreren gestapelten ILD-Schichten 402a bis 402c eingerichtet sind und elektrisch mit mehreren Gate-Strukturen 110 verbunden sind. Bei manchen Ausführungsformen können Ätzstoppschichten 404a bis 404b zwischen benachbarten der mehreren gestapelten ILD-Schichten 402a bis 402c eingerichtet sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die mehreren gestapelten ILD-Schichten 402a bis 402c einen oder mehrere Stoffe der Gruppe umfassen, bestehend aus Siliziumdioxid, dotiertem Siliziumdioxid (z. B. mit Kohlenstoff dotiertem Siliziumdioxid), Siliziumoxinitrid, Borsilikat-Glas (BSG), Phosphorsilikat-Glas (PSG), Bor-Phosphorsilikat-Glas (BPSG), fluoriertes Silikat-Glas (FSG) oder dergleichen. Bei manchen Ausführungsformen können die Ätzstoppschichten 404a bis 404b Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Titannitrid, Tantalnitrid oder dergleichen umfassen. Bei manchen Ausführungsformen können die mehreren leitenden Verbindungsschichten 114 Wolfram, Kupfer, Aluminium oder dergleichen umfassen.
  • Eine Rückseite 102b des Substrats 102 umfasst gewinkelte Oberflächen 103 innerhalb des Pixelbereichs 104. Die gewinkelten Oberflächen 103 definieren einen zentralen Diffusor 116, welcher von mehreren peripheren Diffusoren 118 umgeben ist. Bei manchen Ausführungsformen weist der zentrale Diffusor 116 eine erste maximale Tiefe 406 auf und weisen die mehreren peripheren Diffusoren 118 eine oder mehrere zweite maximale Tiefen 408 auf, welche kleiner sind als die erste maximale Tiefe 406. Bei manchen Ausführungsformen umfasst das Substrat 102 eine im Wesentlichen ebene Oberfläche 101 zwischen dem zentralen Diffusor 116 und den mehreren peripheren Diffusoren 118. Bei anderen Ausführungsformen kann der zentrale Diffusor 116 die mehreren peripheren Diffusoren 118 unmittelbar kontaktieren, so dass keine Entfernung den zentralen Diffusor 116 und die mehreren peripheren Diffusoren 118 trennt.
  • Bei manchen Ausführungsformen kann eine erste maximale Tiefe 406 zwischen ungefähr 100 % und ungefähr 250 % der einen oder der mehreren zweiten maximalen Tiefen 408 betragen. Bei manchen Ausführungsformen kann die erste maximale Tiefe 406 in einem Bereich zwischen ungefähr 0,5 µm und ungefähr 0,7 µm, zwischen ungefähr 0,7 µm und ungefähr 1,2 µm oder bei anderen geeigneten Werten liegen. Bei manchen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren zweiten maximalen Tiefen 408 in einem Bereich zwischen ungefähr 0,3 µm und ungefähr 0,5 µm, zwischen ungefähr 0,5 µm und ungefähr 1 µm oder bei anderen geeigneten Werten liegen.
  • Bei manchen Ausführungsform können die gewinkelten Oberflächen 103 des Substrats 102, welche den zentralen Diffusor 116 definieren, einen ersten Winkel α hinsichtlich der Rückseite 102b des Substrats 102 ausbilden. Bei manchen Ausführungsform können die gewinkelten Oberflächen 103 des Substrats 102, welche die mehreren peripheren Diffusoren 118 definieren, einen zweiten Winkel β hinsichtlich der Rückseite 102b des Substrats 102 ausbilden. Bei manchen Ausführungsformen ist der erste Winkel α im Wesentlichen gleich dem zweiten Winkel β. Bei manchen Ausführungsformen können der erste Winkel α und der zweite Winkel β in einem Bereich zwischen ungefähr 135° und ungefähr 145° liegen. Bei anderen Ausführungsformen kann der erste Winkel α von dem zweiten Winkel β verschieden sein.
  • Ein oder mehrere Isolationsgräben 107 erstrecken sich von einer Rückseite 102b des Substrats 102 in das Substrat 102. Der eine oder die mehreren Isolationsgräben 107 erstrecken sich bis zu einer dritten maximalen Tiefe in das Substrat 102, welche größer ist als sowohl die erste maximale Tiefe 406 als auch die eine oder die mehreren zweiten maximalen Tiefen 408. Bei manchen Ausführungsformen können sich der eine oder die mehreren Isolationsgräben 107 vollständig durch das Substrat 102 erstrecken. Bei manchen Ausführungsformen weisen der eine oder die mehreren Isolationsgräben 107 Seitenwände auf, welche mit einem kleineren Seitenwandwinkel hinsichtlich der Rückseite 102b des Substrats 102 gewinkelt sind als die gewinkelten Oberflächen 103. Bei manchen derartigen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren Isolationsgräben 107 eine trapezförmige Gestalt aufweisen, wie entlang einer Querschnittsansicht gesehen. Bei manchen Ausführungsformen kann sich eine im Wesentlichen ebene Oberfläche zwischen den mehreren peripheren Diffusoren 118 und dem einen oder den mehreren Isolationsgräben 107 erstrecken.
  • Ein Antireflexmaterial 120 ist entlang der Rückseite 102b des Substrats 102 angeordnet und kann sich weiter bis in den einen oder die mehreren Isolationsgräben 107 hinein erstrecken. Bei manchen Ausführungsformen kann das Antireflexmaterial 120 ein dielektrisches Material mit hohem k-Wert umfassen. Eine erste dielektrische Schicht 410 ist über dem Antireflexmaterial 120 eingerichtet. Die erste dielektrische Schicht 410 erstreckt sich in den einen oder die mehreren Isolationsgräben 107 hinein, um Isolationsstrukturen (z. B. eine rückseitige Tiefgrabenisolationsstruktur) auf gegenüberliegenden Seiten des Pixelbereichs 104 zu definieren. Bei einer Ausführungsform kann die erste dielektrische Schicht 410 ein Oxid (z. B. Siliziumoxid), ein Nitrid (z. B. Siliziumnitrid) oder dergleichen umfassen.
  • Bei manchen Ausführungsformen sind ein oder mehrere Gitterelemente 412 über der ersten dielektrischen Schicht 410 angeordnet. Das eine oder die mehreren Gitterelemente 412 sind eingerichtet, um eine Kreuzkopplung zwischen benachbarten Pixelbereichen durch Blockieren der lateralen Ausbreitung von Strahlung zu reduzieren. Bei manchen Ausführungsform können das eine oder die mehreren Gitterelemente 412 ein Metall (z. B. Aluminium, Kobalt, Kupfer, Silber, Gold, Wolfram usw.) und/oder ein dielektrisches Material (z. B. SiO2, SiN usw.) umfassen.
  • Eine zweite dielektrische Schicht 414 ist über der ersten dielektrischen Schicht 410 und dem einen oder den mehreren Gitterelementen 412 angeordnet. Bei manchen Ausführungsformen kann die zweite dielektrische Schicht 414 ein Oxid (z. B. Siliziumoxid), ein Nitrid (z. B. Siliziumnitrid) oder dergleichen umfassen. Bei manchen Ausführungsformen sind die erste dielektrische Schicht 410 und die zweite dielektrische Schicht 414 ein gleiches Material. Bei anderen Ausführungsformen können die erste dielektrische Schicht 410 und die zweite dielektrische Schicht 414 verschiedene Materialien umfassen. Ein Farbfilter 124 ist auf der zweiten dielektrischen Schicht 414 eingerichtet, und eine Mikrolinse 126 ist auf dem Farbfilter 124 eingerichtet. Bei manchen Ausführungsformen kann die Mikrolinse 126 eine Länge und eine Breite 416 aufweisen, welche in einem Bereich zwischen ungefähr 2 µm und ungefähr 3 µm, zwischen ungefähr 1,5 µm und ungefähr 2 µm oder bei anderen geeigneten Werten liegen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Mikrolinse 126 eine Höhe 418 aufweisen, welche in einem Bereich zwischen ungefähr 1 µm und ungefähr 1,5 µm, zwischen ungefähr 0,5 µm und ungefähr 1 µm oder bei anderen geeigneten Werten liegt.
  • 4B illustriert eine Draufsicht 420 des Bildsensor-IC 400 der 4A. Die Querschnittsansicht der 4A ist entlang Querschnittsansicht A-A' der 4B genommen.
  • Wie in der Draufsicht 420 gezeigt, sind die mehreren peripheren Diffusoren 118 zwischen dem zentralen Diffusor 116 und einem Umfang des Pixelbereichs 104 eingerichtet, so dass der zentrale Diffusor 116 näher an einer Mitte des Pixelbereichs 104 ist als die mehreren zentralen Diffusoren 116. Bei manchen Ausführungsformen können die mehreren peripheren Diffusoren 118 entlang gegenüberliegenden Seiten des zentralen Diffusors 116 entlang einer ersten Richtung 422 und/oder entlang einer zweiten Richtung 424, welche senkrecht zu der ersten Richtung 422 ist, eingerichtet sein. Bei manchen Ausführungsformen können die mehreren peripheren Diffusoren 118 um eine Mitte des zentralen Diffusors 116 herum im Wesentlichen symmetrisch sein. Bei anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) können die mehreren peripheren Diffusoren 118 um die Mitte des zentralen Diffusors 116 herum asymmetrisch sein. Bei manchen Ausführungsformen erstreckt sich der zentrale Diffusor 116 lateral über gegenüberliegende Seiten eines ersten der mehreren peripheren Diffusoren 118 entlang der ersten Richtung 422 hinaus und erstreckt sich lateral über gegenüberliegende Seiten eines zweiten der mehreren peripheren Diffusoren 118 entlang der zweiten Richtung 424 hinaus.
  • Bei manchen Ausführungsformen ist der zentrale Diffusor 116 über einer Mitte eines Pixelbereichs 104 eingerichtet. Bei manchen zusätzlichen Ausführungsformen kann der zentrale Diffusor 116 im Wesentlichen über dem Pixelbereich 104 zentriert sein. Bei manchen Ausführungsformen können der zentrale Diffusor 116 und die mehreren peripheren Diffusoren 118 pyramidal geformte Hohlräume umfassen (z. B. eine quadratische Pyramide, eine rechteckige Pyramide, eine dreieckige Pyramide). Bei anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) können der zentrale Diffusor 116 und die mehreren peripheren Diffusoren 118 einen konisch geformten Hohlraum, einen schalenförmigen Hohlraum oder dergleichen umfassen. Bei manchen Ausführungsformen ist der zentrale Diffusor 116 durch eine oder mehrere erste gewinkelte Oberflächen definiert, welche sich in einem Punkt treffen, welcher an einem Boden des zentralen Diffusors 116 ist, und sind die mehreren peripheren Diffusoren 118 durch eine oder mehrere zweite gewinkelte Oberflächen definiert, welche sich in einem Punkt treffen, welcher an einem Boden eines der mehreren peripheren Diffusoren 118 ist.
  • Der zentrale Diffusor 116 weist eine erste maximale Breite 426 auf. Die mehreren peripheren Diffusoren 118 weisen eine zweite maximale Breite 428 auf, welche kleiner ist als die erste maximale Breite 426. Bei manchen Ausführungsformen kann eine erste maximale Breite 426 zwischen 100 % und ungefähr 250 % der zweiten maximalen Breite 428 betragen. Beispielsweise kann bei manchen Ausführungsformen die erste maximale Breite 426 in einem Bereich zwischen ungefähr 1 µm und ungefähr 1,5 µm, zwischen ungefähr 1,5 µm und ungefähr 2,5 µm oder bei anderen geeigneten Werten liegen. Bei manchen Ausführungsformen kann die zweite maximale Breite 428 eine Tiefe aufweisen, welche in einem Bereich zwischen ungefähr 0,5 µm und ungefähr 1 µm, zwischen ungefähr 1 µm und ungefähr 2 µm oder bei anderen geeigneten Werten liegt.
  • Obwohl 4A bis 4B einen einzelnen Pixelbereich illustrieren, ist es anerkannt, dass der in 4A bis 4B gezeigte Pixelbereich Teil einer Matrix sein kann, welche mehrere Pixelbereiche umfasst. Bei manchen Ausführungsformen kann eine derartige Pixelmatrix Mikrolinsen mit einem gleichen Blendenwert aufweisen. Bei anderen Ausführungsformen kann eine derartige Pixelmatrix Mikrolinsen mit verschiedenen Blendenwerten aufweisen.
  • 5A illustriert einige zusätzliche Ausführungsformen einer Querschnittsansicht eines Bildsensor-IC 500 mit verschieden bemessenen Diffusoren.
  • Der Bildsensor-IC 500 umfasst ein Bildsensorelement 108, welches in einem Substrat 102 angeordnet ist. Bei manchen Ausführungsformen kann das Substrat 102 einen ersten Dotierungstyp (z. B. eine p-leitende Dotierung) aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen umfasst das Bildsensorelement 108 eine Fotodiode, welche einen dotierten Bereich 502 mit einem zweiten Dotierungstyp (z. B. einer n-leitenden Dotierung) aufweist. Das Bildsensorelement 108 ist lateral von einem Float-Diffusionsbereich 504 separiert, welcher in dem Substrat 102 angeordnet ist. Bei manchen Ausführungsformen kann der Float-Diffusionsbereich 504 den zweiten Dotierungstyp (z. B. die n-leitende Dotierung) aufweisen.
  • Eine Gate-Struktur 110 ist über dem Substrat 102 an einem Ort zwischen dem Bildsensorelement 108 und dem Float-Diffusionsbereich 504 angeordnet. Die Gate-Struktur 110 umfasst eine leitende Gate-Elektrode 506, welche durch ein Gate-Dielektrikum 508 von dem Substrat 102 getrennt ist. Bei manchen Ausführungsformen sind ein oder mehrere Seitenwandabstandshalter 510 entlang gegenüberliegenden Seiten der leitenden Gate-Elektrode 506 angeordnet.
  • Bei manchen Ausführungsformen umfasst die leitende Gate-Elektrode 506 Polysilizium. Bei derartigen Ausführungsformen kann das Gate-Dielektrikum 508 ein dielektrisches Material umfassen, wie beispielsweise ein Oxid (z. B. Siliziumdioxid), ein Nitrid (z. B. Siliziumnitrid) oder dergleichen. Bei anderen Ausführungsformen kann die leitende Gate-Elektrode 506 ein Metall umfassen, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Titan, Tantal, Wolfram, Molybdän, Kobalt oder dergleichen. Bei derartigen Ausführungsformen kann das Gate-Dielektrikum 508 ein dielektrisches Material mit hohem k-Wert umfassen, wie beispielsweise Hafniumoxid, Hafnium-Siliziumoxid, Hafnium-Tantaloxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder dergleichen. Bei manchen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren Seitenwandabstandshalter 510 ein Oxid, ein Nitrid, ein Carbid oder dergleichen umfassen.
  • Beim Betrieb erzeugt elektromagnetische Strahlung (z. B. Photonen), welche auf das Bildsensorelement 108 auftrifft, Ladungsträger 512, welche in dem dotierten Bereich 502 gesammelt werden. Wenn die Gate-Struktur 110 (welche eingerichtet ist, um als ein Übertragungstransistor zu arbeiten) eingeschaltet wird, werden die Ladungsträger 512 in dem dotierten Bereich 502 an den Float-Diffusionsbereich 504 als ein Ergebnis einer Potenzialdifferenz übertragen, welche zwischen dem dotierten Bereich 502 und dem Float-Diffusionsbereich 504 vorhanden ist. Die Ladungen werden durch einen Source-Folgertransistor 516 in Spannungssignale umgewandelt. Ein Zeilenauswahltransistor 518 wird zum Adressieren verwendet. Vor der Ladungsübertragung wird der Float-Diffusionsbereich 504 auf einen vorbestimmten geringen Ladungszustand eingestellt, indem ein Rücksetztransistor 514 eingeschaltet wird, welcher bewirkt, dass Elektronen in dem Float-Diffusionsbereich 504 in eine Spannungsquelle (VDD) fließen. Obwohl der Pixelbereich der 5A mit einem Übertragungstransistor beschrieben ist, welcher in dem Substrat 102 angeordnet ist, ist es anerkannt, dass der Rücksetztransistor 514, der Source-Folgertransistor 516 und der Zeilenauswahltransistor 518 auch in dem Substrat 102 eingerichtet sein können.
  • 5B illustriert eine Draufsicht 520 mancher Ausführungsformen des Bildsensor-IC 500 der 5A. Es ist anerkannt, dass die Draufsicht 520 ausgewählte Komponenten des Bildsensor-IC 500 zeigt, während andere Komponenten ausgeschlossen sind, um die Figur klarzustellen.
  • Wie in der Draufsicht 520 gezeigt, erstreckt sich ein Isolationsbereich 106 als eine durchgehende Struktur um den Pixelbereich 104 herum. Der Pixelbereich 104 umfasst eine erste Gate-Struktur 522, welche dem Übertragungstransistor zugeordnet ist, eine zweite Gate-Struktur 524, welche dem Rücksetztransistor zugeordnet ist, eine dritte Gate-Struktur 526, welche einem Source-Folgertransistor zugeordnet ist, und eine vierte Gate-Struktur 528, welche einem Zeilenauswahltransistor zugeordnet ist. Das Bildsensorelement 108 erstreckt sich über eine Mitte des Pixelbereichs 104. Ein zentraler Diffusor 116 ist über dem Bildsensorelement 108 angeordnet. Einer oder mehrere von mehreren peripheren Diffusoren 118 sind auch über dem Bildsensorelement 108 angeordnet.
  • 6 illustriert eine Draufsicht einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines Bildsensor-IC 600 mit verschieden bemessenen Diffusoren.
  • Der Bildsensor-IC 600 umfasst einen zentralen Diffusor 116, welcher lateral von mehreren peripheren Diffusoren 118 umgeben ist. Bei manchen Ausführungsformen ist der zentrale Diffusor 116 im Wesentlichen innerhalb eines Pixelbereichs 104 zentriert. Bei manchen Ausführungsformen sind einer oder mehrere der mehreren peripheren Diffusoren 118 entlang einer ersten Linie 602 angeordnet, welche den zentralen Diffusor 116 halbiert, und einer oder mehrere der mehreren peripheren Diffusoren 118 sind entlang einer zweiten Linie 604 angeordnet, welche zu der ersten Linie 602 senkrecht ist und welche den zentralen Diffusor 116 halbiert. Bei manchen Ausführungsformen halbiert die erste Linie 602 ein erstes Paar gegenüberliegender Seiten des zentralen Diffusors 116 und halbiert die zweite Linie 604 ein zweites Paar gegenüberliegender Seiten des zentralen Diffusors 116, welches von dem ersten Paar gegenüberliegender Seiten des zentralen Diffusors 116 verschieden ist.
  • 7 illustriert eine Draufsicht einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines Bildsensor-IC 700 mit verschiedenen Diffusoren.
  • Der Bildsensor-IC 700 umfasst einen zentralen Diffusor 116, welcher lateral von mehreren peripheren Diffusoren 118 umgeben ist. Bei manchen Ausführungsformen ist der zentrale Diffusor 116 im Wesentlichen innerhalb eines Pixelbereichs 104 zentriert. Bei manchen Ausführungsformen sind einer oder mehrere der mehreren peripheren Diffusoren 118 entlang einer dritten Linie 702 angeordnet, welche den zentralen Diffusor 116 halbiert, und einer oder mehrere der mehreren peripheren Diffusoren 118 sind entlang einer vierten Linie 704 angeordnet, welche zu der dritten Linie 702 senkrecht ist und welche den zentralen Diffusor 116 halbiert. Bei manchen Ausführungsformen erstreckt sich die dritte Linie 702 durch ein erstes Paar von Ecken des zentralen Diffusors 116 und halbiert die vierte Linie 704 ein zweites Paar von Ecken des zentralen Diffusors 116, welches von dem ersten Paar von Ecken des zentralen Diffusors 116 verschieden ist.
  • Obwohl 6 bis 7 Halbleiterstrukturen mit einem einzelnen großen Hohlraum innerhalb eines Pixelbereichs illustrieren, ist es anerkannt, dass bei manchen alternativen Ausführungsformen die offenbarte Halbleiterstruktur mehrere große Hohlräume innerhalb eines Pixelbereichs aufweisen kann. Beispielsweise illustriert 8A eine Querschnittsansicht einiger zusätzlicher Ausführungsformen eines Bildsensor-IC 800 mit verschieden bemessenen Diffusoren.
  • Der Bildsensor-IC 800 umfasst einen Pixelbereich 104, welcher von einem Isolationsbereich 106 umgeben ist. Mehrere zentrale Diffusoren 802 sind innerhalb eines zentralen Abschnitts des Pixelbereichs 104 angeordnet. Die mehreren zentralen Diffusoren 802 sind von mehreren peripheren Diffusoren 118 umgeben, welche innerhalb eines peripheren Abschnitts des Pixelbereichs 104 angeordnet sind. Die mehreren zentralen Diffusoren 802 weisen jeweils eine erste maximale Tiefe und eine erste maximale Breite auf. Die mehreren peripheren Diffusoren 118 weisen jeweils eine zweite maximale Tiefe, welche kleiner ist als die erste maximale Tiefe, und eine zweite maximale Breite auf, welche kleiner ist als die erste maximale Breite.
  • 8B illustriert manche Ausführungsformen einer Draufsicht 804 des Bildsensor-IC 800 der 8A. Die Querschnittsansicht der 8A ist entlang Querschnittsansicht A-A' der 8B genommen.
  • 9 bis 20 illustrieren Querschnittsansichten 900 bis 1900 von manchen Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung eines Bildsensor-IC gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Offenbarung. Obwohl 9 bis 20 unter Bezugnahme auf ein Verfahren beschrieben sind, ist es anerkannt, dass die in 9 bis 20 gezeigten Strukturen nicht auf das Verfahren beschränkt sind, sondern stattdessen getrennt von dem Verfahren für sich allein stehen können.
  • Wie in der Querschnittsansicht 900 der 9 gezeigt, wird ein Substrat 102 bereitgestellt. Das Substrat 102 umfasst eine Vorderseite 102f und eine Rückseite 102b. Das Substrat 102 kann jede Art Halbleiterkörper (z. B. Silizium, SiGe, SOI usw.) sein, wie beispielsweise ein Halbleiter-Wafer und/oder ein oder mehrere Chips auf einem Wafer sowie jede andere Art Halbleiter und/oder epitaxiale Schichten, welche dazu gehören.
  • Eine oder mehrere Gate-Strukturen 110 werden entlang der Vorderseite 102f des Substrats 102 innerhalb eines Pixelbereichs 104 ausgebildet. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Gate-Strukturen 110 einem Übertragungstransistor, einem Source-Folgertransistor, einem Zeilenauswahltransistor und/oder einem Rücksetztransistor entsprechen. Bei manchen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Gate-Strukturen 110 durch Ablagern eines Gate-Dielektrikumsfilms und eines Gate-Elektrodenfilms auf der Vorderseite 102f des Substrats 102 ausgebildet werden. Der Gate-Dielektrikumsfilm und der Gate-Elektrodenfilm werden nachfolgend strukturiert, um ein Gate-Dielektrikum 508 und eine leitende Gate-Elektrode 506 über dem Gate-Dielektrikum 508 auszubilden. Ein oder mehrere Seitenwandabstandshalter 510 können entlang gegenüberliegenden Seiten der leitenden Gate-Elektrode 506 ausgebildet werden. Bei manchen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren Seitenwandabstandshalter 510 durch Ablagern einer Abstandshalterschicht (z. B. eines Nitrids, eines Oxids usw.) auf der Vorderseite 102f des Substrats 102 und durch selektives Ätzen der Abstandshalterschicht ausgebildet werden, um die eine oder die mehreren Seitenwandabstandshalter 510 auszubilden.
  • Wie in der Querschnittsansicht 1000 der 10 gezeigt, wird ein Bildsensorelement 108 innerhalb des Pixelbereichs 104 des Substrats 102 ausgebildet. Bei manchen Ausführungsformen kann das Bildsensorelement 108 eine Fotodiode umfassen, welche durch wahlweises Implantieren einer oder mehrerer Dotierungsstoffspezies 1002 in die Vorderseite 102f des Substrats 102 ausgebildet wurde. Beispielsweise kann die Fotodiode durch Durchführen eines ersten Implantationsprozesses ausgebildet werden, welcher die eine oder die mehreren Dotierungsstoffspezies 1002 in das Substrat 102 gemäß einer ersten Maskierungsschicht 1004 implantiert, um einen ersten Bereich mit einem ersten Dotierungstyp (z. B. n-leitend) auszubilden. Bei manchen Ausführungsformen kann nachfolgend ein zweiter Implantationsprozess durchgeführt werden, um einen zweiten Bereich auszubilden, welcher an den ersten Bereich angrenzt und einen zweiten Dotierungstyp (z. B. p-leitend) aufweist, welcher von dem ersten Dotierungstyp verschieden ist. Bei manchen Ausführungsformen kann eine Float-Diffusionswanne (nicht gezeigt) auch unter Verwendung entweder des ersten oder des zweiten Implantationsprozesses ausgebildet werden.
  • Wie in der Querschnittsansicht 1100 der 11 gezeigt, werden mehrere leitende Verbindungsschichten 114 in einer dielektrischen Struktur 112 ausgebildet, welche entlang der Vorderseite 102f des Substrats 102 ausgebildet wurde. Bei manchen Ausführungsformen kann die dielektrische Struktur 112 mehrere gestapelte ILD-Schichten 402a bis 402c umfassen, welche durch Ätzstoppschichten 404a bis 404b vertikal voneinander separiert sind. Bei manchen Ausführungsformen können die mehreren leitenden Verbindungsschichten 114 jeweils unter Verwendung eines Damaszierprozesses (z. B. eines einzelnen Damaszierprozesses oder eines dualen Damaszierprozesses) ausgebildet werden. Der Damaszierprozess wird durch Ausbilden einer der mehreren gestapelten ILD-Schichten 402a bis 4020 auf dem Substrat 102, Ätzen der ILD-Schicht, um ein Durchkontaktloch und/oder einen Metallgraben auszubilden, und Füllen des Durchkontaktlochs und/oder des Metallgrabens mit einem leitenden Material durchgeführt. Bei manchen Ausführungsformen kann die ILD-Schicht durch ein physikalisches Dampfabscheidungsverfahren (z. B. PVD, CVD, PE-CVD, ALD usw.) abgelagert werden, und das leitende Material (z. B. Wolfram, Kupfer, Aluminium oder dergleichen) kann unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses und/oder eines Beschichtungsprozesses (z. B. elektrolytisches Metallabscheiden, stromloses Beschichten usw.) ausgebildet werden.
  • Wie in der Querschnittsansicht 1200 der 12 gezeigt, wird die dielektrische Struktur 112 an ein Trägersubstrat 1202 gebondet. Bei manchen Ausführungsformen kann der Prozess des Bondens eine bondende Oxid-Zwischenschicht (nicht gezeigt) verwenden, welche zwischen der dielektrischen Struktur 112 und dem Trägersubstrat 1202 eingerichtet ist. Bei manchen Ausführungsformen kann der Prozess des Bondens einen Schmelzprozess zum Bonden umfassen. Bei manchen Ausführungsformen kann das Trägersubstrat 1202 ein Silizium-Substrat umfassen.
  • Wie in der Querschnittsansicht 1300 der 13 gezeigt, kann das Substrat 102 verschwächt werden, um eine Dicke des Substrats 102 zu reduzieren. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 102 durch Ätzen und/oder mechanisches Schleifen der Rückseite 102b des Substrats 102 verschwächt werden, um die Dicke des Substrats 102 von einer ersten Dicke t1 auf eine zweite Dicke t2 zu reduzieren. Bei manchen Ausführungsformen kann die erste Dicke t1 in einem Bereich zwischen ungefähr 700 µm und ungefähr 800 µm liegen. Bei manchen Ausführungsformen kann die zweite Dicke 12 in einem Bereich zwischen ungefähr 20 µm und ungefähr 80 µm liegen.
  • Wie in der Querschnittsansicht 1400 der 14 gezeigt, werden ein zentraler Diffusor 116 und mehrere periphere Diffusoren 118 entlang der Rückseite 102b des Substrats 102 ausgebildet. Die mehreren peripheren Diffusoren 118 werden ausgebildet, um den zentralen Diffusor 116 lateral zu umgeben. Der zentrale Diffusor 116 weist eine erste Größe (z. B. eine erste Breite und eine erste Tiefe) auf. Die mehreren peripheren Diffusoren 118 weisen jeweils eine zweite Größe (z. B. eine zweite Breite und eine zweite Tiefe) auf, welche größer ist als die erste Größe.
  • Bei manchen Ausführungsformen können der zentrale Diffusor 116 und die mehreren peripheren Diffusoren 118 durch selektives Einwirken eines ersten Ätzmittels 1402 gemäß einer zweiten Maskierungsschicht 1404 auf die Rückseite 102b des Substrats 102 ausgebildet werden. Die zweite Maskierungsschicht 1404 umfasst eine erste Öffnung 1406 mit einer ersten Breite w1 und mehreren zweiten Öffnungen 1408, welche jeweils eine zweite Breite w2 aufweisen, welche kleiner ist als die erste Breite w1. Das erste Ätzmittel 1402 entfernt nicht maskierte Teile des Substrats 102, um gewinkelte Oberflächen 103 auszubilden, welche gleichzeitig den zentralen Diffusor 116 und die mehreren peripheren Diffusoren 118 definieren. Bei manchen Ausführungsformen kann das erste Ätzmittel 1402 ein Nassätzmittel (z. B. Fluorwasserstoffsäure, Kaliumhydroxid oder dergleichen) umfassen. Weil die erste Breite w1 der ersten Öffnung 1406 größer ist als die zweite Breite w2 der mehreren zweiten Öffnungen 1408, ist mehr des ersten Ätzmittels 1402 in der Lage, das Substrat 102 in der ersten Öffnung 1406 zu ätzen als in der zweiten Öffnung 1408. Dies führt dazu, dass der zentrale Diffusor 116 zu einer ersten maximalen Tiefe 406 ausgebildet wird, welche größer ist als eine oder mehrere zweite maximale Tiefen 408 der mehreren peripheren Diffusoren 118. Bei anderen Ausführungsformen kann das erste Ätzmittel 1402 ein Trockenätzmittel umfassen. Bei manchen alternativen Ausführungsformen (nicht gezeigt) kann der zentrale Diffusor 116 durch einen von dem der mehreren peripheren Diffusoren 118 separaten Ätzprozess ausgebildet werden.
  • Wie in der Querschnittsansicht 1500 der 15 gezeigt, werden ein oder mehrere Isolationsgräben 107 in Isolationsbereichen 106 ausgebildet, welche entlang gegenüberliegenden Seiten des Pixelbereichs 104 angeordnet sind. Der eine oder die mehreren Isolationsgräben 107 erstrecken sich in die Rückseite 102b des Substrats 102 auf eine dritte maximale Tiefe hinein, welche größer ist als sowohl die erste maximale Tiefe 406 des zentralen Diffusors 116 als auch die eine oder die mehreren zweiten maximalen Tiefen 408 der mehreren peripheren Diffusoren 118. Bei manchen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren Isolationsgräben 107 durch selektives Einwirken eines zweiten Ätzmittels 1502 gemäß einer dritten Maskierungsschicht 1504 auf die Rückseite 102b des Substrats 102 ausgebildet werden. Das zweite Ätzmittel 1502 entfernt nicht maskierte Teile des Substrats 102, um den einen oder die mehreren Isolationsgräben 107 zu definieren. Bei manchen Ausführungsformen kann das zweite Ätzmittel 1502 ein Trockenätzmittel umfassen.
  • Wie in der Querschnittsansicht 1600 der 16 gezeigt, wird ein Antireflexmaterial 120 entlang der Rückseite 102b des Substrats 102 ausgebildet. Das Antireflexmaterial 120 kleidet die gewinkelten Oberflächen 103 aus, welche den zentralen Diffusor 116 und die mehreren peripheren Diffusoren 118 definieren. Bei manchen Ausführungsformen kann sich das Antireflexmaterial 120 auch in den einen oder die mehreren Isolationsgräben 107 hinein erstrecken. Bei manchen Ausführungsformen kann das Antireflexmaterial 120 ein dielektrisches Material mit hohem k-Wert umfassen, welches Hafniumoxid, Titanoxid, Hafnium-Zirkoniumoxid, Tantaloxid, Hafnium-Siliziumoxid, Zirkoniumoxid, Zirkonium-Siliziumoxid usw. umfasst. Bei manchen Ausführungsformen kann das Antireflexmaterial 120 durch ein Abscheidungsverfahren (z. B. PVD, CVD, PE-CVD, ALD usw.) abgelagert werden.
  • Wie in der Querschnittsansicht 1700 der 17 gezeigt, wird eine erste dielektrische Schicht 410 auf dem Antireflexmaterial 120 ausgebildet. Die erste dielektrische Schicht 410 füllt den zentralen Diffusor 116 und die mehreren peripheren Diffusoren 118. Bei manchen Ausführungsformen kann die erste dielektrische Schicht 410 weiterhin den einen oder die mehreren Isolationsgräben 107 füllen. Bei manchen Ausführungsformen kann die erste dielektrische Schicht 410 ein Oxid (z. B. Siliziumoxid), ein Nitrid (z. B. Siliziumnitrid) oder dergleichen umfassen. Die erste dielektrische Schicht 410 kann einem nachfolgenden Planarisierungsprozess (z. B. einem chemisch-mechanischen Planarisierungsprozess) unterzogen werden, um eine im Wesentlichen planare Oberfläche auszubilden.
  • Wie in der Querschnittsansicht 1800 der 18 gezeigt, werden ein oder mehrere Gitterelemente 412 über der ersten dielektrischen Schicht 410 ausgebildet. Das eine oder die mehreren Gitterelemente 412 können ein Metall (z. B. Aluminium, Kobalt, Kupfer, Silber, Gold, Wolfram usw.) und/oder ein dielektrisches Material umfassen (z. B. Siliziumoxid, Siliziumnitrid usw.). Bei manchen Ausführungsformen können das eine oder die mehreren Gitterelemente 412 durch Ablagern eines Metalls über der ersten dielektrischen Schicht 410 unter Verwendung eines Abscheidungsverfahrens (z. B. PVD, CVD, PE-CVD, ALD usw.) und/oder eines Beschichtungsverfahrens ausgebildet werden. Das Metall wird nachfolgend strukturiert, um das eine oder die mehreren Gitterelemente 412 zu definieren.
  • Wie in der Querschnittsansicht 1900 der 19 gezeigt, wird eine zweite dielektrische Schicht 414 über der ersten dielektrischen Schicht 410 und dem einen oder den mehreren Gitterelementen 412 ausgebildet. Bei einer Ausführungsform kann die zweite dielektrische Schicht 414 ein Oxid (z. B. Siliziumoxid), ein Nitrid oder dergleichen umfassen. Bei manchen Ausführungsformen kann die erste dielektrische Schicht 414 einem nachfolgenden Planarisierungsprozess (z. B. einem chemisch-mechanischen Planarisierungsprozess) unterzogen werden, um eine im Wesentlichen planare Oberfläche auszubilden.
  • Wie in der Querschnittsansicht 2000 der 20 gezeigt, wird ein Farbfilter 124 über der zweiten dielektrischen Schicht 414 ausgebildet. Eine Mikrolinse 126 kann nachfolgend über dem Farbfilter 124 ausgebildet werden.
  • Bei manchen Ausführungsformen wird das Farbfilter 124 aus einem Material ausgebildet, welches die Übertragung von Strahlung (z. B. Licht) mit einem spezifischen Wellenlängenbereich ermöglicht, während es Licht mit Wellenlängen außerhalb des spezifizierten Bereichs blockiert. Bei manchen Ausführungsformen kann eine Mikrolinse 126 durch Ablagern eines Mikrolinsenmaterials über dem Farbfilter 124 ausgebildet werden (z. B. durch ein Aufschleuderverfahren oder einen Abscheidungsprozess). Eine Mikrolinsenvorlage (nicht gezeigt) mit einer gekrümmten oberen Oberfläche wird über dem Mikrolinsenmaterial strukturiert. Bei manchen Ausführungsformen kann die Mikrolinsenvorlage ein Fotoresistmaterial umfassen, welches unter Verwendung einer verteilten Belichtungslichtdosis (z. B. wird für einen negativen Fotoresist mehr Licht an einem Boden der Krümmung belichtet und wird weniger Licht an einem höchsten Punkt der Krümmung belichtet) belichtet wird, entwickelt wird und gebacken wird, um eine rundliche Gestalt auszubilden. Die Mikrolinse 126 kann dann durch selektives Ätzen des Mikrolinsenmaterials gemäß der Mikrolinsenvorlage ausgebildet werden.
  • 21 illustriert ein Ablaufdiagramm von manchen Ausführungsformen eines Verfahrens 2100 zur Herstellung eines Bildsensor-IC mit verschieden bemessenen Diffusoren.
  • Während das Verfahrens 2100 hier als eine Serie von Aktionen oder Ereignissen illustriert und beschrieben ist, ist es anerkannt, dass die illustrierte Ordnung derartiger Aktionen oder Ereignisse nicht in einem beschränkenden Sinn interpretiert werden darf. Beispielsweise können einige Aktionen in verschiedenen Reihenfolgen, abgesehen von den hier illustrierten und/oder beschriebenen, und/oder gleichzeitig mit anderen Aktionen oder Ereignissen auftreten. Zusätzlich müssen nicht alle illustrierten Aktionen erforderlich sein, um einen oder mehrere Gesichtspunkte oder Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung zu implementieren. Weiterhin können eine oder mehrere der hier dargestellten Aktionen in einer oder mehreren separaten Aktionen und/oder Phasen ausgeführt werden.
  • Bei 2102 werden eine oder mehrere Gate-Strukturen entlang einer Vorderseite und innerhalb eines Pixelbereichs eines Substrats ausgebildet. 9 illustriert eine Querschnittsansicht 900 mancher Ausführungsformen, welche dem Schritt 2102 entsprechen.
  • Bei 2104 wird ein Bildsensorelement innerhalb des Pixelbereichs des Substrats ausgebildet. 10 illustriert eine Querschnittsansicht 1000 mancher Ausführungsformen, welche dem Schritt 2104 entsprechen.
  • Bei 2106 werden mehrere leitende Verbindungsschichten in einer dielektrischen Struktur entlang der Vorderseite des Substrats ausgebildet. 11 illustriert eine Querschnittsansicht 1100 mancher Ausführungsformen, welche dem Schritt 2106 entsprechen.
  • Bei 2108 wird die dielektrische Struktur an ein Trägersubstrat gebondet. 12 illustriert eine Querschnittsansicht 1200 mancher Ausführungsformen, welche dem Schritt 2108 entsprechen.
  • Bei 2110 wird das Substrat verschwächt, um eine Dicke des Substrats zu reduzieren. 13 illustriert eine Querschnittsansicht 1300 mancher Ausführungsformen, welche dem Schritt 2110 entsprechen.
  • Bei 2112 wird ein zentraler Diffusor mit einer ersten Größe innerhalb des Pixelbereichs und entlang einer Rückseite des Substrats ausgebildet. 14 illustriert eine Querschnittsansicht 1400 mancher Ausführungsformen, welche dem Schritt 2112 entsprechen.
  • Bei 2114 werden mehrere periphere Diffusoren mit einer oder mehreren zweiten Größen, welche kleiner sind als die erste Größe, entlang der Rückseite des Substrats und zwischen dem zentralen Diffusor und einem Umfang des Pixelbereichs ausgebildet. 15 illustriert eine Querschnittsansicht 1500 mancher Ausführungsformen, welche dem Schritt 2114 entsprechen.
  • Bei 2116 werden ein oder mehrere Isolationsgräben innerhalb der Rückseite des Substrats und entlang gegenüberliegender Seiten des Pixelbereichs ausgebildet. 16 illustriert eine Querschnittsansicht 1600 mancher Ausführungsformen, welche dem Schritt 2116 entsprechen.
  • Bei 2118 wird eine erste dielektrische Schicht entlang der Rückseite des Substrats und in dem einen oder den mehreren Isolationsgräben ausgebildet. 17 illustriert eine Querschnittsansicht 1700 mancher Ausführungsformen, welche dem Schritt 2118 entsprechen.
  • Bei 2120 werden ein oder mehrere Gitterelemente auf der ersten dielektrischen Schicht ausgebildet. 18 illustriert eine Querschnittsansicht 1800 mancher Ausführungsformen, welche dem Schritt 2120 entsprechen.
  • Bei 2122 wird eine zweite dielektrische Schicht auf dem einen oder den mehreren Gitterelementen und der ersten dielektrischen Schicht ausgebildet. 19 illustriert eine Querschnittsansicht 1900 mancher Ausführungsformen, welche dem Schritt 2122 entsprechen.
  • Bei 2124 wird ein Farbfilter auf der zweiten dielektrischen Schicht ausgebildet. 20 illustriert eine Querschnittsansicht 2000 mancher Ausführungsformen, welche dem Schritt 2124 entsprechen.
  • Bei 2126 wird eine Mikrolinse auf dem Farbfilter ausgebildet. 20 illustriert eine Querschnittsansicht 2000 mancher Ausführungsformen, welche dem Schritt 2126 entsprechen.
  • Dementsprechend betrifft die vorliegende Offenbarung einen integrierten Bildsensorchip mit verschieden bemessenen Diffusoren (z. B. einem großen zentralen Diffusor, welcher von mehreren kleineren peripheren Diffusoren umgeben ist), welche entlang einer Rückseite eines Substrats angeordnet sind und eingerichtet sind, um eine Quantenausbeute eines Bildsensors zu verbessern.
  • Bei manchen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung einen integrierten Chip. Der integrierte Chip umfasst ein Bildsensorelement, welches in einem Substrat angeordnet ist; eine Gate-Struktur, welche entlang einer Vorderseite des Substrats angeordnet ist; wobei eine Rückseite des Substrats eine oder mehrere erste gewinkelte Oberflächen umfasst, welche einen zentralen Diffusor definieren, welcher über dem Bildsensorelement angeordnet ist; und die Rückseite des Substrats weiterhin zweite gewinkelte Oberflächen umfasst, welche mehrere periphere Diffusoren definiert, welche den zentralen Diffusor lateral umgeben, wobei die mehreren peripheren Diffusoren von einer kleineren Größe sind als der zentrale Diffusor. Bei manchen Ausführungsformen weist der zentrale Diffusor eine größere maximale Breite auf als jeweilige der mehreren peripheren Diffusoren. Bei manchen Ausführungsformen weist der zentrale Diffusor eine größere maximale Tiefe auf als jeweilige der mehreren peripheren Diffusoren. Bei manchen Ausführungsformen umgeben die mehreren peripheren Diffusoren den zentralen Diffusor entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung, welche senkrecht zu der ersten Richtung ist. Bei manchen Ausführungsformen umfasst der integrierte Chip weiterhin einen zweiten zentralen Diffusor, welcher von den mehreren peripheren Diffusoren lateral umgeben ist, wobei der zweite zentrale Diffusor größer ist als jeweilige der mehreren peripheren Diffusoren. Bei manchen Ausführungsformen treffen sich die eine oder die mehreren ersten gewinkelten Oberflächen in einem ersten Punkt, welcher an einem Boden des zentralen Diffusors ist; und treffen sich eine oder mehrere der zweiten gewinkelten Oberflächen in einem zweiten Punkt, welcher an einem Boden einer der mehreren peripheren Diffusoren ist. Bei manchen Ausführungsformen ist das Bildsensorelement innerhalb eines Pixelbereichs angeordnet; und ist der zentrale Diffusor näher an einer Mitte des Pixelbereichs als die mehreren peripheren Diffusoren. Bei manchen Ausführungsformen umfasst der integrierte Chip weiterhin eine Mikrolinse, welche entlang der Rückseite des Substrats angeordnet ist, wobei der zentrale Diffusor näher an einer Mitte der Mikrolinse ist als jeweilige der mehreren peripheren Diffusoren. Bei manchen Ausführungsformen weist die Mikrolinse einen Blendenwert von mehr als ungefähr f/3 auf. Bei manchen Ausführungsformen ist die Rückseite des Substrats zwischen dem zentralen Diffusor und den mehreren peripheren Diffusoren im Wesentlichen eben.
  • Bei anderen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung einen integrierten Chip. Der integrierte Chip umfasst ein Bildsensorelement, welches innerhalb eines Pixelbereichs eines Halbleitersubstrats angeordnet ist; mehrere Verbindungsschichten, welche innerhalb einer dielektrischen Struktur entlang einer Vorderseite des Halbleitersubstrats angeordnet sind; wobei das Halbleitersubstrat einen ersten konisch zulaufenden Hohlraum definiert, welcher entlang einer Rückseite des Halbleitersubstrats und innerhalb des Pixelbereichs angeordnet ist; das Halbleitersubstrat weiterhin mehrere zweite konisch zulaufende Hohlräume entlang der Rückseite des Halbleitersubstrats und zwischen dem ersten konisch zulaufenden Hohlraum und einem Umfang des Pixelbereichs definiert; und der erste konisch zulaufende Hohlraum eine erste maximale Breite aufweist, welche größer ist als maximale Breiten der mehreren zweiten konisch zulaufenden Hohlräume. Bei manchen Ausführungsformen ist der erste konisch zulaufende Hohlraum eingerichtet, um unmittelbar unter einer Mitte einer überliegenden Mikrolinse angeordnet zu sein. Bei manchen Ausführungsformen ist der erste konisch zulaufende Hohlraum von den mehreren zweiten konisch zulaufenden Hohlräumen entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung umgeben, welche zu der ersten Richtung senkrecht ist. Bei manchen Ausführungsformen ist das Bildsensorelement eingerichtet, um eine Quantenausbeute aufzuweisen, welche größer ist als ungefähr 45 % für einfallende Strahlung, welche eine Linie, welche zu der Rückseite des Halbleitersubstrats senkrecht ist, in Winkeln zwischen ungefähr -20° und ungefähr 20° schneidet. Bei manchen Ausführungsformen weist eine Quantenausbeute des Bildsensorelements einen Maximalwert für einfallende Strahlung auf, welche eine Linie, welche zu der Rückseite des Halbleitersubstrats senkrecht ist, in Winkeln zwischen ungefähr -10° und ungefähr 10° schneidet. Bei manchen Ausführungsformen sind die mehreren zweiten konisch zulaufenden Hohlräume um eine Mitte des ersten konisch zulaufenden Hohlraums herum im Wesentlichen symmetrisch, wie in einer Draufsicht des ersten konisch zulaufenden Hohlraums gesehen. Bei manchen Ausführungsformen umfasst der integrierte Chip weiterhin ein oder mehrere dielektrische Materialien, welche in einem oder mehreren Isolationsgräben angeordnet sind, welche in dem Halbleitersubstrat entlang gegenüberliegenden Seiten des Pixelbereichs eingerichtet sind, wobei der erste konisch zulaufende Hohlraum und die mehreren zweiten konisch zulaufenden Hohlräume von dem einen oder den mehreren Isolationsgräben lateral umgeben sind. Bei manchen Ausführungsformen erstreckt sich der erste konisch zulaufende Hohlraum lateral über gegenüberliegende Seiten einer ersten der mehreren zweiten konisch zulaufenden Hohlräume entlang einer ersten Richtung hinaus und erstreckt sich lateral über gegenüberliegende Seiten einer zweiten der mehreren zweiten konisch zulaufenden Hohlräume entlang einer zweiten Richtung hinaus, welche zu der ersten Richtung senkrecht ist.
  • Bei noch anderen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Ausbilden eines integrierten Chips. Das Verfahren umfasst Ausbilden eines Bildsensorelements innerhalb eines Pixelbereichs eines Substrats; Ausbilden mehrerer Verbindungsschichten innerhalb einer dielektrischen Struktur entlang einer Vorderseite des Substrats; Ausbilden einer Maskierungsschicht entlang einer Rückseite des Substrats, wobei die Maskierungsschicht eine erste Öffnung mit einer ersten Breite und mehrere zweite Öffnungen mit einer oder mehreren zweiten Breiten umfasst, welche jeweils kleiner sind als die erste Breite; Durchführen eines Ätzprozesses, um die Rückseite des Substrats gemäß der Maskierungsschicht selektiv zu ätzen, um einen zentralen Diffusor zu definieren, welcher von mehreren peripheren Diffusoren umgeben ist; und wobei der zentrale Diffusor eine größere Breite und Tiefe als jeweilige der mehreren peripheren Diffusoren aufweist. Bei manchen Ausführungsformen sind die mehreren peripheren Diffusoren zwischen dem zentralen Diffusor und einem Umfang des Pixelbereichs.
  • Die obenstehende Beschreibung skizziert Merkmale von mehreren Ausführungsformen, so dass Durchschnittsfachleute die Gesichtspunkte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen können. Durchschnittsfachleute sollten erkennen, dass sie die vorliegende Offenbarung als eine Basis zum Entwerfen oder Modifizieren anderer Prozesse und Strukturen zum Ausführen der gleichen Zwecke und/oder zum Erzielen der gleichen Vorteile der hier eingeführten Ausführungsformen unmittelbar verwenden können. Durchschnittsfachleute sollten auch realisieren, dass derartige äquivalente Konstruktionen den Gedanken und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht verlassen und dass sie hier verschiedene Veränderungen, Substitutionen und Abänderungen anfertigen können, ohne den Gedanken und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.

Claims (20)

  1. Integrierter Chip, Folgendes umfassend: ein Bildsensorelement, welches in einem Substrat angeordnet ist; eine Gate-Struktur, welche entlang einer Vorderseite des Substrats angeordnet ist; wobei eine Rückseite des Substrats eine oder mehrere erste gewinkelte Oberflächen umfasst, welche einen zentralen Diffusor definieren, welcher über dem Bildsensorelement angeordnet ist; und wobei die Rückseite des Substrats weiterhin zweite gewinkelte Oberflächen umfasst, welche mehrere periphere Diffusoren definieren, welche den zentralen Diffusor lateral umgeben, wobei die mehreren peripheren Diffusoren von einer kleineren Größe sind als der zentrale Diffusor.
  2. Integrierter Chip nach Anspruch 1, wobei der zentrale Diffusor eine größere maximale Breite aufweist als jeweilige der mehreren peripheren Diffusoren.
  3. Integrierter Chip nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zentrale Diffusor eine größere maximale Tiefe aufweist als jeweilige der mehreren peripheren Diffusoren.
  4. Integrierter Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren peripheren Diffusoren den zentralen Diffusor entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung umgeben, welche zu der ersten Richtung senkrecht ist.
  5. Integrierter Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin Folgendes umfassend: einen zweiten zentralen Diffusor, welcher von den mehreren peripheren Diffusoren lateral umgeben ist, wobei der zweite zentrale Diffusor größer ist als jeweilige der mehreren peripheren Diffusoren.
  6. Integrierter Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die eine oder die mehreren ersten gewinkelten Oberflächen an einem ersten Punkt treffen, welcher an einem Boden des zentralen Diffusors ist; und wobei sich eine oder mehrere der zweiten gewinkelten Oberflächen an einem zweiten Punkt treffen, welcher an einem Boden eines der mehreren peripheren Diffusoren ist.
  7. Integrierter Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bildsensorelement innerhalb eines Pixelbereichs angeordnet ist; und wobei der zentrale Diffusor näher an einer Mitte des Pixelbereichs ist als die mehreren peripheren Diffusoren.
  8. Integrierter Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin Folgendes umfassend: eine Mikrolinse, welche entlang der Rückseite des Substrats angeordnet ist, wobei der zentrale Diffusor näher an einer Mitte der Mikrolinse ist als jeweilige der mehreren peripheren Diffusoren.
  9. Integrierter Chip nach Anspruch 8, wobei die Mikrolinse einen Blendenwert aufweist, welcher größer ist als ungefähr f/3.
  10. Integrierter Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückseite des Substrats zwischen dem zentralen Diffusor und den mehreren peripheren Diffusoren im Wesentlichen eben ist.
  11. Integrierter Chip, Folgendes umfassend: ein Bildsensorelement, welches innerhalb eines Pixelbereichs eines Halbleitersubstrats angeordnet ist; mehrere Verbindungsschichten, welche in einer dielektrischen Struktur entlang einer Vorderseite des Halbleitersubstrats angeordnet sind; wobei das Halbleitersubstrat einen ersten konisch zulaufenden Hohlraum definiert, welcher entlang einer Rückseite des Halbleitersubstrats und innerhalb des Pixelbereichs angeordnet ist; wobei das Halbleitersubstrat weiterhin mehrere zweite konisch zulaufende Hohlräume entlang der Rückseite des Halbleitersubstrats und zwischen dem ersten konisch zulaufenden Hohlraum und einem Umfang des Pixelbereichs definiert; und wobei der erste konisch zulaufende Hohlraum eine erste maximale Breite aufweist, welche größer ist als maximale Breiten der mehreren zweiten konisch zulaufenden Hohlräume.
  12. Integrierter Chip nach Anspruch 11, wobei der erste konisch zulaufende Hohlraum eingerichtet ist, um unmittelbar unter einer Mitte einer überliegenden Mikrolinse angeordnet zu sein.
  13. Integrierter Chip nach Anspruch 11 oder 12, wobei der erste konisch zulaufende Hohlraum von den mehreren zweiten konisch zulaufenden Hohlräumen entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung umgeben ist, welche zu der ersten Richtung senkrecht ist.
  14. Integrierter Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, wobei das Bildsensorelement eingerichtet ist, um eine Quantenausbeute aufzuweisen, welche größer ist als ungefähr 45 % für einfallende Strahlung, welche eine Linie, welche zu der Rückseite des Halbleitersubstrats senkrecht ist, in Winkeln zwischen ungefähr -20° und ungefähr 20° schneidet.
  15. Integrierter Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, wobei eine Quantenausbeute des Bildsensorelements einen Maximalwert aufweist für einfallende Strahlung, welche eine Linie, welche zu der Rückseite des Halbleitersubstrats senkrecht ist, in Winkeln zwischen ungefähr -10° und ungefähr 10° schneidet.
  16. Integrierter Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 15, wobei die mehreren zweiten konisch zulaufenden Hohlräume um eine Mitte des ersten konisch zulaufenden Hohlraums herum im Wesentlichen symmetrisch sind, wie in einer Draufsicht des ersten konisch zulaufenden Hohlraums gesehen.
  17. Integrierter Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, weiterhin Folgendes umfassend: ein oder mehrere dielektrische Materialien, welche in einem oder mehreren Isolationsgräben angeordnet sind, welche in dem Halbleitersubstrat entlang gegenüberliegenden Seiten des Pixelbereichs eingerichtet sind, wobei der erste konisch zulaufende Hohlraum und die mehreren zweiten konisch zulaufenden Hohlräume von dem einen oder den mehreren Isolationsgräben lateral umgeben sind.
  18. Integrierter Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 17, wobei sich der erste konisch zulaufende Hohlraum lateral über gegenüberliegende Seiten einer ersten der mehreren zweiten konisch zulaufenden Hohlräume entlang einer ersten Richtung hinaus erstreckt und sich lateral über gegenüberliegende Seiten einer zweiten der mehreren zweiten konisch zulaufenden Hohlräume entlang einer zweiten Richtung hinaus erstreckt, welche zu der ersten Richtung senkrecht ist.
  19. Verfahren zum Ausbilden eines integrierten Chips, Folgendes umfassend: Ausbilden eines Bildsensorelements innerhalb eines Pixelbereichs eines Substrats; Ausbilden von mehreren Verbindungsschichten in einer dielektrischen Struktur entlang einer Vorderseite des Substrats; Ausbilden einer Maskierungsschicht entlang einer Rückseite des Substrats, wobei die Maskierungsschicht eine erste Öffnung mit einer ersten Breite und mehrere zweite Öffnungen mit einer oder mehreren zweiten Breiten umfasst, welche jeweils kleiner sind als die erste Breite; Durchführen eines Ätzprozesses, um die Rückseite des Substrats gemäß der Maskierungsschicht selektiv zu ätzen, um einen zentralen Diffusor zu definieren, welcher von mehreren peripheren Diffusoren umgeben ist; und wobei der zentrale Diffusor eine größere Breite und Tiefe aufweist als jeweilige der mehreren peripheren Diffusoren.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die mehreren peripheren Diffusoren zwischen dem zentralen Diffusor und einem Umfang des Pixelbereichs sind.
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