DE19815899A1 - Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung und Verfahren zu dessen Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Farb- Abbildungsvorrichtung und ein Verfahren zu dessen Herstellung, insbesondere eine Festkörper-Farb- Abbildungsvorrichtung mit einer verbesserten Bildauflösung und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Beim Herstellen eines CCD-Farbfilters (Farbfilter eines ladungsgekoppelten Schaltelements) mittels eines chipintegrierenden Verfahrens wird auf der Oberseite einer Vorrichtung eine Lichtsammellinse zum Verbessern der Effizienz des Lichtsammelns ausgebildet, um die Empfindlichkeit des CDD-Elements zu verbessern.
Die Lichtsammellinse wird mittels einer thermischen Strömung auf einer Haupt-Fotolackschicht so ausgebildet, daß sie die Krümmung einer konvexen Linse aufweist. Folglich hat das CCD-Element aufgrund der großen Einfalloberfläche pro Pixel eine verbesserte Empfindlichkeit.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die eine herkömmliche Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung darstellt.
Wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, werden bei der herkömmlichen Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung nacheinander eine erste polarisierte Schicht 12 und eine Farbfilteranordnung 14 auf einem Halbleitersubstrat 2 mit einer Fotodiode 4 und einer Gate-Elektrodenschicht 10 darauf ausgebildet. Ein Kanalbereich eines CCD-Elements 5 ist im Halbleitersubstrat 2 unterhalb der Gate- Elektrodenschicht 10 ausgebildet. Die Farbfilteranordnung 14 weist eine Filterschicht R für rote Farbe, eine Filterschicht G für grüne Farbe und eine Filterschicht B für blaue Farbe auf, die jeweils entsprechend bei jeder Fotodiode 4, welche ein Bildelement ist, ausgebildet sind.
Die Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung weist eine zweite polarisierte Schicht 16 auf, die auf der ersten polarisierten Schicht 12 ausgebildet ist und die die Farbfilteranordnung 14 und eine Vielzahl von Lichtsammellinsen 18 einschließt, die jeweils entsprechend bei jedem Bildelement ausgebildet sind. Die Lichtsammellinse 18 ist rechteckig oder elliptisch, in Abhängigkeit von der Anordnung der mosaikartigen Bildelemente. Folglich bleiben ungenutzte Teile zwischen einem Bildelement und einem weiteren Bildelement übrig.
Das auf den unbenutzten Teil (d. h., der von den Linsen nicht belegte Bereich) einfallende Licht wird entweder unregelmäßig reflektiert oder fällt in ein angrenzendes Bildelement ein und folglich treten unregelmäßige bzw. ungültige Filterdaten, die vom Kantenteil bei jeder Farbfilterschicht R, G, B erzeugt werden, auf, wodurch der Grad der Bildauflösung bzw. der Bilddarstellung verschlechtert ist. Wenn zusätzlich die Lichtsammellinse konvex ausgebildet ist, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, haftet ein Partikel, das beim Sägen der Vorrichtung während des anschließenden Packungsprozesses erzeugt wird, auf dem Bereich zwischen der Linse und der angrenzenden Linse. Diese Partikel, die durch Waschen nicht entfernt werden, verursachen einen Defekt und eine schlechte Ausbeute.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine Festkörper- Farb-Abbildungsvorrichtung und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzusehen, bei dem die Bildauflösung verbessert wird, indem einfallendes Licht effizienter verwendet und bei dem die Partikelansammlung vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. des Verfahrens nach Anspruch 12 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Festkörper-Farb- Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2A-2D Ablaufdiagramme, die die Prozeßschritte eines Verfahrens zum Herstellen der Festkörper-Farb- Abbildungsvorrichtung von Fig. 1 darstellen, und
Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung.
Fig. 1 zeigt einen Aufbau der Festkörper-Farb- Abbildungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wie in Fig. 1 dargestellt, weist die Festkörper-Farb- Abbildungsvorrichtung der Erfindung ein Halbleitersubstrat 100, eine lichtdurchlässige Schicht 118 und eine Linsenschicht bzw. eine aus Linsen zusammengesetzte Schicht 124 auf.
Die Halbleiterschicht 100 weist einen Teil mit Elementen und einen (Licht-)durchlässigen Teil auf. Der Teil mit Elementen schließt eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen 102 ein, die auf dem Halbleitersubstrat 100 zum Erzeugen von Ladungsträgern als Reaktion auf das einfallende Licht ausgebildet sind. Das lichtempfindliche Element 102 ist z. B. eine Fotodiode 102, die durch Fremdatominjektion in das Halbleitersubstrat 100 ausgebildet ist. Der durchlässige Teil schließt einen Kanalbereich 103, der die durch das lichtempfindliche Element 102 erzeugten Ladungsträger überträgt, und eine Gate-Elektrodenschicht 110 ein, die auf dem Halbleitersubstrat 100 im Kanalbereich 103 ausgebildet ist. Die Gate-Elektrodenschicht 110 weist eine Gateoxidschicht 106, die auf dem Halbleitersubstrat 100 des Kanalbereichs 103 ausgebildet ist, eine erste Polysiliciumschicht 108A und eine zweite Polysiliciumschicht 108B auf, wobei die Polysiliciumschichten jeweils als eine CCD-Gate-Elektrode verwendet werden. Die erste und die zweite Polysiliciumschicht 108A, 108B sind so ausgebildet, daß sie von einer Isolationsschicht umgeben sind. Eine Schicht zum Lichtabschirmen (nicht dargestellt) ist zusätzlich auf der Gate-Elektrodenschicht 110 ausgebildet.
Die Linsenschicht 124 weist Lichtsammellinsen 120 zum Sammeln bzw. Fokussieren des einfallenden Lichts 130 auf die lichtempfindlichen Elementen und eine Lichtdispersionsschicht 122 zum Streuen des Lichts, das zwischen der Lichtsammellinse 120 für ein lichtempfindliches Element und einer weiteren Lichtsammellinse 120, die an das eine lichtempfindliche Element angrenzt, auftrifft, auf. Die Lichtsammellinse ist eine konvexe Linse und weist gegenüber der Lichtdispersionsschicht 122 einen anderen Brechungsindex auf. Im vorliegenden Fall hat die Lichtdispersionsschicht 122 gegenüber der Lichtsammellinse 120 einen geringeren Brechungsindex. Die Lichtsammellinse 120 ist eine Fotolackschicht mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,65 bis 1,70, wobei die Lichtdispersionsschicht 122 eine SOG- Schicht (Spin-On Glass- bzw. aufgeschleuderte Glas-Schicht) aus der Gruppe der Siloxane mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,45 bis 1,50 ist. Zu diesem Zeitpunkt umfaßt die Lichtdispersionsschicht 122 eine Schicht, die zumindest den Bereich zwischen den Lichtsammellinsen auffüllt (Fig. 2B).
Die lichtdurchlässige Schicht 118 filtert das durch die Linsenschicht 124 gesammelte Licht, so daß es auf die lichtempfindlichen Elemente 102 auftrifft. Die lichtdurchlässige Schicht 118 weist eine erste polarisierte Schicht 112, eine Farbfilteranordnung 114 und eine zweite polarisierte Schicht 116 auf. Die erste polarisierte Schicht 112 ist auf dem Halbleitersubstrat 100 ausgebildet und schließt die Gate-Elektrodenschicht 110 ein. Die Farbfilteranordnung ist auf der ersten polarisierten Schicht 112 ausgebildet. Die Farbfilteranordnung 114 weist eine rote, eine grüne und eine blaue Farbfilterschicht auf, die entsprechend bei jedem lichtempfindlichen Element 102 ausgebildet sind.
Die zweite polarisierte Schicht 116 ist auf der ersten polarisierten Schicht 112 ausgebildet und schließt die Farbfilteranordnung 114 ein. Die erste und die zweite polarisierte Schicht 112, 116 sind z. B. aus einer Isolationsschicht ausgebildet, welche entweder SiO2 oder ein Polymer ist.
Die oben beschriebene Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung kann ungefähr 100% des von außen einfallenden Lichts verwenden, indem die Lichtdispersionsschicht 122 mit einem relativ niedrigen Brechungsindex verwendet wird, um das zwischen der Linse 120 und einer weiteren, daran angrenzenden Linse 120 einfallende Licht 130 (Fig. 1) zum entsprechenden lichtempfindlichen Element 102 zu streuen.
Das Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Festkörper-Abbildungsvorrichtung wird im folgenden beschrieben.
Wie dies in Fig. 2A dargestellt ist, wird beim Herstellungsverfahren der Festkörper-Farb- Abbildungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zuerst eine lichtdurchlässige Schicht 118, die einen Teil mit Elementen und einen (Licht-)durchlässigen Teil aufweist, auf einem Halbleitersubstrat 100 ausgebildet.
Der Teil mit Elementen weist eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen 102 auf. Jedes lichtempfindliche Element ist eine Fotodiode, die durch Injektion von Fremdstoffatomen in das Halbleitersubstrat 100 ausgebildet wird und als Reaktion auf einfallendes Licht Ladungsträger erzeugt.
Der durchlässige Teil weist einen Kanalbereich, der Ladungsträger, die von jedem lichtempfindlichen Element 102 erzeugt werden, liefert, und eine Gate-Elektrodenschicht 110 des Kanalbereichs 103 auf dem Halbleitersubstrat 100, die durch eine Isolationsschicht umgeben ist, auf. Die Gate-Elektrodenschicht 110 weist eine erste Polysiliciumschicht 108A und eine zweite Polysiliciumschicht 108B auf, die nacheinander auf einer Gateoxidschicht 106 ausgebildet sind. Die erste bzw. die zweite Polysiliciumschicht 108A, 108B werden als eine CCD- Gate-Elektrode verwendet. Eine lichtabschirmende Schicht (nicht dargestellt) ist auf der Oberseite der Gate- Elektrodenschicht 110 ausgebildet.
Der Herstellungsschritt der lichtdurchlässigen Schicht 118 weist einen Prozeß des Ausbildens einer ersten polarisierten Schicht 112 auf dem Halbleitersubstrat 100, einen Prozeß des Ausbildens einer Farbfilteranordnung 114 auf der ersten polarisierten Schicht 112 und einen Prozeß des Ausbildens einer zweiten polarisierten Schicht 116 auf der ersten polarisierten Schicht 112 einschließlich der Farbfilteranordnung 114 auf. Die erste polarisierte Schicht wird zum Schützen einer Kontaktstelle 111 und zum Ausbilden der Farbfilteranordnung 114 verwendet. Die zweite polarisierte Schicht 116 wird zum Schützen der Farbfilteranordnung 114 verwendet und stellt eine Brennweite einer Lichtsammellinse, die im folgenden Prozeß ausgebildet wird, ein. Die erste und die zweite polarisierte Schicht 112, 116 werden aus isolierenden Schichten hergestellt, welche entweder SiO2- oder Polymer- Schichten sind. Die Farbfilteranordnung 114 weist eine Filterschicht R für rote Farbe, eine Filterschicht G für grüne Farbe und eine Filterschicht B für blaue Farbe auf, welche entsprechend bei dem jeweiligen lichtempfindlichen Element 102 ausgebildet sind.
Wie in Fig. 2B dargestellt, wird die Linsenschicht 124 zum Sammeln des einfallenden Lichts für jedes lichtempfindliche Element 102 auf der lichtdurchlässigen Schicht 118 ausgebildet. Die Linsenschicht 124 weist eine Vielzahl von Lichtsammellinsen 120 und eine Lichtdispersionsschicht 122 auf. Die Lichtsammellinse 120 ist entsprechend bei jedem lichtempfindlichen Element 102 auf der zweiten polarisierten Schicht 116 ausgebildet. Die Lichtsammellinse ist eine konvexe Linse und wird unter Verwendung einer Fotolackschicht ausgebildet, welche allgemein auf diesem Fachgebiet verwendet wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die Linsen 120 so ausgebildet, daß sie einen Spalt im Submikrometerbereich dazwischen aufweisen.
Die Lichtdispersionsschicht 122 wird so ausgebildet, daß sie den Bereich zwischen der Linse 120 und einer auf der zweiten polarisierten Schicht 116 der lichtdurchlässigen Schicht 118 daran angrenzenden, weiteren Linse 120 ausfüllt, so daß keine Stufe zwischen den Linsen 120 vorhanden ist. Die Lichtdispersionsschicht 122 weist eine Dicke von ungefähr 1,5 bis 2,5 µm auf. Die Lichtdispersionsschicht 122 wird aus einem Material hergestellt, welches einen anderen Brechungsindex aufweist als die Linse 120, d. h., gegenüber der Linse 120 einen relativ niedrigen Brechungsindex. Die Linse 120 weist einen Brechungsindex von ungefähr 1,65 bis 1,70 auf, wobei die Lichtdispersionsschicht 122 einen Brechungsindex von ungefähr 1,45 bis 1,50 aufweist, insbesondere ist die Lichtdispersionsschicht 122 aus einem Spin-On Glass (SOG, aufgeschleudertes Glas) der Siloxangruppe mit einem Brechungsindex von 1,45 ausgebildet.
Nimmt man auf die Fig. 2C Bezug, so wird eine Maskenschicht 126 ausgebildet, um die Kontaktstelle 111 auf der Linsenschicht 124 freizulegen. Die Maskenschicht 126 wird aus einer Fotolackschicht hergestellt.
Schließlich wird die Festkörper- Farb-Abbildungsvorrichtung mit der freiliegenden Kontaktstelle 111 fertiggestellt (Fig. 2D), wenn die Maskenschicht 126 entfernt wird, nachdem die lichtdurchlässige Schicht 122, die zweite polarisierte Schicht 116 und die erste polarisierte Schicht 112 durch ein Plasma unter Verwendung der Maskenschicht 126 geätzt wurde.

Claims (22)

1. Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung, die aufweist:
  • - ein Halbleitersubstrat (100) mit einem Teil mit Elementen und einem durchlässigen Teil,
    wobei der Teil mit Elementen eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen (102), die auf dem Halbleitersubstrat (100) ausgebildet sind, aufweist, wobei jedes der lichtempfindlichen Elemente (102) als Reaktion auf einfallendes Licht Ladungsträger erzeugt; und
    wobei der durchlässige Teil eine Gate- Elektrodenschicht (110) aufweist, die auf einem Kanalbereich (103) des Halbleitersubstrats (100) ausgebildet ist, um die von den lichtempfindlichen Elementen (102) erzeugten Ladungsträger zu übertragen;
  • - eine Linsenschicht (124) mit
    Lichtsammellinsen (120), um das einfallende Licht auf den lichtempfindlichen Elementen (102) zu sammeln, und
    einer Lichtdispersionsschicht (122), um das Licht, das zwischen der Lichtsammellinse (120) und einer weiteren, daran angrenzenden Lichtsammellinse (120), einfällt zum entsprechenden lichtempfindlichen Element (102) zu streuen; und
  • - eine lichtdurchlässige Schicht (118) zur Farbfilterung des durch die Linsenschicht (124) gesammelten Lichts, welche das farbgefilterte Licht den entsprechenden lichtempfindlichen Elementen (102) zuführt.
2. Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der jedes der lichtempfindlichen Elemente (102) eine Fotodiode aufweist.
3. Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Lichtsammellinse (120) eine konvexe Linse aufweist.
4. Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Lichtsammellinse (120) und die Lichtdispersionsschicht (122) unterschiedliche Brechungsindices aufweisen.
5. Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Lichtdispersionsschicht (122) im Vergleich zur Lichtsammellinse (120) einen niedrigen Brechungsindex aufweist.
6. Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die Lichtsammellinse (120) einen Brechungsindex von ungefähr 1,65 bis 1,70 und die Lichtdispersionsschicht (122) einen Brechungsindex von ungefähr 1,45 bis 1,50 aufweist.
7. Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Lichtdispersionsschicht (122) eine SOG-Schicht aus der Siloxanverbindungen aufweist.
8. Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Lichtdispersionsschicht (122) eine Schicht aufweist, die zumindest den Bereich zwischen den Lichtsammellinsen (120) auffüllt.
9. Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die lichtdurchlässige Schicht (118) eine erste polarisierte Schicht (112), die auf dem Halbleitersubstrat (100) ausgebildet ist und die lichtempfindlichen Elemente (102) und die Gate- Elektrodenschicht (110) einschließt, eine Farbfilteranordnung (114), die auf der ersten polarisierten Schicht (112) ausgebildet ist, und eine zweite polarisierte Schicht (116), die auf der ersten polarisierten Schicht ausgebildet ist und die Farbfilteranordnung (114) einschließt, aufweist.
10. Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der sowohl die erste als auch die zweite polarisierte Schicht (112, 116) eine Isolationsschicht (106) aufweisen.
11. Festkörper-Farb-Abbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, bei der die Farbfilteranordnung (114) eine Filterschicht (R) für rote Farbe, eine Filterschicht (G) für grüne Farbe und eine Filterschicht (B) für blaue Farbe aufweist, die bei den entsprechenden lichtempfindlichen Elementen (102) ausgebildet sind.
12. Ein Verfahren zum Herstellen einer Festkörper-Farb- Abbildungsvorrichtung, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
  • - Ausbilden einer lichtdurchlässigen Schicht (118), die einen Teil mit Elementen und einen durchlässigen Teil aufweist, auf einem Halbleitersubstrat (100),
    wobei der Teil mit Elementen eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen (102) aufweist, die auf dem Halbleitersubstrat (100) ausgebildet sind, um als Reaktion auf einfallendes Licht Ladungsträger zu erzeugen; und
    wobei der durchlässige Teil eine Gate- Elektrodenschicht (110) aufweist, die auf einem Kanalbereich (103) des Halbleitersubstrats (100) ausgebildet ist, um die durch die lichtempfindlichen Elemente (102) erzeugten Ladungsträger zu übertragen;
  • - Ausbilden einer Linsenschicht (124) auf der lichtdurchlässigen Schicht (118), um einfallendes Licht auf die lichtempfindlichen Elementen (102) zu sammeln, wobei die Linsenschicht (124) eine Vielzahl von Lichtsammellinsen (120) bei den entsprechenden lichtempfindlichen Elementen (102) aufweist; und
  • - Auffüllen einer Lichtdispersionsschicht (122) zwischen der Lichtsammellinse (120) und einer weiteren, daran angrenzenden Lichtsammellinse (120) sowie auf der lichtdurchlässigen Schicht (118), die die Lichtsammellinsen (120) einschließt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem jedes der lichtempfindlichen Elemente (102) eine Fotodiode ist, welche durch Injektion von Fremdatomen in das Halbleitersubstrat (100) ausgebildet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Schritt des Ausbildens der lichtdurchlässigen Schicht (118) die Schritte aufweist:
  • - Ausbilden einer ersten polarisierten Schicht (112) auf dem Halbleitersubstrat (100),
  • - Ausbilden einer Farbfilteranordnung (114) auf der ersten polarisierten Schicht (112) und
  • - Ausbilden einer zweiten polarisierten Schicht (116), die die Farbfilteranordnung (114) einschließt, auf der ersten polarisierten Schicht (112).
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem sowohl die erste als auch die zweite polarisierte Schicht (112, 116) eine Isolationsschicht (106) aufweist.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Farbfilteranordnung (114) eine Filterschicht (R) für rotes Licht, eine Filterschicht (G) für grünes Licht und eine Filterschicht (B) für blaues Licht aufweist, wobei die Filterschicht bei den entsprechenden lichtempfindlichen Elementen (102) ausgebildet werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem die Lichtsammellinse (120) ein konvexe Linse aufweist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem die Lichtsammellinse (120) und die Lichtdispersionsschicht (122) voneinander verschiedene Brechungsindices aufweisen.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Lichtdispersionsschicht (122) einen im Vergleich zur Lichtsammellinse (120) relativ niedrigen Brechungsindex aufweist.
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Lichtsammellinse (120) einen Brechungsindex von ungefähr 1,65 bis 1,70 und die Lichtdispersionsschicht (122) einen Brechungsindex von ungefähr 1,45 bis 1,50 aufweist.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, bei dem die Lichtdispersionsschicht (122) eine SOG-Schicht aus der Gruppe der Siloxane aufweist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, bei dem die Lichtdispersionsschicht (122) eine Dicke von 1,5 bis 2,5 µm aufweist.
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