DE3429812C1 - Monolithischer Bildaufnehmer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen monolithischen Bildaufnehmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige monolithische Bildaufnehmer, die insbesondere in Siliciumtechnologie hergestellt werden, bestehen aus einem plattenförmigen Siliciumsubstrat, auf dessen Oberseite in einem Mosaikmuster Bifdsensoren, z. B. PtSi-Schottkybarrieren-Detektoren angeordnet sind, die von teilweise in die Substratoberffäche implantierten bzw. auf diese aufgebrachten Auslesestrukturen umgeben sind. Diese Auslesestrukturen weisen einen Transfer-Bereich auf, über den die Signale der Bildsensoren an einen Speicher, üblicherweise einen ladungsgekoppelten Speicher (CCD) in Art eines Schieberegisters weitergegeben werden. Der Bildaufnehmer ist mit der planen Rückseite des Siliciumsubstrates gegen die aufzufangende Strahlung gerichtet, so daß diese durch das Substrat läuft, bevor sie auf die einzelnen Bildsensoren fällt.

Zum Stand der Technik für derartige großflächige monolithische Bildaufnehmer sei auf folgende Druckschriften verwiesen:

B. Capone, u. a.: Evaluation of a Schottky IR-CCD Staring Mosaic Focal Plane, erschienen in SPIE156 Modern Utilization of Infrared Technology, 1978, Seite 120 ff;

Masafumi Kimata, u. a.: A 256 χ 256-Element Si Monolithic IR-CCD Sensor, erschienen in IEEE International Solid-State Circuits Conference 1983, Seite 254 ff.

Bei derartigen monolithischen Bildaufnehmern bedecken die eigentlichen Bildsensoren nur einen Bruchteil der gesamten Fläche des Bildaufnehmers, da ein wesentlicher Flächenanteil für die genannten Auslesestrukturen benötigt wird. Je nachdem, ob die Bildsensoren in Zeilen oder in einem regelmäßigen Punktraster angeordnet sind, sind die Auslesestrukturen zwischen den Sensorzeilen ebenfalls zellenförmig angeordnet bzw. umgeben die einzelnen Sensoren in einem Rahmenmuster. Das Verhältnis zwischen der Fläche der Bildsensoren und der gesamten Bildfläche des Bildaufnehmers wird als Füllfaktor bezeichnet. Bei Infrarot-Bildaufnehmern beträgt der FöMaktor typiseherweise 20 bis 25%; vgl. Kirmata a. a. O. Seite 254, linke Spalte, Ende zweiter Absatz. Dementsprechend wird atich nur dieser Anteil der einfallenden Strahlung ausgewertet und trägt zur Bildinfoirmation bei

Um den für die Bildinformation¹ auszuwertenden Anteil der einfallendem Strahlung zti vergrößern, müßte der Füllfaktor entsprechend vergrößert werden. Da: der für die Auslesestraktueen benötigte Fläehenanteil kaum

ίο verringert werden kann, wird hier zu Hilfsmittel« gegriffen, um die auf die Rückseite der monolithischen Bildaufnehmer auffallende Strahlung optisch auf die Bildsensoren zu konzentrieren.
So ist z. B. für Bildaufnehmer, die im sichtbaren Bereich des Lichtes arbeiten, vorgeschlagen worden, Zylinderlinsen aus fließfähigem Photolack auf die Lichteinfallseite des Bildaufnehmers aufzubringen; vgl J. Yshihara, u. a.: A High Photosensitivity JL-CCD Image Sensor with Monolithic Resin Lens Array, erschienen in JEDM Digest of Papers, 1983, Seite497.

Für Infrarot-Bildaufnehmer mit Schottkybameren-Bildsensoren sind Deckplatten aus Silicium entwickelt worden, deren Oberfläche mit feinsten Diamantfräserra bearbeitet wird, um auf diese Weise ein Muster aus Sammelinsen mit gekrümmten Oberflächen zu erhalten. Die Deckplatte wird dann auf der rückwärtigen Lichteinfallseite auf dem Siliciumsubstrat Justiert befestigt. Die Krümmungen der einzelnen Sammellinsen sind so berechnet, daß Strahlung auch außerhalb der direkt auf die Bildsensoren einfallenden Strahlungsanteile auf die Bildsensoren konzentriert werden; E. F. Cross,. ti. a.: Optical Technique for Increasing Fill Factor of Mosaic Arrays, Proc. of SPIE, Vol. 395,1983, Seite 73 ff. In dieser Druckschrift ist auch vorgeschlagen worden, die gekrümmten Oberflächen der Linsenanordnung direkt auf der Rückseite des Silieiumsubstrates einzufräsen; vgl. Seite 74, Abschnitt Faceplate Construction^ Ende erster Absatz. Hier wird allerdings zu Recht zugestanden, daß dies nur mit einer gründlich durchgearbeiteten und ausgeklügelten Frästechnik mögSeh wäre.

Die lineare Ausdehnung der bei monolithischem Biidaufnehmern verwendeten Bildsensoren beträgt einige IO μΐη. Es ist einleuchtend, daß die zitierten Vorsehläge zur Strahlungskonzentration bei diesen Dimensionen nur mit aufwendigen und schwierig zu beherrschenden Techniken verwirklicht werden können, wobei bezweifelt werden darf, daß für Infrarot-Bildaufnehmer der Vorschlag, Zylinderlinsen aus fließfähigem Photolack zu bilden, überhaupt realisiert werden kanu. Die erwähnten Deckplatten aus Silicium müssen zudem exakt, praktisch ohne Toleranzen hergestellt werden und anschließend sehr genau im Hinblick auf die jeweiligen Bildsensoren justiert werden. Die aufgrund der kleinen Dimensionen geringen Toleranzen müssen auch unter allen Betriebsbedingungen, z. B. bei tiefen Temperaturen, bei Vibrationen oder dergleichen eingehalten werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bildaufnehmer der in Rede stehenden Art anzugeben, bei dem der FüUfaktor mit einfachen Mitteln vergrößert werden kann.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhaft wird die Anordnung zur Konzentration der einfallenden Strahlung durch im Querschnitt dreieck- oder trapezförmige Ätzgruben realisiert, die direkt in die Substratrückseite durch anisotropes Ätzen von Netzebenen eingearbeitet werden.

Anisotropes Ätzen von Siliciumsubstraten ist in Verbindung mit der Mikromechanik bekannt; vgl. Kurt E. Petersen, Dynamic Micromechanics on Silicon: Techniques and Devices, veröffentlicht in IEEE Transactions on Electron Devices, Band 25, Nummer 10, Oktober 1978, Seite 1241 ff. Auf die Rückseite des Siliciumsubstrates wird z. B. eine Siliciumdioxid(SiO2)-Maske aufgelegt, die die direkt oberhalb der Bildsensoren liegenden Flächen abdeckt. Ist die Oberfläche des Siliciumsubstrates eine (1 0 O)-Kristallebene, so wird das Siliciumsubstrat an den von der Maske freigegebenen Stellen längs der (1 1 1)-Kristallebenen durch ein Ätzmittel ausgeätzt, so daß sich im Querschnitt dreieck- bzw. trapezförmige Ätzgruben um die durch die Maske abgedeckten horizontalen Bereiche ergeben, deren Seitenwände entsprechend dem Kristallwinkel geneigt sind. Bei Silicium beträgt dieser Winkel 54,74° gegenüber der Substratoberfläche. Als Ätzmittel kann EDP — eine Mischung aus Äthylendiamin, Pyrocatechol und Wasser —, KOH, oder NaOH verwendet werden. Durch anisotropes Ätzen werden bekanntermaßen Flächen mit hoher Oberflächengüte erhalten.

Die Breite der horizontalen Restflächen und die Tiefe der dreieck- bzw. trapezförmigen Ätzgruben werden so gewählt, daß senkrecht auf die Substratrückseite auffallende Strahlung von den geneigten Kristallebenen auf die gesamte Fläche eines Bildsensors projiziert wird.

Durch die Seitenwände der durch anisotropes Ätzen einfach herzustellenden Ätzgruben wird die ansonsten auf unempfindliche Bereiche des Bildaufnehmers einfallende Strahlung zumindest teilweise auf die Bildsensoren gelenkt, so daß die Fläche der Bildsensoren »virtuell« erhöht wird. Hiermit werden auch die Ausgangssignale der Bildsensoren in ihrem Pegel wesentlich erhöht, und zwar bei unverändertem Rauschanteil. Die auf die Bildsensoren fallende Lichtmenge kann dadurch um das Zwei- bzw. Dreifache der ansonsten direkt auf die Bildsensoren auffallenden Lichtmenge gesteigert werden.

Bei der angewandten Technik des anisotropen Ätzens sind die bei anderen Vorschlägen auftretenden Justierprobleme nicht vorhanden. Da außerdem die Anordnung zur Konzentration der einfallenden Strahlung direkt in das Halbleitersubstrat integriert ist, treten auch keine Probleme hinsichtlich Temperaturverträglichkeit, Vibrationsempfindlichkeit oder dergleichen auf.

Die Erfindung ist in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert In der Zeichnung stellen dar;

Fi g. 1 eine Aufsicht auf einen Teil eines Infrarot-Bildaufnehmers mit einer Vielzahl von zellenförmig angeordneten Bildsensoren sowie zwischen den Sensorzeilen liegenden Transfer-Bereichen und Speicher-Bereichen; F i g. 2 einen Schnitt längs H-II zur Darstellung einer Anordnung zur Konzentration der auf die Rückseite des Bildaufnehmers fallenden Strahlung gemäß der Erfindung;

F i g. 3 eine räumliche Darstellung eines Teiles eines IR-Bildaufnehmers gemäß der Erfindung;

F i g. 4 eine räumliche Darstellung eines Teiles eines Bildaufnehmers in einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.

Ein Infrarot-Bildaufnehmer 1 wird auf einem dünnen plattenförmigen Siliciumsubstrat 2 aufgebaut, dessen Oberflächen längs (1 0 O)-Kristallebenen verlaufen. Auf der Oberfläche O sind in parallelen Reihen Bildsensoren 3 aufgebracht, die für die IR-Strahlung empfindlich sind. Jede Reihe enthält dabei eine Vielzahl von Bildsensoren.

Zwischen den Reihen der Bildsensoren 3 liegen ebenfalls in Reihen Auslesestrukturen 4, die jeweils aus an die Bildsensoren 3 anschließenden Transfer-Bereichen 5 und Speicherbereichen 6 bestehen.

In F i g. 2 sind die Bildsensoren 3 sowie die Auslesestrukturen 4 auf der Oberseite O des Siliciumsubstrates 2 schematisch dargestellt. Die Rückseite R des Siliciumsubstrates 2 wird in den Bildsensoren 3 gegenüberliegenden Bereichen Λ'mit einer in Fig. 2 gestrichelt dargestellten Siliciumdioxid-Maske 7 abgedeckt, die zwischen den Reihen der Bildsensoren 3 liegende Bereiche B frei läßt.-Das Siliciumsubstrat 2 wird von der Rückseite R mit einem Ätzmittel, z. B. EDP behandelt, wodurch das Siliciumsubstrat längs der (1 1 1)-Kristallebenen weggeätzt wird. Diese (1 1 1)-Kristall- oder Netzebenen bilden mit der rückseitigen (1 0 O)-Kristallebene einen Winkel von 54,74°, so daß sich nach einer gewissen Zeit in dem Bereich B eine im Querschnitt dreieckförmige Ätzgrube 8 ergibt, dessen Seitenwände 9 in den (1 1 1)-Kristallebenen liegen. Wird der Ätzvorgang vorher gestoppt, so ergeben sich im Querschnitt trapezförmige Ätzgruben wie dieses durch die gestrichelte Linie 8' angedeutet ist.

Wenn Infrarotstrahlung auf die Rückseite R des Bildaufnehmers 1 senkrecht zur (1 0 O)-Ebene fällt, so durchdringt ein Anteil A das Siliciumsubstrat und trifft direkt auf die Fläche eines Bildsensors 3. Parallel dazu einfallende IR-Strahlung A-I und /4-2 fällt auf die geneigten Seitenwände 9 der Ätzgruben 8 und wird gegenüber diesen unter einem Winkel von 76,19° auf die Bildsensoren 3 umgelenkt.

Diese Strahlungsanteile A-i und A-2, die ansonsten bei unbehandelter Rückseite des Siliciumsubstrates nicht auf die Bildsensoren fallen würden, werden über die geneigten Seitenwände 9 der Ätzgruben 8 zusätzlich auf die Bildsensoren gelenkt. Dieser zusätzlich für die Auswertung der Bildinformation durch die Ätzgruben gewonnene Strahlungsanteil kann durch einfache geometrische Betrachtungen abgeschätzt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird auf die Fläche der Bildsensoren 3 etwa die doppelte Lichtmenge auftreffen, die durch den Anteil A geliefert wird.

In F i g. 3 wird die räumliche Struktur der Ätzgruben 8 bei einem Infrarot-Bildaufnehmer mit Zwischenzeilen-Transfer deutlich.

In Fig.4 ist in räumlicher Darstellung ein Infrarot-Bildaufnehmer Γ dargestellt, bei dem auf der Substrat-Oberfläche O' die einzelnen Bildsensoren 3' in einem regelmäßigen Raster aufgebracht sind. Die Auslesestrukturen 4' sind nur angedeutet. Die Rückseite /?'wird mit einer rasterförmigen Siliciumdioxidmaske abgedeckt und anschließend anisotrop geätzt. Hierdurch bilden sich ausgehend von den oberhalb der Bildsensoren 3' gelegenen Bereiche Λ'Kegelstümpfe 10 aus, die ein gerastertes Ätzgrubensystem 8' mit Seitenwänden 9' bilden, die wiederum in Richtung der (1 1 1)-Kristallebenen ausgerichtet sind. Durch eine solche Formation der Substratrückseite R' wird auf die Bildsensoren 3' etwa das Dreifache des direkt auf die Sensoren 3' einfallenden Lichtes gelenkt.

Aus F i g. 2 geht hervor, daß die Bereiche A'und Bso festgelegt werden sollten, daß die gesamte Fläche der Bildsensoren 3 bzw. 3' auf die Seitenwände 9 bzw. 9' unter Berücksichtigung der Ein- und Ausfallswinkel projiziert werden können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

- LeerseJte -

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Monolithischer Bildaufnehmer, vorzugsweise Infrarot-Bildaufnehmer, mit einem plattenförmigen Halbleitersubstrat, auf dessen einer Seite in einem Mosaikmuster Bildsensoren mit benachbarten Austesestrukturen angeordnet sind, und auf dessen anderer Seite in definierten Bezirken eine Anordnung zur Konzentration der einfallenden Strahlung auf die Bildsensoren vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Konzentration der einfallenden Strahlung auf die BiIdsensbren (3) durch anisotropes Anätzen von Netzebenen des einkristallinen Halbteitersubstrats erhalten wird.

2. Bildaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzebenen die (1 1 1)-Ebenen eines Si-Einkristalles sind.

3. Bildaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Konzentration der einfallenden Strahlung je nach Lage der Bildsensoren (3) und deren Auslesestrukturen aus Kombinationen von im Querschnitt dreiecks- oder trapezförmigen Ätzgruben (8) besteht