DE69320113T2

DE69320113T2 - Festkörper-Bildsensor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69320113T2
Application number: DE69320113T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Osaka-Fu Japan 618 Okamoto; Yoshikazu Osaka-Shi Osaka-Fu Sano
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 1993-05-24
Publication date: 1999-03-11
Anticipated expiration: 2013-05-25
Also published as: US5514888A; EP0576144B1; EP0576144A1; DE69320113D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildsensor mit einem Halbleitersubstrat, Sensorbauteilen einschließlich Fotodioden, die auf der Oberfläche des Substrates gebildet sind, einer unteren Lichtabschirmschicht, die über anderen Sensorbauteilen als den Fotodioden gebildet ist, und einer Lichtabschirmeinrichtung, die über der unteren Lichtabschirmschicht und darauf ausgerichtet gebildet ist. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörper-Bildsensors, mit folgenden Verfahrensschritten:
(a) Sensorbauteile einschließlich Fotodioden auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrates zu bilden,
(b) über anderen Bauteilen als den Fotodioden eine untere Lichtabschirmschicht zu bilden, und
(c) über der Lichtabschirmschicht und darauf ausgerichtet eine Lichtabschirmeinrichtung zu bilden.
Ein modernes Mittel zur Herstellung eines Festkörper-Farbbildsensors ist ein Filterverbindungsverfahren, bei dem eine auf einer Glasplatte gebildete Farbfilmschicht mit einer Festkörper-Bildsensorvorrichtung verbunden wird. Um mit komplizierteren Herstellungsverfahren und einer weiteren Miniaturisierung von Vorrichtungen fertig zu werden, wurde dieses Verfahren allmählich durch ein sogenanntes Verfahren mit chipinternem Farbfilter abgelöst, bei dem eine Farbfilterschicht direkt auf einem Halbleitersubstrat gebildet wird, das die Festkörper-Bildsensorvorrichtung trägt. Insbesondere für kompakte Festkörper-Bildsensoren wird zusätzlich auf der Farbfilterschicht eine Mikrolinse angebracht, die einfallendes Licht auf einen Lichtempfangsteil gebündelt und die Lichtempfangsempfindlichkeit verbessert.
Es wird nun ein konventioneller Festkörper-Bildsensor beschrieben. Fig. 23 zeigt eine Schnittansicht einer Hauptteils eines konventionellen Festkörper-Bildsensors, der ein Beispiel für das Farbfilter-Verbindungsverfahren liefert.
Ein Halbleitersubstrat 1, das die Festkörper-Bildsensorvorrichtung trägt, hat eine sehr rauhe Oberfläche; dementsprechend wird die Oberfläche zuerst durch eine Unterlage-Glättungsschicht 4 geglättet, und danach wird eine transparente Schicht 6 darauf angebracht. Nachfolgend wird über eine Farbfilter-Verbindungsschicht 12 ein Farbfilter 13 darauf angebracht. Eine Lichtabschirmschicht 14, die eine Lichtabsorptionsschicht oder eine Lichtreflexionsschicht aufweist, die auf einer Flachglasoberfläche des Farbfilters 13 gebildet ist, so angeordnet, daß sie eine Vertikal- CCD 10 bedeckt und Streulicht (nachfolgend als Reflexlicht bezeichnet) vom Eintritt in eine Fotodiode 2 abschirmt. Durch ein Optiksystem einer Videokamera tretendes einfallendes Licht 7 erreicht die Fotodiode 2 über das Farbfilter 13, und seine Lichtenergie wird in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Fig. 24 und 25 zeigen jeweils Schnittansichten von Hauptteilen eines weiteren konventionellen Festkörper-Bildsensors, die Beispiele für das Verfahren mit chipinternem Farbfilter liefern.
In Übereinstimmung mit dem Verfahren mit chipinternem Farbfilter werden im allgemeinen die Unterlage-Glättungsschicht 4, eine Lichtabschirmschicht 4, ein transparenter Film 6 und eine Fokussierlinse 11 (nachfolgend als chipinterne Linse bezeichnet) auf dem Halbleitersubstrat 1, das die Festkörper-Bildsensorvorrichtung trägt, aufeinandergestapelt, wie in Fig. 24 gezeigt. Das durch die chipinterne Linse 11 gebündelte einfallende Licht 8 wird somit wirksam auf die Fotodiode 2 geleitet; die im transparenten Film 6 gebildete Lichtabschirmschicht 5 schirmt Reflexlicht wie internes Reflexionslicht 9 davon ab, als Störsignale in der Fotodiode 2 zu erscheinen.
Fig. 25 zeigt einen Festkörper-Bildsensor, dessen Lichtabschirmschicht 5 dicker als die des in Fig. 24 gezeigten konventionellen Festkörper-Bildsensors ist und die so gestaltet ist, daß das Reflexlicht durch Steuerung der Dicke noch vollständiger abgeschirmt wird. Die obigen konventionellen Konstruktionen haben jedoch die folgenden Nachteile, weshalb sie Reflexlicht nicht zufriedenstellend abschirmen können:
In Übereinstimmung mit dem Festkörper-Bildsensor, der das in Fig. 23 gezeigte Filterverbindungsverfahren anwendet, wird ein schräg eintretender Strahl des einfallenden Lichtes 8 vom Lichtabschirmfilm 3 reflektiert, anschließend wiederholt auf dem Farbfilter 13 und/oder im transparenten Film 6 reflektiert, und schließlich erreicht er unerwartet die Fotodiode 2, wo er ein Störsignal verursacht.
In Übereinstimmung mit dem Festkörper-Bildsensor, der das in Fig. 24 gezeigte Verfahren mit chipinternem Farbfilter abwendet, kann die Lichtabschirmschicht 5 aufgrund ihres dünnen Einschichtaufbaus Reflexlicht, das von dem schräg eintretendem Licht 8 erzeugt wird, nicht zufriedenstellend absorbieren und abschirmen; das Reflexlicht wird wiederholt im Abschirmfilm 3 oder dergleichen reflektiert und erreicht unerwartet die Fotodiode 2, wo es ein Störsignal verursacht.
Hingegen kann der Festkörper-Bildsensor, der das in Fig. 25 gezeigte Verfahren mit chipinternem Farbfilter abwendet, das schräg · einfallende Licht 8 aufgrund der dicken Lichtabschirmschicht 5 einer Lichtabsorptionsschicht erfolgreich absorbieren und abschirmen. Nichtsdestoweniger wird ein Strahl des einfallenden Lichtes 8, der durch den Umfang der chipinternen Linse 11 hindurchgegangen ist, durch die dicke Lichtabschirmschicht 5 abgeschirmt; folglich wird sogar Licht absorbiert, das in die Fotodiode 2 eintreten soll, was die Empfindlichkeit vermindert. Übrigens kann bei einem Versuch, die Lichtabschirmschicht 5 mittels Fotolithografie zu bilden, ein allgemein für Lithografie benutzter Natureiweißstoff vom Negativ-Typ nicht vollständig aufgelöst werden, da die Lichtabschirmschicht 5 eine größere Filmdicke erfordert, was einen Filmrückstand der Lichtabschirmschicht 5 fördert. Folglich wird die Fotodiode 2 teilweise an ihrem Umfang bedeckt, und ihre Empfindlichkeit wird vermindert. Ferner induziert die dicke Lichtabschirmschicht 5 manchmal in einem Entwicklungsprozeß im Anschluß an einen Belichtungsprozeß zu schmelzendes Material und verursacht ein unsauberes Bild.
Die vorliegende Erfindung überwindet die obigen Nachteile; Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Festkörper-Bildsensor zu schaffen, der Qualitätsbilder erzeugt, indem er von schräg eintretendem Licht und internem Reflexionslicht erzeugtes Reflexlicht erfolgreich abschirmt und Störsignale beseitigt.
Außerdem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörper-Bildsensors mit diesen Eigenschaften zu schaffen.
Ein Festkörper-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtabschirmeinrichtung als eine Vielzahl von aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten gebildet ist, wobei die Flächen der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten mit zunehmender Entfernung vom Substrat kleiner werden, um eine spitz zulaufende Struktur zu bilden.
Vorzugsweise sind benachbarte Schichten der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten durch eine transparente Schicht getrennt.
Vorzugsweise ist eine transparente Schicht auf den aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten gebildet.
Vorzugsweise ist jeder Fotodiode eine Mikrolinsen-Struktur zugeordnet, und die Breite (W) jeder der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten genügt der folgenden Beziehung:
W = [d(R - r) + L(P - R)]/L
worin r die Breite einer Fotodiode ist, R die Breite einer Mikrolinse ist, L die Entfernung von der Oberseite der Fotodiode zur Unterseite der Mikrolinsen-Struktur ist, d die Entfernung zwischen der Fotodiode und einer der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten ist und P die Entfernung zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Fotodioden ist.
Vorzugsweise wendet wenigstens eine der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten ein fotoempfindliches und färbbares Acrylharz vom Negativ-Typ an. Die Dicke wenigstens einer der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten liegt im Bereich 0,3 bis 0,8 um. Jede der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten kann aus einer Diazoverbindung und Dimethylaminoethyl-Methacrylat (DMAEMA) kombiniert mit einem Acryl-Copolymer gebildet sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der vorgenannte Verfahrensschritt (c) umfaßt, eine Vielzahl von aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten zu bilden, um eine spitz zulaufende Struktur zu bilden.
Vorzugsweise umfaßt der Verfahrensschritt (a) folgende Verfahrensschritte:
(d) Fotodioden und eine Vertikal-CCD in einer Matrix auf der Oberfläche des Substrates zu bilden,
(e) über den Fotodioden und der Vertikal-CCD eine isolierende Schicht zu bilden, und
(f) über der isolierenden Schicht Transfergatter für die Vertikal-CCD zu bilden. Vorzugsweise umfaßt der Verfahrensschritt (c) folgende Verfahrensschritte:
(g) die erste der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten auf einer Glättungsschicht zu bilden,
(h) über der Glättungsschicht und der ersten der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten eine erste transparente Schicht zu bilden,
(i) auf der ersten transparenten Schicht die zweite der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten zu bilden, und
(j) über der ersten transparenten Schicht und der zweiten der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten eine zweite transparente Schicht zu bilden.
Vorzugsweise umfaßt der Verfahrensschritt (c) folgende Verfahrensschritte:
(k) auf der zweiten transparenten Schicht eine dritte der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten zu bilden,
(l) über der zweiten transparenten Schicht und der dritten der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten eine dritte transparente Schicht zu bilden, und
(m) auf der dritten transparenten Schicht eine Mikrolinsen-Struktur zu bilden.
Vorzugsweise werden die Mikrolinsen-Strukturen über der Lichtabschirmeinrichtung gebildet, um Licht auf die Fotodioden zu bündeln.
Die obige Konstruktion kann Reflexlicht, das durch schräg in den Festkörper-Bildsensor eintretendes Licht oder durch in einer Lichtabschirm-Metallschicht reflektiertes Licht leicht induziert wird, wirksam abschirmen und absorbieren. Außerdem kann die obige Konstruktion Qualitätsbilder liefern, selbst wenn sie auf einen mit einer chipinternen Linse ausgestatteten Festkörper-Bildsensor angewandt wird, da sie weder die fokussierte Lichtmenge verringert noch unsauberes Abziehen bei der Entwicklung erzeugt, selbst wenn die Filmdicke der Lichtabschirmschicht größer gemacht wird.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 22 der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Hauptteils eines Festkörper-Bildsensors einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines Hauptteils eines Festkörper-Bildsensors einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der Anordnung von Lichtabschirmschichten,
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines Hauptteils eines Festkörper-Bildsensors einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von Verfahrensschritten bei einem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 9 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 11 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 12 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 13 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 14 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 15 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 16 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung eines Verfahrensschrittes zur Herstellung einer chipinternen Linse,
Fig. 17 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von Verfahrensschritten bei einem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 18 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 19 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der zweiten Ausfüh rungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 20 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 21 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 22 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung von weiteren Verfahrensschritten bei dem Verfahren zur Herstellung des Festkörper-Bildsensors der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 23 zeigt eine Schnittansicht eines konventionellen Festkörper-Bildsensors,
Fig. 24 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren konventionellen Festkörper-Bildsensors, und
Fig. 25 zeigt eine Schnittansicht noch eines konventionellen Festkörper-Bildsensors.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Hauptteils eines Festkörper-Bildsensors einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein Beispiel für das Verfahren mit chipinternem Filter liefert.
Es wird nun die Schnittansicht des in Übereinstimmung mit Fig. 1 hergestellten Festkörper-Bildsensors vom Typ CCD (ladungsgekoppelte Vorrichtung) beschrieben:
Ein N-leitendes Halbleitersubstrat 41 hat die Oberflächenrichtung (100) und eine Störstellendichte von ungefähr 10¹&sup4; cm³. Auf dem N-leitenden Halbleitersubstrat 41 ist eine erste P-leitende Diffusionsschicht 42 gebildet. Die erste P-leitende Diffusionsschicht 42 hat eine Tiefe von ungefähr 5 um und eine Störstellendichte von ungefähr 10¹&sup5; cm³. Die erste P-leitende Diffusionsschicht 42 dient zum Abzug der für eine Fotodiode 43 unnötigen elektrischen Ladungen. Die Fotodiode 43 ist als eine N-leitende Diffusionsschicht auf dem N-leitenden Halbleitersubstrat 41 gebildet. Die Fotodiode 43 bildet mittels von außen einfallendem Licht elektrische Ladungen (Fototräger) und speichert sie vorübergehend. Über die von der Fotodiode 43 speicherbare Ladungsmenge hinaus erzeugte elektrische Ladungen strömen von der Fotodiode 43 in die anderen Bereiche. In einen Übertragungskanal 44 einer N-leitenden Diffusionsschicht eintretende elektrische Ladung verursacht Überstrahlung. Solche Überstrahlung ist mittels der ersten P-leitenden Diffusionsschicht 42 beherrschbar. Die erste P-leitende Diffusionsschicht 42 wird auf Nullspannung festgehalten. Ein Potentialprofil in diesen Bereichen wird daher konstant gehalten, da in der Fotodiode 43 erzeugte elektrische Ladungen durch die erste P-leitende Diffusionsschicht 42 nach dem N-leitenden Halbleitersubstrat 41 abziehen. Die auf den vorher erwähnten Wert eingestellte Störstellendichte der ersten P-leitenden Diffusionsschicht 42 kann leicht eine Verarmungsschicht in der Fotodiode 43 induzieren, wenn der Festkörper-Bildsensor aktiviert wird, und den Signalwert der fotoelektrischen Wandlung vergrößern. Die Tiefe der ersten P-leitenden Diffusionsschicht 42 wird durch die Tiefe der Fotodiode 43 und die Spannungsfestigkeit dazwischen bestimmt. Die Fotodiode 43 muß mindestens ungefähr 2 um tief sein, um einen ausreichenden Wirkungsgrad der fotoelektrischen Wandlung zu erzielen, wenn sie Licht im Bereich des sichtbaren Lichtes empfängt.
Auf der ersten P-leitenden Diffusionsschicht 42 liegt somit die N-leitende Diffusionsschicht der Fotodiode 43. In die Fotodiode 43 eintretendes Licht induziert Elektron-Loch-Paare in der Verarmungsschicht in der Fotodiode 43. Ein Elektron wird eine Signalladung über die benachbarten Übertragungskanäle 44. Ein Loch zieht durch die erste P-leitende Diffusionsschicht 42 nach außen in das N-leitende Halbleitersubstrat 41 ab. Die Fotodiode 43 wandelt somit einfallendes Licht in eine Signalladung um. Auf der Oberfläche der Fotodiode 43 ist eine zweite P-leitende Diffusionsschicht 45 gebildet.
Es wird nun der Grund erläutert, weshalb die zweite P-leitende Diffusionsschicht 45 gebildet wird: Wenn die N-leitende Diffusionsschicht der Fotodiode 43 im Kontakt mit einer Grenzfläche zwischen dem Halbleitersubstrat 41 und einem Gatterisolierfilm 48 gebildet wird, tritt infolge des Einflusses des Pegels an der Grenzfläche ein Strom auf, der die Vorrichtungseigenschaften verschlechtert. Dement sprechend wird die zweite P-leitende Diffusionsschicht 45 mit relativ hoher Störstellendichte gebildet, so daß sich die Verarmungsschicht nicht in die Grenzfläche zwischen Silizium und dem Isolierfilm ausdehnen kann. Die zweite P-leitende Diffusionsschicht 45 benötigt Bor mit einer Störstellendichte von mehr als 10¹&sup7; cm³. Versucht man, so eine Störstellendichte mittels des üblichen Ioneninjektionsverfahrens zu erzeugen, erzeugt die Ioneninjektion einen Infektionsdefekt auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates 41 und verursacht Leckstrom. Folglich kann trotz des Versuchs der Verhinderung der Dunkelstromerzeugung keine ausreichende Verbesserung bewirkt werden. Eine Methode, den durch die Ioneninjektion verursachten Injektionsdefekt zu verhindern, ist Wasserstoffglühen. Nichtsdestoweniger ist dieses Verfahren uneffizient und instabil, da sich ein Wasserstoffatom, das durch das Wasserstoffglühen in das Halbleitersubstrat 41 eingebracht wird, von einer Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat und einem Oxidfilm entfernt, wenn dem Halbleitersubstrat 41 Wärme und/oder Licht zugeführt werden. Daher hat die nach diesem Verfahren hergestellte Vorrichtung geringe Zuverlässigkeit.
Die erste P-leitende Diffusionsschicht 42 enthält eine dritte P-leitende Diffusionsschicht 47. Die dritte P-leitende Diffusionsschicht 47 dient dazu, zu verhindern, daß elektrische Ladungen, die Störungen der im N-leitenden Halbleitersubstrat 41 erzeugten Signale verursachen, in Richtung auf den Übertragungskanal 44 diffundieren. Die dritte P-leitende Diffusionsschicht 47 hat eine Diffusionstiefe von 1 um und eine Störstellendichte von 101&sup6; cm&supmin;³. Die dritte P-leitende Diffusionsschicht 47 wird zum Einschluß des Übertragungskanals 44 der N-leitenden Diffusionsschicht verwendet. So ein Aufbau wird allgemein als ein Hi-C-Aufbau bezeichnet. Wenn die Diffusionstiefe der dritten P-leitenden Diffusionsschicht 47 durch Wärmebehandlung tiefer gemacht wird, schreitet gleichzeitig die seitliche Diffusion fort. Daher dringt die dritte P-leitende Diffusionsschicht 47 in die N-leitende Diffusionsschicht der Fotodiode 43 ein. Wenn die Fotodiode 43 von der dritten P-leitenden Diffusionsschicht 47 durchdrungen wird, wird ihr Ausgangssignal der fotoelektrischen Wandlung kleiner. Der Übertragungskanal 44 ist ein Übertragungsbereich zur Übertragung der in der Fotodiode 43 gebildeten Signalladungen in den vorbestimmten Bereich.
Der Übertragungskanal 44 hat eine Diffusionstiefe von ungefähr 0,5 um und eine Störstellendichte von 10¹&sup6; bis 10¹&sup7; cm³.
Zur Realisierung des Hi-C-Aufbaus muß die dritte P-leitende Diffusionsschicht 47 breiter als der Übertragungskanal 44 gemacht werden.
Wird eine in der Fotodiode 43 erzeugte Signalladung aus dem Übertragungskanal 44 ausgelesen, wird das Potential des Übertragungskanals 44 niedriger als das der Fotodiode 43 gemacht. Außerdem muß in einem Fall, daß eine in den Übertragungskanal 44 beförderte Signalladung zur Fotodiode 43 zurückfließt oder daß eine Signalladung im Übertragungskanal 44 vorhanden ist, eine in der Fotodiode 43 gebildete Signalladung gesteuert werden, nicht in den Übertragungskanal 44 zu fließen. Dementsprechend wird zwischen der Fotodiode 43 und dem Übertragungskanal 44 eine vierte P-leitende Diffusionsschicht 48 zur Steuerung des Potentials im Lesezeitpunkt vorgesehen. Wenn eine Signalladung von der Fotodiode 43 in den Übertragungskanal 44 übertragen wird, wird das Potential in der vierten P- leitenden Diffusionsschicht 48 so gesteuert, daß es niedriger als das der Fotodiode 43 und so hoch oder höher wie das des Übertragungskanals 44 ist. Wenn eine Signalladung im Übertragungskanal 44 gesammelt wird, wird das Potential der vierten P-leitenden Diffusionsschicht 48 so gesteuert, daß es höher als das der Fotodiode 43 und das des Übertragungskanals 44 ist, so daß der Signalkanal nicht zurück zur Fotodiode 43 fließen kann.
Die vierte P-leitende Diffusionsschicht 48 hat eine Diffusionstiefe von ungefähr 1 um und eine Oberflächendichte von 10¹&sup6; bis 10¹&sup7; cm&supmin;³ auf der Oberfläche des Siliziumsubstrates 41. Bei Spannungen von 0 V oder 15 V eines Steuerimpulses, der den Festkörper-Bildsensor aktiviert, muß verhindert werden, daß eine elektrische Ladung vom Übertragungskanal 44 zurück in die Fotodiode 43 fließt, oder die elektrische Ladung muß dazu gebracht werden, von der Fotodiode 43 in den Übertragungskanal 44 zu fließen. Die Diffusionstiefe und die Störstellendichte der vierten P-leitenden Diffusionsschicht 48 werden jeweils so eingestellt, daß sie in den beiden Zuständen die Schwellenspannung sein können, die die optimalen Potential profile liefert. Die Breite der vierten P-leitenden Diffusionsschicht 48 wird vorzugsweise auf weniger als 1 um eingestellt. Eine Breite der vierten P-leitenden Diffusionsschicht 48 von mehr als 1 um vermindert die gm-Kenngröße des Transistors; die verminderte gm-Kenngröße macht es unmöglich, in der Fotodiode 43 gesammelte Signalladungen vollständig auszulesen. Hingegen erzeugt eine Breite der vierten P-leitenden Diffusionsschicht 48 von weniger als 1 um einen Kurzkanaleffekt. Der Kurzkanaleffekt fördert die Erzeugung von Durchgriff; als Folge wird ein kleiner Ausgangssignalwert der fotoelektrischen Wandlung der Fotodiode klein.
Der Festkörper-Bildsensor enthält ein Paar aus der Fotodiode 43 und dem Übertragungskanal 44 in Matrixform. Um die benachbarten Paare elektrisch zu trennen, wird eine fünfte P-leitende Diffusionsschicht 49 gebildet. Die fünfte P-leitende Diffusionsschicht 49 wird durch Ioneninjektion gebildet. Die fünfte P-leitende Diffusionsschicht 49 hat eine Tiefe von 1 um und eine Oberflächendichte von 10¹&sup7; bis 10¹&sup8; cm&supmin;³.
Die Oberflächendichte der fünften P-leitenden Diffusionsschicht 49 muß im obigen Bereich eingestellt werden, damit Signalladungen, die in der angrenzenden Fotodiode 43 gesammelt werden, nicht in die angrenzenden Fotodioden 43 fließen können. Eine Oberflächendichte von weniger als 10¹&sup7; cm&supmin;³ gestattet es, daß Signalladungen in die angrenzenden Fotodioden 43 fließen. Eine Oberflächendichte von mehr als 10¹&sup8; cm&supmin;³ erzeugt einen Schmalkanaleffekt im angrenzenden Übertragungskanal 44. Der Schmalkanaleffekt vermindert die Übertragungskapazität des Übertragungskanals 44 und dementsprechend den Dynamikbereich des Festkörper- Bildsensors, und er verschlechtert den Übertragungswirkungsgrad.
Die Breite der fünften P-leitenden Diffusionsschicht 49 wird vorzugsweise auf weniger als ungefähr 1 um eingestellt. Eine Breite der fünften P-leitenden Diffusionsschicht 49 von mehr als 1 um macht die Übertragungsfläche des Übertragungskanals 44 schmaler: In der Fotodiode 43 gesammelte Signalladungen können nämlich nicht vollständig ausgelesen werden. Eine Breite der fünften P-leitenden Diffusionsschicht 49 von weniger als 1 um erzeugt einen Kurzkanaleffekt. Der Kurz kanaleffekt fördert die Erzeugung von Durchgriff zwischen der Fotodiode 43 und dem Übertragungskanal 44. Als Folge werden Informationen benachbarter Fotodioden 43 fehlerhaft ausgelesen und wird die Auflösung vermindert; das Ausgangssignal der Fotodiode 43 wird ebenfalls vermindert.
Aus einem Siliziumoxidfilm wird auf dem P-leitenden Halbleitersubstrat 41 ein Gatter-Isolierfilm 50 aufgewachsen. Der Gatter-Isolierfilm 50 wird mittels eines Pyrooxidverfahrens gebildet. Der Gatter-Isolierfilm 50 hat eine Filmdicke von mehr als 50 nm. Vorzugsweise wird die Filmdicke des Gatter-Isolierfilms 50 größer als 50 nm gemacht, um den Übertragungswirkungsgrad unter Ausnutzung eines Randeffektes zu verbessern.
Durch Mustern von Polysilizium, das mittels des Druckreduktions-CVD-Verfahrens aufgewachsen worden ist, wird eine Übertragungsgatter- oder Transfergatter- Elektrode 51 gebildet. Die Transfergatter-Elektrode 51 hat einen Schichtwiderstand von mehr als 10 ~ und eine Filmdicke von ungefähr 500 nm. Die Transfergatter- Elektrode 51 wird als eine Elektrode verwendet, die den Steuerimpuls vom Auslesen von in der Fotodiode 43 gebildeten Signalladungen zuführt und sie an den Übertragungskanal 44 überträgt. Der Widerstand der Übertragungselektrode 51 wird somit vorzugweise so niedrig wie möglich gemacht. Wenn aber der Phosphordotierungsbetrag vergrößert wird, um den Widerstand zu vermindern, verschlechtert sich die Spannungsfestigkeit einer durch Oxidation der Oberfläche der Transfergatter-Elektrode 51 gebildeten Zwischenschicht 52. Daher muß der Phosphordotierungsbetrag auf den obigen Wert eingestellt werden. Die aus Polysiliziumoxid- Film hergestellte Zwischenschicht 52 wird auf der Oberfläche der Transfergatter- Elektrode 51 aufgewachsen.
Die Zwischenschicht 52 wird in Übereinstimmung mit dem Pyrooxidverfahren durch Oxidieren der Oberfläche der Transfergatter-Elektrode 51 aufgewachsen. Die Filmdicke der Zwischenschicht 52 wird auf ungefähr 200 nm eingestellt. Die Zwischenschicht 52 wird gebildet, um die Spannungsfestigkeit der Zwischenschicht aufrechtzuerhalten. Übrigens verursacht der als Folge des Ätzens zur Bildung der Transfergatter-Elektrode 51 erzeugte Ätzrest des Polysiliziumfilms eine Leckspannung dahindurch, wenn ihr die Steuerspannung zugeführt wird. Das Leck kann verhindert werden, indem der Polysilizium-Ätzrest gebrannt wird, wenn die Zwischenschicht 52 gebildet wird. Da der der Transfergatter-Elektrode 51 zugeführte vierphasige Steuerimpuls zwischen den Pegeln -7 V, 0 V und + 15 V wechselt, hat die Zwischenschicht 52 eine Spannungsfestigkeit für die maximale Spannungsdifferenz von mehr als 22 V.
Auf der Oberfläche der Zwischenschicht 52 wird eine Zwischenschicht 53 aus einem Siliziumoxid gebildet. Die Zwischenschicht 53 hat eine Filmdicke von ungefähr 100 nm. Die Zwischenschicht 53 wird mittels des CVD-Verfahrens gebildet. Die Zwischenschicht 53 wird gebildet, um zu verhindern, daß Feinlunker oder dergleichen im Polysiliziumoxid-Film der Zwischenschicht 52 erzeugt werden und die Spannungsfestigkeit teilweise herabsetzten.
Aus einem Metallverdampfungsfilm, etwa einem Aluminiumfilm, wird ein Lichtabschirmfilm 54 gebildet, um zu verhindern, daß Licht in den Übertragungskanal 44 eintritt und eine Unschärfekomponente wird. Wie oben beschrieben, entsteht aufgrund der Transfergatter-Elektrode 51 und des Lichtabschirmfilms 54 eine Niveaudifferenz von ungefähr 2 bis 4 um auf dem Halbleitersubstrat 41 des Übertragungskanals 44. Um die Oberflächenniveaudifferenz zu glätten, wird eine Unterlage-Glättungsschicht 55 gebildet. Darauf wird eine erste Lichtabschirmschicht 56 gestapelt. Die Unterlage-Glättungsschicht 55 verwendet ein transparentes Acrylharz mit einer Filmdicke von 3 bis 5 um. Eine auf der Unterlage-Glättungsschicht 55 gebildete erste Lichtabschirmschicht 56 kann ebenfalls eine hauptsächlich aus Acrylharz bestehende Schicht verwenden; dementsprechend wird die Unterlage- Glättungsschicht 55 bei einer Temperatur von ungefähr 200ºC gebrannt, bevor die erste Lichtabschirmschicht 56 hergestellt wird und nachdem die Unterlage- Glättungsschicht 55 gebildet worden ist, um nicht umgeformt zu werden. Die Unterlage-Glättungsschicht 55 muß glatt genug gemacht werden, um die Lichtabschirmschicht hochgenau darauf zu bilden; bezüglich der Rauhigkeit auf der Oberfläche nach Bildung der Unterlage-Glättungsschicht 55 wird eine Differenz zwischen einer konkaven Unterseite und einer konvexen Oberseite unter 0,1 um eingehalten. Eine Differenz von mehr als 0,1 um verleiht dem Muster der oberen Lichtabschirmschicht eine entsprechend Positionen vorgegebene Lichtabschirmflächenverteilung. Als Folge erhält der fertige Festkörper-Bildsensor die positionsentsprechende abweichende Auflösung. Die Lichtabschirmschicht 56 verwendet Gelatine, Kasein und/oder schwarz gefärbtes Acrylharz. Somit verwendet die erste Lichtabschirmschicht 56 einen organischen Film, d. h. einen durch normale Lithografie herstellbaren reaktiven organischen Film vom Negativ-Typ. Gelatine und Kasein sind in der Fotolithografie durch g-Strahlung belichtbar, jedoch mit niedriger Auflösung. Daher können sie die zur Vorrichtungsgenauigkeit gehörende Mustergenauigkeit nicht beeinflussen, und ihre niedrige Auflösung beeinflußt andere Bereiche mehr als den gewünschten Bereich. Die vorliegende Erfindung verwendet ein Acrylharz. Acrylharz ist ein transparentes, lichtunempfindliches Harz. Einem Acryl-Copolymer werden eine Diazoverbindung und Dimethylaminoethyl-Methacrylat (DMAEMA) hinzugefügt; der Zusatz eines Farbradikals macht das Acrylharz färbbar. Dadurch wird die erste Lichtabschirmschicht 56 färbbar, und ein Material vom Negativ-Typ wird in der Fotolithografie für i-Strahlung empfindlich. Somit kann die zur Vorrichtungsgenauigkeit gehörende effektive Musterungsgenauigkeit erzielt werden, und die Auflösung kann verbessert werden. Eine Verwendung von Gelatine und Kasein, die ein schwarz gefärbtes Material sind, das einen Hauptbestandteil Chromsäure enthält, beeinflußt außerdem die Umwelt negativ, d. h. verursacht Umweltverschmutzung. Da das Acrylharz kein solches Material verwendet, übt es andererseits keinen schädlichen Einfluß auf den menschlichen Körper aus und ist somit sicher.
Die erste Lichtabschirmschicht 56 wird so gebildet, daß sie in die Fotodiode 43 eintretendes Licht nicht unterbricht. Die vorliegende Ausführungsform gibt der ersten Lichtabschirmschicht 56 eine Filmdicke von 0,3 um bis 0,5 um. Die Filmdicke kann nicht größer als 0,8 um eingestellt werden. Dies liegt daran, daß das Acrylharz ein Negativ-Typ ist und während der Entwicklung Entwickler absorbiert, was zu sogenannter Aufstauung führt, d. h. zu einer Musteraufblähung. Obwohl die Aufstauung durch Spülen nach Entwicklung beseitigt werden kann und das Harz geschrumpft wird, löst eine Filmdicke von mehr als 0,8 um während der Schrumpfung ein unebenes Muster aus. Übrigens wird bei der Entwicklung außerdem ein Schmutzfilm gebildet, ein für den Negativ-Typ eigentümlicher Streifen. So ein Schmutzfilm wird auf einer Fläche gebildet, die erwartungsgemäß nicht lichtabgeschirmt werden muß. Infolge der Aufstauung und des Schmutzfilms erhält der fertige Festkörper-Bildsensor eine abweichende Empfindlichkeit, und er erzeugt ein unscharfes Bild. Um dies zu verhindern, muß die Filmdicke unter 0,8 um eingestellt werden. Außerdem wird die Querschnittsbreite der ersten Lichtabschirmschicht 56 so festgelegt, daß diese den Lichtabschirmfilm 54 bedeckt und einen Lichtbündelungsweg für die chipinterne Linse nicht versperrt, und hier auf 2 um gebracht.
Darauf wird ein transparenter Film 57 gebildet, und auf dem transparenten Film 57 werden eine zweite Lichtabschirmschicht 58, ein transparenter Film 59 und eine dritte Lichtabschirmschicht 60 aufgestapelt. Die transparenten Filme 57, 59 werden durch Brennen von transparentem Acrylharz hergestellt. Jeder transparente Film 57, 59 hat eine Filmdicke von 0,5 bis 2 um und macht die Substratoberfläche glatt. Die zweite und die dritte Lichtabschirmschicht 58, 60 verwenden jeweils das gleiche Material und die gleiche Filmdicke wie die erste Lichtabschirmschicht 56. Die Querschnittsflächen der zweiten Lichtabschirmschicht 58 und der dritten Lichtabschirmschicht 60 werden jeweils so klein gemacht, daß sie den Lichtbündelungsweg der chipinternen Linse nicht abschirmen; je weiter oben sich die Lichtabschirmschicht befindet, desto kleiner ist ihre Querschnittsfläche. Die dritte Lichtabschirmschicht 60 wird mit einem transparenten Film 61 aus dem gleichen Material und mit der gleichen Filmdicke wie der transparente Film 57 bedeckt. Darauf wird die chipinterne Linse 62 gebildet.
Aufgrund des obigen Aufbaus tritt Licht, das in einer Richtung senkrecht zur Fotodiode 43 auf die chipinterne Linse fällt, durch die Mikrolinse 62, die transparenten Filme 57, 59, 61 und die Unterlage-Glättungsschicht 56 in die Fotodiode 43. Dieses Licht 63 erreicht die Fotodiode 43 direkt, während Licht 64, 65, das in schrägen Richtungen, spitzwinklig zur Oberfläche des Halbleitersubstrates 41, auf die Mikrolinse 62 fällt, die Fotodiode 43 nicht erreicht. Das schräg eintretende Licht 64, 65 wird durch die Linse und die transparenten Filme gebrochen, und seine optischen Wege zielen direkt auf die Transfergatter-Elektrode 51. Schließlich erreicht es den transparenten Film 54 auf der Transfergatter-Elektrode 51 und wird davon reflektiert. Das reflektierte Licht wird durch die Unterlage-Glättungsschicht 55 und die transparenten Filme 57, 59, 61 durchgelassen, an der Grenze zwischen dem transparenten Film 61 und der Mikrolinse 62 reflektiert und tritt als Reflexlicht in die benachbarten Fotodioden 43 ein. Da die vorliegende Ausführungsform die Lichtabschirmschichten 56, 58, 60 außerhalb des optischen Weges des Lichtes 63 anordnet, das direkt von der Mikrolinse 62 zur Fotodiode 43 gelangt, können diese Lichtabschirmschichten reflektiertes Licht erfolgreich abschirmen und/oder absorbieren und die Erzeugung von Reflexlicht verhindern.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines Hauptteils eines Festkörper-Bildsensors einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ähnlich wie in der ersten Ausführungsform werden die jeweiligen Diffusionsschichten auf einem Halbleitersubstrat 71 gebildet, und auf der Transfergatter- Elektrode auf dem Halbleitersubstrat 71 wird ein transparenter Film 72 gebildet. Anders als in der ersten Ausführungsform werden eine zweite Lichtabschirmschicht 74 und eine dritte Lichtabschirmschicht 75 direkt auf einer ersten Lichtabschirmschicht 73 gebildet, ohne dazwischenliegende transparente Filme. Bezüglich der Schichten oberhalb der zweiten Lichtabschirmschicht 74 gilt, je weiter oben sich die Schicht befindet, desto kleinere Querschnittsfläche hat sie, um nicht den Lichtbündelungsweg der chipinternen Linse 76 abzuschirmen. Jede Lichtabschirmschicht 73, 74, 75 kann aus dem gleichen Material sein und die gleiche Filmdicke haben wie in der ersten Ausführungsform offenbart. Da aber die drei Lichtabschirmschichten 73, 74, 75 einen Mehrschichtaufbau mit einer großen Niveaudifferenz von z. B. 1,5 bis 6 um bilden, wird vor der chipinternen Linse 76 ein transparenter Film 77 mit einer entsprechenden Filmdicke von 2,5 bis 7 um vorgesehen, um die Substratoberfläche zu glätten. Vorteilhaft ist, daß die zweite Ausführungsform weniger Verfahrensschritte als die erste Ausführungsform aufweist. Da aber die zweite und die dritte Lichtabschirmschicht 74, 75 eine große Niveaudifferenz verursachen und die erzeugte Musterungsgenauigkeit der Lichtabschirmschichten verschlechtern, ist die zweite Ausführungsform für genaue Musterung nicht sehr wirksam.
Wie oben erwähnt, da die erste und die zweite Ausführungsform drei Lichtabschirmschichten entlang der optischen Wege durch die chipinternen Linsen 62, 76 anordnen, führt selbst Licht, das nicht in die Fotodiode 43 eintritt und im Inneren gestreut wird, nicht zu Reflexlicht, das in die benachbarten Fotodioden 43 eindringt. Daher treten niemals ungleichmäßige Empfindlichkeit und unscharfe Bilder auf.
Der Grund, weshalb die erste und die zweite Ausführungsform drei Lichtabschirmschichten verwenden, ist durch die Lichtabschirmleistung gegeben. Wie oben erwähnt, kann jede Lichtabschirmschicht infolge der Beschränkung des Herstellungsprozesses eine Filmdicke von höchstens 0,8 um haben. Eine einzelne Lichtabschirmschicht, die eine Filmdicke von 0,8 um hat und aus Acrylharz besteht, kann 60% Licht in bezug auf die einfallende Lichtstärke abschirmen. Werden andererseits drei Lichtabschirmschichten verwendet, wie zu den vorliegenden Ausführungsformen erörtert, kann das durch die drei Lichtabschirmschichten tretende Licht auf beinahe 0,4% des einfallenden Lichtes vermindert werden. Somit wird die Anzahl der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten unter Berücksichtigung der geforderten Genauigkeit festgelegt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 folgt als nächstes eine Beschreibung einer Anordnung der Lichtabschirmschichten. Die Zeichnung zeigt eine Schnittansicht eines Teils entsprechend einem Bildelement (Pixel) des Festkörper-Bildsensors. Vom Untersuchungsgegenstand ausgesandtes Licht tritt durch eine Öffnung in eine Mikrolinse 80 ein. Es gibt verschiedene Arten von in die Mikrolinse 80 eintretendem Licht; Licht, das in einer Richtung senkrecht zum Substrat eintritt, und Licht, das unter einem beliebigen Winkel in bezug auf die Richtung senkrecht zum Substrat eintritt. Der beliebige Winkel ist durch den optischen Weg von aus der Öffnung kommendem Licht gegeben. Das in der senkrechten Richtung einfallende Licht durchläuft die Mikrolinse 80 und erzeugt an einem Brennpunkt auf einer Oberfläche der Fotodiode 81 einen Bilderzeugungspunkt "A". Den Brennpunkt erzielt man durch Einstellen der Entfernung zwischen der Oberfläche der Fotodiode 81 und der Mikrolinse 80 oder durch Ändern der Krümmung der Mikrolinse 80. Andererseits bildet das unter einem beliebigen Winkel in bezug auf die senkrechte Richtung schräg eintretende Licht ein Bild, das von dem Bilderzeugungspunkt "A" entfernt liegt, der durch das Licht fokussiert wird, das in der senkrechten Richtung eintritt. Aus der Reflexion dieses ganzen Lichtes bestimmt sich die Breite der Fotodiode, wie in der Zeichnung gezeigt, um die Fläche der durch das Licht fokussierten Bilderzeugungspunkte zu bedecken: Irgendwelches Licht tritt eindeutig durch eine Fläche, die durch Segmente CD, EF von beiden Enden der Mikrolinse 80 nach beiden Enden der Fotodiode aufgespannt wird. Daher muß die Lichtabschirmschicht entlang und außerhalb dieser Segmente liegen. Das Segment EF wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt, mit dem Mittelpunkt der Fotodiode 81 als Ursprung:
Y = [L(2X-r)]/(R-r)
worin "r" die Breite der Fotodiode 81 ist, "R" die Breite der Mikrolinse 80 ist und L die Entfernung zwischen der Oberseite der Fotodiode 81 und der Unterseite der Mikrolinse 80 ist.
Dadurch werden die Positionen von Rändern G, H, I über dem Substrat in bezug auf den Ursprung jeweils wie folgt bestimmt: [d1 (R-r)+rL]/2L, [(d1 +d2) (R-r)+ rL]/2L, [(d1 +d2+d3) (R-r)±rL]/2L, worin "d1" die Höhe von der Oberseite der Fotodiode zum Rand G ist, der in einem oberen Teil der ersten Lichtabschirmschicht 82 und an der Seite der Fotodiode liegt, "d2" die Höhe vom Rand G zum Rand H ist, der auf der zweiten Lichtabschirmschicht 83 und an der Seite der Fotodiode liegt, "d3" die Höhe vom Rand H zum Rand I ist, der auf der dritten Lichtabschirmschicht 84 und an der Seite der Fotodiode liegt, und "P" die Entfernung zwischen Mittelpunkten der beiden benachbarten Mikrolinsen 80 ist. Die Breite W jeder Lichtabschirmschicht wird vorzugsweise dadurch bestimmt, daß die Differenz wie folgt aus ähnlichen Gleichungen berechnet wird: Die Breite der ersten Lichtabschirmschicht 82 ist [d1 (R-r) +L(P-R)]/L, die Breite der zweiten Licht abschirmschicht 83 ist [(d1 + D2) (R-r) + L(P-R)]IL, und die Breite der dritten Lichtabschirmschicht 84 ist [(d1 + d2 + d3) (R-r) + L(P-R)]/L. "R" ist die Entfernung zwischen zwei aneinandergrenzenden Mikrolinsen 80: Und zwar berührt ein Rand einer Mikrolinse 80 einen anderen Rand der angrenzenden Mikrolinse 80.
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines Hauptteils des Festkörper-Bildsensors einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein Beispiel für das Filterverbindungsverfahren liefert. Die Beschreibung bezieht sich auf einen Aufbau nach der Bildung der Lichtabschirmschichten. Das Halbleitersubstrat 90 enthält eine Fotodiode 91 und einen vertikalen CCD-Teil 92. Auf dem Halbleitersubstrat 90 werden die Transfergatter-Elektrode 93 und die Lichtabschirmschicht 94 aufgestapelt. Um die Oberflächenniveaudifferenz auf dem Halbleitersubstrat 90 zu glätten, wird eine Unterlage-Glättungsschicht 95 gebildet; darauf wird eine erste Lichtabschirmschicht 96 gebildet, um in die Fotodiode 91 eintretendes Licht nicht zu unterbrechen. Die erste Lichtabschirmschicht 96 hat vorzugsweise eine so große Querschnittsbreite, daß sie die Lichtabschirmschicht 94 bedeckt, und die erste Lichtabschirmschicht 96 hat eine Dicke von weniger als 0,8 um, um kein unsauberes Abziehen nach Entwicklung zu erzeugen. Auf der ersten Lichtabschirmschicht 97 werden ein transparenter Film 97 und eine zweite Lichtabschirmschicht 98 aufgestapelt, um in die Fotodiode 91 eintretendes Licht nicht zu unterbrechen. Da ein Hauptstrahl durch ein Farbfilter 99 hindurchgeht, sind die Lichtabschirmschichten oberhalb der zweiten etwas kleiner als die erste Lichtabschirmschicht 96. Die zweite Lichtabschirmschicht 98 hat vorzugsweise eine Dicke von weniger als 0,8 um, um kein unsauberes Abziehen nach Entwicklung zu erzeugen. Es wird ein transparenter Film 100 gebildet, der die zweite Lichtabschirmschicht 98 bedeckt, und über eine Filterverbindungsschicht 101 wird ein Farbfilter 99 damit verbunden. Das Farbfilter 99 wird auf einer Glasplatte 101 gebildet. Auf der Glasplatte wird mittels eines farbigen Films eine Lichtabschirmschicht 102 gebildet. Die Glasplatte und das Halbleitersubstrat 90 werden mittels dafür vorgesehener Ausrichtmarken positionsjustiert und über die Filterverbindungsschicht 101 miteinander verbunden. Dieses Verfahren nennt man Filterverbindungsverfahren. Dieser Festkörper-Bildsensor empfängt außerdem schräg eintretendes Licht 108. Solches Licht wird auf der Filterverbindungsschicht 101 auf der Transfergatter-Elektrode 93 reflektiert, durch die Unterlage-Glättungsschicht 95, die transparenten Filme 97, 100 und die Filterverbindungsschicht 101 durchgelassen und an der Oberseite des Farbfilters 99 reflektiert. Das reflektierte Licht 108 tritt in die angrenzenden Fotodioden 91 ein. In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform schirmen die Lichtabschirmschichten 96, 98, 102 vom Lichtabschirmfilm 94 reflektiertes Licht und/oder an der Glasplattenoberfläche reflektiertes Licht ab und/oder absorbieren es, so daß niemals Reflexlicht auftritt.
Als nächstes folgt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung eines Festkörper-Bildsensors einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 bis 16 sind Schnittansichten zur Erläuterung von Prozessen des Herstellungsverfahrens.
Als erstes werden auf einem Halbleitersubstrat 110, das einen Festkörper-Bildsensor trägt, eine Fotodiode 111 und eine Vertikal-CCD gebildet, wie in Fig. 5 gezeigt. Danach wird auf der Vertikal-CCD 11 2 eine Transfergatter-Elektrode 11 3 gebildet. Auf der Transfergatter-Elektrode 113 wird eine die Vertikal-CCD 112 bedeckende Lichtabschirmschicht 114 gebildet, die verhindert, daß Licht in die Vertikal-CCD 112 eintritt.
Wie in Fig. 6 gezeigt, wird als nächstes eine Unterlage-Glättungsschicht 115 zur Glättung von Oberflächenrauhigkeit auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates 110 gebildet, indem mittels eines Rotationsauftragsverfahrens, dessen Umdrehungszahl in Übereinstimmung mit der Harzviskosität eingestellt wird, transparentes Kunstharz wie Acrylharz aufgebracht wird, das ein für das sichtbare Licht ausreichendes Durchlaßverhältnis hat.
Wie in Fig. 7 gezeigt, wird dann mittels des Rotationsauftragsverfahrens Material für eine erste Lichtabschirmschicht 116 auf die Unterlage-Glättungsschicht 115 aufgebracht. Das Material für die erste Lichtabschirmschicht 115 enthält Natureiweiß, das einen lichtabsorbierenden Farbstoff enthält, wie Gelatine und Kasein, oder Acrylharz, das einen lichtabsorbierenden Farbstoff enthält. Alternativ kann anstelle von Material, das einen Farbstoff enthält, färbbares Natureiweiß oder Kunstharz rotierend auf die Unterlage-Glättungsschicht 115 aufgebracht werden, dann mit einer lichtabsorbierenden Farbe (im allgemeinen Schwarz) gefärbt werden und schließlich mittels Tanninsäure und Brechweinstein fixiert werden, um nicht entfärbt zu werden.
Wie in Fig. 8 gezeigt, wird nachfolgend eine erste Lichtabschirmschicht 116 auf dem Lichtabschirmfilm 114 abgelagert. Wenn dieser Prozeß Harzmaterial verwendet, das durch Zusätze von Chromsäure, Diazo und Azid fotoempfindlich gemacht worden ist, führt der Prozeß die Harzvernetzung für einen lithografisch mit ultraviolettem und/oder fernem ultraviolettem Licht bestrahlten Teil durch, wäscht und spült die nicht bestrahlten Teile mittels Entwickler weg und bildet schließlich die erste Lichtabschirmschicht 116. Wird andererseits nicht-fotoempfindliches Material verwendet, bringt der Prozeß rotierend Fotoresist auf Material für die erste Lichtabschirmschicht 116 auf, belichtet das Fotoresist mit ultraviolettem Licht oder dergleichen zu einem gewünschten Muster und trockenätzt oder naßätzt einen Teil ohne Resistmuster nach Entwicklung. Danach wird der Resistrest zu Asche verbrannt und entfernt; somit wird erste Lichtabschirmschicht 116 mit dem gewünschten Muster gebildet.
Wie in Fig. 9 gezeigt, wird dann unter Verwendung von Acrylharz oder dergleichen ein transparenter Glättungsfilm 117 überall auf der gesamten Oberfläche gebildet. Danach wird das zur Bildung der ersten Lichtabschirmschicht 116 benutzte Material rotierend aufgebracht, wie in Fig. 10 gezeigt.
Wie in Fig. 11 gezeigt, wird danach durch den gleichen Prozeß wie in Fig. 8 gezeigt eine zweite Lichtabschirmschicht 118 mit einem vorbestimmten Muster gebildet. Wenn eine chipinterne Linse gebildet werden soll, wird die Querschnittsfläche der zweiten Lichtabschirmschicht 118 kleiner als die der ersten Lichtab schirmschicht 116 gemacht, damit sie das von der chipinternen Linse auf die Fotodiode 111 gebündelte Licht nicht blockiert.
Wie in Fig. 12 gezeigt, wird als nächstes ein transparenter Film 119 auf die gesamte Oberfläche aufgebracht. Wie in Fig. 13 gezeigt, wird dann durch den gleichen Prozeß wie in Fig. 10 gezeigt das für die erste Lichtabschirmschicht 116 benutzte Material rotierend auf den transparenten Film 119 aufgebracht.
Wie in Fig. 14 gezeigt, wird durch den gleichen Prozeß wie in Fig. 11 gezeigt eine dritte Lichtabschirmschicht 120 mit einem vorbestimmten Muster gebildet.
Schließlich wird auf die gesamte Oberfläche ein transparenter Film 121 aufgebracht. Die in den obigen Prozessen aufgebrachten transparenten Filme 117, 119, 121 sind optisch miteinander vereint. Wird übrigens keine chipinterne Linse verwendet, endet die Prozedur mit dem in Fig. 15 gezeigten Prozeß, oder sie erfordert einen nachfolgenden Farbfilter-Verbindungsprozeß. Wird eine chipinterne Linse verwendet, wird sie nach dem in Fig. 15 gezeigten Prozeß genau über der Fotodiode 111 gebildet, wie in Fig. 16 gezeigt.
Als nächstes folgt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine Beschreibung des Herstellungsverfahrens in einem Fall, in dem keine transparenten Filme in die ersten, zweiten und dritten Lichtabschirmschichten eingefügt werden.
Fig. 17 bis 22 zeigen jeweils Schnittansichten zur Erläuterung von Prozessen des Herstellungsverfahrens. Diese Prozesse, die zu dem in Fig. 17 gezeigten Aufbau führen, sind die gleichen Prozesse wie in Fig. 5 bis 8 gezeigt, und ihre Beschreibung wird weggelassen. Wie in Fig. 18 gezeigt, verwendet die zweite Lichtabschirmschicht 118 das gleiche Material wie in Fig. 7 gezeigt; das Material wird rotierend aufgebracht. Wie in Fig. 19 gezeigt, wird danach mittels eines ähnlichen Prozesses wie in Fig. 8 gezeigt die zweite Lichtabschirmschicht 118 aufgebracht. Die Querschnittsfläche der zweiten Lichtabschirmschicht 118 wird kleiner als die der ersten Lichtabschirmschicht 116 gemacht, um von der chipinternen Linse auf die Fotodiode 111 gebündeltes Licht nicht zu blockieren. Ähn lich wird die dritte Lichtabschirmschicht 12 mit einer kleineren Querschnittsfläche wie die zweite Lichtabschirmschicht 116 gebildet, wie in Fig. 20 gezeigt. Wie in Fig. 21 gezeigt, wird als nächstes die Oberfläche mittels eines transparenten Films 123 geglättet. Wie in Fig. 22 gezeigt, wird nach Bildung eines transparenten Films 124 mittels des Rotationsauftragsverfahrens die chipinterne Linse 122 in Übereinstimmung mit der Fotodiode 111 gebildet.
Wie oben erwähnt, bildet die vorliegende Erfindung zwei oder mehr Lichtabschirmschichten außerhalb der Fotodiode des auf dem Halbleitersubstrat gebildeten Festkörper-Bildsensors, wobei zwischen den Schichten transparente Filme eingefügt werden oder nicht; Reflexlicht im einfallendem Licht, das durch schräg in den Festkörper-Bildsensor eintretendes Licht oder durch internes, durch die Lichtabschirm- Metallschicht induziertes Reflexionslicht erzeugt wird, kann daher wirksam abgeschirmt und absorbiert werden. Da die Filmdicke je Lichtabschirmschicht klein gemacht werden kann, gibt es außerdem kein unsauberes Abziehen nach Entwicklung; somit kann ein hervorragender Festkörper-Bildsensor zur Erzeugung eines besseren Bildrasters geschaffen werden. Indem die Querschnittsflächen der Lichtabschirmschichten in absteigender Reihenfolge vom Halbleitersubstrat kleiner gemacht werden, kann außerdem auch bei Bildung einer chipinternen Mikrolinse ein Festkörper-Bildsensor geschaffen werden, der von der chipinternen Linse auf den fotoempfindlichen Teil gebündeltes Licht nicht unterbricht.
Weiterhin ist die vorliegende Erfindung wirkungsvoll auf irgendeinen Festkörper- Bildsensor anwendbar, der das Verfahren mit chipinternem Filter zur direkten Bildung eines Farbfilters auf dem Festkörper-Bildsensorsubstrat, ein Filterverbindungsverfahren zur Verbindung eines auf einer Glasplatte vorgeformten Farbfilters oder ein Verfahren ohne Filtereinsatz verwendet.

Claims

1. Festkörper-Bildsensor mit einem Halbleitersubstrat (41; 71; 90; 110), Sensorbauteilen (43.. 49, 51; 91, 92, 111, 113) einschließlich Fotodioden (43, 91; 1 l 1), die auf der Oberfläche des Substrates gebildet sind, einer unteren Lichtabschirmschicht (54; 72; 94; 114), die über anderen Sensorbauteilen als den Fotodioden gebildet ist, und einer Lichtabschirmeinrichtung (56, 58, 60; 73, 74, 75; 82, 83, 84, 96, 98; 102, 116, 118, 120), die über der unteren Lichtabschirmschicht und darauf ausgerichtet gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtabschirmeinrichtung als eine Vielzahl von aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten (56, 58, 60; 73, 74, 75; 82, 83, 84, 96, 98; 102, 116, 118, 120) gebildet ist, wobei die Flächen der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten mit zunehmender Entfernung vom Substrat kleiner werden, um eine spitz zulaufende Struktur zu bilden.

2. Sensor nach Anspruch 1, bei dem benachbarte Schichten der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten durch eine transparente Schicht (57, 59; 97, 100; 117, 119) getrennt sind.

3. Sensor nach Anspruch 1, bei dem eine transparente Schicht (77) auf den aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten gebildet ist.

4. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, mit einer darauf gebildeten Mikrolinsen- Struktur, wobei jeder Fotodiode eine Mikrolinse (62, 76, 80, 122) zugeordnet ist, wobei die Breite (W) jeder der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten der folgenden Beziehung genügt:

W = [d(R - r) + L(P - R)]/L

worin r die Breite einer Fotodiode ist, R die Breite einer Mikrolinse ist, L die Entfernung von der Oberseite der Fotodiode zur Unterseite der Mikrolinsen-Struktur ist, d die Entfernung zwischen der Fotodiode und einer der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten ist und P die Entfernung zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Fotodioden ist.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten ein fotoempfindliches und färbbares Acrylharz vom Negativ-Typ anwendet.

6. Sensor nach Anspruch 5, bei dem die Dicke wenigstens einer der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten im Bereich 0,3 bis 0,8 um liegt.

7. Sensor nach Anspruch 5 oder 6, bei dem jede der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten aus einer Diazoverbindung und Dimethylaminoethyl-Methacrylat (DMAEMA) kombiniert mit einem Acryl-Copolymer gebildet ist.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Mikrolinsen- Struktur (62; 76; 80; 122) zum Bündeln von Licht auf die Fotodioden enthält.

9. Verfahren zur Herstellung eines Festkörper-Bildsensors, mit folgenden Verfahrensschritten:

(a) Sensorbauteile (43.. 49, 51; 91, 92, 111, 113) einschließlich Fotodioden (43, 91; 111) auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrates (41; 71; 90; 110) zu bilden,

(b) über anderen Bauteilen als den Fotodioden eine untere Lichtabschirmschicht (54; 72; 94; 114) zu bilden, und

(c) über der Lichtabschirmschicht und darauf ausgerichtet eine Lichtabschirmeinrichtung (56, 58, 60; 73, 74, 75; 82, 83, 84, 96, 98; 102, 116, 118, 120) zu bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (c) umfaßt, eine Vielzahl von aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten (56, 58, 60; 73, 74, 75; 82, 83, 84, 96, 98; 102, 116, 118, 120) zu bilden, deren Flächen mit zunehmender Entfernung vom Substrat kleiner werden, um eine spitz zulaufende Struktur zu bilden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Verfahrensschritt (a) folgende Verfahrensschritte umfaßt:

(d) Fotodioden und eine Vertikal-CCD (44, 92) in einer Matrix auf der Oberfläche des Substrates zu bilden,

(e) über den Fotodioden und der Vertikal-CCD eine isolierende Schicht (50) zu bilden, und

(f) über der isolierenden Schicht Transfergatter (51) für die Vertikal-CCD zu bilden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Verfahrensschritt (c) folgende Verfahrensschritte umfaßt:

(g) die erste (56; 96; 116) der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten auf einer Glättungsschicht (55, 95, 115) zu bilden,

(h) über der Glättungsschicht und der ersten der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten eine erste transparente Schicht (57; 97; 117) zu bilden,

(i) auf der ersten transparenten Schicht die zweite (58; 98; 118) der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten zu bilden, und

(j) über der ersten transparenten Schicht und der zweiten der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten eine zweite transparente Schicht (59; 100; 119) zu bilden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Verfahrensschritt (c) weiterhin folgende Verfahrensschritte umfaßt:

(k) auf der zweiten transparenten Schicht eine dritte (60, 120) der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten zu bilden,

(I) über der zweiten transparenten Schicht und der dritten der aufeinandergestapelten Lichtabschirmschichten eine dritte transparente Schicht (61; 121) zu bilden, und

(m) auf der dritten transparenten Schicht eine Mikrolinsen-Struktur (62; 122) zu bilden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, das den Verfahrensschritt umfaßt, eine Mikrolinsen-Struktur (62; 76; 80; 122) über der Lichtabschirmeinrichtung zu bilden, zum Bündeln von Licht auf die Fotodioden.