NL1015511C2 - Halfgeleiderbeeldsensor waarin een optische laag is opgenomen. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Halfgeleiderbeeldsensor waarin een optische laag is opgenomen.

Gebied van de uitvinding

De uitvinding heeft betrekking op een beeldsensor en meer in het bijzonder op een CMOS-beeldsensor waarin een optische laag is opgenomen voor het verbeteren van een optisch rendement daarvan.

5 Beschrijving van de stand van de techniek

Zoals algemeen bekend is, is een beeldsensor een inrichting voor het ontvangen van door een voorwerp gereflecteerd licht, bijv. fotonen, en voor het opwekken van digitale beeldgegevens. In het bijzonder wordt een door middel van een CMOS (complementary metal oxide 10 semiconductor) fabricagetechniek vervaardigde beeldsensor een CMOS-beeldsensor genoemd.

In fig. 1 is een doorsnedeaanzicht van een in een gangbare CMOS-beeldsensor opgenomen eenheidspixel weergegeven.

In het algemeen is een in de gangbare CMOS-beeldsensor opgeno-15 men eenheidspixel verdeeld in een lichtwaarnemingsgebied 112 voor het accumuleren van door een voorwerp gereflecteerde fotonen en een rand-ketengebied 114 voor het overdragen van de fotonen aan een gegevens-verwerkingseenheid. Bovenop het lichtwaarnemingsgebied 112 is een fo-todiode 120 gevormd en bovenop het randketengebied 114 zijn transis-20 toren 130 gevormd teneinde daardoor een halfgeleiderstructuur te verschaffen.

Voor elektrische isolatie en elektrische verbinding zijn een aantal isolatielagen 140, 150 en 160 en metaallijnen 152 en 162 op de halfgeleiderstructuur gevormd. Vervolgens is een passiveringslaag 170 25 op de bovenste isolatielaag 160 gevormd om het eenheidspixel tegen uitwendige invloeden te beschermen.

De passiveringslaag en de isolatielagen zijn echter gevormd onder beschouwing van elektrische karakteristieken en betrouwbaarheid van de inrichting in plaats van onder beschouwing van een optische 30 doorlaatkarakteristiek. Als gevolg daarvan kan het optisch doorlaat-vermogen verslechteren als gevolg van een reflectievermogen van de passiveringslaag en de isolatielagen, waardoor de gevoeligheid wordt verminderd.

jA λ____ I - 2 - H Samenvatting van de uitvinding H Het is derhalve een doel van de onderhavige uitvinding om een CMOS-beeldsensor, waarin een optische laag voor het verbeteren van H een optisch rendement daarvan is opgenomen, te verschaffen.

5 Volgens een aspect van de uitvinding is een halfgeleiderbeeld- H sensor voor het detecteren van daarop invallend licht verschaft, welke sensor omvat: een halfgeleidersubstraat, dat in een lichtwaar- nemingsgebied en een randketengebied is verdeeld; een fotodiode, die bovenop het lichtwaarnemingsgebied is gevormd; ten minste een op het 10 randketengebied gevormde transistor; ten minste een op de fotodiode H en de transistor gevormde isolatielaag; en een op de isolatielaag ge- vormde optische laag om het licht op efficiënte wijze naar de foto- diode door te laten.

Korte beschrijving van de tekening 15 Andere doelen en aspecten van de uitvinding zullen duidelijk worden uit de volgende beschrijving van de uitvoeringsvormen onder I verwijzing naar de bijgevoegde tekening, waarin: fig. 1 een dwarsdoorsnedeaanzicht is, dat een in een gangbare CMOS-beeldsensor opgenomen eenheidspixel toont; I 20 fig. 2 een dwarsdoorsnedeaanzicht is, dat een eenheidspixel, waarin een optische laag is opgenomen, als een uitvoeringsvorm van de uitvinding toont; en fig. 3 een diagram is, dat een structuur van een eenheidspixel, waarin een optische laag is opgenomen, als een andere uitvoeringsvorm 25 van de uitvinding toont.

Gedetailleerde beschrijving van de voorkeursuitvoeringsvormen

Fig. 2 is een dwarsdoorsnedeaanzicht, dat een in een CMOS-beeldsensor opgenomen eenheidspixel 200 als een uitvoeringsvorm van de uitvinding toont.

30 Onder verwijzing naar fig. 2, zijn op een halfgeleidersubstraat 210 in een lichtwaarnemingsgebied 212 en een randketengebied 214 een fotodiode 220 respectievelijk een aantal transistoren 230 gevormd om een halfgeleiderstructuur te verschaffen.

Op de halfgeleiderstructuur is een eerste isolatielaag 240 ge-35 vormd. Op de eerste isolatielaag 240 zijn achtereenvolgens eerste me-taallijnen 252, een tweede isolatielaag 250, tweede metaallijnen 262 en een derde isolatielaag 260 gevormd.

Vervolgens is op de bovenste isolatielaag 260 een optisch ontworpen isolatielaag (hierna als optische laag aangeduid) 270 gevormd.

- 3 -

In dit stadium kan de optische laag 270 van een silicium- en zuurstof-bevattende laag, bijv. Si02, vervaardigd zijn. De optische laag 270 is bovendien voorzien van een tetra-ethoxy-ortho-silicaat (TEOS) door het uitvoeren van een plasma-versterkte chemische opdam-5 ping (PECVD).

Verder is de optische laag 270 tot een voorafbepaalde dikte, die overeenkomt met een optische kwart-golflengtedikte (hierna met QWOT aangeduid) gevormd. De QWOT wordt door een vergelijking 1 gedefinieerd.

(2N - 1)χλ 10 tOL = -— (Vgl. 1)

4xn0L

waarin t0L een dikte van de optische laag is, N een positief geheel getal is, n0L een brekingsindex van de optische laag is, en λ een golflengte van invallend licht is.

15 In de bovenstaande vergelijking is uitgedrukt, dat de optische laag 270 wordt gevormd om een brekingsindex te hebben, die overeenkomt met maximaal de wortel van een brekingsindex van de bovenste isolatielaag 260.

Hoewel het drie isolatielagen bevattende eenheidspixel 200 20 hierboven is beschreven, verdient het de voorkeur om de isolatielaag met slechts één laag of meervoudige lagen te vormen.

De optische laag doet derhalve dienst als een laag voor het voorkomen van een optisch reflectievermogen, teneinde daardoor een hoge optische doorlaatbaarheid te verkrijgen.

25 Fig. 3 is een dwarsdoorsnedeaanzicht, dat een eenheidspixel 300 volgens een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding toont.

Vergeleken met fig. 2 is het enige verschil, dat een passive-ringslaag 370 is toegevoegd tussen de optische laag 380 en de bovenste isolatielaag 360. Dit wil zeggen, dat de passiveringslaag 370 is 30 gevormd op de bovenste isolatielaag 360, en dat de optische laag 380 is gevormd op de passiveringslaag 370. De passiveringslaag is een type laag voor het beschermen van de halfgeleiderinrichting tegen uitwendige invloeden, zoals vocht.

De passiveringslaag 370 kan van silicium- en stikstof-bevatten-35 de lagen, bijv. Si3N4 vervaardigd zijn.

De optische laag 370 kan van een silicium- en zuurstof-bevattende laag, bijv. Si02 vervaardigd zijn. Bovendien is de optische laag 370 voorzien van een tetra-ethoxy-ortho-silicaat (TEOS) door ·' i ; j i - 4 - middel van het uitvoeren van een plasma-versterkte chemische opdam-ping (PECVD).

De optische laag 370 is bovendien gevormd tot een voorafbepaalde dikte, die overeenkomt met de QWOT volgens de vergelijking 1.

5 In de vergelijking 1 is uitgedrukt, dat de optische laag 370 is gevormd om een brekingsindex te hebben, die overeenkomt met maximaal de wortel van een brekingsindex van de passiveringslaag.

Vergeleken met het gangbare eenheidspixel is het optische door-laatvermogen en de optische gevoeligheid, in het bijzonder in de 10 blauwe band, aanmerkelijk verbeterd. Dit wil zeggen, dat door middel van het eenvoudig vormen van de optische laag op de structuur van het gangbare eenheidspixel, de CMOS beeldsensor een verbeterd optisch doorlaatvermogen en een verbeterde optische gevoeligheid kan verkrijgen, teneinde daardoor de beeldkwaliteit en prestaties daarvan te 15 verbeteren.

Hoewel de voorkeursuitvoeringsvormen van de uitvinding voor illustratieve doeleinden zijn geopenbaard, zal de vakman op dit gebied van de techniek onderkennen, dat verschillende modificaties, toevoegingen en vervangingen mogelijk zijn, zonder het kader en de gedachte 20 van de uitvinding, zoals deze in de bijgevoegde conclusies worden geopenbaard, te verlaten.

Claims (13)

1. Halfgeleiderbeeldsensor voor het detecteren van daarop invallend licht, welke sensor omvat: een halfgeleidersubstraat, dat in een lichtwaarnemingsgebied en een randketengebied is verdeeld; 5 een fotodiode, die bovenop het lichtwaarnemingsgebied is ge vormd; ten minste een op het randketengebied gevormde transistor; ten minste een 'op de fotodiode en de transistor gevormde isolatielaag; en 10 een op de isolatielaag gevormde optische laag om het licht op efficiënte wijze naar de fotodiode door te laten.

2. Halfgeleiderbeeldsensor volgens conclusie 1, waarbij een dikte (t0L) van de optische laag als volgt wordt bepaald: (2N - 1)χλ t()L ~ . 15 waarin n0Li N en λ een brekingsindex van de optische laag, een positief geheel getal, respectievelijk een golflengte van het invallende licht weergeven, waarbij de brekingsindex van de optische laag overeenkomt met maximaal de wortel van een brekingsindex van de isolatielaag.

3. Halfgeleiderbeeldsensor volgens conclusie 2, waarbij de op tische laag een silicium- en zuurstof-bevattende laag is.

4. Halfgeleiderbeeldsensor vólgens conclusie 2, waarbij de optische laag een tetra-ethoxy-ortho-silicaat (TEOS) laag is.

5. Halfgeleiderbeeldsensor volgens conclusie 4, waarbij de te- 25 tra-ethoxy-ortho-silicaat (TEOS) laag is gevormd onder gebruikmaking van een plasma-versterkte chemische opdamping (PECVD).

6. Halfgeleiderbeeldsensor volgens conclusie 5, waarbij een aantal metaallijnen is ingebed in de in het randketengebied gevormde isolatielaag om de fotodiode elektrisch met de transistoren te ver- 30 binden.

7. Halfgeleiderbeeldsensor volgens conclusie 1, verder omvattende een tussen de isolatielaag en de optische laag gevormde passi-veringslaag voor het beschermen van de beeldsensor tegen uitwendige invloeden. 1015511- * « - 6 -

8. Halfgeleiderbeeldsensor volgens conclusie 7, waarbij de pas-siveringslaag van een silicium- en stikstof-bevattende laag is vervaardigd.

9. Halfgeleiderbeeldsensor volgens conclusie 8, waarbij een 5 dikte (t0L) van de optische laag als volgt wordt bepaald: (2N - 1)χλ toi — . 4xn0l waarin n0L/ N en λ een brekingsindex van de optische laag, een positief geheel getal, respectievelijk een golflengte van het invallende licht weergeven, waarbij de brekingsindex van de optische laag 10 overeenkomt met maximaal de wortel van een brekingsindex van de pas-siveringslaag.

10. Halfgeleiderbeeldsensor volgens conclusie 9, waarbij de optische laag een silicium- en zuurstof-bevattende laag is.

11. Halfgeleiderbeeldsensor volgens conclusie 9, waarbij de op-15 tische laag een tetra-ethoxy-ortho-silicaat (TEOS) laag is.

12. Halfgeleiderbeeldsensor volgens conclusie 11, waarbij de tetra-ethoxy-ortho-silicaat (TEOS) laag is gevormd onder gebruikmaking van een plasma-versterkte chemische opdamping (PECVD).

13. Halfgeleiderbeeldsensor volgens conclusie 12, waarbij een 20 aantal metaallijnen is ingebed in de in het randketengebied gevormde isolatielaag om de fotodiode elektrisch met de transistoren te verbinden. 1015511-