NL8702109A - Optical image sensor built into monocrystalline substrate - consists embedded cells at bottoms of pits with prismatic walls - Google Patents
Optical image sensor built into monocrystalline substrate - consists embedded cells at bottoms of pits with prismatic walls Download PDFInfo
- Publication number
- NL8702109A NL8702109A NL8702109A NL8702109A NL8702109A NL 8702109 A NL8702109 A NL 8702109A NL 8702109 A NL8702109 A NL 8702109A NL 8702109 A NL8702109 A NL 8702109A NL 8702109 A NL8702109 A NL 8702109A
- Authority
- NL
- Netherlands
- Prior art keywords
- image sensor
- optical image
- substrate
- light
- photosensitive
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 49
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims description 35
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 21
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 8
- 239000004922 lacquer Substances 0.000 claims description 6
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 5
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 abstract 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 39
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 11
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 8
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
- H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0236—Special surface textures
- H01L31/02363—Special surface textures of the semiconductor body itself, e.g. textured active layers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
Description
i 0 -1- VO 92520-1- VO 9252
Optische beeldsensor met een geforceerd lichtontvan-gend vermogen, alsook een werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke optische beeldsensor.Optical image sensor having a forced light-receiving power, as well as a method of manufacturing such an optical image sensor.
De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op een optische beeldsensor met een aantal lichtgevoelige in hoofdzaak platte cellen..The invention generally relates to an optical image sensor with a number of photosensitive, substantially flat cells.
Een dergelijke optische beeldsensor is bekend 5 uit "IEEE Transactions on Electron Devices", Vol. ED-32,Such an optical image sensor is known from "IEEE Transactions on Electron Devices", Vol. ED-32,
Nr. 8, augustus 1985, blz. 1452.No. 8, August 1985, p. 1452.
Bij een dergelijke lichtgevoelige transducent zijn de lichtgevoelige cellen geïntegreerd met het oppervlak van een chip en door tussenruimten, meer 10 in het bijzonder niet-lichtgevoelige oppervlaktegebieden van elkaar gescheiden. Hierdoor is het totale lichtgevoelige celoppervlak een fraktie van het totale beschikbare oppervlak. In de praktijk kan deze fraktie b.v. 25 a 30% bedragen. Zulks betekent een ongewenste beperking ten 15 aanzien van het lichtontvangend vermogen en daarmee de gevoeligheid van de transducent.In such a photosensitive transducer, the photosensitive cells are integrated with the surface of a chip and are spaced apart, in particular non-photosensitive, surface areas. This makes the total photosensitive cell surface a fraction of the total available surface. In practice, this fraction can e.g. 25 to 30%. This means an undesirable limitation with regard to the light receiving power and thus the sensitivity of the transducer.
Met de uitvinding is beoogd aan een dergelijk bezwaar tegemoet te komen.The object of the invention is to overcome such a drawback.
Daartoe is een lichtgevoelige transducent 20 volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat elk van de lichtgevoelige cellen zich bevindt in een bodemgedeel-te van een putje, waarvan de binnenwand een lichtreflec-terend oppervlak is, dat zodanig hellend, al dan niet met een constante helling ten opzichte van dit bodemge-25 deelte verloopt, dat op deze binnenwand invallend licht naar dit bodemgedeelte wordt gereflecteerd.For this purpose, a light-sensitive transducer 20 according to the invention is characterized in that each of the light-sensitive cells is located in a bottom part of a well, the inner wall of which is a light-reflecting surface, which is inclined, with or without a constant slope with respect to this bottom portion, light incident on this inner wall is reflected to this bottom portion.
Meer in het bijzonder is een lichtgevoelige transducent volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat zulk een binnenwand is samengesteld uit vier aan 30 elkaar aansluitende, ten opzichte van het bodemgedeelte 8702109 V' « -2- schuin verlopende, platte vlakken.More in particular, a light-sensitive transducer according to the invention is characterized in that such an inner wall is composed of four contiguous flat surfaces which adjoin the bottom part 8702109 V-2.
Zoals uit bovenvermelde literatuur blijkt zijn de lichtgevoelige cellen veelal gerangschikt volgens een rasterpatroon met rijen en kolommen van dergelijke 5 cellen. Een dergelijke lichtgevoelige transducent is volgens een verder aspect van de uitvinding daardoor gekenmerkt dat de schuin verlopende, platte vlakken, prismatische richels begrenzen, die zich, aan elkaar aansluitend, tussen de rijen en kolommen van de lichtge-10 voelige cellen uitstrekkken.As appears from the above literature, the photosensitive cells are often arranged in a grid pattern with rows and columns of such cells. According to a further aspect of the invention, such a photosensitive transducer is characterized in that the oblique, flat surfaces delimit prismatic ridges which, adjoining each other, extend between the rows and columns of the photosensitive cells.
In beginsel kunnen de desbetreffende lichtre-flecterende oppervlakken zich bevinden aan de ene en/of de andere hoofdvlakzijde van de beeldsensor. In het geval (waartoe de uitvinding overigens niet is beperkt), 15 waarin de lichtgevoelige cellen zijn geïntegreerd met een substraat, zoals b.v. op het gebied van IC technologie gebruikelijk is, wordt als regel de ene hoofdvlakzijde van de beeldsensor, waar electronica resp. bedrading en/of een beschermlaag aanwezig zijn/is, aangeduid 20 als de voorzijde, terwijl de andere hoofdvlakzijde van de beeldsensor dan de achterzijde wordt genoemd.In principle, the relevant light-reflecting surfaces can be located on one and / or the other main surface side of the image sensor. In the case (to which the invention is not otherwise limited), in which the photosensitive cells are integrated with a substrate, such as e.g. is common in the field of IC technology, as a rule the one main face side of the image sensor, where electronics resp. wiring and / or a protective layer are / is present, referred to as the front, while the other major face side of the image sensor is called the rear.
Een uitvoeringsvorm van een dergelijke optische beeldsensor is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat de lichtreflecterende oppervlakken de begrenzingen 25 vormen van maskeropeningen in een plaatvormig masker dat in een zodanige positie op de voorzijde en/of achterzijde van de beeldsensor daaraan is bevestigd, dat elk van de lichtgevoelige cellen met betrekking tot een desbetreffende van de maskeropeningen is gecen-30 treerd.According to the invention, an embodiment of such an optical image sensor is characterized in that the light-reflecting surfaces form the boundaries of mask openings in a plate-shaped mask which is attached thereto in such a position on the front and / or rear of the image sensor that each of the photosensitive cells with respect to one of the mask openings has been centered.
Bij een dergelijk uitvoeringsvoorbeeld kan het plaatvormige masker als een afzonderlijk onderdeel aan de desbetreffende zijde van de optische beeldsensor daaraan zijn bevestigd.In such an embodiment, the plate-shaped mask can be attached to it as a separate part on the respective side of the optical image sensor.
35 Een verdere beperking ten aanzien van het lichtontvangend vermogen van de onderwerpelijke optische 870 21 09.35 A further limitation on the light receiving power of the subject optical 870 21 09.
-3- beeldsensoren is gegeven door het feit dat de lichtgevoelige cellen aan de voorzijde van de beeldsensor veelal zijn bedekt door een beschermlaag. Een gedeelte van lichtstraling die op een dergelijke beschermlaag invalt 5 wordt nl. geabsorbeerd m.a.w. dergelijke geabsorbeerde lichtstraling geeft geen feitelijke bijdrage aan een door de lichtgevoelige cellen teweeggebracht signaal.Image sensors are given by the fact that the photosensitive cells at the front of the image sensor are often covered by a protective layer. Namely, a portion of the light radiation incident on such a protective layer is absorbed, in other words, such absorbed light radiation makes no actual contribution to a signal produced by the photosensitive cells.
Een dergelijke absorptie van informatiebevatten-de lichtstraling is in het bijzonder merkbaar voor 10 het "blauwe" gedeelte van het spectrum.Such absorption of information-containing light radiation is particularly noticeable for the "blue" part of the spectrum.
Teneinde aan bovengeschetst bezwaar tegemoet te komen is voorgesteld om de desbetreffende informatie-bevattende lichtstraling te doen invallen op de achterzijde van de optische beeldsensor. Hierbij is het echter 15 een vereiste dat de lengte van het pad waarlangs de als gevolg van de invallende lichtstraling gevormde elektron-gatparen een desbetreffende lichtgevoelige cel via het substraat bereiken, dusdanig kort is dat recombinatie is uitgesloten. Een dergelijk vereiste 20 brengt daarom mee dat het substraat zeer dun dient te zijn. Meer in het bijzonder betekent dit een substraat-dikte van b.v. 5 è 10 /um.In order to meet the drawbacks outlined above, it has been proposed to have the relevant information-containing light radiation incident on the back of the optical image sensor. However, it is a requirement here that the length of the path along which the electron-hole pairs formed as a result of the incident light radiation reach a respective photosensitive cell via the substrate is so short that recombination is excluded. Such a requirement therefore implies that the substrate must be very thin. More specifically, this means a substrate thickness of e.g. 5 to 10 µm.
Vanuit produktietechnisch en economisch standpunt beschouwd is een dergelijke optische beeldsensor 25 met een dusdanig dun substraat onaantrekkelijk.Viewed from a production technical and economic point of view, such an optical image sensor 25 with such a thin substrate is unattractive.
De onderhavige uitvinding kan met voordeel worden toegepast om aan dit bezwaar tegemoet te komen met behoud van de voordelen wat betreft geforceerd lichtontvangend vermogen en gemis van ongewenste lichtab-30 sorptie.The present invention can be advantageously used to overcome this drawback while retaining the advantages of forced light receiving power and lack of unwanted light absorption.
Volgens een verder aspect van de uitvinding wordt nl. met voordeel gebruik gemaakt van het gegeven dat bij een voorkeursuitvoeringsvorm van een optische beeldsensor volgens de uitvinding, de schuin verlo-35 pende, platte en lichtreflecterende vlakken, prismatische richels begrenzen die zich, aan elkaar aansluitend 8702109 4 -4- tussen rijen en kolommen van de lichtgevoelige cellen uitstrekken. Door het substraat zelf een dergelijke structuur te geven, kan de dikte van het substraat voor zover dit zich tegenover de lichtgevoelige cellen 5 bevindt, met de vereiste geringe afmeting worden gedimensioneerd, terwijl door het rasterpatroon van richels, een robuuste substraatstructuur is verzekerd.According to a further aspect of the invention, use is advantageously made of the fact that in a preferred embodiment of an optical image sensor according to the invention, the inclined, flat and light-reflecting surfaces bound prismatic ridges which adjoin each other 8702109 4 -4- extend between rows and columns of the photosensitive cells. By giving the substrate itself such a structure, the thickness of the substrate, insofar as it is opposite the photosensitive cells 5, can be dimensioned with the required small size, while the grid pattern of ridges ensures a robust substrate structure.
Voor een praktische implementatie blijkt een substraat gevormd uit een plak van mono-kristallijn 10 silicium (100) goed bruikbaar.For a practical implementation, a substrate formed from a slice of mono-crystalline silicon (100) proves to be very useful.
Ter verdere verbetering van het lichtontvangend vermogen is een optische beeldsensor volgens de uitvinding verder daardoor gekenmerkt dat de desbetreffende lichtre-flecterende oppervlakken zijn gevormd door een dunne 15 laag aluminium.To further improve the light receiving capacity, an optical image sensor according to the invention is further characterized in that the respective light reflecting surfaces are formed by a thin layer of aluminum.
Tevens is een optische beeldsensor volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat de putjes zijn opgevuld met een lichtdoorlatend materiaal waarvan de brekingsindex in vergelijking met die van het materiaal 20 van het desbetreffend lichtreflecterend oppervlak, zodanig is gekozen dat voortplanting van invallend licht naar de bodem van het desbetreffend putje wordt bevorderd.An optical image sensor according to the invention is also characterized in that the wells are filled with a light-transmitting material, the refractive index of which is compared to that of the material 20 of the relevant light-reflecting surface, such that propagation of incident light towards the bottom of the relevant well is promoted.
De uitvinding heeft verder betrekking op 25 een werkwijze voor het vervaardigen van een optische beeldsensor waarvan het lichtontvangend vermogen ten opzichte van de bekende techniek is verbeterd. Een voorkeursuitvoeringsvoorbeeld van een werkwijze voor het vervaardigen van een optische beeldsensor, waarbij t 30 de in het voorafgaande bedoelde prismatische richels deel uitmaken van het substraat zelf, is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat gebruik wordt gemaakt van een etsproces waarbij de wegetssnelheid in een richting loodrecht op een hoofdvlak 35 daarvan, aanzienlijk hoger is dan de wegetssnelheid in een richting dwars ten opzichte van de eerstge- 8702109 -5- noemde richting; op tenminste één zijde van het substraat een lijnraster wordt gevormd van een voor etsmiddel ongevoelig materiaal, waarbij de mazen van dit lijnraster corresponderen 5 met de mondingsopeningen van de te vormen putjes; de substraatzijde waar dit lijnraster is aangebracht wordt geëtst; dit etsproces wordt voortgezet totdat in elke lijnraster-maas een putje is gevormd waarvan de bodemvlakcontour 10 correspondeert met de omtrekscontour van een desbetreffende lichtgevoelige cel.The invention further relates to a method for manufacturing an optical image sensor whose light-receiving capacity has been improved compared to the known technique. According to the invention, a preferred embodiment of a method for manufacturing an optical image sensor, in which t the prismatic ridges referred to above form part of the substrate itself, is characterized in that an etching process is used in which the road etching speed is perpendicular in a direction on a major plane 35 thereof, is considerably higher than the road etching speed in a direction transverse to the first mentioned direction 8702109-5; a line grid of an etchant insensitive material is formed on at least one side of the substrate, the meshes of this line grid corresponding to the mouth openings of the wells to be formed; the substrate side where this line grid is applied is etched; this etching process is continued until a well is formed in each line grid mesh, the bottom surface contour of which corresponds to the peripheral contour of a respective photosensitive cell.
Aldus is het mogelijk het substraat in te etsen tot de vereiste geringe dikte, terwijl door de prismatische richels die zich tussen de rijen en kolommen 15 van lichtgevoelige cellen uitstrekken, een robuuste structuur is verkregen. Opgemerkt wordt dat de afschui-ningshoek waaronder de lichtreflecterende putwandopper-vlakken zich ten opzichte van de bodemgedeelten daarvan uitstrekken, in hoofdzaak afhangt van de kristalstructuur 20 van het materiaal waaruit het substraat is vervaardigd.Thus, it is possible to etch the substrate to the required small thickness, while the prismatic ridges extending between the rows and columns 15 of photosensitive cells provide a robust structure. It should be noted that the bevel angle at which the light-reflecting well wall surfaces extend with respect to the bottom portions thereof depends mainly on the crystal structure 20 of the material from which the substrate is made.
Volledigheidshalve wordt opgemerkt dat bij toepassing van een optische beeldsensor volgens de uitvinding, de lichtbundels die afkomstig zijn van een op te nemen scene of te beschouwen voorwerp, binnen 25 een beperkte ruimtehoek op het patroon van lichtgevoelige cellen moeten worden afgebeeld, zoals b.v. bij een afbeeldend stelsel het geval is.For the sake of completeness, it is noted that when using an optical image sensor according to the invention, the light beams coming from a scene or object to be recorded must be imaged on the pattern of photosensitive cells within a limited space angle, such as e.g. is the case with an imaging system.
De uitvinding zal in het onderstaande nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekening. In 30 de tekening is: fig. 1 een schematisch weergegeven aanzicht van de lichtontvangende zijde van een optische beeldsensor als uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding; fig. 2 een dwarsdoorsnede volgens de lijn 35 II—II in fig. 1, met enige ter illustratie van het principe van de,uitvinding dienende lichtstralen; 8702109 * -6- « fig. 3 een schematische dwarsdoorsnede soortgelijk aan die volgens fig. 2, als illustratie van een voorkeursuitvoeringsvorm van een optische beeldsensor volgens de uitvinding; 5 fig. 4 een schema ter toelichting van een werkwijze voor het inetsen van een substraat ter verkrijging van een structuur zoals schematisch is weergegeven in fig. 3; en fig. 5 een schema ter illustratie van de 10 wijze waarop de schuine putwanden bij een structuur volgens de voorafgaande figuren, ter bevordering van de lichtreflecterende werking, kunnen worden verspiegeld met een laagje aluminium.The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. In the drawing: Fig. 1 is a schematic view of the light-receiving side of an optical image sensor as an exemplary embodiment of the invention; FIG. 2 is a cross-sectional view taken on the line II-II in FIG. 1, illustrating some of the light beams illustrating the principle of the invention; 8702109 * -6- FIG. 3 is a schematic cross-section similar to that of FIG. 2 illustrating a preferred embodiment of an optical image sensor according to the invention; Fig. 4 is a diagram for explaining a method of etching a substrate to obtain a structure as shown schematically in Fig. 3; and Fig. 5 is a diagram illustrating the way in which the sloping well walls in a structure according to the preceding figures, in order to promote the light-reflecting effect, can be mirrored with a layer of aluminum.
Zonder daartoe te zijn beperkt zal de uitvinding 15 in het onderstaande nader worden toegelicht door de beschrijving van een specifiek uitvoeringsvoorbeeld.Without being limited thereto, the invention will be further elucidated below by the description of a specific exemplary embodiment.
Het in fig. 1 schematisch (niet op schaal) weergegeven aanzicht van de lichtontvangende zijde van een specifiek uitvoeringsvoorbeeld van een optische 20 beeldsensor volgens de uitvinding, omvat een aantal volgens een patroon van rijen en kolommen gerangschikte lichtgevoelige in hoofdzaak platte cellen 01,1-01,7; °6,1···'°6,7* Deze 42 lichtgevoelige cellen zijn aangebracht op een chip met een oppervlak dat door het recht-25 hoekige kader dat al deze cellen omgeeft schematisch is aangeduid. Zoals uit deze figuur blijkt zou indien geen bijzondere voorzieningen worden getroffen het totale lichtgevoelige oppervlak van deze chip slechts een relatief geringe fraktie zijn van het totale chipopper-30 vlak. Daardoor wordt het lichtontvangend vermogen en daarmee de gevoeligheid van zulk een optische beeldsensor in ernstige mate beperkt. Bijvoorbeeld is een dergelijke fraktie 20 a 30%.The schematic view (not to scale) shown in Fig. 1 of the light-receiving side of a specific exemplary embodiment of an optical image sensor according to the invention, comprises a number of photosensitive substantially flat cells 01,1- arranged in a pattern of rows and columns. 01.7; ° 6.1 ··· '° 6.7 * These 42 photosensitive cells are mounted on a chip with a surface schematically indicated by the rectangular frame surrounding all these cells. As can be seen from this figure, if no special provisions are made, the total photosensitive surface of this chip would be only a relatively small fraction of the total chip surface. As a result, the light receiving power and thus the sensitivity of such an optical image sensor is severely limited. For example, such a fraction is 20 to 30%.
Met de uitvinding is beoogd aan een dergelijk 35 bezwaar tegemoet te komen. Volgens het principe waarop de uitvinding steunt worden lichtreflecterende vlakken 8702109 f -7- aangebracht waardoor wordt bevorderd dat naar het chipoppervlak toegerichte lichtstraling die op gebieden tussen de lichtgevoelige cellen zou invallen, naar de lichtgevoelige celoppervlakken wordt gereflecteerd. Ter illus-5 tratie van dit principe zijn in fig. 2 waarin een dwarsdoorsnede volgens de lijn II-II in fig. 1 is weergegeven, enige invallende lichtstralen getekend die op lichtreflec-terende oppervlakken invallen. Bij de beschouwde uitvoeringsvorm vormt elke lichtgevoelige cel het bodemgedeelte 10 van een putje dat door vier ten opzichte van dit bodemgedeelte schuin verlopende zijwanden is begrensd. In fig. 2 corresponderen de horizontaal verlopende lijngedeelten met de lichtgevoelige cellen terwijl de schuin ten opzichte van deze horizontale lijngedeelten getekende 15 schuine lijnen lichtreflecterende wanden voorstellen die een desbetreffend putje begrenzen. Zoals uit fig. 2 blijkt zullen invallende lichtstralen zoals 1.1 en 1.2 die zonder aanwezigheid van de reflecterende wanden buiten de desbetreffende lichtgevoelige cel zouden 20 invallen, naar deze cel toe gereflecteerd. Een lichtstraal zoals 1.3 zal echter door de reflecterende werking niet naar de desbetreffende lichtgevoelige cel worden gereflecteerd. Echter zal in zijn totaliteit beschouwd het lichtontvangend vermogen van een aldus gestructureerde 25 optische beeldsensor aanmerkelijk worden verbeterd.The object of the invention is to meet such a drawback. According to the principle upon which the invention is based, light-reflecting surfaces 8702109 f-7- are arranged to promote that light radiation directed to the chip surface which would incident on areas between the photosensitive cells is reflected to the photosensitive cell surfaces. To illustrate this principle, in Fig. 2, which shows a cross-section taken on the line II-II in Fig. 1, some incident light rays incident on light-reflecting surfaces are shown. In the embodiment considered, each photosensitive cell forms the bottom portion 10 of a well which is delimited by four side walls sloping with respect to this bottom portion. In Fig. 2, the horizontally extending line portions correspond to the photosensitive cells, while the oblique lines drawn obliquely to these horizontal line portions represent light-reflecting walls delimiting a respective well. As can be seen from Fig. 2, incident light rays such as 1.1 and 1.2, which would incident outside the respective photosensitive cell without the reflective walls present, will be reflected towards this cell. However, a light beam such as 1.3 will not be reflected to the respective photosensitive cell due to the reflective effect. However, viewed as a whole, the light receiving power of an optical image sensor thus structured will be improved considerably.
Een voor het bereiken van het beoogde doel praktische waarde voor de hoek HÓ , dat is de hoek waaronder een desbetreffende reflecterende wand schuin verloopt ten opzichte van het bodemgedeelte van het desbetreffende 30 putje, is ca. 55°.A practical value for the angle H0, which is the angle at which a respective reflecting wall extends obliquely relative to the bottom part of the relevant well, is a practical value for achieving the intended purpose, is approximately 55 °.
In fig. 3 is een schematische dwarsdoorsnede, soortgelijk aan die volgens fig. 2, weergegeven van een voorkeursuitvoeringsvorm van een optische beeldsensor volgens de uitvinding. In het algemeen bezit een derge-35 lijke transducent een lagenstructuur. Een dergelijke lagenstructuur is samengesteld uit een substraat 3.1, 8702109 -8- een daarin geïntegreerd patroon van lichtgevoelige cellen en welk patroon in fig. 3 schematisch is aangeduid door 3.2 en een op dit patroon van lichtgevoelige cellen eventueel aangebrachte beschermlaag die in zijn alge-5 meenheid is aangeduid door 3.3. Het substraat is van een lichttransparant materiaal, veelal mono-kristallijn silicium. De dikte van dit substraat dient voor zover dit zich tegenover een lichtgevoelige cel bevindt dusdanig klein te zijn dat de lengte van het pad waarlangs 10 de als gevolg van invallende lichtstraling gevormde elektron-gatparen de desbetreffende lichtgevoelige cel via het substraat bereiken dusdanig kort is dat recombinatie is uitgesloten. Een dergelijk vereiste brengt mee dat het substraat b.v. een minimale dikte 15 van 5 /urn dient te bezitten. Bij de in fig. 3 beschouwde uitvoeringsvorm strekken zich tussen de oppervlaktegebie-den van het substraat die corresponderen met de lichtgevoelige cellen, prismatische, elkaar doorsnijdende richels 3.4 uit welke richels in het substraat zelf 20 zijn gevormd. De begrenzende zijvlakken van deze richels vormen dan de reflecterende wanden van putjes die in. dit substraat zijn gevormd. Door een dergelijk rasterpa-troon van prismatische richels wordt de structuur van het in hoofdzaak zeer dunne substraat aanmerkelijk 25 verstevigd. Behalve dat door deze reflecterende richels het lichtontvangende vermogen wordt verbeterd bestaat het verdere voordeel dat de lichtstraling uitsluitend via het substraat op de desbetreffende lichtgevoelige cellen invalt zonder dat van enige ongewenste lichtabsorp-30 tie b.v. door de beschermlaag zoals 3.3, sprake is.Fig. 3 shows a schematic cross-section, similar to that according to Fig. 2, of a preferred embodiment of an optical image sensor according to the invention. In general, such a transducer has a layered structure. Such a layer structure is composed of a substrate 3.1, 8702109 -8- a pattern of photosensitive cells integrated therein and which pattern is schematically indicated in Figure 3 by 3.2 and a protective layer, if any, applied to this pattern of photosensitive cells, which are generally m unit is indicated by 3.3. The substrate is made of a light-transparent material, usually mono-crystalline silicon. The thickness of this substrate, insofar as it is opposite a photosensitive cell, should be so small that the length of the path along which the electron-hole pairs formed as a result of incident light radiation reach the respective photosensitive cell via the substrate is such that recombination is excluded. Such a requirement implies that the substrate e.g. should have a minimum thickness of 5 µm. In the embodiment considered in Fig. 3, between the surface areas of the substrate corresponding to the photosensitive cells, prismatic intersecting ridges 3.4 extend from which ridges are formed in the substrate itself. The bounding side surfaces of these ridges then form the reflective walls of pits that are in. this substrate are formed. Such a grid pattern of prismatic ridges considerably reinforces the structure of the substantially very thin substrate. In addition to the fact that the light-receiving power is improved by these reflecting ridges, there is a further advantage that the light radiation is incident on the respective photosensitive cells exclusively via the substrate without any undesired light absorption, e.g. due to the protective layer such as 3.3.
Zulks is nl. wel het geval indien het rasterpatroon van prismatische richels zich aan de voorzijde van de optische beeldsensor zou bevinden. Bij een dergelijke alternatieve uitvoeringsvorm van de uitvinding kan 35 het rasterpatroon van prismatische richels worden gevormd door een maskerplaat met een configuratie soortgelijk 8702109 -9- aan die welke is weergegeven in fig. 1. In afwijking van de in fig. 1 weergegeven configuratie zijn bij bedoelde maskerplaat volgens rijen en kolommen gerangschikte rechthoekige openingen gevormd waarbij elk 5 zulk een opening correspondeert met een lichtgevoelige cel die zich in een laag zoals 3.2 volgens fig. 3 bevindt.This is indeed the case if the grid pattern of prismatic ridges were located at the front of the optical image sensor. In such an alternative embodiment of the invention, the grid pattern of prismatic ridges may be formed by a mask plate having a configuration similar to 8702109-9 to that shown in Fig. 1. Notwithstanding the configuration shown in Fig. 1, said mask plate formed rectangular openings arranged in rows and columns, each such opening corresponding to a photosensitive cell located in a layer such as 3.2 according to Figure 3.
Het via deze maskeropeningen invallende licht dient nu echter de zich aan de voorzijde bevindende beschermlaag te passeren hetgeen absorptieverliezen meebrengt.However, the light incident through these mask openings must now pass through the front protective layer, which entails absorption losses.
10 Tevens dient rekening te worden gehouden met het feit dat de absorptie-eigenschappen van cel tot cel beschouwd, enigszins verschillend zijn. Zulks betekent dat in het uitgangssignaal van de beeldsensor een storing, zgn. structuurruis ontstaat. Een dergelijk masker kan 15 als een afzonderlijk plaatvormig onderdeel worden vervaardigd en in gerede vorm op de voorzijde en/of achterzijde van de beeldsensor worden bevestigd zodanig dat elke maskeropening met betrekking tot een desbetreffende lichtgevoelige cel is gecentreerd.It should also be taken into account that the absorption properties from cell to cell are slightly different. This means that a disturbance, so-called structure noise, arises in the output signal of the image sensor. Such a mask can be manufactured as a separate plate-shaped part and mounted in finished form on the front and / or back of the image sensor such that each mask opening is centered with respect to a respective photosensitive cell.
20 Bij de uitvoeringsvorm volgens fig. 3 bevindt het rasterpatroon van prismatische richels zich echter aan de achterzijde van de beeldsensor en is gevormd door het materiaal waaruit het substraat bestaat. Hierdoor worden de absorptieverliezen resp. structuurruisstoringen 25 verminderd. Als materiaal voor dit substraat wordt veelal toegepast mono-kristallijn silicium. Ter verdere verbetering van het lichtontvangend vermogen van een dergelijke uitvoeringsvorm verdient het aanbeveling om de lichtreflecterende wanden van de in het substraat 30 gevormde putjes te verspiegelen met een laagje aluminium.However, in the embodiment of Fig. 3, the grid pattern of prismatic ridges is located at the rear of the image sensor and is formed by the material that makes up the substrate. As a result, the absorption losses resp. structure noise disturbances 25 are reduced. Monocrystalline silicon is often used as the material for this substrate. In order to further improve the light-receiving capacity of such an embodiment, it is recommended to mirror the light-reflecting walls of the wells formed in the substrate 30 with a layer of aluminum.
Tevens verdient het aanbeveling om de putjes te vullen met een materiaal met een lichtdoorlatend materiaal teneinde te bereiken dat voortplanting van invallend licht naar de putbodems wordt bevorderd.It is also recommended to fill the wells with a material having a light transmissive material in order to promote propagation of incident light to the well bottoms.
35 Een substraatstructuur van de in fig. 3 weerge geven gedaante heeft b.v. een minimale dikte van 5-10 /um 8702109 -10- en een maximale dikte van 25-30 /urn. Aldus is het mogelijk om een optische beeldsensor te realiseren waarvan het lichtontvangende oppervlak zich bevindt aan de substraat-zijde, ofwel achterzijde van de sensor en waarvan de 5 structuur ondanks de vereiste geringe dikte van het substraat op die plaatsen waar dit zich tegenover lichtgevoelige cellen bevindt, dusdanig robuust is dat een bedrijfseconomische fabricage en bedrijfsbetrouwbare toepassing van zulk een transducent mogelijk zijn.For example, a substrate structure of the shape shown in Figure 3 has a minimum thickness of 5-10 µm 8702109 -10- and a maximum thickness of 25-30 µm. It is thus possible to realize an optical image sensor whose light-receiving surface is located on the substrate side, or rear side of the sensor, and whose structure, despite the required small thickness of the substrate, in those places where it is opposite photosensitive cells is so robust that a prudential manufacturing and operationally reliable application of such a transducer is possible.
Met verwijzing naar fig. 4 zal in het onderstaande een werkwijze worden toegelicht voor het vervaardigen van een substraatstructuur zoals schematisch is weergegeven in fig. 3. Een dergelijke werkwijze berust op het op zichzelf bekende anisotroop etsen.With reference to Fig. 4, a method for manufacturing a substrate structure as schematically shown in Fig. 3 will be explained below. Such a method relies on anisotropic etching known per se.
15 In het raam van de onderhavige uitvinding wordt gebruik gemaakt van de omstandigheid dat voor bepaalde mono-kris-tallijn materialen, zoals b.v. een mono-kristallijn siliciumschijf met kristalrichting (100), de wegetssnel-heid in een richting loodrecht op het hoofdvlak van 20 een desbetreffende materiaalplak aanzienlijk groter kan zijn dan de wegetssnelheid in een met betrekking tot die richting transversale richting. Wanneer wordt uitgegaan van een substraatplak waarvan de dikte reeds ongeveer gelijk is gemaakt aan de dikteafmeting die 25 het substraat ter plaatse van de "scherpe kanten" van de richels moet bezitten, omvat een dergelijke werkwijze de volgende stappen:In the context of the present invention, use is made of the fact that for certain monocrystalline materials, such as e.g. a monocrystalline silicon wafer with a crystal direction (100), the road etching speed in a direction perpendicular to the major plane of a particular material wafer may be significantly greater than the road etching speed in a transverse direction relative to that direction. When starting from a substrate wafer whose thickness has already been made approximately equal to the thickness size that the substrate must have at the "sharp edges" of the ridges, such a method comprises the following steps:
Op die zijde van de plak die is te beschouwen als de achterzijde van de optische beeldsensor, wordt 30 een lijnrasterpatroon gevormd van een voor etsmiddel ongevoelig materiaal; dit lijnrasterpatroon heeft een configuratie zoals schetsmatig is weergegeven in fig. 1 zodat de mazen van zulk een lijnrasterpatroon corresponderen met de mondingsopeningen van de desbetreffende 35 putjes; de "dikte" van de rasterlijnen wordt zo dun mogelijk gekozen b.v. 2 a 5 /urn. Vervolgens wordt de 8702109 -11- plak aan die zijde waar dit lijnrasterpatroon is aangebracht geëtst met een etsmiddel zoals b.v. EDP of KOH. Hierdoor wordt een anisotroop etsproces gestart hetgeen in fig. 4 schematisch is weergegeven ter illustratie 5 van de vorming van een enkel putje. Afhankelijk van de concentratie van het etsmiddel, en de temperatuur van het etsproces kan worden bereikt dat de wegetssnelheid in verticale richting een zeker aantal malen groter is dan de wegetssnelheid in transversale richting. Hier-10 door ontstaan als functie van de tijd verschillende fazen die in fig. 4 door onderbroken lijnen zijn aangegeven. Daarbij wordt niet alleen in verticale richting echter tevens in horizontale richting zij het aanzienlijk langzamer, materiaal weggenomen. De afschuining van 15 het aldus gevormde putje hangt echter in hoofdzaak af van de kristalstructuur van het materiaal waaruit het desbetreffende substraat bestaat. Dit etsproces is nu zodanig te beheersen dat wanneer de uiteindelijk gewenste minimale substraatdikte is bereikt de contour 20 van het bodemgedeelte van het dan weggeëtste putje correspondeert met de omtrekscontour van het daarmee gecentreerde lichtgevoelige celelement terwijl met de schuine wand van een naburig ingeëtst putje een nagenoeg scherpe richelkant wordt gevormd. Aldus kan 25 worden bereikt dat uitgaande van de tijd t = 0 uiteindelijk op de tijd t = 4 het gewenste putje is ingeëtst. Hierna dient het resterende etsongevoelige materiaal waaruit de rasterlijnen werden gevormd, te worden verwijderd. Door een dergelijk etsproces worden gladde zijwanden 30 van de putjes verkregen. Aangezien deze zijwanden zijn gevormd in het materiaal silicium verdient het aanbeveling deze zijwanden te verspiegelen met een laagje aluminium.On that side of the wafer which is to be considered as the back of the optical image sensor, a line grid pattern of an etchant insensitive material is formed; this line grid pattern has a configuration as shown schematically in Fig. 1 so that the meshes of such a line grid pattern correspond to the mouth openings of the respective 35 wells; the "thickness" of the grid lines is chosen as thin as possible, e.g. 2 to 5 µm. Then, the 8702109-11 slice on that side where this line grid pattern is applied is etched with an etchant such as e.g. EDP or KOH. This starts an anisotropic etching process which is schematically shown in Figure 4 to illustrate the formation of a single well. Depending on the concentration of the etchant, and the temperature of the etching process, it can be achieved that the road speed in the vertical direction is a certain number of times greater than the road speed in the transverse direction. As a result of this, different phases are created as a function of time, which are indicated by broken lines in Fig. 4. Not only in the vertical direction, but also in the horizontal direction, albeit considerably slower, material is removed. The chamfer of the well thus formed depends, however, mainly on the crystal structure of the material of which the respective substrate consists. This etching process can now be controlled such that when the ultimate desired minimum substrate thickness is reached, the contour of the bottom portion of the well-etched well corresponds to the peripheral contour of the photosensitive cell element centered therewith, while with the oblique wall of an adjacent well-etched well ledge side is formed. It can thus be achieved that, starting from the time t = 0, the desired well is finally etched at the time t = 4. After this, the remaining etching insensitive material from which the grid lines were formed should be removed. Smooth sidewalls 30 of the wells are obtained by such an etching process. Since these side walls are formed in the material silicon, it is recommended to mirror these side walls with a layer of aluminum.
Een daartoe dienende werkwijze is gekenmerkt door een in het onderstaande gegeven opeenvolging van 35 stappen die zijde van het substraat waarin de bovenom- 87021oé t -12- schreven putjes zijn gevormd, wordt bedekt met een fotogevoelige lak; de aldus met fotogevoelige lak bedekte zijde van het substraat wordt belicht met een patroon zodanig 5 dat na ontwikkeling de lak op de putbodemgedeelten achterblijft; op de aldus bewerkte zijde van het substraat wordt een laagje aluminium neergeslagen b.v. door opdampen of sputteren; en 10 de zich op de putbodemgedeelten bevindende fotolak met het zich daarop bevindende laagje aluminium worden verwijderd met behulp van een oplosmiddel, zoals b.v. aceton dat via de "zijkanten" van de zich op de putbodems bevindende fotolaklaag kan inwerken.A suitable method is characterized by a sequence of 35 steps given below, that the side of the substrate in which the wells described above are formed is covered with a photosensitive lacquer; the photosensitive lacquer thus coated side of the substrate is exposed with a pattern such that after development the lacquer remains on the well bottom portions; a layer of aluminum is deposited on the thus processed side of the substrate, e.g. by evaporation or sputtering; and the photoresist located on the well bottom portions with the aluminum layer thereon are removed using a solvent, such as e.g. acetone which can act through the "sides" of the photoresist layer located on the well bottoms.
15 Een schema ter illustratie van de bovenbeschre ven werkwijze is weergegeven in fig. 5. Daarin is weergegeven de situatie zoals ontstaan nadat op de schuine putwanden alsook op de nog met fotolak 5.4 bedekte putbodemgedeelten, een laagje 5.5 aluminium is neergesla-20 gen. Door de pijlen is schematisch aangegeven de inwerking van het oplosmiddel, waardoor de fotolak met het zich daarop bevindende laagje aluminium uit de putbodems wordt verwijderd.A diagram illustrating the above-described method is shown in Fig. 5. This shows the situation as arisen after a layer of aluminum has been deposited on the sloping well walls as well as on the well bottom parts still covered with photoresist 5.4. The arrows indicate schematically the action of the solvent, whereby the photoresist with the layer of aluminum on it is removed from the well bottoms.
Ter verdere verbetering van het lichtontvangend 25 vermogen verdient het aanbeveling om de aldus gevormde putjes op te vullen met een lichttransparant materiaal waarvan de brekingsindex relatief groot is teneinde te bereiken dat schuin invallende lichtbundels naar de normaal toe worden gebroken en de effectieve ruimtehoek 30 nog wordt vergroot. Door een dergelijke maatregel wordt de hoeveelheid licht die zich naar het putbodemoppervlak voortplant vergroot.In order to further improve the light receiving power, it is recommended to fill the pits thus formed with a light-transparent material of which the refractive index is relatively large in order to ensure that incident light beams are broken to the normal and the effective spatial angle 30 is further increased. . Such a measure increases the amount of light that propagates to the well bottom surface.
De uitvinding kan met voordeel worden toegepast op het gebied van, al dan niet met IC techniek uitgevoerde 35 ladingsgekoppelde inrichtingen (CCD's). Echter zijn talrijke andere toepassingen en uitvoeringsvormen denkbaar.The invention can be advantageously applied in the field of charge-coupled devices (CCDs), whether or not using IC technology. However, numerous other applications and embodiments are conceivable.
8702103 -13-8702103 -13-
In beginsel is de uitvinding ook toepasbaar voor tweezijdig lichtgevoelige sensoren. Daarbij is zowel de ene alswel de andere zijde van de beeldsensor voorzien van een patroon van lichtreflecterende putjes.In principle, the invention is also applicable for two-sided photosensitive sensors. Both one side and the other side of the image sensor are provided with a pattern of light-reflecting pits.
87021 OS87021 OS
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL8702109A NL8702109A (en) | 1987-09-07 | 1987-09-07 | Optical image sensor built into monocrystalline substrate - consists embedded cells at bottoms of pits with prismatic walls |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL8702109 | 1987-09-07 | ||
| NL8702109A NL8702109A (en) | 1987-09-07 | 1987-09-07 | Optical image sensor built into monocrystalline substrate - consists embedded cells at bottoms of pits with prismatic walls |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NL8702109A true NL8702109A (en) | 1989-04-03 |
Family
ID=19850564
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NL8702109A NL8702109A (en) | 1987-09-07 | 1987-09-07 | Optical image sensor built into monocrystalline substrate - consists embedded cells at bottoms of pits with prismatic walls |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| NL (1) | NL8702109A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000031805A1 (en) * | 1998-11-25 | 2000-06-02 | Intel Corporation | Reflecting structures for photosensitive devices |
-
1987
- 1987-09-07 NL NL8702109A patent/NL8702109A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000031805A1 (en) * | 1998-11-25 | 2000-06-02 | Intel Corporation | Reflecting structures for photosensitive devices |
| US6166369A (en) * | 1998-11-25 | 2000-12-26 | Intel Corporation | Microcollector for photosensitive devices using sol-gel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11329080B2 (en) | Solid state imaging element and electronic device | |
| EP1096274B1 (en) | Optical phase grating low pass filter | |
| EP0068456B1 (en) | Electromagnetic radiation detection system comprising a radiation limiting shield | |
| EP0481552B1 (en) | Infrared detector devices | |
| EP1771882B1 (en) | Solid-state photodetector pixel and photodetecting method | |
| US5952645A (en) | Light-sensing array with wedge-like reflective optical concentrators | |
| TWI463645B (en) | Cfa alignment mark formation in image sensors | |
| US6177236B1 (en) | Method of making a pixelized scintillation layer and structures incorporating same | |
| US4602158A (en) | PbS-PbSe IR detector arrays | |
| JPS61135280A (en) | 3-dimensional image pickup element | |
| US5981959A (en) | Pixelized scintillation layer and structures incorporating same | |
| US6819361B1 (en) | Solid-state imaging device into which optical low pass filter is integrated | |
| EP0268404A2 (en) | Optical interconnection of devices on chips | |
| US10347778B2 (en) | Graded-index structure for optical systems | |
| NL8702109A (en) | Optical image sensor built into monocrystalline substrate - consists embedded cells at bottoms of pits with prismatic walls | |
| GB2164492A (en) | A monolithic image receiver | |
| JPH04502236A (en) | solid state image sensor | |
| JP2021034405A (en) | Imaging element and imaging apparatus | |
| JP2942369B2 (en) | Image sensor | |
| US5198069A (en) | Method for fabricating buttable epitaxial infrared detector arrays by dimensionally controlled cleaving of single crystal substrates | |
| JPH0554042B2 (en) | ||
| JPS61154283A (en) | Solid image pick-up element | |
| JP2825966B2 (en) | Solid-state imaging device with micro lens | |
| JPH0693505B2 (en) | Solid-state image sensor | |
| JP2004020283A (en) | Photoelectric encoder and manufacturing method for scale |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A1B | A search report has been drawn up | ||
| BV | The patent application has lapsed |