WO2025252286A1 - Optische sensorvorrichtung und herstellungsverfahren einer optischen sensorvorrichtung - Google Patents

Optische sensorvorrichtung und herstellungsverfahren einer optischen sensorvorrichtung

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WO2025252286A1
WO2025252286A1 PCT/DE2025/100534 DE2025100534W WO2025252286A1 WO 2025252286 A1 WO2025252286 A1 WO 2025252286A1 DE 2025100534 W DE2025100534 W DE 2025100534W WO 2025252286 A1 WO2025252286 A1 WO 2025252286A1
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metallization structure
window
layer
optical sensor
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Julia Kölbel
Thomas Rotter
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Elmos Semiconductor SE
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Definitions

  • the invention relates to an optical sensor device and a method for manufacturing an optical sensor device.
  • SPADs single-photon avalanche diodes
  • PDP photon detection probability
  • FF fill factor
  • a high photon detection efficiency (PDE) is crucial for the sensitivity and range of the sensor.
  • a secondary photon can be emitted when a primary photon triggers a charge carrier avalanche. If a first SPAD in a SPAD array emits such a secondary photon, it can be absorbed by a second SPAD adjacent to that first SPAD in the array. The secondary photon can reach the adjacent second SPAD via various pathways: directly, through reflection from the substrate on which the SPAD array is mounted, or through reflection in the so-called backend-of-line (BEOL) on the top side. These secondary photons trigger an avalanche effect in the second SPAD, generating a false signal. This results in a reduced dynamic range and blurred images. The effect is called optical crosstalk. The probability of crosstalk should be kept as low as possible. It increases with increasing PDE, because secondary photons are also converted more efficiently due to the indistinguishability of photons.
  • BEOL backend-of-line
  • reflection at the back side is mainly considered as a coupling path, although this plays a subordinate role due to the small average path length for photons in the visible range.
  • the probability of crosstalk in such systems also increases in the same way as described above.
  • the PDE is strongly wavelength-dependent due to constructive and destructive interference at the interfaces in the BEOL stack. Because of manufacturing tolerances in the layer thickness, the PDE maxima and minima do not always form for the same wavelengths, and their spectral position can differ even within a single wafer due to small local variations in BEOL thickness.
  • US patent 11,616,152 B2 also discloses optical isolation structures for preventing crosstalk in a SPAD array.
  • the optical isolation structures can be formed in a ring around the respective SPAD.
  • the isolation structure can be a hybrid isolation structure containing both a metal filler that reflects light and a dielectric filler with a low refractive index that reflects light.
  • a metal filler is used to reflect light back, preventing photons from traveling from a first SPAD to a neighboring second SPAD of the array and thus causing optical crosstalk.
  • a boundary layer to a dielectric filler with a different, in this case lower, refractive index can reflect light back into the SPAD, in particular causing total internal reflection, and keep the light in the active region of the SPAD.
  • the isolation structure can be designed as a single trench or have a deep trench at the rear and a deep trench isolation section at the front.
  • the isolation structure can also contain a color-filtering material.
  • US patent 11,616,152 B2 discloses microlenses for focusing light onto the individual SPADs of the array, as well as the application of a special antireflection layer. This leads to improved light collection and disrupts the conditions for the development of interference effects within the SPAD array.
  • the object of the present invention is therefore to provide a solution for an improved optical sensor that eliminates optical crosstalk, wherein the optical sensor should have a high photon detection efficiency and a high fill factor, and wherein the solution should be cost-effective and not entail major technical changes to a standard method for manufacturing an optical sensor.
  • the proposed solution involves an optical sensor device comprising a stack of layers.
  • the layer stack comprises at least one substrate which contains a plurality of optoelectronic components.
  • the substrate is a semiconductor material.
  • the substrate is silicon.
  • the layer stack comprises at least one first optoelectronic component and one second optoelectronic component.
  • both the first and second optoelectronic components are SPADs.
  • the layer stack has a gate oxide layer and/or a salicide protection layer.
  • the layer stack has a field oxide layer.
  • the layer stack comprises at least one dielectric layer arranged above the substrate within the layer stack.
  • the layer stack comprises at least a first dielectric layer and a second dielectric layer separated from each other by an intermediate layer.
  • the at least one dielectric layer is made of silicon dioxide.
  • the intermediate layer is made of silicon nitride.
  • the layer stack comprises at least one metallization structure.
  • the at least one metallization structure has an uppermost metal layer.
  • the uppermost metal layer is a contact point for electrically connecting the optical sensor device.
  • the uppermost metal layer is a pad structure for bonding the optical sensor device.
  • At least one metallization structure is arranged between the first optoelectronic component and the second optoelectronic component.
  • At least one of the at least one metallization structure comprises a plurality of superimposed metal layers.
  • the at least one metallization structure comprises a plurality of plugs.
  • the plugs are made of metal.
  • the superimposed metal layers are connected to each other via the plugs.
  • the layer stack comprises a polysilicon layer.
  • the polysilicon layer serves as an etch stop during the metallization process.
  • the metallization structure is arranged on the polysilicon layer.
  • the layer stack comprises a passivation layer.
  • the passivation layer is arranged above the at least one dielectric layer.
  • the passivation layer is arranged on the top surface of the layer stack.
  • the passivation layer is made of silicon nitride.
  • the layer stack has at least one window over the at least one metallization structure.
  • the layer stack additionally or alternatively has at least one window over the first optoelectronic component and/or at least one window over the second optoelectronic component.
  • the at least one window extends over a surface that forms a projection plane of the first optoelectronic component. and/or a projection plane of the second optoelectronic component and/or a projection plane comprising at least one metallization structure.
  • At least one window above the metallization structure is designed to at least partially expose the uppermost metal layer of the metallization structure.
  • the metallization structure is arranged between the first optoelectronic component and the second optoelectronic component.
  • the at least one window above the first optoelectronic component and/or the at least one window above the second optoelectronic component each have a convex curvature.
  • the convex curvature is designed to focus light onto the respective optoelectronic component.
  • At least one window is arranged above the at least one metallization structure, while no window is arranged above the first optoelectronic component and/or the second optoelectronic component.
  • At least one window is arranged above the first optoelectronic component and/or the second optoelectronic component, while no window is arranged above the at least one metallization structure.
  • At least one window is arranged above the metallization structure, as well as above the first optoelectronic component and the second optoelectronic component.
  • optical crosstalk between the first optoelectronic component and the second optoelectronic component is largely prevented if no photons can pass through the layer stack below, above or through gaps in the metallization structure from one optoelectronic component to the other.
  • the metallization structure begins on the substrate in which the optoelectronic components are arranged. Furthermore, the metallization structure has a continuous, opaque structure.
  • a raised area of this material forms above the metallization structure, over which photons can pass from one optoelectronic component to another, resulting in crosstalk.
  • a window is arranged above the metallization structure, which exposes the top metal layer of the metallization structure, so that no material of the layer stack is present above the metallization structure through which photons can pass.
  • At least one window is arranged above the first optoelectronic component and/or above the second optoelectronic component. If there is a raised area of material above the at least one metallization structure arranged between the first and second optoelectronic components, the at least one window above the first optoelectronic component and/or the at least one window above the second optoelectronic component is designed such that it exposes the edge of the uppermost metal layer of the at least one metallization structure facing the first and/or second optoelectronic component. In this way, a path through the material of the layer stack between the optoelectronic components is blocked for photons.
  • An arrangement of at least one window above the first optoelectronic component and/or above the second optoelectronic component disrupts the conditions for destructive/constructive interference within the layer stack and thus leads to improved, more homogeneous quantum efficiency.
  • the convex curvature of the window above the first optoelectronic component and/or above the second optoelectronic component also acts as a converging lens, focusing incoming light onto the respective optoelectronic component. This increases detection efficiency because the more effective sub-areas of the SPAD in the center are targeted.
  • the at least one window in a projection plane of the first optoelectronic component and/or the at least one window in a projection plane of the second optoelectronic component each has a predetermined width.
  • the width of the at least one window corresponds to a value of at least 3 pm.
  • the width of at least one window in the projection plane of the first optoelectronic component and/or in the projection plane of the second optoelectronic component corresponds to an amount of lOpm.
  • the at least one window arranged above the first optoelectronic component is limited at least on one side by the at least one metallization structure.
  • the at least one window arranged above the second optoelectronic component is limited at least on one side by the at least one metallization structure.
  • the at least one window located above the first optoelectronic component and/or the at least one window located above the second optoelectronic component borders the at least one metallization structure and exposes the edge of the uppermost metal layer of the at least one metallization structure facing the respective optoelectronic component, then the fill factor FF of the respective optoelectronic component is effectively increased, and thus also the photon detection efficiency PDE.
  • the metallization structure comprises a plurality of metal layers and plugs.
  • the metal layers contain aluminum.
  • the metal layers are made of copper.
  • the plugs are made of an electrically conductive material.
  • the plugs are made of metal.
  • the plugs are made of tungsten.
  • the plugs are made of copper.
  • the plugs contain aluminum.
  • the layer stack of the optical sensor device has a poly-silicon layer.
  • the polysilicon layer is arranged on the field oxide layer.
  • the field oxide layer is arranged on the substrate of the layer stack.
  • the metallization structure is arranged on the poly-silicon layer.
  • the metallization structure is composed of multiple metal layers and plugs. Specifically, one plug of the metallization structure is based on the polysilicon layer.
  • the metallization structure is arranged in the optical sensor device in such a way that a light path through the layer stack below the top metal layer of the metallization structure is blocked by the metallization structure.
  • the metallization structure is composed of multiple metal layers and plugs.
  • the metallization structure is arranged on the polysilicon layer.
  • the invention further relates to a method for manufacturing the optical sensor device, comprising the steps:
  • Providing a layer stack with at least one substrate comprising at least one first optoelectronic component and one second optoelectronic component, at least one dielectric layer, and at least one metallization structure with a top metal layer,
  • top metal layer (metal top or metal top 1) of the at least one metallization structure, which is arranged between the first optoelectronic component and the second optoelectronic component, is at least partially exposed, and/or
  • At least one window with a convex curvature is formed over the first optoelectronic component and/or the second optoelectronic component, such that the convex curvature has a lens structure designed to focus light in the direction of the respective optoelectronic component.
  • the local ablation or removal is carried out using the mask to form the at least one window over the first optoelectronic component and/or the at least one window over the second optoelectronic component, such that the convex curvature is automatically formed on one underside of the respective window.
  • a mask is used for the local ablation or removal of material, wherein a value for a width of the at least one window over the first optoelectronic component and/or a value for a width of the at least one window over the second optoelectronic component is predetermined such that the convex curvature is automatically formed in the window in the projection plane of the first optoelectronic component and/or in the window in the projection plane of the second optoelectronic component during the local ablation or removal of the material.
  • the removal or ablation of the material is carried out using a suitable mask via an etching process.
  • This can specifically involve passivation to expose contact points (pads).
  • the mask is chosen such that the window over the first optoelectronic component and/or the window over the second optoelectronic component each have a width of at least 3 pm after ablation or removal of the material from the layer stack.
  • a convex curvature automatically results at the bottom of the respective window during the removal of the layer stack material, which serves as a converging lens for the respective optoelectronic component below.
  • the mask is chosen such that the window over the first optoelectronic component and/or the window over the second optoelectronic component has a width of 10pm.
  • the mask is chosen such that the window over the first optoelectronic component and/or the window over the second optoelectronic component each have a width of 10 pm.
  • a convex curvature automatically forms at the bottom of the respective window during the removal of the material from the layer stack using a suitable mask, in particular by means of an etching process, which is curved in such a way that incident light is focused onto the corresponding optoelectronic component below by means of the convex curvature.
  • the mask is chosen such that the window above the first optoelectronic component borders on at least one metallization structure on at least one side.
  • the mask is chosen such that the window above the second optoelectronic component borders on at least one metallization structure on at least one side.
  • the mask is chosen such that the window extends over a surface which includes a projection plane over the first optoelectronic component and/or a projection plane over the second optoelectronic component and/or a projection plane over the at least one metallization structure which is arranged between the first optoelectronic component and the second optoelectronic component.
  • an optical path through the layer stack (the backend-of-line (BEOL)) is disturbed, particularly in the passivation area, by using a conventional passivation aperture in the sensor area.
  • BEOL backend-of-line
  • the sensor device according to the invention reduces optical crosstalk and/or, depending on the embodiment, can prevent unwanted constructive and destructive interference.
  • optical sensor device does not require any additional process steps or non-standard masks compared to the prior art.
  • optical sensor device is area-neutral compared to the prior art, since the distance already existing between the optoelectronic components for electrical insulation can be used for the metallization structure or the etching trench (removal of material) above the metallization structure. Further advantageous embodiments, features and functions of the invention are explained in connection with the examples shown in the figures.
  • FIG. 1 schematic representation of an optical sensor device according to the prior art
  • FIG. 2 schematic representation of an optical sensor device according to the invention
  • FIG. 3 optical sensor device according to the invention in a second embodiment
  • FIG. 4 optical sensor device according to the invention in a third embodiment
  • FIG. 5 optical sensor device according to the invention in a fourth embodiment
  • FIG. 6 optical sensor device according to the invention in a fifth embodiment
  • FIG. 7 optical sensor device according to the invention in a sixth embodiment
  • FIG. 8 optical sensor device according to the invention in a seventh embodiment
  • Fig. 9 shows the measured quantum efficiency for the optical sensor devices according to Fig. 1-8.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an optical sensor device 100 according to the prior art.
  • the optical sensor device 100 is constructed in the form of a layer stack 110.
  • the layer stack comprises a substrate 111 in which a plurality of optoelectronic components 112 are embedded.
  • a first optoelectronic component 112a and a second optoelectronic component 112b are configured as SPAD diodes.
  • secondary photons that can be emitted by a first SPAD diode 112a can reach a second SPAD diode 112b within the layer stack 110 and vice versa.
  • the photons can travel through the layer stack 110 from one SPAD diode 112 to the other SPAD diode via different paths, as shown by the dashed arrows in Fig. 1:
  • a plurality of optoelectronic components 112 are arranged on a substrate 111, which is usually made of silicon, and a gate oxide and/or salicide protection layer 116 is applied over it.
  • a first dielectric layer 114, an intermediate layer 113 and a second dielectric layer 114 are stacked on top of each other on the gate oxide and/or salicide protection layer 116.
  • the dielectric layer 114 is typically a silicon dioxide layer (SiO2).
  • the intermediate layer 113 which separates the first dielectric layer 114 from the second dielectric layer 114, is typically made of silicon nitride (SiN).
  • a passivation layer 115 which is usually also a silicon nitride (SiN) layer, is applied to these stacked layers.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of an optical sensor device 100 according to the invention. This embodiment differs from the prior art shown in Fig. 1 in that the optical sensor device 100 additionally has a metallization structure 120 with an uppermost metal layer 121.
  • the metallization structure 120 is arranged between the first optoelectronic component 112a and the second optoelectronic component 112b.
  • the layer stack 110 comprises a gate oxide and/or salicide protection layer 116 and field oxide layers 117.
  • a poly-silicon layer 118 is arranged on the field oxide layer 117 between the first optoelectronic component 112a and the second optoelectronic component 112b, on which the metallization structure 120 is arranged.
  • the metallization structure 120 comprises a plurality of metal layers and plugs made of an electrically conductive material.
  • a bottom plug of the metallization structure 120 rests on the polysilicon layer 118.
  • the metallization structure 120 is arranged such that the plugs and the metal layers are stacked alternately on top of each other.
  • the uppermost metal layer 121 of the metallization structure 120 which serves as a contact point, is located in the layer stack 110 in the dielectric layer 114 below the passivation layer 115.
  • a window 130 is created in the optical sensor device 100, which at least partially exposes the contact point 121.
  • first SPAD 112a first SPAD 112a
  • second SPAD 112b second SPAD 112b
  • the top surface of the uppermost metal layer 121 of the metallization structure 120 is at least partially exposed by creating the window 130, so that at least one area is formed on the surface of the uppermost metal layer 121 in which the dielectric layer 114 above the metallization structure 120 has been completely removed, photons cannot pass above the metallization structure 120 from one optoelectronic component 112a, 112b to the other optoelectronic component 112a, 112b, as shown by the dashed arrows in Fig. 2.
  • the manufacturing process for producing an optical sensor device 100 according to Fig. 2 differs from that for a device according to the prior art according to Fig. 1 in that that a poly-silicon layer 118 and the metallization structure 120 are arranged between the first optoelectronic component 112a and the second optoelectronic component 112b on the field oxide layer 117, which is embedded in the first dielectric layer 114, the intermediate layer 113 and the second dielectric layer 114, and subsequently material is locally removed using a mask.
  • the metallization structure 120 comprises three metal layers, wherein the uppermost metal layer 121 corresponds to a contact point.
  • the second dielectric layer 114 completely covers the uppermost metal layer 121. Likewise, the passivation layer 115 is applied to the entire surface of the optical sensor device 100.
  • a mask is used and the passivation layer 115 and the dielectric layer 114 are locally removed by an etching process until the surface of the uppermost metal layer 121 is at least partially exposed.
  • Fig. 3 shows a second embodiment of the optical sensor device 100 according to the invention.
  • the metallization structure 120 shown in Fig. 3 comprises a fourth metal layer.
  • a raised area 119 forms above the metallization structure 120 during the manufacturing process when the dielectric layer 114 and the passivation layer 115 are applied.
  • a window 130 is formed above each of the first optoelectronic component 112a and the second optoelectronic component 112b by using a corresponding adapted mask in the projection plane of these optoelectronic components 112a and 112b.
  • the width 131 of the windows 130 corresponds to a specific predefined value. Specifically, the width 131 of the windows 130 is always greater than 3 pm. Specifically, the width 131 of the windows 130 is always approximately 10 pm.
  • a convex curvature 132 automatically forms in the dielectric layer 114 in the projection plane when the passivation layer 115 and the portion of the dielectric layer 114 are locally removed.
  • the dielectric layer 114 Due to these convex curvatures 132, the dielectric layer 114 has a lens structure, so that light which enters the optical sensor device 100 through the windows 130 is focused by means of the convex curvatures 132.
  • the metallization structure 120 in the variant shown in Fig. 3 comprises a further metal layer, so that the surface of the uppermost metal layer 121 of the metallization structure 120 arranged in the layer stack 110 on the field oxide layer 117 is located at least approximately on the same plane as the boundary layer between dielectric layer 114 and passivation layer 115, wherein, due to the manufacturing process of the layer stack 110, a local elevation 119 of the layer stack 110 is formed above the metallization structure 120 by the application of the dielectric layer 114 and the passivation layer 115.
  • Photons emitted from the first optoelectronic component 112a cannot pass through the metallization structure 120 to the second optoelectronic component 112b and vice versa.
  • photons can, however, pass through the raised section 119 of the layer stack 110 above the metallization structure 120. In this way, it is possible for photons to travel from the first optoelectronic component 112a to the second optoelectronic component 112b, or vice versa, by reflection at an interface.
  • the embodiment of the optical sensor device 100 according to the invention shown in Fig. 3 thus prevents constructive and destructive interference with strong oscillation within the optical sensor device 100, which is strongly dependent on the wavelength of the incident light.
  • crosstalk between the individual optoelectronic components 112 is not effectively prevented, since photons pass over the raised area 119 above the metallization structure 120 from the The first optoelectronic component 112a can reach the second optoelectronic component 112b, or vice versa.
  • the embodiment shown in Fig. 4 differs from the variant shown in Fig. 3 only in that the distance between the optoelectronic components 112 and the metallization structure 120, as well as the width 131 of the windows 130 above the optoelectronic components 112, are selected such that the windows 130 towards the metallization structure 120 are limited by the metallization structure 120.
  • the passivation layer 115 and partially the dielectric layer 114 are locally removed such that material is removed above the respective optoelectronic components 112, but the elevation 119 of the layer stack 110 formed by the dielectric layer 114 and the passivation layer 115 remains at least partially above the metallization structure 120.
  • the edges of the uppermost metal layer 121 of the metallization structure 120 facing the optoelectronic components 112 are exposed.
  • the surface of the uppermost metal layer 121 is not, or not completely, exposed by the removal of the material.
  • the width 131 of the windows 130 is again chosen such that when removing the material to create the windows 130, a convex curvature l32 is formed in the projection plane above the optoelectronic components 112, which focuses light entering through the windows 130 onto the respective optoelectronic component 112a, 112b.
  • the shaping of the windows 130 with concave curvature 132 above the optoelectronic components 112 results in a smoothed dependence on the wavelength of the light incident on the optical sensor device 100 for a measured normalized quantum efficiency (QE) as a function of the wavelength of the light incident on the optical sensor device 100, without local minima or maxima for interference of the light within the optical sensor device 100.
  • QE normalized quantum efficiency
  • the connection between the first optoelectronic component 112a and the second optoelectronic component 112b via the dielectric layer 114 and the passivation layer 115 is interrupted.
  • photons emitted by the first optoelectronic component 112a can no longer pass above the metallization structure 120 into the optoelectronic component 112b, and vice versa (see dashed arrows in Fig. 4).
  • these photons cannot pass through the metallization structure 120 itself.
  • the embodiment shown in Fig. 5 differs from the variant shown in Fig. 4 only in that a different mask was used for removing the material to form windows 130 above the optoelectronic components 112, so that material was removed simultaneously above the optoelectronic components 112 and above the metallization structure 120. Effectively, the embodiment shown in Fig. 5 thus has an opening that extends over the first optoelectronic component 112a, the metallization structure 120, and the second optoelectronic component 112b.
  • the ablation process is halted by the exposure of the top metal layer 121 of the metallization structure 120, the material of the dielectric layer 114 above the optoelectronic components 112 continues to be ablated. This creates windows 130 above the optoelectronic components 112, which extend deeper into the material of the optical sensor device 100 than to the top surface of the top metal layer 121.
  • the ablation of the material forms a structure with two different heights hl and h2 above the metallization layer 120 and the optoelectronic components 112.
  • the optical sensor device 100 has further windows 130 by removing material using a suitable mask, which have a third height h3 or a further height which differs from the heights hl and h2.
  • a suitable mask which have a third height h3 or a further height which differs from the heights hl and h2.
  • the removal process leaves no material on the sides of the uppermost metal layer 121 and above the metallization structure 120 through which photons could pass from the first optoelectronic component 112a to the second optoelectronic component 112b or vice versa.
  • the fill factor (FF) of the optical sensor device is significantly increased compared to the device shown in Fig. 1 according to the prior art by extending the windows 130 to the edges of the uppermost metal layer 121.
  • the width 131 of the windows 130 has a predetermined value on both sides of the uppermost metal layer 121, where the width 131 of the windows 130 corresponds to an amount >3 pm.
  • the width 131 of the windows 130 is approximately 10 pm.
  • a convex curvature 132 is formed in the projection plane of the optoelectronic components 112 in the dielectric layer 114 above the optoelectronic components 112 when the material is removed.
  • This convex curvature 132 has the property of a converging lens. When light enters through the windows 130, it is focused by the convex curvature 132 onto the respective underlying optoelectronic component 112a, 112b.
  • the embodiment shown in Fig. 5 thus prevents crosstalk between the first optoelectronic component 112a and the second optoelectronic component 112b.
  • PDE photon detection efficiency
  • the embodiment shown in Fig. 6 differs from the variant shown in Fig. 5 in that a lower metal layer 122 of the metal structure 120, located below the uppermost metal layer 121, projects into the window 130 arranged in the projection plane of the first optoelectronic component 112a.
  • the underlying metal layer 122 Due to the arrangement and dimensions of the underlying metal layer 122, during the manufacturing process of the window 130, which in the illustrated embodiment extends over the projection plane of the first optoelectronic component 112a, the metallization structure 120, and over the projection plane of the second optoelectronic component 112b, at least the edge of the underlying metal layer 122 facing the first optoelectronic component 112a is exposed. In this way, when material is removed to manufacture the window 130, a recess is created which has three different heights hl, h2, h3.
  • the deeper metal layer 122 also protrudes into the window area of the window 130 in the projection plane of the second optoelectronic component 112b.
  • the recess of the window 130 can have more than three different heights.
  • the embodiment shown in Fig. 7 differs from the variant shown in Fig. 5 in that the optical sensor device 100 has a first metallization structure 120a and a second metallization structure 120b.
  • the second metallization structure 120b is equivalent to that shown in Fig. 5, consisting of a plurality of metal layers and plugs, and is arranged between the first optoelectronic component 112a and the second optoelectronic component 112b.
  • the first metallization structure 120a comprises only the uppermost metal layer 121.
  • the optical sensor device 100 has both a window 130 above the first metallization structure 120a, which at least partially exposes the uppermost metal layer 121 of the first metallization structure 120a, and another window 130, which extends, equivalent to Fig. 5, over the projection plane of the first optoelectronic component 112a, the second metallization structure 120b and over the projection plane of the second optoelectronic component 112b, whereby the uppermost metal layer 121 of the second metallization structure 120b is exposed.
  • Fig. 8 shows a further embodiment of the optical sensor device 100.
  • the optical sensor device 100 has a window 130 with a convex curvature 132 in the respective projection plane of the first optoelectronic component 112a and the second optoelectronic component 112b, which serves as a converging lens for the respective underlying optoelectronic component 112.
  • the optical sensor device 100 has a third window 130 above a metallization structure 120 arranged between the first optoelectronic component 112a and the second optoelectronic component 112b, which at least partially exposes the uppermost metal layer 121 of the metallization structure 120.
  • This arrangement of the windows 130 and the metallization structure 120 prevents crosstalk between the first optoelectronic component 112a and the second optoelectronic component 112b. Furthermore, destructive and constructive interference in the material above the optoelectronic components 112 is minimized, so that a measurement of the normalized quantum efficiency (QE) as a function of the wavelength of the incident light shows smoothed behavior.
  • QE normalized quantum efficiency
  • the width 131 of the window 130 above the metallization structure 120 is wider than the top surface of the uppermost metal layer 121 of the metallization structure 120, so that the top surface of the uppermost metal layer 121 is completely exposed and funnels 133 form at the edges of the uppermost metal layer 121 during the manufacture of the window 130 above the metallization structure 120.
  • the window 130 has a funnel 133 on both sides facing the uppermost metal layer 121.
  • a funnel 133 may only form on one side facing the uppermost metal layer 121.
  • the window 130 above the metallization structure 120 has a first funnel 133a and a second funnel 133b.
  • the underside of the uppermost metal layer 121 is chosen to be wider than the top side of the uppermost metal layer 121.
  • the window 130 is positioned above the metallization structure such that, in the projection plane, it does not extend beyond the edge of the underside of the uppermost metal layer 121, so that the first funnel 133a terminates on a chamfered edge of the uppermost metal layer 121.
  • the window 130 extends beyond the edge of the underside of the uppermost metal layer 121 in the projection plane, so that during the fabrication of the window 130, deeper material of the dielectric layer 114 is also removed.
  • a deeper metal layer 122 of the metallization structure 120 which is composed of a plurality of metal layers and plugs, is wider on one side.
  • a second funnel 133b is created when material is removed to manufacture the window 130, which ends on the top of the lower metal layer 122 and thus partially exposes the top of the lower metal layer 122.
  • the embodiment shown in Fig. 8 also has windows 130 above the optoelectronic components 112, which, due to the specifically selected width 131 of the windows 130, each have a convex curvature 132. These curvatures 132 serve to focus incident light onto the respective optoelectronic component 112 below.
  • the top surface of the uppermost metal layer 121 of the metallization structure 120 arranged between the two optoelectronic components 112 shown here is at least partially exposed, and the structure of the metallization prevents a light path within the material of the optical sensor device between the two optoelectronic components 112, crosstalk between the first optoelectronic component 112a and the second optoelectronic component 112b is prevented.
  • the removal of material above the optoelectronic components 112 results in a smoothed behavior of a measured normalized quantum efficiency (QE) as a function of the wavelength of the incident light.
  • QE normalized quantum efficiency
  • optical sensor devices are arranged on a common substrate, wherein several optical sensor devices of a single embodiment according to the invention are arranged on this substrate according to one of the Figs. 2 to 8.
  • optical sensor devices are arranged on a common substrate according to the embodiments shown in Figs. 2 to 8.
  • Fig. 9 shows the normalized quantum efficiency (QE) measured for the devices depicted in Figs. 1 to 8 as a function of the wavelength of the incident light.
  • the solid line represents an exemplary measurement curve for the normalized quantum efficiency for the devices shown in Figs. 1 and 2.
  • the dotted line represents an exemplary measurement curve for the normalized quantum efficiency for the devices shown in Figs. 3 to 8.
  • the measurement curve for the normalized quantum efficiency shows a strongly oscillating behavior due to constructive and destructive interference in the dielectric layer stack (BEOL stack) above the optoelectronic components of the optical sensor device.
  • the measurement curve for the normalized quantum efficiency shows a smoothed dependence on the wavelength without strong local minima or maxima. This is achieved by removing material to create windows above the optoelectronic components.

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Sensorvorrichtung (100) umfassend einen Schichtstapel (110) mit wenigstens ein Substrat (111), welches wenigstens ein erstes optoelektronisches Bauteil (112a) und ein zweites optoelektronisches Bauteil (112b) aufweist. Weiter umfasst der Schichtstapel (110) wenigstens eine dielektrische Schicht (114), welche oberhalb des Substrats (111) angeordnet ist, und wenigstens eine Metallisierungsstruktur (120), mit einer obersten Metallschicht (121), und wobei die wenigstens eine Metallisierungsstruktur (120) zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil (112a) und dem zweitem optoelektronisches Bauteil (112b) angeordnet ist. Weiter umfasst der Schichtstapel (110) wenigstens eine Passivierungsschicht (115), welche oberhalb der dielektrischen Schicht (114) angeordnet ist. Dabei weist der Schichtstapel (110) wenigstens ein Fenster (130) über der wenigstens einen Metallisierungsstruktur (120) und/oder über dem ersten optoelektronischen Bauteil (112a) und/oder dem zweitem optoelektronisches Bauteil (112b) auf. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen optischen Sensorvorrichtung (100).

Description

Optische Sensorvorrichtung und Herstellungsverfahren einer optischen Sensorvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine optische Sensorvorrichtung, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Sensorvorrichtung.
SPADs (single-photon avalanche diodes) sind hochgradig sensitive Photonen-Empfänger-Elemente, welche aufgrund des Lawineneffekts bei Aktivierung eine hohe Ladungsmenge (ca. 10E5-10E6 Elektronen) mit hoher zeitlicher Auflösung bereitstellen. Die Effizienz der Aktivierung, welche die ausgelösten freien Ladungsträger pro eingestrahltem Photon beschreibt, wird auch als Photonendetektionseffizienz (PDE) bezeichnet. Sie kann aus der Photonendetektionswahrscheinlichkeit (PDP) und dem Füllfaktor (aktive Fläche pro Gesamtfläche, FF) gemäß der Relation PDE=PDP*FF bestimmt werden.
Eine hohe Photonendetektionseffizienz PDE ist entscheidend für die Sensitivität und Reichweite des Sensors.
Als Nebeneffekt kann beim Auslösen einer Ladungsträgerlawine durch ein primäres Photon, ein sogenanntes sekundäres Photon, emittiert werden. Emittiert eine in einem SPAD-Array angeordnete erste SPAD ein solches sekundäres Photon, kann dieses in einer zu dieser ersten SPAD benachbarten zweiten SPAD des SPAD-Arrays absorbiert werden. Das sekundäre Photon kann über verschiedene Wege entweder direkt, oder durch das Substrat auf dem das SPAD-Array angeordnet ist durch Reflektion an der Rückseite des Substrats, oder durch Reflektion im sogenannten Backend-of-Line (BEOL) an der Oberseite in die benachbarte zweite SPAD gelangen. Durch diese sekundären Photonen werden in der zweiten SPAD ein Lawineneffekt getriggert, wodurch ein falsches Signal generiert wird. Dies führt zu einem geringen Dynamikbereich und unscharfen Bildern. Der Effekt wird als optisches Übersprechen bzw. optischer Crosstalk bezeichnet. Die Crosstalk-Wahrscheinlichkeit sollte möglichst niedrig sein. Sie steigt mit zunehmender PDE, da wegen der Ununterscheidbarkeiten von Photonen auch sekundäre Photonen effizienter umgewandelt werden.
In der gängigen Literatur wird neben dem direkten Pfad hauptsächlich die Reflektion an der Rückseite als Kopplungsweg betrachtet, obwohl diese aufgrund der geringen mittleren Weglänge für Photonen im sichtbaren Bereich von untergeordneter Rolle ist.
Für die Entwicklung von LiDAR Kameras werden SPAD Arrays benötigt, welche eine hohe Photonendetektionseffizienz (PDE) aufweisen.
Aufgrund dieser Anforderung steigt in gleicher Weise, wie oben beschrieben, auch die Crosstalk- Wahrscheinlichkeit in solchen Systemen. Zudem ist die PDE aufgrund von konstruktiver und destruktiver Interferenz an den Grenzflächen im BEOL Stapel stark wellenlängenabhängig. Dabei bilden sich aufgrund von Fertigungstoleranzen in der Schichtdicke die PDE-Maxima und Minima nicht immer für dieselben Wellenlängen aus und deren spektrale Lage kann sich bereits bei geringen lokalen BEOL Dickenschwankungen auch innerhalb eines Wafers unterscheiden.
Zur Reduzierung von Crosstalk in SPAD-Arrays sind bereits mehrere Lösungsvorschläge bekannt. Wie von Rech et al. („Optical crosstalk in single photon avalanche diode arrays: a new complete model", 2008 OSA, 9 June 2008 / Vol. 16, No. 12 / OPTICS EXPRESS 8383) beschrieben, kann der optische Crosstalk in einem SPAD-Array durch eine Erhöhung des Abstands zwischen den jeweiligen SPADs verringert werden.
Jedoch ist für eine erhöhte Auflösung und einen hohen Füllfaktor bzw. einer hohen Photonendetektionseffizienz (PDE) eine dichte Anordnung der SPADs in einem Array favorisiert.
In Otake et al. („A Back Illuminated 10pm SPAD Pixel Array Comprising Full Trench Isolation and Cu-Cu Bonding with Over 14% PDE at 940nm") wird zur Verhinderung von optischen Crosstalk eingegrabene Full Trench Isolation (FTI) verwendet. Dabei werden die einzelnen Pixel eines SPAD-Arrays durch metallgefüllte Gräben, welche sich von der Oberfläche bis zur Unterseite des gesamtem Silizium- Substrats erstrecken, voneinander getrennt.
Die US 11,616,152 B2 offenbart ebenfalls optische Isolationsstrukturen zur Vermeidung von Crosstalk in einem SPAD-Array. In der US 11,616,152 B2 können die optischen Isolierstrukturen in einem Ring um die jeweilige SPAD ausgebildet sein. Die Isolationsstruktur kann sein eine hybride Isolationsstruktur sein, die sowohl einen Metall-Füllstoff enthält, der Licht zurück reflektiert, und einem dielektrischen Füllstoff mit niedrigem Brechungsindex, der Licht reflektiert.
Mittels eines Metall-Füllstoffs wird Licht zurück reflektiert, sodass Photonen daran gehindert werden von einer ersten SPAD zu einer benachbarten zweiten SPAD des Arrays zu gelangen und so ein optisches Übersprechen zu verursachen.
Eine Grenzschicht zu einem dielektrischen Füllstoff mit einem anderen, in diesem Fall niedrigerem Brechungsindex kann Licht in die SPAD zurück reflektieren, insbesondere eine interne Totalreflexion verursachen, und das Licht im aktiven Bereich der SPAD halten.
Die Isolationsstruktur kann als einzelner Graben ausgebildet sein oder einen rückseitigen tiefen Graben und einen vorderseitigen tiefen Graben-Isolationsabschnitt aufweisen. Die Isolationsstruktur kann auch ein farbfilterndes Material enthalten. Zudem offenbart die US 11,616,152 B2 Mikrolinsen zur Fokussierung von Licht auf die einzelnen SPADs des Arrays, sowie ein Aufbringen einer speziellen Antireflexionsschicht. Dies führt zu einer verbesserten Lichtsammlung und stört die Bedingungen für die Ausprägung von Interferenzeffekten innerhalb des SPAD-Arrays.
Für die Herstellung von isolierenden Gräben, wie in Otake et al. und US 11,616,152 B2 offenbart, werden teure, fortgeschrittene technologische Verfahren vorausgesetzt, die nicht in jedem herkömmlichen CMOS Fertigungsprozess zur Verfügung stehen.
Neben der Problematik ein optisches Übersprechen (Crosstalk) in einem SPAD-Array zu unterbinden bei einer gleichzeitigen Optimierung der Photonendetektionseffizienz und des Füllfaktors wird für die Fertigbarkeit von Wafern, insbesondere für ein chemisch-mechanisches Planarisieren/Polieren (CMP), stets eine minimale Metalldichte benötigt. Im aktiven Sensorbereich selbst kann jedoch um Verschattungen zu vermeiden kein Metall bzw. kein Metallfüllmuster platziert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach eine Lösung für einen verbesserten optischen Sensor bereitzustellen, der ein optisches Übersprechen (Crosstalk) unterbindet, wobei der optische Sensor eine hohe Photonendetektionseffizienz und einen hohen Füllfaktor aufweisen soll, und wobei die Lösung kostengünstig sein und keine großen technischen Änderungen eines standardmäßigen Verfahrens zur Herstellung eines optischen Sensors bedeuten soll.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung, sowie ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch vorgeschlagen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, sowie den Figuren zu entnehmen.
Die vorgeschlagene Lösung sieht eine optische Sensorvorrichtung vor, welche einen Schichtstapel umfasst.
Der Schichtstapel umfasst wenigstens ein Substrat auf, welches eine Mehrzahl von optoelektronischen Bauteilen aufweist. Insbesondere ist das Substrat ein Halbleitermaterial. Insbesondere ist das Substrat aus Silizium. Insbesondere weist der Schichtstapel wenigstens ein erstes optoelektronisches Bauteil und ein zweites optoelektronisches Bauteil auf. Insbesondere handelt es sich bei dem wenigstens einem ersten optoelektronischen Bauteil und dem zweiten optoelektronischen Bauteil jeweils um eine SPAD.
Insbesondere weist der Schichtstapel eine Gateoxid-Schicht und/oder eine Salizidprotektionsschicht auf. Insbesondere weist der Schichtstapel eine Feldoxidschicht auf.
Insbesondere weist der Schichtstapel wenigstens eine dielektrische Schicht auf, welche oberhalb des Substrats im Schichtstapel angeordnet ist. Insbesondere weist der Schichtstapel wenigstens eine erste dielektrische Schicht und eine zweite dielektrische Schicht auf, welche durch eine Zwischenschicht voneinander getrennt sind. Insbesondere ist die wenigstens eine dielektrische Schicht aus Siliziumdioxid. Insbesondere ist die Zwischenschicht aus Siliziumnitrid.
Insbesondere umfasst der Schichtstapel wenigstens eine Metallisierungsstruktur. Insbesondere weist die wenigstens eine Metallisierungsstruktur eine oberste Metallschicht auf.
Insbesondere ist die oberste Metallschicht eine Kontaktierungsstelle zum elektrischen Kontaktieren der optischen Sensorvorrichtung. Insbesondere ist die oberste Metallschicht eine Pad-Struktur zum bonden deroptischen Sensorvorrichtung.
Insbesondere ist die wenigstens eine Metallisierungsstruktur zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil und dem zweiten optoelektronischen Bauteil angeordnet.
Insbesondere umfasst wenigstens eine der wenigstens einen Metallisierungsstruktur eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Metallschichten. Insbesondere umfasst die wenigstens eine Metallisierungsstruktur eine Mehrzahl von Plugs. Insbesondere sind die Plugs aus Metall. Insbesondere sind die übereinander angeordneten Metallschichten über die Plugs miteinander verbunden.
Insbesondere umfasst der Schichtstapel eine Poly-Silizium-Schicht. Insbesondere dient die Poly- Silizium-Schicht beim Herstellungsprozess der Metallisierungsstruktur als Ätzstopp. Insbesondere ist die Metallisierungsstruktur auf der Poly-Silizium-Schicht angeordnet.
Insbesondere umfasst der Schichtstapel eine Passivierungsschicht. Insbesondere ist die Passivierungsschicht oberhalb der wenigstens einen dielektrischen Schicht angeordnet. Insbesondere ist die Passivierungsschicht an der Oberseite des Schichtstapels angeordnet. Insbesondere ist die Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid.
Insbesondere weist der Schichtstapel wenigstens ein Fenster über der wenigstens einen Metallisierungsstruktur auf. Insbesondere weist der Schichtstapel zusätzlich oder alternativ wenigstens ein Fenster über dem ersten optoelektronischen Bauteil und/oder wenigstens ein Fenster über dem zweitem optoelektronisches Bauteil auf. Insbesondere erstreckt sich das wenigstens eine Fenster über eine Fläche, welche eine Projektionsebene des ersten optoelektronischen Bauteils und/oder eine Projektionsebene des zweiten optoelektronischen Bauteils und/oder eine Projektionsebene der wenigstens einen Metallisierungsstruktur umfasst.
Insbesondere ist das wenigstens eine Fenster über der Metallisierungsstruktur dazu ausgebildet die oberste Metallschicht der Metallisierungsstruktur zumindest teilweise freizulegen. Insbesondere ist die Metallisierungsstruktur zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil und dem zweitem optoelektronischen Bauteil angeordnet.
Insbesondere weisen das wenigstens eine Fenster über dem ersten optoelektronischen Bauteil und/oder das wenigstens eine Fenster über dem zweitem optoelektronisches Bauteil jeweils eine konvexe Krümmung auf. Insbesondere ist die konvexe Krümmung dazu ausgebildet, Licht auf das jeweilige optoelektronischen Bauteil zu bündeln.
Insbesondere ist das wenigstens eine Fenster über der wenigstens einen Metallisierungsstruktur angeordnet, während über dem ersten optoelektronischen Bauteil und/oder dem zweiten optoelektonischen Bauteil kein Fenster angeordnet ist.
Insbesondere ist das wenigstens eine Fenster über dem ersten optoelektronischen Bauteil und/oder dem zweitem optoelektronischen Bauteil angeordnet, während ober der wenigstens einen Metallisierungsstruktur kein Fenster angeordnet ist.
Insbesondere ist sowohl über der Metallisierungsstruktur, als auch über dem ersten optoelektronischen Bauteil und dem zweitem optoelektronisches Bauteil mindestens ein Fenster angeordnet.
Durch die Anordnung mindestens einer Metallisierungsstruktur zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil und dem zweiten optoelektronischen Bauteil wird ein optisches Übersprechen (Crosstalk) zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil und dem zweiten optoelektronischen Bauteil weitestgehend verhindert, wenn keine Photonen durch den Schichtstapel unterhalb, oberhalb oder durch Zwischenräume durch die Metallisierungsstruktur hindurch von einem optoelektronischen Bauteil zum anderen optoelektronischen Bauteil gelangen können.
Zu diesem Zweck beginnt die Metallisierungsstruktur auf dem Substrat, in dem die optoelektronischen Bauteile angeordnet sind. Zudem weist die Metallisierungsstruktur eine kontinuierliche lichtundurchlässige Struktur auf.
Wird die dielektrische Schicht und/oder die Passivierungsschicht auch oberhalb der Metallisierungsstruktur aufgetragen, so bildet sich eine Erhöhung aus diesem Material oberhalb der Metallisierungsstruktur, über die Photonen von dem einen optoelektronischen Bauteil zum anderen optoelektronischen Bauteil gelangen können, sodass ein Crosstalk vorliegt. Um dies zu vermeiden wird ein Fenster oberhalb der Metallisierungsstruktur angeordnet, welches die oberste Metallschicht der Metallisierungsstruktur freilegt, sodass oberhalb der Metallisierungsstruktur kein Material des Schichtstapels mehr vorhanden ist, durch das Photonen passieren können.
Alternativ oder zusätzlich wird wenigstens ein Fenster oberhalb des ersten optoelektronischen Bauteils und/oder oberhalb des zweiten optoelektronischen Bauteils angeordnet. Liegt eine Erhöhung von Material oberhalb der wenigstens einen zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil und dem zweiten optoelektronischen Bauteil angeordneten Metallisierungsstruktur vor, so ist das wenigstens eine Fenster oberhalb des ersten optoelektronischen Bauteils und/oder das wenigstens eine Fenster oberhalb des zweiten optoelektronischen Bauteils so ausgebildet, dass das wenigstens eine Fenster oberhalb des ersten optoelektronischen Bauteils und/oder das wenigstens eine Fenster oberhalb des zweiten optoelektronischen Bauteils die zu dem ersten optoelektronischen Bauteil und/oder zu dem zweiten optoelektronischen Bauteil weisende Kante der obersten Metallschicht der wenigstens einen Metallisierungsstruktur freilegt. Auf diese Weise wird ein Weg durch das Material des Schichtstapels zwischen den optoelektronischen Bauteilen für Photonen blockiert.
Eine Anordnung wenigstens eines Fensters oberhalb des ersten optoelektronischen Bauteils und/oder oberhalb des zweiten optoelektronischen Bauteils stört die Bedingungen für destruktive/konstruktive Interferenz innerhalb des Schichtstapels und führt somit zu einer verbesserten, homogeneren Quanteneffizienz.
Die konvexe Krümmung des Fensters oberhalb des ersten optoelektronischen Bauteils und/oder oberhalb des zweiten optoelektronischen Bauteils hat auch die Eigenschaft einer Sammellinse, welche einfallendes Licht auf das jeweilige optoelektronische Bauteil bündelt. Dadurch wird die Detektionseffizienz erhöht, da die effektiveren Teilbereiche der SPAD in der Mitte angesprochen werden.
In einer Ausgestaltung weist das wenigstens eine Fenster in einer Projektionsebene des ersten optoelektonischen Bauteils und/oder das wenigstens eine Fenster in einer Projektionsebene des zweiten optoelektronischen Bauteils jeweils eine vorbestimmte Breite auf. Insbesondere entspricht ein Betrag der Breite des wenigstens einen Fensters einem Wert von mindestens 3pm.
In einer Ausgestaltung entspricht die Breite des wenigstens einen Fensters in der Projektionsebene des ersten optoelektronischen Bauteils und/oder in der Projektionsebene des zweiten optoelektronischen Bauteils einem Betrag von lOpm. In einer Ausgestaltung ist das wenigstens eine oberhalb des ersten optoelektronischen Bauteils angeordnete Fenster zumindest einseitig durch die wenigstens eine Metallisierungsstruktur begrenzt.
In einer Ausgestaltung ist das wenigstens eine oberhalb des zweiten optoelektronischen Bauteils angeordnete Fenster zumindest einseitig durch die wenigstens eine Metallisierungsstruktur begrenzt.
Grenzt das wenigstens eine Fenster, welches oberhalb des ersten optoelektronischen Bauteils angeordnet ist, und/oder das wenigstens eine Fenster, welches oberhalb des zweiten optoelektronischen Bauteils angeordnet ist, an die wenigstens eine Metallisierungsstruktur und legt das wenigstens eine Fenster oberhalb des ersten optoelektronischen Bauteils und/oder das wenigstens eine Fenster oberhalb des zweiten optoelektronischen Bauteils die zu dem jeweiligen optoelektonischen Bauteil weisende Kante der obersten Metalllage der wenigstens einen Metallisierungsstruktur frei, so wird der Füllfaktor FF des jeweiligen optoelektronischen Bauteils effektiv erhöht und damit auch die Photonendetektionseffizienz PDE.
In einer Ausgestaltung umfasst die Metallisierungsstruktur eine Mehrzahl von Metallschichten und Plugs.
Insbesondere enthalten die Metallschichten Aluminium. Insbesondere sind die Metallschichten aus Kupfer.
Insbesondere sind die Plugs aus einem elektrisch leitfähigen Material. Insbesondere sind die Plugs aus Metall. Insbesondere sind die Plugs aus Wolfram. Insbesondere sind die Plugs aus Kupfer. Insbesondere enthalten die Plugs Aluminium.
In einer Ausgestaltung weist der Schichtstapel der optischen Sensorvorrichtung eine Poly-Silizium- Schicht auf.
Insbesondere ist die Poly-Silizium-Schicht auf der Feldoxid-Schicht angeordnet. Insbesondere ist die Feldoxid-Schicht auf dem Substrat des Schichtstapels angeordnet.
In einer Ausgestaltung ist die Metallisierungsstruktur auf der Poly-Silizium-Schicht angeordnet ist.
Insbesondere ist die Metallisierungsstruktur dabei aus einer Mehrzahl von Metallschichten und Plugs aufgebaut. Insbesondere fußt ein Plug der Metallisierungsstruktur auf der Poly-Silizium-Schicht. In einer Ausgestaltung ist die Metallisierungsstruktur derart in der optischen Sensorvorrichtung angeordnet, dass ein Lichtweg durch den Schichtstapel unterhalb der obersten Metallschicht der Metallisierungsstruktur durch die Metallisierungsstruktur blockiert ist.
Insbesondere ist die Metallisierungsstruktur dabei aus einer Mehrzahl von Metallschichten und Plugs aufgebaut. Insbesondere ist die Metallisierungsstruktur dabei auf der Poly-Silizium-Schicht angeordnet.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung der optischen Sensorvorrichtung, umfassend die Schritte:
• Bereitstellen eines Schichtstapels mit wenigstens einem Substrat, umfassend wenigstens ein erstes optoelektronisches Bauteil und ein zweites optoelektronisches Bauteil, wenigstens einer dielektrischen Schicht, und wenigstens einer Metallisierungsstruktur mit einer obersten Metallschicht,
• Abtragen oder Entfernen von Material des Schichtstapels (110) durch Abtragen oder Entfernen in wenigstens einem lokalen Bereich über der wenigstens einen Metallisierungsstruktur und/oder über dem ersten optoelektronischen Bauteil und/oder dem zweitem optoelektronisches Bauteil, wobei eine Maske auf den Schichtstapel aufgebracht wird und das lokale Abtragen oder Entfernen unter Verwendung der Maske erfolgt, sodass
- eine oberste Metallschicht (Metall-Top oder Metall-Top-1) der wenigstens einen Metallisierungsstruktur, welche zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil und dem zweitem optoelektronisches Bauteil angeordnet ist, zumindest teilweise freigelegt wird, und/oder
- jeweils wenigstens ein Fenster mit einer konvexen Krümmung über dem ersten optoelektronischen Bauteil und/oder dem zweitem optoelektronisches Bauteil gebildet wird, derart, dass die konvexe Krümmung eine Linsenstruktur aufweist, welche dazu ausgebildet ist Licht in Richtung des jeweiligen optoelektronischen Bauteils zu bündeln.
Insbesondere erfolgt das lokale Abtragen oder Entfernen unter Verwendung der Maske zur Bildung des wenigstens einen Fensters über dem ersten optoelektronischen Bauteils und/oder des wenigstens einen Fensters über dem zweiten optoelektronischen Bauteils, derart, dass sich an einer Unterseite des jeweiligen Fensters automatisch die konvexe Krümmung bildet. Insbesondere wird für das lokale Abtragen oder Entfernen von Material eine Maske verwendet, wobei ein Wert für eine Breite des wenigstens einen Fensters über dem ersten optoelektronischen Bauteil und/oder ein Wert für eine Breite des wenigstens einen Fensters über dem zweiten optoelektronischen Bauteil derart vorbestimmt ist, dass sich während des lokalen Abtragens oder Entfernen des Materials in dem Fenster in der Projektionsebene des ersten optoelektronischen Bauteils und/oder in dem Fenster in der Projektionsebene des zweiten optoelektronischen Bauteils automatisch die konvexe Krümmung bildet.
Insbesondere erfolgt das Entfernen oder Abtragen des Materials unter Verwendung einer entsprechenden Maske mittels eines Ätzprozesses. Insbesondere kann es sich dabei um ein Passivierungsätzen zum Freilegen von Kontaktierungsstellen (Pads) handeln.
In einer Ausführung wird die Maske derart gewählt, dass das Fenster über dem ersten optoelektronischen Bauteil und/oder das Fenster dem zweitem optoelektronisches Bauteil nach dem Abtragen oder Entfernen des Materials des Schichtstapels jeweils eine Breite von wenigstens 3pm aufweisen.
Durch einen vorbestimmten Wert der Breite der Fenster oberhalb der optoelektronischen Bauteile von wenigstens 3pm ergibt sich während des Entfernens des Materials des Schichtstapels automatisch eine konvexe Krümmung am Boden des jeweiligen Fensters, welche als Sammellinse für das jeweilige darunterliegende optoelektronische Bauteil dient.
In einer Ausführung wird die Maske derart gewählt, dass das Fenster über dem ersten optoelektronischen Bauteil und/oder das Fenster dem zweitem optoelektronisches Bauteil eine Breite von 10pm aufweisen.
Insbesondere wird die Maske derart gewählt, dass das Fenster über dem ersten optoelektronischen Bauteil und/oder das Fenster dem zweitem optoelektronisches Bauteil jeweils eine Breite von 10pm aufweisen.
Weisen die Fenster oberhalb der optoelektronischen Bauteile eine Breite von etwa 10pm auf, so bildet sich am Boden des jeweiligen Fensters während des Entfernens des Materials des Schichtstapels unter Verwendung einer entsprechenden Maske, insbesondere mittels eines Ätzprozesses, automatisch eine konvexe Krümmung auf, welche derart gekrümmt ist, dass mittels der konvexen Krümmung einfallendes Licht auf das darunterliegende entsprechende optoelektronische Bauteil fokussiert wird. In einer Ausführung wird die Maske derart gewählt, dass das Fenster über dem ersten optoelektronischen Bauteil wenigstens einseitig an die wenigstens eine Metallisierungsstruktur angrenzt.
In einer Ausführung wird die Maske derart gewählt, dass das Fenster über dem zweiten optoelektronischen Bauteil wenigstens einseitig an die wenigstens eine Metallisierungsstruktur angrenzt.
Insbesondere wird die Maske derart gewählt, dass sich das Fenster über eine Fläche erstreckt, welche eine Projektionsebene über dem ersten optoelektronischen Bauteil und/oder eine Projektionsebene über dem zweiten optoelektronischen Bauteil und/oder eine Projektionsebene über der wenigstens einen Metallisierungsstruktur, welche zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil und dem zweiten optoelektronischen Bauteil angeordnet ist, umfasst.
In der erfindungsgemäßen optischen Sensorvorrichtung wird ein optischer Pfad durch den Schichtstapel (das Backend-of-Line (BEOL)) gestört, insbesondere im Bereich der Passivierung durch Verwendung einer konventionellen Passivierungsöffnung im Sensorbereich.
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung verringert ein optisches Übersprechen (Crosstalk) und/oder kann entsprechend der Ausführungsform unerwünschte konstruktive und destruktive Interferenz verhindern.
Dabei kann die Optimierung der verschiedenen Parameter (Photonendetektionseffizienz/Interferenz bzw. Crosstalk) mittels einfacher Design/Layout-Methodik erzielt werden und ist in allen Technologien umsetzbar.
Durch die Anordnung einer Metallisierungsstruktur zur Unterbindung eines Crosstalks zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil und den zweiten optoelektronischen Bauteil, wird die Problematik einer Verschattung umgangen, welche durch eine Anordnung einer Metallisierungsstruktur im aktiven Sensorbereich vorliegt.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen optischen Sensorvorrichtung werden gegenüber dem Stand der Technik keine zusätzlichen Prozessschritte oder nicht-standardmäßige Masken benötigt.
Zudem ist die erfindungsgemäße optische Sensorvorrichtung gegenüber dem Stand der Technik flächenneutral, da der zur elektrischen Isolation bereits vorhandene Abstand zwischen den optoelektronischen Bauteilen für die Metallisierungsstruktur bzw. den Ätzgraben (Abtragung des Materials) oberhalb der Metallisierungsstruktur genutzt werden kann. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Funktionen der Erfindung sind in Zusammenhang mit den in den Figuren gezeigten Beispielen erklärt.
Hierbei zeigt:
Fig. 1 schematische Darstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen einer optischen Sensorvorrichtung;
Fig. 3 erfindungsgemäße optische Sensorvorrichtung in einer zweiten Ausführung;
Fig. 4 erfindungsgemäße optische Sensorvorrichtung in einer dritten Ausführung;
Fig. 5 erfindungsgemäße optischen Sensorvorrichtung in einer vierten Ausführung;
Fig. 6 erfindungsgemäße optischen Sensorvorrichtung in einer fünften Ausführung;
Fig. 7 erfindungsgemäße optischen Sensorvorrichtung in einer sechsten Ausführung;
Fig. 8 erfindungsgemäße optischen Sensorvorrichtung in einer siebten Ausführung; und
Fig. 9 gemessene Quanteneffizienz für die optischen Sensorvorrichtungen gemäß Fig. 1-8.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Sensorvorrichtung 100 gemäß dem Stand der Technik.
Die optische Sensorvorrichtung 100 ist in Form eines Schichtstapel 110 aufgebaut.
Der Schichtstapel umfasst ein Substrat 111, in die eine Mehrzahl von optoelektronische Bauteile 112 eingebettet sind. Dabei ist ein erstes optoelektronisches Bauteil 112a und ein zweites optoelektronisches Bauteil 112b als SPAD-Dioden ausgebildet.
In dieser Ausführungsform können sekundäre Photonen, welche von einer ersten SPAD-Diode 112a emittiert werden können, innerhalb des Schichtstapels 110 zu einer zweiten SPAD-Diode 112b gelangen und umgekehrt.
Dabei können die Photonen, wie durch die gestrichelten Pfeile in Fig. 1 dargestellt, über verschiedene Wege durch den Schichtstapel 110 von der einen SPAD-Diode 112 zur anderen SPAD-Diode gelangen:
(1) Reflektion an einer Zwischenschicht 113 (z.B. SiN) des Schichtstapels 110
(2) Reflektion an einer Grenzschicht zwischen einer dielektrischen Schicht 114 (z.B. SiO2) und einer Passivierungsschicht 115 (z.B. SiN)
(3) Mehrfach-Reflektionen innerhalb der Passivierungsschicht 115
Auf diese Weise kann es zu einem Crosstalk zwischen den optoelektronischen Bauteilen 112a und 112b kommen. Neben dem Crosstalk, der zu Fehldetektionen von Photonen führt, kommt es im Aufbau der optischen Sensorvorrichtung gemäß dem Stand der Technik zu konstruktiver und destruktiver Interferenz im BEOL Stapel, welche stark wellenlängenabhängig ist. Dies ist in Fig. 1 durch eine Darstellung der gemessenen normalisierten Quanteneffizienz (QE), welche proportional zu der Photonendetektionseffizienz (PDE) ist, in Abhängigkeit der Wellenlänge dargestellt.
Zur Herstellung der optischen Sensorvorrichtung 100 gemäß Fig. 1 wird auf einem Substrat 111, welches üblicherweise aus Silizium besteht, eine Mehrzahl von optoelektronischen Bauteilen 112 angeordnet und darüber eine Gateoxid und/oder Salizidprotektionsschicht 116 aufgetragen.
Auf die Gateoxid und/oder Salizidprotektionsschicht 116 wird eine erste dielektrische Schicht 114, eine Zwischenschicht 113 und eine zweite dielektrische Schicht 114 aufeinandergeschichtet.
Bei der dielektrischen Schicht 114 handelt es sich üblicherweise um eine Siliziumdioxid-Schicht (SiOz). Die, die erste dielektrische Schicht 114 und die zweite dielektrische Schicht 114 voneinander trennende Zwischenschicht 113 besteht üblicherweise aus Siliziumnitrid (SiN).
Anschließend wird auf diese aufeinandergestapelten Schichten eine Passivierungsschicht 115 aufgetragen, welche üblicherweise ebenfalls eine Siliziumnitrid-Schicht (SiN) ist.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Sensorvorrichtung 100. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Stand der Technik dadurch, dass die optische Sensorvorrichtung 100 zusätzlich eine Metallisierungsstruktur 120 mit einer obersten Metallschicht 121 aufweist. Die Metallisierungsstruktur 120 ist dabei zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil 112a und dem zweiten optoelektronischen Bauteil 112b angeordnet.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Schichtstapel 110 eine Gateoxid und/oder Salizidprotektionsschicht 116 und Feldoxidschichten 117. Auf der Feldoxidschicht 117 zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil 112a und dem zweiten optoelektronischen Bauteil 112b ist eine Poly-Silizium-Schicht 118 angeordnet, auf der die Metallisierungsstruktur 120 angeordnet ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Metallisierungsstruktur 120 eine Mehrzahl von Metallschichten und Plugs aus einem elektrisch leitenden Material. Hierbei fußt ein unterster Plug der Metallisierungsstruktur 120 auf der Poly-Silizium-Schicht 118. Die Metallisierungsstruktur 120 ist hierbei derart aufgebaut, dass die Plugs und die Metallschichten abwechselnd übereinandergestapelt sind. Dabei befindet sich die in diesem Beispiel als Kontaktierungsstelle ausgebildete oberste Metallschicht 121 der Metallisierungsstruktur 120 im Schichtstapel 110 in der dielektrischen Schicht 114 unterhalb der Passivierungsschicht 115.
Durch ein lokal oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 begrenztes Entfernen der Passivierungsschicht 115 und dem oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 liegenden Teilbereich der dielektrischen Schicht 114 wird ein Fenster 130 in der optischen Sensorvorrichtung 100 erzeugt, welches die Kontaktierungsstelle 121 zumindest teilweise freilegt.
Emittiert das erste optoelektronische Bauteil 112a (erste SPAD 112a) sekundäre Photonen, so können diese nicht durch die Metallisierungsstruktur 120 zu dem zweiten optoelektronischen Bauteil 112b (zweite SPAD 112b) gelangen und umgekehrt.
Dadurch, dass die Oberseite der obersten Metallschicht 121 der Metallisierungsstruktur 120 durch Erzeugen des Fensters 130 zumindest teilweise freigelegt ist, sodass sich auf der Oberfläche der obersten Metallschicht 121 wenigstens ein Bereich bildet, in dem die dielektrische Schicht 114 oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 vollständig abgetragen wurde, können Photonen auch nicht oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 von einem optoelektronischen Bauteil 112a, 112b zum anderen optoelektronischen Bauteil 112a, 112b gelangen, wie durch die gestrichelten Pfeile in Fig. 2 dargestellt.
Auf diese Weise wird ein Crosstalk bzw. ein optisches Übersprechen innerhalb der optischen Sensorvorrichtung 100 unterbunden.
Wie eine Messung der normalisierten Quanteneffizienz (QE) in Abhängigkeit der Wellenlänge des in die optische Sensorvorrichtung 100 eindringenden Lichts zeigt (siehe Diagramm in Fig. 2), ergeben sich jedoch weiterhin stark wellenlängenabhängige konstruktive und destruktive Interferenzen im BEOL Stapel auf gleiche Weise wie in der der optischen Sensorvorrichtung gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Stand der Technik.
Mittels der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Sensorvorrichtung 100 lässt sich somit ein Crosstalk unterbinden, ein Vorhandensein von stark wellenlängenabhängigen konstruktiver und destruktiver Interferenzen im BEOL Stapel bleibt dagegen gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik unverändert.
Das Herstellungsverfahren zur Herstellung einer optischen Sensorvorrichtung 100 gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von dem für eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 dadurch, dass zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil 112a und dem zweiten optoelektronischen Bauteil 112b auf der Feldoxidschicht 117 eine Poly-Silizium-Schicht 118 und die Metallisierungsstruktur 120 angeordnet wird, welche in der ersten dielektrischen Schicht 114, der Zwischenschicht 113 und der zweiten dielektrischen Schicht 114 eingebettet ist, und anschließend unter Verwendung einer Maske lokal Material abgetragen wird.
In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform umfasst die Metallisierungsstruktur 120 drei Metallschichten, wobei die oberste Metallschicht 121 einer Kontaktierungsstelle entspricht.
Die zweite dielektrische Schicht 114 überdeckt die oberste Metallschicht 121 vollständig. Ebenso wird die Passivierungsschicht 115 auf der gesamten Oberfläche der optischen Sensorvorrichtung 100 aufgetragen.
Anschließend wird eine Maske verwendet und durch einen Ätzprozess die Passivierungsschicht 115 und die dielektrische Schicht 114 lokal entfernt, bis die Oberfläche der obersten Metallschicht 121 zumindest teilweise freigelegt ist.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Sensorvorrichtung 100.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform wird auf äquivalente Weise hergestellt, wie die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform.
Im Unterschied zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform umfasst die in Fig. 3 dargestellte Metallisierungsstruktur 120 jedoch eine vierte Metalllage.
Durch die erhöhte Metallisierungsstruktur 120 bildet sich während des Herstellungsprozesses beim Aufträgen der dielektrischen Schicht 114 und der Passivierungsschicht 115 oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 eine Erhöhung 119.
In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform werden anstatt über dem Metallisierungsstapel 120 durch lokales Abtragen der Passivierungsschicht 115 und eines Teils der dielektrischen Schicht 114 durch Verwendung einer entsprechenden angepassten Maske in Projektionsebene des ersten optoelektronischen Bauteils 112a und des zweiten optoelektronischen Bauteils 112b oberhalb dieser optoelektronischen Bauteile 112 jeweils ein Fenster 130 gebildet.
Hierbei entspricht die Breite 131 der Fenster 130 einem bestimmten vorgegebenen Wert. Insbesondere beträgt die Breite 131 der Fenster 130 jeweils einem Wert von >3pm. Insbesondere beträgt die Breite 131 der Fenster 130 jeweils einem Wert von ca. 10pm.
Aufgrund dieses vorbestimmten Werts für die Breite 131 der Fenster 130 bildet sich beim lokalen Abtragen der Passivierungsschicht 115 und des Anteils der dielektrischen Schicht 114 jeweils automatisch eine konvexe Krümmung 132 in der dielektrischen Schicht 114 in der Projektionsebene oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112. Aufgrund dieser konvexen Krümmungen 132 weist die dielektrische Schicht 114 eine Linsenstruktur auf, sodass Licht, welches durch die Fenster 130 in die optische Sensorvorrichtung 100 einfällt mittels den konvexen Krümmungen 132 gebündelt werden.
Wie eine Messung der normalisierten Quanteneffizienz (QE) in Abhängigkeit der Wellenlänge des in die optische Sensorvorrichtung 100 einfallenden Lichts ergibt (s. Diagramm in Fig. 3), ergibt sich für eine Interferenz des Lichts innerhalb der optischen Sensorvorrichtung 100 eine geglättete Abhängigkeit von der Wellenlänge ohne lokale Minima oder Maxima. Dieser Effekt rührt daher, dass durch die Fenster 130 oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112 das Volumen reduziert wurde, in dem Photonen miteinander interferieren können.
Gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform umfasst die Metallisierungsstruktur 120 in der in Fig. 3 dargestellten Variante eine weitere Metallschicht, sodass die Oberfläche der obersten Metallschicht 121 der in dem Schichtstapel 110 auf der Feldoxidschicht 117 angeordneten Metallisierungsstruktur 120 sich zumindest annähernd auf gleicher Ebene befindet, wie die Grenzschicht zwischen dielektrischer Schicht 114 und Passivierungsschicht 115, wobei sich aufgrund des Herstellungsprozesses des Schichtstapels 110 oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 durch das Aufträgen der dielektrischen Schicht 114 und der Passivierungsschicht 115 eine lokale Erhöhung 119 des Schichtstapels 110 ausbildet.
Von dem ersten optoelektronischen Bauteil 112a emittierte Photonen können nicht durch die Metallisierungsstruktur 120 zu dem zweiten optoelektronischen Bauteil 112b gelangen und umgekehrt.
Wie durch die gestrichelten Pfeile in Fig. 3 dargestellt können Photonen jedoch durch die Erhöhung 119 des Schichtstapels 110 oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 gelangen. Auf diese Weise ist es möglich, dass Photonen durch eine Reflektion an einer Grenzfläche von dem ersten optoelektronischen Bauteil 112a zu dem zweiten optoelektronischen Bauteil 112b, oder umgekehrt, gelangen können.
In dieser Ausführungsform ist demnach eine Wahrscheinlichkeit für einen Crosstalk zwischen den optoelektronischen Bauteilen 112 gegeben.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Sensorvorrichtung 100 unterbindet demnach eine stark von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängige konstruktive und destruktive Interferenz mit starker Oszillation innerhalb der optischen Sensorvorrichtung 100, jedoch wird ein Crosstalk zwischen den einzelnen optoelektronischen Bauteilen 112 nicht effektiv verhindert, da Photonen über die Erhöhung 119 oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 von dem ersten optoelektronischen Bauteil 112a zum zweiten optoelektronischen Bauteil 112b, bzw. andersherum, gelangen können.
Dieser Nachteil wird in der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform behoben.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich gegenüber der in Fig. 3 dargestellten Variante lediglich darin, dass ein Abstand zwischen den optoelektronischen Bauteilen 112 und der Metallisierungsstruktur 120, sowie die Breite 131 der Fenster 130 oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112 derart gewählt sind, dass die Fenster 130 zur Metallisierungsstruktur 120 hin durch die Metallisierungsstruktur 120 begrenzt werden. Dabei erfolgt unter Verwendung einer entsprechend angepassten Maske das lokale Abtragen der Passivierungsschicht 115 und teilweise der dielektrischen Schicht 114 derart, dass Material oberhalb der jeweiligen optoelektronischen Bauteile 112 abgetragen wird, oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 jedoch die durch die dielektrische Schicht 114 und die Passivierungsschicht 115 gebildete Erhöhung 119 des Schichtstapels 110 zumindest teilweise stehen bleibt. Durch das Bilden der Fenster 130 oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112 werden somit die zu den optoelektronischen Bauteilen 112 weisenden Kanten der obersten Metallschicht 121 der Metallisierungsstruktur 120 freigelegt. Jedoch wird die Oberfläche der obersten Metallschicht 121 nicht, bzw. nicht vollständig, durch das Abtragen des Materials freigelegt.
Dabei wird die Breite 131 der Fenster 130 wieder so gewählt, dass sich beim Abtragen des Materials zur Erzeugung der Fenster 130 wieder jeweils eine konvexe Krümmungl32 in der Projektionsebene oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112 bilden, welche durch die Fenster 130 einfallendes Licht auf das jeweilige optoelektronische Baulteil 112a, 112b bündeln.
Wie auch schon in der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, ergibt sich für eine gemessene normalisierte Quanteneffizienz (QE) in Abhängigkeit der Wellenlänge des in die optische Sensorvorrichtung 100 einfallenden Lichts durch die Ausformung der Fenster 130 mit konkaver Krümmung 132 oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112 eine geglättete Abhängigkeit von der Wellenlänge ohne lokale Minima oder Maxima für eine Interferenz des Lichts innerhalb der optischen Sensorvorrichtung 100.
Dadurch, dass die Fenster 130 bis zu den Kanten der Metallisierungsstruktur 120 reichen, müssen nah an der Metallisierungsstruktur 120 in die optische Sensorvorrichtung 100 einfallende Photonen (durchgehende Pfeile) auf ihrem Weg zum jeweiligen optoelektronischen Bauteil 112 nicht wie in der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform die Passivierungsschicht 115 passieren, sondern lediglich einen deutlich geringeren Anteil der dielektrischen Schicht 114 passieren. Dies hat zur Folge, dass der Füllfaktor (FF) der optischen Sensorvorrichtung 100 effektiv erhöht wird, dadurch, dass die Fläche, über die Photonen auf die SPADs eindringen können, vergrößert wird.
Durch die Freilegung der zu den optoelektronischen Bauteilen 112 weisenden Kanten der obersten Metallschicht 121 der Metallisierungsstruktur 120 wird eine Verbindung zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil 112a und dem zweiten optoelektronischen Bauteil 112b über die dielektrische Schicht 114 und die Passivierungsschicht 115 unterbrochen, wodurch von dem ersten optoelektronischen Bauteil 112a emittierte Photonen nicht mehr oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 in das optoelektronische Bauteil 112b gelangen können und umgekehrt (s. gestrichelte Pfeile in Fig. 4). Ebenso können diese Photonen auch nicht durch die Metallisierungsstruktur 120 selber gelangen.
Auf diese Weise wird ein Crosstalk zwischen den optoelektronischen Bauteilen 112 unterbunden.
Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 4 dargestellten Variante lediglich dadurch, dass für das Abtragen des Materials zur Bildung von Fenstern 130 oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112 eine andere Maske verwendet wurde, sodass zugleich oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112 und oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 gleichermaßen Material abgetragen wurde. Effektiv weißt die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform damit eine Öffnung auf, welche sich über das erste optoelektronische Bauteil 112a, die Metallisierungsstruktur 120 und das zweite optoelektronische Bauteil 112b erstreckt.
Während durch das Metall der obersten Metallschicht 121 der Metallisierungsstruktur 120 der Abtragungsprozess durch die Freilegung der obersten Metallschicht 121 gestoppt wird, wird das Material der dielektrischen Schicht 114 oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112 weiter abgetragen. Auf diese Weise ergeben sich oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112 Fenster 130, welche tiefer in das Material der optischen Sensorvorrichtung 100 hineinragen als bis zur Oberseite der obersten Metallschicht 121. Somit wird durch die Abtragung des Materials eine Struktur mit zwei unterschiedlichen Höhen hl und h2 oberhalb der Metallisierungsschicht 120 und den optoelektronischen Bauteilen 112 gebildet.
Prinzipiell ist es möglich, dass die optische Sensorvorrichtung 100 durch Abtragen von Material durch Verwendung einer entsprechenden Maske weitere Fenster 130 aufweist, welche eine dritte Höhe h3 oder eine weitere Höhe aufweist, welche sich von den Höhen hl und h2 unterscheiden. Durch die gleichzeitige Abtragung von Material oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 und der optoelektronischen Bauteile 112 grenzen die Fenster 130, welche oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112 erzeugt wurden, an die zu den optoelektronischen Bauteilen 112 grenzenden Kanten der obersten Metallschicht 121 an.
Somit bleibt durch die Abtragung kein Material an den Seiten der obersten Metallschicht 121 und oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 stehen, über das Photonen von dem ersten optoelektronischen Bauteil 112a zu dem zweiten optoelektronischen Bauteil 112b oder umgekehrt gelangen könnten.
Auf diese Weise wird ein Crosstalk vollständig unterbunden.
Wie auch schon in dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird zusätzlich dadurch, dass die Fenster 130 bis zu den Kanten der obersten Metallschicht 121 ausgeführt sind, der Füllfaktor (FF) der optischen Sensorvorrichtung gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik deutlich erhöht.
Bei der Auswahl der Maske für die Abtragung des Materials zur Bildung der Fenster 130 wird darauf geachtet, dass die Breite 131 der Fenster 130 beidseitig zur obersten Metallschicht 121 einen vorbestimmten Wert aufweist, wobei die Breite 131 der Fenster 130 einem Betrag >3pm entspricht. Insbesondere beträgt die Breite 131 der Fenster 130 einem Betrag von ca. 10pm.
Durch den vorbestimmten Wert für die Breite 131 der Fenster 130 bilden sich bei der Abtragung des Materials oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112 in der dielektrischen Schicht 114 in der Projektionsebene der optoelektronischen Bauteile 112 jeweils eine konvexe Krümmung 132. Diese konvexe Krümmung 132 hat die Eigenschaft einer Sammellinse. Fällt Licht durch die Fenster 130 ein, so wird dieses mittels der konvexen Krümmung 132 auf das jeweilige darunterliegende optoelektonische Bauteil 112a, 112b gebündelt.
Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform unterbindet somit einen Crosstalk zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil 112a und dem zweiten optoelektronischen Bauteil 112b.
Durch die Erhöhung des effektiven Füllfaktors, wird die zum Füllfaktor (FF) proportionale Photonendetektionseffizienz (PDE) ebenfalls erhöht.
Wie eine Messung der normalisierten Quanteneffizienz (QE) in Abhängigkeit der Wellenlänge des in die optische Sensorvorrichtung 100 einfallenden Lichts zeigt, ergibt sich hier auf äquivalente Weise wie in den Ausführungsbeispielen der Fig. 3 und 4 eine homogenisierte Abhängigkeit von der Wellenlänge ohne lokale Minima oder Maxima für eine Interferenz des Lichts innerhalb der optischen Sensorvorrichtung 100.
Dies hat zur Folge, dass die PDE nun nicht mehr aufgrund von konstruktiver und destruktiver Interferenz im BEOL Stapel stark wellenlängenabhängig ist.
Die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 5 dargestellten Variante dadurch, dass eine unterhalb der obersten Metallschicht 121 liegende tieferliegende Metallschicht 122 der Metallstruktur 120 in das in der Projektionsebene des ersten optoelektronischen Bauteils 112a angeordnete Fenster 130 hineinragt.
Aufgrund der Anordnung und Dimensionierung der tieferliegenden Metallschicht 122 wird bei dem Herstellungsverfahren des Fensters 130, welches sich im dargestellten Ausführungsbeispiel über die Projektionsebene des ersten optoelektronischen Bauteils 112a, die Metallisierungsstruktur 120 und über die Projektionsebene des zweiten optoelektronischen Bauteils 112b erstreckt, wenigstens die zu dem ersten optoelektronischen Bauteil 112a weisende Kante der tieferliegenden Metallschicht 122 freigelegt. Auf diese Weise ergibt sich bei dem Abtragen von Material zur Herstellung des Fensters 130 eine Vertiefung, welche drei voneinander verschiedene Höhen hl, h2, h3 aufweist.
Es ist ebenso möglich, dass die tieferliegende Metallschicht 122 zugleich auch in den Fensterbereich des Fensters 130 in der Projektionsebene des zweiten optoelektronischen Bauteils 112b hineinragt.
Ebenso können in weiteren Ausführungsvarianten alternativ oder zusätzlich noch tiefere tieferliegende Metallschichten der Metallisierungsstruktur 120 in das Fenster 130 hineinragen. Somit ist es möglich, dass die Vertiefung des Fensters 130 auch mehr als drei voneinander verschiedene Höhen aufweist.
Die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 5 dargestellten Variante dadurch, dass die optische Sensorvorrichtung 100 eine erste Metallisierungsstruktur 120a und eine zweite Metallisierungsstruktur 120b aufweist.
Dabei ist die zweite Metallisierungsstruktur 120b äquivalent wie in Fig. 5 aus einer Mehrzahl von Metallschichten und Plugs aufgebaut und zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil 112a und dem zweiten optoelektronischen Bauteil 112b angeordnet.
Die erste Metallisierungsstruktur 120a umfasst in der dargestellten Ausführungsform lediglich die oberste Metallschicht 121. In der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsvariante weist die optische Sensorvorrichtung 100 sowohl ein Fenster 130 oberhalb der ersten Metallisierungsstruktur 120a auf, welches die oberste Metallschicht 121 der ersten Metallisierungsstruktur 120a zumindest teilweise freilegt, als auch ein weiteres Fenster 130, welches sich, äquivalent wie in Fig. 5, über die Projektionsebene des ersten optoelektronischen Bauteils 112a, der zweiten Metallisierungsstruktur 120b und über die Projektionsebene des zweiten optoelektronischen Bauteils 112b erstreckt, wobei die oberste Metallschicht 121 der zweiten Metallisierungsstruktur 120b freigelegt ist.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung 100. Die optische Sensorvorrichtung 100 weist in der jeweiligen Projektionsebene des ersten optoelektronischen Bauteils 112a und des zweiten optoelektronischen Bauteils 112b jeweils ein Fenster 130 mit einer konvexen Krümmung 132 auf, welche als Sammellinse des jeweiligen darunterliegenden optoelektronischen Bauteils 112 dient.
Zudem weist die optische Sensorvorrichtung 100 ein drittes Fenster 130 oberhalb einer zwischen dem ersten optoelektonischen Bauteil 112a und dem zweiten optoelektronischen Bauteil 112b angeordneten Metallisierungsstruktur 120 auf, welches die oberste Metallschicht 121 der Metallisierungsstruktur 120 zumindest teilweise freilegt.
Durch diese Anordnung der Fenster 130 und der Metallisierungsstruktur 120 wird ein Crosstalk zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil 112a und dem zweiten optoelektronischen Bauteil 112b verhindert. Weiter wird auch eine destruktive und konstruktive Interferenz im Material oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112 minimiert, sodass eine Messung der normalisierten Quanteneffizienz (QE) in Abhängigkeit der Wellenlänge des einfallenden Lichts ein geglättetes Verhalten zeigt.
In dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Breite 131 des Fensters 130 oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 breiter als die Oberseite der obersten Metallschicht 121 der Metallisierungsstruktur 120, sodass die Oberseite der obersten Metallschicht 121 vollständig freigelegt wird und sich bei der Herstellung des Fensters 130 oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 an den Kanten der obersten Metallschicht 121 Trichter 133 bilden.
In der hier dargestellten Variante weist das Fenster 130 beidseitig zur obersten Metallschicht 121 je einen Trichter 133 auf. Es ist jedoch auch möglich, dass sich durch eine andere Positionierung des Fensters 130 oder durch eine andere Wahl der Breite 131 des Fensters 130 nur einseitig zur obersten Metallschicht 121 ein Trichter 133 bildet. In der hier dargestellten Ausführungsform weist das Fenster 130 oberhalb der Metallisierungsstruktur 120 einen ersten Trichter 133a und einen zweiten Trichter 133b auf.
In dieser Ausführungsform ist eine Unterseite der obersten Metallschicht 121 breiter gewählt als die Oberseite der obersten Metallschicht 121.
In dem dargestellten Beispiel ist das Fenster 130 oberhalb der Metallisierungsstruktur derart positioniert, dass das Fenster 130 in Projektionsebene nicht über die Kante der Unterseite der obersten Metallschicht 121 hinausragt, sodass der erste Trichter 133a auf einer abgeschrägten Kante der obersten Metallschicht 121 endet. Auf der anderen Seite der obersten Metallschicht 121 ragt das Fenster 130 in dem hier dargestellten Beispiel in Projektionsebene über die Kante der Unterseite der obersten Metallschicht 121 hinaus, sodass bei der Herstellung des Fensters 130 auch tiefer liegendes Material der dielektrischen Schicht 114 abgetragen wird.
In diesem Beispiel ist eine tieferliegende Metallschicht 122 der aus einer Mehrzahl von Metallschichten und Plugs aufgebauten Metallisierungsstruktur 120 einseitig breiter ausgeführt.
Aufgrund der Konstruktion der Metallisierungsstruktur 120 und der Positionierung und Breite 131 des darüber liegenden Fensters 130 ergibt sich bei der Abtragung von Material zur Herstellung des Fensters 130 ein zweiter Trichter 133b, welcher auf der Oberseite der tieferliegenden Metallschicht 122 endet und somit die Oberseite der tieferliegenden Metallschicht 122 teilweise freilegt.
Die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform weist zudem Fenster 130 oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112 auf, welche aufgrund der gezielt ausgewählten Breite 131 der Fenster 130 jeweils eine konvexe Krümmung 132 aufweisen. Diese Krümmungen 132 dienen dazu einfallendes Licht auf das jeweils darunterliegende optoelektronische Bauteil 112 zu bündeln.
Aufgrund dessen, dass die Oberseite der obersten Metallschicht 121 der zwischen den hier dargestellten beiden optoelektronischen Bauteilen 112 angeordneten Metallisierungsstruktur 120 zumindest teilweise freigelegt ist, und der Aufbau der Metallisierungsstruktur einen Lichtweg innerhalb des Materials der optischen Sensorvorrichtung zwischen den beiden optoelektronischen Bauteilen 112 verhindert, wird ein Crosstalk zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil 112a und dem zweiten optoelektronischen Bauteil 112b unterbunden.
Zudem bewirkt die Abtragung von Material oberhalb der optoelektronischen Bauteile 112 ein geglättetes Verhalten einer gemessenen normalisierten Quanteneffizienz (QE) in Abhängigkeit der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Die in den Fig. 2 bis 8 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Sensorvorrichtung sind miteinander kombinierbar.
So ist es möglich, dass auf einem gemeinsamen Substrat mehrere optische Sensorvorrichtungen angeordnet sind, wobei auf diesem Substrat mehrere optische Sensorvorrichtungen einer einzelnen erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß einer der Fig. 2 bis 8 angeordnet sind.
Ebenso ist es aber auch möglich, dass auf einem gemeinsamen Substrat mehrere zumindest teilweise voneinander verschiedene optische Sensorvorrichtungen gemäß den in Fig. 2 bis 8 dargestellten Ausführungsformen angeordnet sind.
Fig. 9 zeigt die für die in Fig. 1 bis 8 dargestellten Vorrichtungen gemessene normalisierte Quanteneffizienz (QE) in Abhängigkeit der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Dabei beschreibt die durchgezogene Linie eine exemplarische Messkurve für die normalisierte Quanteneffizienz für die in Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen. Die gepunktete Linie stellt eine exemplarische Messkurve für die normalisierte Quanteneffizienz für die in den Fig. 3 bis 8 dargestellten Vorrichtungen dar.
Für die Vorrichtungen gemäß Fig. 1 und 2 zeigt die Messkurve für die normalisierte Quanteneffizienz ein stark oszillierendes Verhalten aufgrund von konstruktiver und destruktiver Interferenz im dielektrischen Schichtstapel (BEOL Stapel) oberhalb der optoelektronischen Bauteile der optischen Sensorvorrichtung.
Für die Vorrichtungen gemäß Fig. 3 bis 8 zeigt die Messkurve für die normalisierte Quanteneffizienz dagegen eine geglättete Abhängigkeit von der Wellenlänge ohne starke Ausprägung lokaler Minima oder Maxima. Dies wird durch die Abtragung von Material zur Bildung von Fenstern oberhalb der optoelektronischen Bauteile bewirkt.
Bezugszeichenliste
100 Optische Sensorvorrichtung
110 Schichtstapel
111 Substrat
112 optoelektronisches Bauteil
112a erstes optoelektronisches Bauteil
112b zweites optoelektronisches Bauteil
113 Zwischenschicht
114 dielektrische Schicht
115 Passivierungsschicht
116 Gateoxid und/oder Salizidprotektionsschicht
117 Feldoxidschicht
118 Poly-Silizium-Schicht
119 lokale Erhöhung des Schichtstapels
120 Metallisierungsstruktur
120a erste Metallisierungsstruktur
120b zweite Metallisierungsstruktur
121 oberste Metallschicht der Metallisierungsstruktur
122 tieferliegende Metallschicht der Metallisierungsstruktur
130 Fenster
131 Breite des Fensters
132 konvexe Krümmung
133 Trichter
133a erster Trichter
133b zweiter Trichter hl erste Höhe h2 zweite Höhe h3 dritte Höhe

Claims

Ansprüche
1. Optische Sensorvorrichtung (100) umfassend einen Schichtstapel (110) mit
• wenigstens einem Substrat (111), welches wenigstens ein erstes optoelektronisches Bauteil (112a) und ein zweites optoelektronisches Bauteil (112b) aufweist,
• wenigstens einer dielektrischen Schicht (114), welche oberhalb des Substrats (111) angeordnet ist,
• wenigstens einer Metallisierungsstruktur (120) mit einer obersten Metallschicht (121), und
• wenigstens einer Passivierungsschicht (115), welche oberhalb der dielektrischen Schicht (114) angeordnet ist, wobei der Schichtstapel (110) wenigstens ein Fenster (130) über der wenigstens einen Metallisierungsstruktur (120) und/oder über dem ersten optoelektronischen Bauteil (112a) und/oder dem zweitem optoelektronisches Bauteil (112b) aufweist, wobei
• das wenigstens eine Fenster (130) über der wenigstens einen Metallisierungsstruktur (120) dazu ausgebildet ist die oberste Metallschicht (121) der wenigstens einen Metallisierungsstruktur (120) zumindest teilweise freizulegen, welche wenigstens eine Metallisierungsstruktur (120) zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil (112a) und dem zweitem optoelektronisches Bauteil (112b) angeordnet ist, und/oder
• das wenigstens eine Fenster (130) über dem ersten optoelektronischen Bauteil (112a) und/oder das wenigstens eine Fenster (130) über dem zweitem optoelektronisches Bauteil (112b) eine konvexe Krümmung (132) aufweisen, wobei die konvexe Krümmung (132) dazu ausgebildet ist, Licht auf das jeweilige optoelektronischen Bauteil (112) zu bündeln.
2. Optische Sensorvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Fenster (130) in einer Projektionsebene des ersten optoelektonischen Bauteils (112a) und/oder das wenigstens eine Fenster (130) in einer Projektionsebene des zweiten optoelektronischen Bauteils (112b) jeweils eine vorbestimmte Breite (131) aufweist, wobei die Breite (131) des Fensters (130) einem Betrag von mindestens 3pm entspricht.
3. Optische Sensorvorrichtung (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (131) des wenigstens einen Fensters (130) einem Betrag von 10pm entspricht.
4. Optische Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine oberhalb des ersten optoelektronischen Bauteils (112a) angeordnete Fenster (130) zumindest einseitig durch die wenigstens eine Metallisierungsstruktur (120) begrenzt ist.
5. Optische Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine oberhalb des zweiten optoelektronischen Bauteils (112b) angeordnete Fenster (130) zumindest einseitig durch die wenigstens eine Metallisierungsstruktur (120) begrenzt ist.
6. Optische Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungsstruktur (120) eine Mehrzahl von Metallschichten und Plugs umfasst.
7. Optische Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (110) eine Poly-Silizium-Schicht (118) aufweist.
8. Optische Sensorvorrichtung (100) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungsstruktur (120) auf der Poly-Silizium-Schicht (118) angeordnet ist.
9. Optische Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungsstruktur (120) derart in der optischen Sensorvorrichtung (100) angeordnet ist, dass ein Lichtweg durch den Schichtstapel (110) unterhalb der obersten Metallschicht (121) der Metallisierungsstruktur (120) durch die Metallisierungsstruktur (120) blockiert ist.
10. Verfahren zur Herstellung einer optischen Sensorvorrichtung (100) gemäß einer der vorstehenden Ansprüche, umfassend die Schritte:
• Bereitstellen eines Schichtstapels (110) mit wenigstens einem Substrat (111), umfassend wenigstens ein erstes optoelektronisches Bauteil (112a) und ein zweites optoelektronisches Bauteil (112b), wenigstens einer dielektrischen Schicht (114), und wenigstens einer Metallisierungsstruktur (120) mit einer obersten Metallschicht (121), • Abtragen oder Entfernen von Material des Schichtstapels (110) in wenigstens einem lokalen Bereich über der wenigstens einen Metallisierungsstruktur (120) und/oder über dem ersten optoelektronischen Bauteil (112a) und/oder dem zweitem optoelektronisches Bauteil (112b), wobei eine Maske auf den Schichtstapel (110) aufgebracht wird und das lokale Abtragen oder Entfernen unter Verwendung der Maske erfolgt, sodass
- die oberste Metallschicht (121) der wenigstens einen Metallisierungsstruktur (120), welche zwischen dem ersten optoelektronischen Bauteil (112a) und dem zweitem optoelektronisches Bauteil (112b) angeordnet ist, zumindest teilweise freigelegt wird, und/oder
- jeweils wenigstens ein Fenster (130) mit einer konvexen Krümmung (132) über dem ersten optoelektronischen Bauteil (112a) und/oder dem zweitem optoelektronisches Bauteil (112b) gebildet wird, derart, dass die konvexe Krümmung (132) eine Linsenstruktur aufweist, welche dazu ausgebildet ist Licht in Richtung des jeweiligen optoelektronischen Bauteils (112) zu bündeln.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske derart gewählt wird, dass das Fenster (130) über dem ersten optoelektronischen Bauteil (112a) und/oder das Fenster (130) dem zweitem optoelektronisches Bauteil (112b) jeweils eine Breite (131) von wenigstens 3pm aufweisen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske derart gewählt wird, dass das Fenster (130) über dem ersten optoelektronischen Bauteil (112a) und/oder das Fenster (130) dem zweitem optoelektronisches Bauteil (112b) eine Breite (131) von 10pm aufweisen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske derart gewählt wird, dass das Fenster (130) über dem ersten optoelektronischen Bauteil (112a) wenigstens einseitig an die wenigstens eine Metallisierungsstruktur (120) angrenzt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske derart gewählt wird, dass das Fenster (130) über dem zweiten optoelektronischen Bauteil (112b) wenigstens einseitig an die wenigstens eine Metallisierungsstruktur (120) angrenzt.
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