DE10031439A1 - Halbleiterbildsensor mit darin enthaltener optischer Schicht - Google Patents
Halbleiterbildsensor mit darin enthaltener optischer SchichtInfo
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Abstract
Ein Halbleiter-Bildsensor zur Erfassung des auf ihn einfallenden Lichtes enthält ein Halbleitersubstrat, das in einen Lichterfassungsbereich und einen Peripherieschaltungsbereich unterteilt ist, eine oben auf dem Lichterfassungsbereich vorgesehene Photodiode, zumindest einen oben auf dem Peripherieschaltungsbereich vorgesehenen Transistor, und zumindest eine oben auf der Photodiode und dem Transistor vorgesehene Isolierschicht, und weiterhin eine optische Schicht, die auf der Isolierschicht vorgesehen ist, um das Licht effizient an die Photodiode zu übertragen.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bildsensor, und
insbesondere einen CMOS-Bildsensor, in welchem eine optische
Schicht zur Verbesserung des optischen Wirkungsgrades
vorgesehen ist.
Bekanntlich stellt ein Bildsensor eine Einrichtung zum
Empfang von Licht, also Photonen, dar, die von einem
Gegenstand reflektiert werden, und zur Erzeugung digitaler
Bilddaten. Speziell wird ein Bildsensor, der durch die
CMOS-Herstellungstechnik (CMOS:
Komplementärmetalloxidhalbleiter) hergestellt wird, als CMOS- Bildsensor bezeichnet.
Komplementärmetalloxidhalbleiter) hergestellt wird, als CMOS- Bildsensor bezeichnet.
In Fig. 1 ist als Querschnittsansicht ein Einheitspixel
dargestellt, der in einem herkömmlichen CMOS-Bildsensor
vorgesehen ist.
Im allgemeinen ist ein Einheitspixel, der in dem
herkömmlichen CMOS-Bildsensor enthalten ist, in einen
Lichterfassungsbereich 112 zum Sammeln von Photonen, die von
einem Gegenstand reflektiert werden, und einen
Peripherieschaltungsabschnitt 114 zur Übertragung der
Photonen an eine Datenverarbeitungseinheit unterteilt. Eine
Photodiode 120 ist oben auf dem Lichterfassungsbereich 112
ausgebildet, und Transistoren 130 sind oben auf den
Peripherieschaltungsbereich 114 angeordnet, wodurch eine
Halbleiteranordnung gebildet wird.
Für die elektrische Isolierung und die elektrischen
Verbindungen sind auf der Halbleiteranordnung mehrere
Isolierschichten 140, 150 und 160 sowie Metalleitungen 152
und 162 angeordnet. Dann wird eine Passivierungsschicht 170
auf der obersten Isolierschicht 160 ausgebildet, um den
Einheitspixel gegen Einflüsse von außen zu schützen.
Die Passivierungsschicht und die Isolierschichten wurden
allerdings bislang unter Berücksichtigung der elektrischen
Eigenschaften und der Verläßlichkeit des Geräts ausgebildet,
anstatt die Eigenschaften in Bezug auf das optische
Transmissionsvermögen zu berücksichtigen. Das optische
Transmissionsvermögen kann daher infolge reflektierender
Eigenschaften der Passivierungsschicht und der
Isolierschichten beeinträchtigt werden, wodurch die
Empfindlichkeit verringert wird.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht daher in der
Bereitstellung eines CMOS-Bildsensors, bei welchem eine
optische Schicht zur Verbesserung des optischen
Wirkungsgrades des Bildsensors vorgesehen ist.
Gemäß einer Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein
Halbleiter-Bildsensor zum Erfassen des auf ihn einfallenden
Lichts zur Verfügung gestellt, welcher aufweist: ein
Halbleitersubstrat, das in einen Lichterfassungsbereich und
einen Peripherieschaltungsbereich unterteilt ist; eine oben
auf dem Lichterfassungsbereich vorgesehene Photodiode;
zumindest einen auf dem Peripherieschaltungsbereich
vorgesehenen Transistor; zumindest eine Isolierschicht, die
oben auf der Photodiode und den Transistor vorgesehen ist;
und eine optische Schicht, die auf der Isolierschicht
vorgesehen ist, um wirksam das Licht an die Photodiode zu
übertragen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Einheitspixels, der
in einem herkömmlichen CMOS-Bildsensor vorgesehen
ist;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Einheitspixels, in
welchem eine optische Schicht vorgesehen ist, gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
und
Fig. 3 eine Darstellung des Aufbaus eines Einheitspixels,
in welchem eine optische Schicht vorgesehen ist,
als weitere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
Fig. 2 zeigt als Querschnittsansicht einen Einheitspixel
200, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in einem CMOS-Bildsensor vorgesehen ist.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind eine Photodiode 220 und
mehrere Transistoren 230 auf einem Halbleitersubstrat 210 in
einem Lichterfassungsbereich 212 bzw. einem
Peripherieschaltungsbereich 214 vorgesehen, um eine
Halbleiteranordnung zur Verfügung zu stellen.
Eine erste Isolierschicht 240 ist auf der Halbleiteranordnung
angeordnet. Auf der ersten Isolierschicht 240 werden
hintereinander erste Metalleitungen 252, eine zweite
Isolierschicht 250, zweite Metalleitungen 262 und eine dritte
Isolierschicht 260 ausgebildet.
Dann wird auf der obersten Isolierschicht 260 eine unter
Berücksichtigung der optischen Eigenschaften ausgebildete
Isolierschicht (nachstehend als optische Schicht bezeichnet)
270 ausgebildet.
Hierbei kann die optische Schicht 270 als Silizium und
Sauerstoff enthaltende Schicht ausgebildet sein,
beispielsweise aus SiO2. Weiterhin wird die optische Schicht
270 als Tetraethoxyorthosilikat (TEOS) ausgebildet, mittels
Durchführung einer plasmaverstärkten chemischen
Dampfablagerung (PECVD).
Weiterhin wird die optische Schicht 270 in vorbestimmter
Dicke ausgebildet, welche der optischen Dicke einer
Viertelwellenlänge entspricht Was nachstehend als QWOT
bezeichnet wird). QWOT ist durch nachstehende Gleichung 1
definiert.
wobei
tOL die Dicke der optischen Schicht ist,
N eine positive eine ganze Zahl,
nOL der Brechungsindex der optischen Schicht, und
λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts.
tOL die Dicke der optischen Schicht ist,
N eine positive eine ganze Zahl,
nOL der Brechungsindex der optischen Schicht, und
λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts.
In der voranstehenden Gleichung ist die optische Schicht 270
so ausgebildet, daß sie einen Brechungsindex aufweist, der
ungefähr der Quadratwurzel des Brechungsindex der obersten
Isolierschicht 260 entspricht.
Obwohl voranstehend ein Einheitspixel 260 mit drei
Isolierschichten beschrieben wurde, kann vorzugsweise die
Isolierschicht als Einzelschicht oder Mehrfachschicht
ausgebildet sein.
Die optische Schicht dient daher als Schicht zur Verhinderung
einer optischen Reflexion, wodurch ein hohes optisches
Transmissionsvermögen erhalten wird.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, welche einen
Einheitspixel 300 gemäß einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt.
Im Vergleich zu Fig. 2 besteht der einzige Unterschied
darin, daß eine Passivierungsschicht 370 zwischen der
optischen Schicht 380 und der obersten Isolierschicht 360
hinzugefügt ist. Die Passivierungsschicht 370 wird daher auf
der obersten Isolierschicht 360 ausgebildet, und die optische
Schicht 380 wird auf der Passivierungsschicht 370
hergestellt. Die Passivierungsschicht ist eine Schicht zum
Schützen des Halbleitergeräts gegen Beschädigungen infolge
Einwirkungen von außen, beispielsweise Feuchtigkeit.
Die Passivierungsschicht 370 kann aus einer Silizium und
Stickstoff enthaltenden Schicht hergestellt werden,
beispielsweise aus Si3N4.
Die optische Schicht 370 kann aus einer Silizium und
Sauerstoff enthaltenden Schicht hergestellt werden,
beispielsweise aus SiO2. Zusätzlich wird die optische Schicht
370 aus Tetraethoxyorthosilikat (TEOS) hergestellt, mittels
Durchführung einer plasmaverstärkten chemischen
Dampfablagerung (PECVD).
Weiterhin wird die optische Schicht 370 in vorbestimmter
Dicke entsprechend dem Wert von QWOT gemäß Gleichung 1
hergestellt.
In Gleichung 1 ist die optische Schicht 370 so ausgebildet,
daß ihr Brechungsindex ungefähr der Quadratwurzel des
Brechungsindex der Passivierungsschicht 360 entspricht.
Im Vergleich zu dem herkömmlichen Einheitspixel werden das
optische Transmissionsvermögen und die optische
Empfindlichkeit, insbesondere im blauen Wellenlängenbereich,
wesentlich verbessert. Einfach dadurch, daß die optische
Schicht auf der Anordnung des herkömmlichen Einheitspixels
ausgebildet wird, kann daher ein CMOS-Bildsensor erhalten
werden, der ein verbessertes optisches Transmissionsvermögen
und eine verbesserte optische Empfindlichkeit aufweist,
wodurch dessen Bildqualität und dessen Leistung verbessert
werden.
Zwar wurden voranstehend bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung zum Zwecke der Erläuterung beschrieben, jedoch wird
Fachleuten auf diesem Gebiet auffallen, daß sich in dieser
Hinsicht verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und
Ersetzungen vornehmen lassen, ohne vom Wesen und Umfang der
Erfindung abzuweichen, die sich aus der Gesamtheit der
vorliegenden Anmeldeunterlagen ergeben und von den
beigefügten Patentansprüchen umfaßt sein sollen.
Claims (13)
1. Halbleiter-Bildsensor zur Erfassung des auf ihn
einfallenden Lichts, welcher aufweist:
ein Halbleitersubstrat, welches in einen Lichterfassungsbereich und einen Peripherieschaltungsbereich unterteilt ist;
eine oben auf dem Lichterfassungsbereich vorgesehene Photodiode;
zumindest einen oben auf dem Peripherieschaltungsbereich vorgesehenen Transistor;
zumindest eine Isolierschicht, die oben auf der Photodiode und dem Transistor vorgesehen ist; und
eine optische Schicht, die auf der Isolierschicht vorgesehen ist, um effizient das Licht an die Photodiode zu übertragen.
ein Halbleitersubstrat, welches in einen Lichterfassungsbereich und einen Peripherieschaltungsbereich unterteilt ist;
eine oben auf dem Lichterfassungsbereich vorgesehene Photodiode;
zumindest einen oben auf dem Peripherieschaltungsbereich vorgesehenen Transistor;
zumindest eine Isolierschicht, die oben auf der Photodiode und dem Transistor vorgesehen ist; und
eine optische Schicht, die auf der Isolierschicht vorgesehen ist, um effizient das Licht an die Photodiode zu übertragen.
2. Halbleiter-Bildsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke
(tOL) der optischen Schicht folgendermaßen festgelegt
ist:
wobei nOL, N bzw. λ den Brechungsindex der optischen Schicht, eine positive ganze Zahl, bzw. die Wellenlänge des einfallenden Lichts bezeichnet, und der Brechungsindex der optischen Schicht ungefähr der Quadratwurzel des Brechungsindex der Isolierschicht entspricht.
wobei nOL, N bzw. λ den Brechungsindex der optischen Schicht, eine positive ganze Zahl, bzw. die Wellenlänge des einfallenden Lichts bezeichnet, und der Brechungsindex der optischen Schicht ungefähr der Quadratwurzel des Brechungsindex der Isolierschicht entspricht.
3. Halbleiter-Bildsensor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die optische
Schicht eine Silizium und Sauerstoff enthaltende Schicht
ist.
4. Halbleiter-Bildsensor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die optische
Schicht eine Schicht aus Tetraethoxyorthosilikat (TEOS)
ist.
5. Halbleiter-Bildsensor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht
aus Tetraethoxyorthosilikat (TEOS) unter Einsatz einer
plasmaverstärkten chemischen Dampfablagerung (PECVD)
ausgebildet wird.
6. Halbleiter-Bildsensor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Metalleitungen in die Isolierschicht eingebettet sind,
die in dem Peripherieschaltungsabschnitt vorgesehen ist,
um die Photodiode elektrisch mit den Transistoren zu
verbinden.
7. Halbleiter-Bildsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
Passivierungsschicht zwischen der Isolierschicht und der
optischen Schicht vorgesehen ist, um den Bildsensor
gegen Umgebungseinflüsse zu schützen.
8. Halbleiter-Bildsensor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Passivierungsschicht aus einer Silizium und Stickstoff
enthaltenden Schicht besteht.
9. Halbleiter-Bildsensor nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke
(tOL) der optischen Schicht folgendermaßen festgelegt
ist:
wobei nOL, N bzw. λ den Brechungsindex der optischen Schicht, eine positive ganze Zahl, bzw. die Wellenlänge des einfallenden Lichts bezeichnet, und der Brechungsindex der optischen Schicht ungefähr der Quadratwurzel des Brechungsindex der Passivierungsschicht entspricht.
wobei nOL, N bzw. λ den Brechungsindex der optischen Schicht, eine positive ganze Zahl, bzw. die Wellenlänge des einfallenden Lichts bezeichnet, und der Brechungsindex der optischen Schicht ungefähr der Quadratwurzel des Brechungsindex der Passivierungsschicht entspricht.
10. Halbleiter-Bildsensor nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die optische
Schicht eine Silizium und Sauerstoff enthaltende Schicht
ist.
11. Halbleiter-Bildsensor nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die optische
Schicht aus Tetraethoxyorthosilikat (TEOS) ist.
12. Halbleiter-Bildsensor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht
aus Tetraethoxyorthosilikat (TEOS) unter Verwendung
einer plasmaverstärkten chemischen Dampfablagerung
(PECVD) hergestellt wird.
13. Halbleiter-Bildsensor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Metalleitungen in die Isolierschicht eingebettet sind,
die in dem Peripherieschaltungsabschnitt vorgesehen ist,
um die Photodiode elektrisch mit den Transistoren zu
verbinden.
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