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QUERVERWEIS
AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der am 11. August 2004 eingereichten
koreanischen Anmeldung Nr. P2004-63033, deren Inhalt hiermit in vollem
Umfang einbezogen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Bildsensor und insbesondere
auf einen CMOS-(Komplementär-Metalloxidhalbleiter)-Bildsensor
und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung, zur Steigerung der
Effizienz der Bilderfassung durch Ausbildung eines konkaven Linsenbereichs
in einer vor einer Mikrolinsenanordnung ausgebildeten Planarisierungsschicht,
um die Lichtsammelleistung zu verbessern.
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Erörterung
des Standes der Technik
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Im
allgemeinen ist ein Bildsensor eine Halbleitervorrichtung, die optische
Bilder in elektrische Signale umwandelt. Bildsensoren lassen sich
grob in ladungsgekoppelte Bauelemente (CCD) und Komplementär-Metalloxidhalbleiter-(CMOS)-Bildsensoren
unterteilen.
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Der
CMOS-Bildsensor ist mit einer Photodiode PD zur Lichterfassung und
einer CMOS-Logikschaltung
zur Umwandlung des erfaßten
Lichts in Daten elektrischer Signale versehen. Dabei verbessert
sich mit zunehmender Menge an abgetastetem Licht die Photoempfindlichkeit
des Bildsensors.
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Zur
Verbesserung der Photoempfindlichkeit ist es erforderlich, einen
Füllfaktor
der Belegung eines Photodiodenbereichs in einem Gesamtbereich des
Bildsensors zu erhöhen
oder das Licht zur Photodiode hin zu sammeln, indem der Lichtweg
des auf die übrigen
Bereiche außerhalb
des Photodiodenbereichs einfallenden Lichtes verändert wird.
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Zum
Sammeln des Lichtes kann beispielsweise eine Mikrolinse vorgesehen
sein. D.h., über der
Photodiode ist eine konvexe Mikrolinse vorgesehen, die aus einem
stark transmittierenden Material gebildet ist. Dabei wird das einfallende
Licht durch die konvexe Mikrolinse gebrochen, wodurch der Photodiode
mehr Licht zugeführt
werden kann. In diesem Fall wird das Licht parallel zu einer optischen
Achse der Mikrolinse von der Mikrolinse so gebrochen, daß an einem
vorbestimmten Punkt der optischen Achse ein Fokus gebildet wird.
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Nachfolgend
werden ein bekannter CMOS-Bildsensor und ein Verfahren zur Herstellung einer
Mikrolinse in diesem anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine schematische Darstellung einer bekannten Mikrolinse eines CMOS-Bildsensors.
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Wie 1 zeigt,
umfaßt
ein bekannter CMOS-Bildsensor Photodiodenbereiche 11, eine
isolierende Zwischenschicht 12, eine Schutzschicht 13, eine
R/G/B-Farbfilterschicht 14, eine Planarisierungsschicht 15 und
eine konvexe Mikrolinse 16. Dabei wird mindestens ein Photodiodenbereich 11 auf einem
(nicht gezeigten) Halbleitersubstrat gebildet, um je nach Menge
des einfallenden Lichtes elektrische Ladungen zu erzeugen. Zudem
werden die isolierende Zwischenschicht 12 auf einer gesamten Oberfläche des
(nicht gezeigten) Halbleitersubstrates, einschließlich der
Photodiodenbereiche 11, und die Schutzschicht 13 auf
der isolierenden Zwischenschicht 12 gebildet. Dann wird
auf der Schutzschicht 13 die R/G/B-Farbfilterschicht 14 gebildet,
die Licht entsprechender Wellenlängen
transmittiert, und auf der Farbfilterschicht 14 wird die
Planarisierungsschicht 15 erzeugt. Auf der Planarisierungsschicht 15 wird
die konvexe Mikrolinse 16 mit einer vorbestimmten Krümmung vorgesehen,
um das durch die Farbfilterschicht 14 zu den Photodiodenbereichen 11 hindurchtretende
Licht zu sammeln.
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In
der isolierenden Zwischenschicht 12 ist, wenngleich dies
nicht gezeigt ist, eine optische Abschirmschicht vorgesehen, die
einen Lichteinfall auf die übrigen
Bereiche, bis auf die Photodiodenbereiche 11, verhindert.
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Dabei
kann an Stelle der Photodiode ein Photo-Gate vorgesehen werden.
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Die
Krümmung
und Höhe
(,A’ in 1)
der konvexen Mikrolinse 16 werden unter entsprechender
Berücksichtigung
des Fokus des gesammelten Lichtes bestimmt. Zudem ist die Mikrolinse 16 meist aus
einem Polymerharz gebildet, das in einem Verfahren mit einer Abfolge
von Abscheiden, Strukturieren und Aufschmelzen ausgebildet ist.
D. h., die optimale Größe, Krümmung und
Dicke der Mikrolinse 16 werden unter entsprechender Berücksichtigung
der Lage und Form eines Pixeleinheitbereichs, der Dicke einer photoempfindlichen
Vorrichtung und der Höhe, Lage
und Größe der optischen
Abschirmschicht bestimmt.
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Bei
der Herstellung des bekannten CMOS-Bildsensors ist die Mikrolinse 16 ein
sehr wichtiges Bauteil, das die Effizienz des Lichtsammelns verbessert.
Die Mikrolinse 16 ist dazu vorgesehen, mehr Licht durch
die Farbfilterschicht 14 auf den Photodiodenbereich 11 zu
sammeln, wenn Umgebungslicht eingestrahlt wird.
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Das
auf den Bildsensor fallende Licht wird von der Mikrolinse 16 gesammelt
und dann von der Farbfilterschicht gefiltert. Danach fällt das
gefilterte Licht auf den unter dem Farbfilter 14 vorgesehenen Photodiodenbereich 11.
Dabei verhindert die optische Abschirmschicht, daß das einfallende
Licht den Pfad verläßt.
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Die
Mikrolinse des bekannten CMOS-Bildsensors hat jedoch die folgenden
Nachteile:
Parallel zur optischen Achse der Mikrolinse laufendes
Licht wird gebrochen und zur der Mikrolinse gegenüberliegenden
photoempfindlichen Vorrichtung transmittiert, womit die Vorrichtung
arbeitet. Licht, das nicht-parallel zur optischen Achse der Mikrolinse läuft, wird
jedoch gebrochen und zu einer photoempfindlichen Vorrichtung transmittiert,
die kein Licht empfangen soll, wodurch die Vorrichtung fehlerhaft arbeitet.
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Zudem
schwankt die Menge des zur photoempfindlichen Vorrichtung transmittierten
Lichtes je nach Art und Dicke der unter der Mikrolinse angeordneten
unteren Schicht, wodurch die Effizienz des Lichtsammelns sinkt und
sich damit die Bildqualität verschlechtert.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf einen CMOS-Bildsensor
und ein Verfahren zu dessen Herstellung, der/das eines oder mehrere durch
Beschränkungen
und Nachteile des nächsten Standes
der Technik bedingte Probleme im wesentlichen beseitigt.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Bildsensor
und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, zur Steigerung
der Bilderfassungseffizienz durch Ausbildung eines konkaven Linsenbereichs
in einer vor einer Mikrolinsenanordnung ausgebildeten Planarisierungsschicht,
um die Lichtsammelleistung zu verbessern.
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Zusätzliche
Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung sind teils in der nachfolgenden
Beschreibung erörtert
und ergeben sich für
den Durchschnittsfachmann teils beim Studium der nachfolgenden Beschreibung
oder bei der Ausführung
der Erfindung. Diese Ziele und weitere Vorteile der Erfindung können durch
die insbesondere in der vorliegenden schriftlichen Beschreibung
und den Ansprüchen
sowie in den beigefügten
Zeichnungen dargelegte Struktur verwirklicht und erreicht werden.
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Um
diese Ziele und andere Vorteile zu erreichen, und gemäß dem Zweck
der Erfindung, wie sie hier ausgeführt und allgemein beschrieben
ist, umfaßt
ein CMOS-Bildsensor mehrere photoempfindliche Vorrichtungen auf
einem Halbleitersubstrat, eine isolierende Zwischenschicht auf den
mehreren photoempfindlichen Vorrichtungen, mehrere Farbfilterschichten,
die den jeweiligen photoempfindlichen Vorrichtungen zugeordnet sind,
um Licht der jeweiligen Wellenlänge
zu filtern, eine Planarisierungsschicht auf den Farbfilterschichten
und mit einer ersten Mikrolinse durch Eingravieren in Übereinstimmung
mit den jeweiligen Photolackmustern, um das Licht ein zweites Mal
zu sammeln, und mehrere zweite Mikrolinsenschichten auf der Planarisierungsschicht,
die den jeweiligen photoempfindlichen Vorrichtungen zugeordnet sind,
um das Licht ein erstes Mal zu sammeln.
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Gemäß einem
anderen Aspekt umfaßt
ein Verfahren zur Herstellung eines CMOS-Bildsensors Schritte, bei
denen man eine isolierende Zwischenschicht auf einem mehrere photoempfindliche
Vorrichtungen aufweisenden Halbleitersubstrat ausbildet, auf der
isolierenden Zwischenschicht eine Schutzschicht bildet, den jeweiligen
photoempfindlichen Vorrichtungen zugeordnete Farbfilterschichten erzeugt,
mehrere erste Mikrolinsen bildet, die nahe jeder photoempfindlichen
Vorrichtung vorgesehen sind, indem auf den Farbfilterschichten eine
Planarisierungsschicht ausgebildet und wunschgemäß strukturiert wird, und mehrere
zweite Mikrolinsenschichten durch Aufbringen einer Materialschicht
auf die erste Mikrolinse erzeugt werden und darauf ein Strukturierungs-
und Aufschmelzungsprozeß durchgeführt wird.
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Es
versteht sich, daß sowohl
die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende
detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung beispielhaft
und erläuternd
sind und zur näheren
Erläuterung
der beanspruchten Erfindung dienen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
beigefügten
Zeichnungen, die dazu dienen, die Erfindung noch verständlicher
zu machen, und in diese Anmeldung aufgenommen sowie Teil derselben
sind, zeigen Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Prinzips.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Mikrolinse eines bekannten CMOS-Bildsensors,
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2A eine
Querschnittsdarstellung eines konkaven Linsenbereichs gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2B eine
Draufsicht auf einen konkaven Linsenbereich gemäß der vorliegenden Erfindung,
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3 eine
Querschnittsdarstellung eines CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung und
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4A bis 4C Querschnittsdarstellungen
des Verfahrens zur Herstellung eines CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nun
wird näher
auf die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eingegangen, die anhand von Beispielen
in den beigefügten Zeichnungen
veranschaulicht sind. In den Zeichnungen sind, soweit möglich, durchgehend
die gleichen Bezugszeichen zur Kennzeichnung gleicher oder ähnlicher
Teile verwendet.
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Nachfolgend
werden ein CMOS-Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung
gemäß der vorliegenden
Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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2A zeigt
eine Querschnittsdarstellung eines konkaven Linsenbereichs gemäß der vorliegenden
Erfindung. 2B zeigt eine Draufsicht auf einen
konkaven Linsenbereich gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Vor
der Ausbildung einer Mikrolinse in einer Oberfläche eines CMOS-Bildsensors
wird in der Regel eine Farbfilteranordnung gebildet und darauf ein Planarisierungsprozeß durchgeführt. Bei
der vorliegenden Erfindung wird bei der Durchführung des Planarisierungsprozesses
jedoch eine Planarisierungsschicht mit einer konkaven Struktur versehen,
die einer Mikrolinse entspricht, so daß die Lichtsammelleistung und
die Gleichmäßigkeit
der Mikrolinse verbessert werden können.
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D.
h., ein Maskenprozeß wird
durchgeführt, um
die Planarisierungsschicht außerhalb
eines Teils einer Zelle der Farbfilteranordnung CFA zu entfernen.
Zur Durchführung
des Maskenprozesses weist eine Maskenschicht einen offenen Bereich
von 0,3 μm
bis 0,4 μm
auf, wie dies in 2A und 2B gezeigt
ist, wodurch die Planarisierungsschicht die der Mikrolinse entsprechende
konkave Struktur aufweist.
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Daher
ist die konkave Struktur in die Planarisierungsschicht 21 eingeprägt, wodurch
eine erste Mikrolinse 22 von der konkaven Struktur in der
Planarisierungsschicht 21 gebildet ist, um die Lichtsammelleistung
und die Gleichmäßigkeit
zu verbessern.
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Die
erste Mikrolinse 22 kann durch einen isotropen Ätzvorgang
gebildet werden, und die konkave Struktur der ersten Mikrolinse 22 wird
mit einem Material für
eine zweite Mikrolinse 23 gefüllt.
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Das
Licht wird zuerst von der zweiten Mikrolinse 23 gebrochen
und gesammelt, und dann wird das von der zweiten Mikrolinse 23 gesammelte
Licht als zweites von der ersten Mikrolinse 22 gebrochen und
zu den unter der ersten Mikrolinse 22 vorgesehenen photoempfindlichen
Vorrichtungen transmittiert.
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Nachfolgend
wird ein Verfahren zur Herstellung des CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben:
3 zeigt eine Querschnittdarstellung
des CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung. 4A bis 4C zeigen
Querschnittsdarstellungen des Verfahrens zur Herstellung des CMOS-Bildsensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Wie 3 zeigt,
umfaßt
der CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden
Erfindung mindestens eine Photodiode 31, eine isolierende
Zwischenschicht 32, eine Schutzschicht 33, R/G/B-Farbfilterschichten 34,
eine Planarisierungsschicht 35 und eine Haupt-Mikrolinse 37.
Dabei wird mindestens eine Photodiode 31 auf einem (nicht
gezeigten) Halbleitersubstrat gebildet, um abhängig von der einfallenden Lichtmenge
elektrische Ladungen zu erzeugen. Zudem wird die isolierende Zwischenschicht 32 auf
einer gesamten Oberfläche
des (nicht gezeigten) Halbleitersubstrates, einschließlich der
Photodiode 31, gebildet. Dann wird auf der isolierenden
Zwischenschicht 32 die Schutzschicht 33 gebildet,
auf der die R/G/B-Farbfilterschichten 34 erzeugt werden, um
Licht der jeweiligen Wellenlängen
zu transmittieren. Die Planarisierungsschicht 35 weist
eine erste Mikrolinse 36 mit konkaver Struktur auf, um
das ein erstes Mal von der über
den Farbfilterschichten 34 vorgesehenen Haupt-Mikrolinse 37 gesammelte Licht
ein zweites Mal zu sammeln, und die Haupt-Mikrolinse 37 ist
mit einer vorbestimmten Krümmung auf
der Planarisierungsschicht 35 ausgebildet, um Licht zu
sammeln.
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In
der isolierenden Zwischenschicht 32 ist, wenngleich dies
nicht gezeigt ist, eine optische Abschirmschicht vorgesehen, die
einen Lichteinfall auf die übrigen
Bereiche außerhalb
der Photodiode 31 verhindert.
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Dabei
kann an Stelle der Photodiode ein Photo-Gate vorgesehen werden.
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Zudem
werden die Krümmung
und Höhe
der zweiten Mikrolinse 37 unter entsprechender Berücksichtigung
eines Fokus des einfallenden Lichtes festgelegt. Bei der vorliegenden
Erfindung sind mehrere erste Mikrolinsen mit konkaver Struktur unter
der zweiten Mikrolinse 37 angeordnet, so daß die Lichtsammelleistung
steigt, was die Designbegrenzung verbessert.
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Nachfolgend
wird ein Verfahren zur Herstellung des CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben:
Zunächst
werden, wie dies in 4A gezeigt ist, die mehreren
photoempfindlichen Vorrichtungen, z. B. die Photodioden 31,
auf dem Halbleitersubstrat und auf diesen dann die isolierende Zwischenschicht 32 gebildet.
Dabei kann die isolierende Zwischenschicht 32 einen mehrlagigen
Aufbau haben. Wenngleich dies nicht gezeigt ist, kann nach Erzeugen
einer einlagigen, isolierenden Zwischenschicht die optische Abschirmschicht
gebildet werden, um einen Lichteinfall auf die übrigen Bereiche außerhalb
der Photodioden 31 zu verhindern, und dann kann darauf
die zusätzliche
isolierende Zwischenschicht erzeugt werden.
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Anschließend wird
die Schutzschicht 33 auf der isolierenden Zwischenschicht 32 eben
ausgebildet, um die Vorrichtung vor Feuchtigkeit und Kratzern zu
schützen.
Dann werden auf der Schutzschicht 33 die R/G/B-Farbfilterschichten 34 gebildet,
die Licht der jeweiligen Wellenlängen
filtern. Danach wird die Planarisierungsschicht 36 auf
den Farbfilterschichten 34 ausgebildet, um eine Planarisierung
zur Einstellung der Brennweite und zur Ausbildung der Mikrolinsenschichten
zu erreichen.
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Gemäß 4B wird
nach dem Strukturieren der Maskenschicht mit den mehreren offenen
Bereichen, die den Bereichen der zweiten Mikrolinse 37 zugeordnet
sind, die Planarisierungsschicht 36 mittels der strukturierten
Maskenschicht geätzt.
Dies führt
dazu, daß die
mehreren ersten Mikrolinsen (Fliegenaugenlinsen) 36 mit
der konkaven Struktur eingraviert werden, wobei jede der ersten
Mikrolinsen einen Durchmesser im Bereich von 0,3 μm bis 0,4 μm aufweist.
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Beim
Belichtungsprozeß zur
Ausbildung der Planarisierungsschicht sind die offenen Bereiche
der Maskenschicht dicht um die Mitte jedes der zweiten Mikrolinse
zugeordneten Bereiche vorgesehen. Zudem hat der offene Bereich der
Maskenschicht eine Größe, bei
der ein Planarisierungs-Photolack durch ein Ätzmittel nicht vollständig entwickelt
wird.
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Der
Prozeß zur
Ausbildung der ersten Mikrolinse 36 wird gleichzeitig mit
dem Prozeß zum
Entfernen der Planarisierungsschicht 36 außerhalb
des Bereichs der Zelle der Farbfilteranordnung CFA durchgeführt.
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Anschließend wird,
wie dies in 4C gezeigt ist, die den entsprechenden
Photodioden 31 zugeordnete zweite Mikrolinse 37 durch
Aufbringen der Materialschicht für
die Mikrolinse und das damit durchgeführte Strukturierungs- und Aufschmelzverfahren
bereitgestellt.
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Beim
CMOS-Bildsensor und beim Verfahren zu dessen Herstellung gemäß der vorliegenden
Erfindung sind die mehreren konkaven Mikrolinsen unter dem Zentrum
jedes der konvexen Mikrolinse zugeordneten Bereichs vorgesehen,
wodurch die Lichtsammelleistung verbessert wird.
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Daher
haben der CMOS-Bildsensor und das Verfahren zu dessen Herstellung
gemäß der vorliegenden
Erfindung die folgenden Vorteile:
Beim Verfahren zur Herstellung
des CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die untere Mikrolinse fliegenaugenlinsenartig unter
der Haupt-Mikrolinse vorgesehen, um die Eigenschaften für gerade
einfallendes Licht zu verbessern. Dadurch kann eine größere Lichtsammelleistung
als bei der einschichtigen Linse erreicht werden.
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Durch
die Verbesserung der Lichtsammelleistung kann die durch die Farbfilterschichten
tretende und auf die Photodioden auftreffende Lichtmenge erhöht werden,
was die Auflösung
verbessert. Dies führt
zu einer verbesserten Leistung des CMOS-Bildsensors.
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Zudem
ist es bei der Ausbildung der Mikrolinse möglich, die Mikrolinse ohne
Dickenbegrenzung bereitzustellen, wodurch ein vereinfachtes Herstellungsverfahren
und ausreichende Designbegrenzungen erreicht werden.
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Wenn
die Planarisierungsschicht strukturiert wird, werden zugleich die
unteren Mikrolinsen gebildet, so daß die Lichtsammelleistung ohne
einen zusätzlichen
Herstellungsprozeß und
ohne Erhöhung der
Herstellungskosten verbessert werden kann.
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Für den Fachmann
ist es ersichtlich, daß verschiedene
Modifikationen und Änderungen
der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken oder
vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Dabei soll die vorliegende
Erfindung auch ihre Modifikationen und Änderungen umfassen, sofern
diese im unmittelbaren oder äquivalenten
Schutzbereich der beigefügten
Ansprüche
liegen.