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HINTERGRUND
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Ausführungen
der Erfindung beziehen sich auf einen Bildsensor und ein Verfahren
zu dessen Herstellung.
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Bildsensoren
sind Halbleiterbauelemente zur Umwandlung optischer Bilder in elektrische
Signale, und werden im Allgemeinen in Bildsensoren mit ladungsgekoppelten
Bauelementen (CCD) und in Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Bildsensoren
unterteilt. Ein CCD ist ein Halbleiterbauelement, in dem Metall/Oxid/Silizium-(MOS)-Kondensatoren
nahe beieinander angeordnet sind, und Ladungsträger werden in den Kondensatoren
gespeichert und übertragen.
Ein CMOS-Bildsensor verwendet einen Schalt-Modus, um ein Ausgangssignal
eines Fotodetektors zu erkennen, wobei MOS-Transistoren entsprechend
der Anzahl von Bildpunkten verwendet werden, die durch eine MOS-Technologie
bereitgestellt werden, bei der Peripherie-Bauelemente benutzt werden,
wie z. B. ein Steuerungs-Schaltkreis und ein Signalverarbeitungs-Schaltkreis.
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Im
CMOS-Bildsensor wird eine Farbfilter-Schicht auf einer Bildpunkt-Anordnung
ausgebildet, um Licht, das eine bestimmte Wellenlänge hat, selektiv
zu einer Fotodiode durchzulassen und dadurch ein Bild zu realisieren.
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Bei
dem oben angegebenen Verfahren zur Realisierung eines Bildes können die
Bildpunkte zur Realisierung einer einzigen Farbe jedoch eine große Fläche benötigen. Zum
Beispiel erfordert ein Bildsensor, der Farbfilter für rot, grün und blau
(RGB) enthält (die
natürliches
Licht entsprechend der drei Hauptfarben verarbeiten), drei Bildpunkte
zur Erkennung der Farbe rot, der Farbe grün und der Farbe blau. Folglich
wird ein Verfahren zur Verbesserung der Auflösung des nach dem oben angegebenen
Verfahren hergestellten Bildsensors gewünscht.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ausführungen
der Erfindung liefern einen Bildsensor, der geeignet ist, ein Bild
mit hoher Auflösung
zu liefern, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Ein
beispielhafter Bildsensor gemäß verschiedenen
Ausführungen
enthält:
eine
erste Fotodiode in einem Halbleitersubstrat in einer Tiefe zur Erkennung
von rotem Licht,
eine zweite Fotodiode über der ersten Fotodiode (die vorzugsweise
eine Tiefe zur Erkennung von blauem Licht hat),
eine dritte
Fotodiode neben der zweiten Fotodiode,
einen Anschluss in elektrischem
Kontakt zur ersten Fotodiode,
Transistorstrukturen auf dem
Halbleitersubstrat, die elektrisch mit der ersten, zweiten und dritten
Fotodiode verbunden sind,
eine Isolationsschicht, die die Transistorstrukturen abdeckt,
und
eine Mikrolinse auf der Isolationsschicht.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß Ausführungen der Erfindung umfasst
folgende Schritte:
Implantieren erster Dotierstoffe in ein
Halbleitersubstrat mit einer Implantationstiefe, die konfiguriert
ist, rotes Licht zu erkennen,
Implantieren zweiter Dotierstoffe
in einen ersten vorher festgelegten Bereich des Substrates mit einer
Implantationstiefe, die konfiguriert ist, blaues Licht zu erkennen,
Implantieren
dritter Dotierstoffe in einen zweiten vorher festgelegten Bereich
des Substrates neben dem ersten vorher festgelegten Bereich,
Ausbilden
eines Anschlusses in elektrischem Kontakt zu den ersten implantierten
Dotierstoffen,
Ausbilden von Transistorstrukturen auf dem Halbleitersubstrat,
so dass die Transistorstrukturen elektrisch mit den ersten implantierten
Dotierstoffen und dem ersten und dem zweiten vorher festgelegten
Bereich verbunden sind,
Ausbilden einer Isolationsschicht,
die die Transistorstrukturen bedeckt, und
Ausbilden einer Mikrolinse
auf der Isolationsschicht.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht, die einen Bildsensor gemäß einer beispielhaften Ausführung zeigt;
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2A–2B sind
Querschnitts-Ansichten von alternativen Ausführungen entlang der Linie I-I' in 1.
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3 bis 7 sind
Querschnitts-Ansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines
Bildsensors gemäß einer
beispielhaften Ausführung
der Erfindung zeigen; und
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8 ist
eine Layout-Ansicht, die ein beispielhaftes Layout-Muster für die Bildpunkt-Bereiche eines
beispielhaften CMOS-Bildsensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGEN
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Im
Folgenden werden ein Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung
gemäß der Ausführungen
mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
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1 ist
eine Draufsicht, die einen Bildsensor gemäß einer Ausführung zeigt,
und 2A ist eine Querschnitts-Ansicht entlang der Linie
I-I' in 1.
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Mit
Bezug auf die 1 bis 2A enthält ein Bildsensor 100 ein
Halbleitersubstrat 5, eine erste Fotodiode 10 (z.
B. zur Erkennung von rotem Licht), eine zweite Fotodiode 20 (z.
B. zur Erkennung von blauem Licht), eine dritte Fotodiode 30 (z.
B. zur Erkennung von grünem
Licht), einen Anschluss 40, Transistorbereiche 52, 54 und 56 (von
denen jeder eine Vielzahl von Gates Tx, Rx, Sx und Ax enthält) und
eine Isolationsschicht 60. Alternativ dazu können die
erste bis dritte Fotodiode konfiguriert sein, Licht der Farben gelb,
cyan und magenta zu erkennen.
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Die
erste Fotodiode 10, die zweite Fotodiode 20 und
die dritte Fotodiode 30 sind auf dem Halbleitersubstrat 5 angeordnet,
und das Halbleitersubstrat 5 hat ein Isolations-Muster 3.
In der/den vorliegenden Ausführung(en)
ist die erste Fotodiode 10 (oder alternativ eine Schnittstelle
zwischen der Implantationsschicht N– 10 und der Implantationsschicht
P+ 12) im Halbleitersubstrat 5 in einer Tiefe
ausgebildet, die einer erreichbaren Entfernung für Licht liegt, das eine Wellenlänge von
rot hat. Somit kann die erste Fotodiode 10 konfiguriert
sein, rotes Licht zu erkennen. In der/den beispielhaften Ausführung(en)
hat die erste Fotodiode 10 eine Tiefe (z. B. von der obersten
Oberfläche
des Halbleitersubstrates 5) von ungefähr 0,7 μm bis ungefähr 1,5 μm.
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In
einer Ausführung
wird die erste Fotodiode 10 durch einen Ionenimplantationsprozess
direkt im Halbleitersubstrat 5 ausgebildet, ohne dass eine
Epitaxieschicht benutzt wird. Die zweite Fotodiode 20 wird
zum Beispiel auf dem Halbleitersubstrat 5 angeordnet. In
einer beispielhaften Ausführung
liegt die zweite Fotodiode 20 in Längsrichtung in einer Linie mit
der (z. B. über
der) ersten Fotodiode 10, aber es besteht ein Höhen-(oder
Tiefen-)Unterschied zwischen der zweiten Fotodiode 20 und
der ersten Fotodiode 10. Die zweite Fotodiode 20 (oder
alternativ eine Schnittstelle zwischen der Implantationsschicht N– 20 und
der Implantationsschicht P+ 22) kann in einer Tiefe im
Halbleitersubstrat ausgebildet werden, die von Licht erreicht werden
kann, das eine Wellenlänge
von blau hat. Mit anderen Worten kann die zweite Fotodiode 20 konfiguriert
werden, blaues Licht zu erkennen. In einer beispielhaften Ausführung ist die
zweite Fotodiode 20 im Halbleitersubstrat 5 in
einer Tiefe (z. B. gemessen von der Oberfläche des Halbleitersubstrates 5)
von ungefähr
0,3 μm bis
ungefähr
0,5 μm ausgebildet.
In einer anderen Ausführung
wird die zweite Fotodiode 20 auf oder im Halbleitersubstrat 5 durch
Ionenimplantation ohne Verwendung einer Epitaxieschicht ausgebildet.
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Die
dritte Fotodiode 30 wird auf dem Halbleitersubstrat 5 angeordnet.
In einer beispielhaften Ausführung
ist die dritte Fotodiode 30 in einer Position angeordnet,
die benachbart zur zweiten Fotodiode 20 ist. In der vorliegenden
Ausführung
wird die dritte Fotodiode 30 in einer Tiefe (z. B. gemessen
von der Oberfläche
des Halbleitersubstrates 5) von ungefähr 0,5 μm bis ungefähr 1,5 μm ausgebildet. In einer beispielhaften
Ausführung
kann die dritte Fotodiode 30 (oder alternativ eine Schnittstelle
zwischen der Implantationsschicht N– 30 und der Implantationsschicht P+ 32)
konfiguriert sein, grünes
Licht zu erkennen.
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In
noch einer anderen Ausführung
wird die dritte Fotodiode 30 auf oder im Halbleitersubstrat 5 durch
Ionenimplantation ohne Verwendung einer Epitaxieschicht ausgebildet.
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In
einer beispielhaften Aisführung
sind, da die zweite Fotodiode 20 und die dritte Fotodiode 30 in
der Nähe
der Oberfläche
des Halbleitersubstrates 5 angeordnet sind, die zweite
Fotodiode 20 und die dritte Fotodiode 30 elektrisch
mit einem Transistorbereich verbunden, ohne dass eine zusätzliche
Verbindungs-Vorrichtung verwendet wird. Die erste Fotodiode 10 ist
jedoch relativ tief im Halbleitersubstrat 5, so dass es
nicht einfach ist, die erste Fotodiode 20 direkt mit dem
Transistorbereich zu verbinden. In einer beispielhaften Ausführung wird
ein Anschluss 40 benutzt, um die erste Fotodiode 10 mit
dem entsprechenden Transistorbereich zu verbinden. Der Anschluss 40 kann
ausgebildet werden, indem Dotierstoffe mit hoher Dichte und mit
hoher Energie in einen Bereich des Substrates 5 implantiert
werden, der der ersten Fotodiode 10 entspricht.
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Mit
erneutem Bezug auf 1 sind die erste Fotodiode 10,
die zweite Fotodiode 20 und die dritte Fotodiode 30 elektrisch
mit den Transistorbereichen 52, 54, bzw. 56 verbunden.
Die Transistorbereiche 52, 54 und 56 können einen Übertragungs-Transistor Tx, einen
Reset-Transistor Rx, einen Auswahl-Transistor Sx und einen (optionalen)
Zugriffs-Transistor Ax enthalten. Der Übertragungs- und der Reset-Transistor
Tx und Rx sind mit jeder der ersten, zweiten und dritten Fotodiode 10, 20 und 30 in
Reihe geschaltet. Der Quellen-Anschluss (Source) des Übertragungs-Transistors
Tx (insoweit vorhanden) ist mit der ersten, zweiten und dritten
Fotodiode 10, 20, bzw. 30 verbunden.
Senken (Drains) des Übertragungs-Transistors
Tx sind auch Quellen (Sources) (oder sind mit ihnen verbunden) der
entsprechenden Reset-Transistoren Rx, um einen Floating-Diffusions-Bereich
zu bilden, wobei eine Spannung oder Ladung auf diesem mit dem Gate
des entsprechenden Auswahl-Transistors gekoppelt ist, um die Ausgabe
des Bildpunktes anzusteuern. Eine Stromversorgungs-Spannung (Vdd)
oder eine andere feste Spannung kann an die Senken der Reset-Transistoren
Rx angelegt werden.
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Die
Senke des Übertragungs-Transistors
Tx dient als Floating-Diffusions-Bereich
(FD). Der FD ist mit einem Gate des Auswahl-Transistors Sx verbunden.
Der Auswahl-Transistor Sx ist in Reihe mit dem Zugriffs-Transistor
Ax geschaltet. Das heilt, eine Quelle (Source) des Auswahl-Transistors
Sx ist (oder ist verbunden mit) Senke (Drain) des Zugriffs-Transistors
Ax. Die Stromversorgungs-Spannung (z. B. Vdd) wird an die Senke
des Zugriffs-Transistors Ax und die Quelle des Reset-Transistors
Rx angelegt. Eine Senke des Auswahl-Transistors Sx entspricht einem
Ausgangs-Anschluss Out des Bildpunktes, und ein Reset-Signal wird periodisch
an das Gate des Reset-Transistors Rx angelegt, um die Spannung oder
Ladung im Floating-Diffusions-Bereich
auf einen vorher festgelegten Pegel zurückzusetzen.
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Mit
erneutem Bezug auf 2A bedeckt eine Isolationsschicht 60 die
Transistorstrukturen 52, 54 und 56, wodurch
die Herstellung des Bildsensors 100 beendet ist.
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In
einer alternativen Ausführung
können
die zweite und die dritte Fotodiode 20 und 30 in
einer epitaktischen (Silizium-)Schicht 16 ausgebildet werden. In
einer solchen Ausführung
kann die erste Fotodiode 10' (z.
B. Implantation N– 10' und Implantation
P+ 12')
auf oder nahe der Oberfläche
eines einkristallinen Silizium-Substrates 14 ausgebildet
werden. Der Anschluss 40 enthält jedoch einen ersten N+-Teil 40', der durch
Ionenimplantation im Substrat 14 ausgebildet ist, und einen
zweiten N+-Teil 40'' in elektrischem Kontakt
zum ersten N+-Teil 40',
der durch Ionenimplantation in der gesamten Dicke der epitaktischen
(Silizium-)Schicht 16 ausgebildet ist.
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3 bis 6 sind
Querschnitts-Ansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines
Bildsensors gemäß der Ausführung zeigen.
Mit Bezug auf 3 werden Isolationsbereiche 3 und
Transistor-Gates (z. B. Tx) in jedem Bereich 52, 54 und 56 durch
herkömmliche
Verfahren auf dem Substrat 5 ausgebildet, dann wird eine
Ionenimplantationsmaske 7, die eine Öffnung hat, auf dem Halbleitersubstrat 5 ausgebildet
(z. B. durch herkömmliche
fotolithografische Herstellung von Mustern und Entwicklung). Dotierstoffe
(z. B. N-Typ-Ionen in relativ schwacher Dosis) werden mit einer
ersten Ionenimplantations-Energie durch die Ionenimplantationsmaske 7 implantiert,
um die erste Fotodioden-Schicht 10 im Halbleitersubstrat 5 auszubilden.
Danach werden komplementäre
Dotierstoffe (z. B. P-Typ-Ionen in relativ hoher Dosis) mit einer
zweiten Energie, die kleiner ist als die erste Ionenimplantations-Energie, durch
die Ionenimplantationsmaske 7 implantiert, um die erste
Fotodioden-Schicht 12 und einen resultierenden P-N-Übergang
in einer Tiefe (oder einer ersten Entfernung) D im Halbleitersubstrat 5 auszubilden.
In einer beispielhaften Ausführung
liegt die erste Entfernung D in einem Bereich von ungefähr 0,7 μm bis ungefähr 1,5 μm.
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Mit
Bezug auf 4 wird, nachdem die erste Fotodiode 10 ausgebildet
wurde, eine Ionenimplantationsmaske (nicht gezeigt), die eine Öffnung hat,
auf dem Halbleitersubstrat 5 ausgebildet (z. B. durch herkömmliche
fotolithografische Herstellung von Mustern und Entwicklung), und
Dotierstoffe (z. B. N-Typ-Ionen in relativ schwacher Dosis) werden
mit einer dritten Ionenimplantations-Energie, die kleiner ist als
die erste Ionenimplantations-Energie, durch die Ionenimplantationsmaske
implantiert, um die dritte Fotodioden-Schicht 30 auszubilden.
Dann wird eine Ionenimplantationsmaske 8, die eine Öffnung hat,
auf dem Halbleitersubstrat 5 ausgebildet (z. B. durch herkömmliche
fotolithografische Herstellung von Mustern und Entwicklung), Die Öffnung der
Ionenimplantationsmaske 8 wird auf einem Bereich hergestellt,
der im Wesentlichen der zweiten Fotodiode 20 entspricht.
Die Dotierstoffe (z. B. N-Typ-Ionen in relativ schwacher Dosis)
werden mit einer vierten Ionenimplantations-Energie, die kleiner
ist als die erste und/oder zweite Ionenimplantations-Energie, durch
die Ionenimplantationsmaske 8 implantiert, so dass die
Dotierstoffe in die Oberfläche
des Halbleitersubstrates 5 eine Entfernung D1 eindringen,
die keiner ist als die erste Entfernung D. In der vorliegenden Ausführung liegt
die zweite Entfernung D1 in einem Bereich von ungefähr 0,3 μm bis ungefähr 0,5 μm.
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In
der/den beispielhaften Ausführung(en) kann
ein Bereich mit Dotierstoffen hoher Dichte (z. B. P+-Bereich 12)
zwischen der ersten Fotodiode 10 und der zweiten Fotodiode 20 ausgebildet
werden, um zu verhindern, dass die erste Fotodiode und die zweite
Fotodiode 20 sich gegenseitig stören.
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Mit
Bezug auf 5 werden nach dem Ausbilden
der zweiten Fotodioden-Schicht 20 Isolations-Seitenwand-Spacer 58 (die
z. B. ein Oxid, Nitrid oder eine Nitrid-auf-Oxid-Doppelschicht aufweisen) auf
herkömmliche
Weise auf dem Substrat 5 ausgebildet, und komplementäre Dotierstoffe
(z. B. P-Typ-Ionen in relativ hoher Dosis) werden mit einer sechsten
Energie, die kleiner als die zweite Ionenimplantations-Energie ist,
durch eine Ionenimplantationsmaske (nicht gezeigt) implantiert,
um die dritte Fotodioden-Schicht 32 und einen resultierenden P-N-Übergang auszubilden und dadurch
die dritte Fotodiode auszubilden. Danach wird eine Ionenimplantationsmaske 9,
die eine Öffnung
hat, auf dem Halbleitersubstrat 5 ausgebildet, um die zweite
Fotodiode 20 auszubilden. In der/den beispielhaften Ausführungen
wird die Öffnung
der Ionenimplantationsmaske 9 in einem Bereich ausgebildet,
der im Wesentlichen benachbart zur dritten Fotodiode 30 und über der
ersten Fotodiode 10 ist. Die Dotierstoffe (z. B. P-Typ-Ionen
in relativ hoher Dosis) werden durch die Öffnung der Ionenimplantationsmaske 9 in
das Halbleitersubstrat 5 implantiert, so dass die zweite Fotodioden-Schicht 22 ausgebildet
wird, wodurch ein resultierender P-N-Übergang
und die zweite Fotodiode 20 ausgebildet werden. In beispielhaften
Ausführungen
wird die dritte Fotodiode 30 im Halbleitersubstrat in einer
Tiefe (oder Position entfernt von der Oberfläche des Halbleitersubstrates 5)
von 0,5 μm bis
1,5 μm ausgebildet.
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Mit
Bezug auf 6 wird, nachdem die erste, zweite
und dritte Fotodiode 10, 20 und 30 auf
dem Halbleitersubstrat 5 ausgebildet wurden, eine Ionenimplantation
hoher Energie und hoher Dichte (z. B. unter Verwendung von N-Typ-Ionen,
wie P, As oder Sb) (z. B. unter Verwendung von Fotolack-Maske 11) in
einem Bereich durchgeführt,
der einem Teil der ersten Fotodiode 10 entspricht, um einen
Anschluss 40 in elektrischem Kontakt zur ersten Fotodiode 10 auszubilden.
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Anschließend wird,
wie in 2A gezeigt, die Isolationsschicht 60 ausgebildet,
welche die Transistorbereiche 52, 54 und 56 abdeckt,
womit der Prozess der Herstellung des Bildsensors 110 beendet ist.
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7 zeigt
eine weitere Ausführung,
in der eine Zwischenschicht-Dielektrikum-Schicht (ILD) 70 auf
einer (Vormetall-)Dielektrikum-Schicht 60, dann ein Farbfilter 82 (z.
B. ein Farbfilter für
grün) auf
der ILD-Schicht 70 (im Allgemeinen durch herkömmliche fotolithografische
Musterherstellung und Entwicklung eines Farbfilter-Materials mit
grüner
Farbe) an einer Stelle, die der zweiten Fotodiode 30' entspricht,
ausgebildet wird. Danach wird eine Planarisierungs-Schicht 80 über dem
Farbfilter 82 ausgebildet, und Mikrolinsen 90 und 92 (die
den ersten/zweiten Fotodioden 10/20, bzw. der
dritten Fotodiode 30 entsprechen) werden auf der Planarisierungs-Schicht 80 ausgebildet.
In einer solchen Ausführung
können N–-Implantationen 20 und 30 gleichzeitig
ausgebildet werden (z. B. unter Verwendung derselben Maske), und
P+-Implantationen 22 und 32 können gleichzeitig ausgebildet
werden (z. B. unter Verwendung derselben Maske), wodurch die Gesamtzahl
von Masken im Prozess um eins verringert wird.
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8 zeigt
ein beispielhaftes Layout der Einheitsbildpunkte in der/den hier
beschriebenen Ausführung(en).
Das in 8 gezeigte 2 × 2-Muster
wird einfach so oft wiederholt, wie für ein gegebenes Chip-Design
gewünscht.
Durch Kombination von Einheitsbildpunkten für rot (R) und blau (B) auf
der gleichen Fläche
kann die Dichte der Bildpunkt-Anordnung um bis zu ungefähr 20–25% erhöht werden.
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Wie
oben detailliert beschrieben, werden Dotierstoffe mit verschiedenen
Ionenimplantations-Energien in das Halbleitersubstrat implantiert,
so dass eine erste Fotodiode (z. B. für einen rotes Licht detektierenden
Bildpunkt) und eine zweite Fotodiode (z. B. für einen blaues Licht detektierenden
Bildpunkt) längs
zueinander ausgerichtet sind, wobei sie einen Höhenunterschied haben, wodurch
sich die Auflösung
des Bildes verbessert.
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In
der vorliegenden Beschreibung bedeutet jeder Verweis auf "eine Ausführung", "Ausführung", "Ausführungsbeispiel", usw., dass ein
spezielles Merkmal, eine Struktur oder ein Kennmerkmal, welches,
bzw. welche in Verbindung mit der Ausführung beschrieben wird, in
mindestens einer Ausführung der
Erfindung enthalten ist. Das Auftreten derartiger Ausdrucksweisen
an verschiedenen Stellen in der Beschreibung verweist nicht notwendig
sämtlich
auf die gleiche Ausführung.
Ferner sei bemerkt, dass, wenn ein besonderes Merkmal, eine Struktur
oder ein Kennmerkmal in Verbindung mit einer beliebigen Ausführung beschrieben
wird, es sich innerhalb des Bereichs der Möglichkeiten eines Fachkundigen
befindet, ein derartiges Merkmal, eine Struktur oder ein Kennmerkmal
in Verbindung mit anderen der Ausführungen zu bewirken.
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Obwohl
Ausführungen
mit Bezug auf eine Anzahl beispielhafter Ausführungen beschrieben wurden,
sei bemerkt, dass zahlreiche weitere Abwandlungen und Ausführungen
durch Fachkundige entworfen werden können, welche unter Prinzip
und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung fallen. Insbesondere
sind viele Änderungen
und Abwandlungen der Bauteile und/oder der Anordnungen der fraglichen
Kombinationsanordnung innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung,
der Zeichnungen und der beigefügten
Ansprüche
möglich.
Zusätzlich zu Änderungen
und Abwandlungen der Bauteile und/oder der Anordnungen sind alternative
Verwendungen gleichfalls für
Fachkundige ersichtlich.