ST und Soitec entwickeln gemeinsam Bildsensoren

STMicroelectronics und Soitec entwickeln gemeinsam eine Prozesstechnik für die Fertigung von »Backside-Illumination«-CMOS-Bildsensoren auf 300-mm-Wafern. Muster wird es gegen Ende des Jahres geben, die Stückzahlproduktion soll Ende 2010 folgen.

Im Rahmen des Abkommens lizenziert Soitec die Smart-Stacking-Bondtechnik an ST, die im Geschäftsbereich Tracit entwickelt wurde. Die Technik basiert auf molekularer Bondung sowie mechanischem und chemischem Dünnen. ST wird auf Basis einer Variante der 65-nm-CMOS-Prozesstechnik in der Fab in Crolles eine neue Generation von CMOS-Bildsensoren entwickeln. Die Bildsensoren werden 5 Mio. Pixel und mehr aufweisen, die Pixelgröße liegt zunächst bei 1,4 µm, Sensoren mit 1,1 µm und darunter werden folgen. Damit zielt ST auf den Einsatz in tragbaren Consumer-Geräten ab, insbesondere auf Handys.

Die Backside-Illumination-Technik (BSI) ist laut Jean-Luc Jaffard, Deputy General Manager Imaging Division der Home Entertainment and Displays Group von STMicroelectronics, ein wichtiges Element im Rennen um Bildsensoren mit immer kleineren Pixeln und immer höherer Bildqualität. Sensoren mit Pixelgrößen von 1,4 µm will ST sowohl auf Basis der BSI- als auch auf Basis der herkömmlichen Frontside-Illumination-Technik (FSI) herstellen. Für Sensoren mit Pixelgrößen von 1,1 µm und darunter kommt dann nur noch die BSI-Technik zum Einsatz.

Bereits im Juni 2008 hatten Omnivision und Sony die ersten BSI-CMOS-Bildsensoren auf den Markt gebracht. Im Gegensatz zu Pixeln, die auf der Frontside-Illumination-Technik beruhen, ist die aktive Fläche der BSI-Pixel über den Verdrahtungsebenen angeordnet. Das Licht muss nicht erst die Verdrahtungsebenen durchqueren, bis es auf die aktive Fläche fällt. Es kommt also mehr Licht auf die aktive Fläche, weil die Metallleitungen und der Transistor dem Licht den Weg nicht versperren. Dadurch steigen der Fillfaktor und die Quanteneffizienz signifikant. Deshalb arbeiten die Hersteller schon viele Jahre daran, BSI-Pixel in die Massenfertigung zu bringen.

Die Schwierigkeit liegt vor allem darin, dass die Wafer gedünnt werden müssen. Dieser aufwändige Prozess und die damit verbundene geringere Ausbeute hat die kommerzielle Nutzung in der Vergangenheit verhindert. Omnivision hatte dann auf Basis eines zusammen mit TSMC entwickelten Prozesses 2008 den Durchbruch verkündet. Das Ziel besteht darin, die Pixel zu verkleinern, ohne die Lichtempfindlichkeit zu verringern. Omnivision hat 1,4-µm-BSI-Pixel entwickelt, die die gleiche Empfindlichkeit aufweisen wie FSI-Pixel mit 1,75 µm. Kurz darauf zog Sony mit einem BSI-CMOS-Bildsensor nach, dessen Pixelgröße bei 1,75 µm liegt.

»Wir gehen davon aus, dass ab 1,1-µm-Pixelgrößen die BSI-Technik die FSI-Technik ablösen wird«, sagt Jean-Luc Jaffard. Bisher konnten die FSI-Pixel zwar mit jeder neuen Generation einen deutlichen Zugewinn an Helligkeitsdynamik und Dunkelempfindlichkeit erzielen, die Möglichkeiten der FSI-Technik seien nun aber ausgereizt.

Wie gut ein Sensor insgesamt ist, entscheidet das Zusammenspiel aus verschiedenen Parametern, vor allem Leck- und Dunkelströmen, Quanteneffizienz und Color Crosstalk. Die BSI-Technik verspricht, die Quanteneffizienz signifikant zu erhöhen. Doch wie verhalten sich die Sensoren bezüglich der Dunkel- und Leckströme sowie Color Crosstalk? »Das sind die Herausforderungen für die BSI-Technik«, gibt Jaffard zu. Es gebe aber keine prinzipiellen Hürden, die für kleinere Pixel erforderlichen Werte zu erreichen. Und die Kosten für die neue Prozesstechnik? »BSI wird immer etwas teurer sein als FSI. Die Kosten unseres Prozesses liegen aber nicht signifikant höher«, antwortet Jaffard.