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Technologie-Trends bei CMOS-Bildsensoren

15. Dezember 2010, 16:13 Uhr | Von Guy Meynants

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Quanteneffizienz bei großen und kurzen Wellenlängen

Quanteneffizienz bei großen Wellenlängen

Bildsensoren werden auf Silizium- Substraten als schwach dotierte epitaxiale Schicht auf hoch dotiertem Substrat aufgewachsen. Die in der Epitaxial-Schicht generierten photoelektrischen Ladungen lassen sich über die Photodiode sammeln. Die Ladungen, die im hoch dotierten Substrat entstehen, rekombinieren und werden nicht detektiert.

Die Eindringtiefe eines Photons im Silizium hängt von der Wellenlänge ab: Photonen mit größerer Wellenlänge haben eine geringere Energie und sie dringen tiefer in das Silizium ein. Das Erzeugen von Photoladungen zeigt einen exponentiellen Abfall gemäß der Beziehung I = I₀ ⋅ e^-αx, wobei x die Eindringtiefe im Silizium ist. Bild 2 zeigt die Eindringtiefe 1/α der Photonen in Silizium. Dabei werden 63 % der Photoladung in diesem Bereich erzeugt. Für Lichtwellenlängen von 800 nm beträgt die Eindringtiefe 15 μm.

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Bei größeren Wellenlängen lässt sich die Quanteneffizienz (QE) durch ein dickeres epitaxiales Substrats erhöhen. In Bild 3 sind die Frequenzkurven der Quanteneffizienz eines Standard-Baustein CMV2000 und einer für das nahe Infrarot (NIR) ausgelegten Version zu sehen, die auf einer 12 μm starken epitaxialen Schichten gefertigt ist. Mit dem dickeren epitaxialen Substrat erhöht sich der QE-Wert mit steigender Wellenlänge signifikant. Bei 900 nm steigt der QE-Wert von 8 auf 16 % an.

Dies ist eine attraktive Eigenschaft in Nachtsichtgeräten, aber auch generell in Sicherheitsanwendungen sowie im Automobilbau. Zusätzliche hochintensive NIR-Beleuchtung lässt sich dabei ohne jede Belastung des menschlichen Auges einsetzen.

Quanteneffizienz bei kurzen Wellenlängen

Bei kürzeren Wellenlängen erfordert die Erhöhung der Quanteneffizienz wesentlich radikalere Änderungen im Fertigungsprozess des Sensors. Im nahen UV zwischen 200 und 400 nm wird die Quanteneffizienz durch Lichtabsorption in den SiO₂-Schichten oberhalb der Photodiode begrenzt. Diese Oxid-Schichten fungieren als Isolatorschichten zwischen den metallischen Interconnect- Schichten; sie lassen sich nicht eliminieren. Ein Ausweg ist das Verdünnen des Sensors auf 5 μm oder weniger und die Beleuchtung des Sensors von der Rückseite nach dem Prinzip der Backside Illumination (BSI).

BSI bietet zwei wichtige Vorteile: Der erste besteht in der Erhöhung der gesamten Quanteneffizienz des Bausteins infolge der besseren Lichteinkopplung in das Silizium und der Abwesenheit von reflektierenden metallischen Schichten in der rückseitigen Oberfläche. Zweitens erhöht sich durch BSI die Empfindlichkeit für kurzwelliges Licht, da sich keine UV-absorbierende Siliziumdioxid-Schichten in der Rückseite befinden.

Dafür ist der Fertigungsprozess von erheblich höherer Komplexität: Er erfordert das Aufbringen eines Wafers als Träger auf der Frontseite und das anschließende Verdünnen des Wafers bis zur geforderten Dicke von 5 μm oder weniger. Danach sollte eine Antireflex- Beschichtung aufgebracht werden, die für die interessierende Wellenlänge optimiert ist. Als letzter Schritt müssen die Kontakt-Pads des Chips freigelegt werden – entweder per Ätzung durch die Funktionsschicht oder per Through-Silicon Via (TSV) durch das Silizium des Wafers (Bild 4).

Der Fertigungsprozess für BSI-Imager hat seit Kurzem das Stadium der Massenproduktion erreicht – angetrieben von Anforderungen in der Lichtempfindlichkeit für kleine 1,4-μm- Pixel in Bildsensoren für die Unterhaltungselektronik^{[4, 5]}. Auf jeden Fall werden auch professionelle Anwendungen von dieser Technologie profitieren, einschließlich UV-geeigneter Bildsensoren für professionelle Applikationen unter Einsatz der rückseitigen Beleuchtung. Spezielle Anwendungen wie die Halbleiterinspektion werden von der erhöhten Lichtempfindlichkeit im nahen UV mit höherer Bildauflösung ebenfalls profitieren.