DE10025363A1 - Image sensor element and image sensor - Google Patents
Image sensor element and image sensorInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bildsensorelement und insbesondere ein CMOS-APS-Bildsensorelement mit einer lichtempfindlichen Fläche und einem Schaltungsteil, der ferner einen Verdrahtungsteil zum Verbinden des Schaltungsteils nach außen aufweist, wobei die lichtempfindliche Fläche im Oberflächenbereich des Bildsensorelements angeordnet ist und Bereiche von Schaltungs- und/oder Verdrahtungsteil unterhalb der lichtempfindlichen Fläche angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Bildsensorelement ist aus mehreren Lagen aufgebaut, wobei die lichtempfindliche Fläche im Oberflächenbereich der obersten Lage angeordnet ist und die Bereiche von Schaltungs- und/oder Verdrahtungsteil jeweils in den Oberflächenbereichen der darunterliegenden Lagen angeordnet sind. Dabei sind die einzelnen Lagen Teile von Halbleiter-Wafern. DOLLAR A Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus einen aus derartigen Bildsensorelementen aufgebauten Bildsensor. DOLLAR A Dadurch kann ein Bildsensor realisiert werden, der sowohl einen hohen optischen Füllfaktor hat als auch die Realisierung einer komplexen Pixelelektronik zuläßt.The present invention relates to an image sensor element and in particular to a CMOS-APS image sensor element with a light-sensitive area and a circuit part, which furthermore has a wiring part for connecting the circuit part to the outside, the light-sensitive area being arranged in the surface area of the image sensor element and areas of circuit and / or wiring part are arranged below the photosensitive surface. The image sensor element according to the invention is constructed from several layers, the light-sensitive surface being arranged in the surface region of the uppermost layer and the regions of the circuit and / or wiring part each being arranged in the surface regions of the layers below. The individual layers are parts of semiconductor wafers. DOLLAR A The present invention also relates to an image sensor constructed from such image sensor elements. DOLLAR A This enables an image sensor to be implemented which both has a high optical fill factor and also allows complex pixel electronics to be implemented.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bildsensorelement sowie einen Bildsensor, der aus derartigen Bildsensorelementen aufgebaut ist. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine spezielle Ausgestaltung von Bildsensorelementen, die als sogenannte "Aktive Pixel Sensor"-Elemente realisiert sind. Derartige "Aktive Pixel Sensoren" (im folgenden "APS" abgekürzt) sind in den letzten Jahren insbesondere zur Aufnahme von Stand- oder Bewegtbildern durch digitale Kameras entwickelt worden.The present invention relates to an image sensor element and an image sensor which such image sensor elements is constructed. More specifically, the present concerns Invention a special embodiment of image sensor elements, the so-called "Active pixel sensor" elements are realized. Such "active pixel sensors" (in The following "APS" are abbreviated) in the past few years in particular to include Still or moving images have been developed by digital cameras.
Ein APS-Element ist dadurch ausgezeichnet, daß es neben dem lichtsensitiven Element eine Schaltung zum Auslesen und Verarbeiten der von dem lichtsensitiven Element detektierten Signale aufweist, welche einen oder mehrere aktive Transistoren enthält. Bilden mehrere Transistoren in einem APS-Element eine CMOS-Schaltung, so spricht man von einem CMOS-APS-Element.An APS element is characterized by the fact that it is next to the light-sensitive element a circuit for reading and processing of the light-sensitive element has detected signals, which contains one or more active transistors. If several transistors form a CMOS circuit in an APS element, this speaks one from a CMOS APS element.
Der wesentliche Vorteil von CMOS-APS ist, daß sie in einer CMOS-Standard- Halbleitertechnologie herstellbar sind. Das heißt, lichtsensitive Elemente und die elektronische Schaltung können auf demselben Chip und gleichzeitig hergestellt werden. Dadurch ergibt sich eine signifikante Reduzierung der Herstellungskosten.The main advantage of CMOS-APS is that it works in a standard CMOS Semiconductor technology can be produced. That is, light sensitive elements and the electronic circuitry can be made on the same chip and simultaneously. This results in a significant reduction in manufacturing costs.
Ein einzelnes Bildsensorelement eines APS-Sensors besteht somit im wesentlichen aus einem lichtsensitiven Element (Photodiode oder Phototransistor) und einer zugehörigen elektronischen Schaltung. Das lichtsensitive Element und die zugehörige Schaltung müssen aus elektrischen Gründen immer unmittelbar nebeneinander liegen. Entsprechend sind in den bekannten APS-Elementen beide Komponenten innerhalb der Sensoroberfläche angeordnet worden. Während zur Detektion des Lichts eine gewisse Mindestfläche des sensitiven Elements gefordert wird, ist eine allzugroße räumliche Ausdehnung des Schaltungsteils unerwünscht, da dieser Teil nicht für die Lichtdetektion nutzbar ist und somit die Empfindlichkeit des Sensors reduziert wird. A single image sensor element of an APS sensor thus essentially consists of a light-sensitive element (photodiode or phototransistor) and an associated one electronic circuit. The light sensitive element and the associated circuit For electrical reasons, they must always be right next to each other. Accordingly, both components are within the known APS elements Sensor surface has been arranged. While for the detection of light a certain The minimum area required for the sensitive element is an oversized spatial one Expansion of the circuit part undesirable, since this part is not for light detection is usable and thus the sensitivity of the sensor is reduced.
Das Verhältnis der Fläche des lichtsensitiven Teils zu der des Pixelelements wird als optischer Füllfaktor bezeichnet.The ratio of the area of the light sensitive part to that of the pixel element is called called optical fill factor.
Ein kleiner optischer Füllfaktor bewirkt eine geringe Lichtempfindlichkeit und wegen der fehlenden Bildinformation auch eine schlechtere Bildqualität. Es ist daher ein hoher optischer Füllfaktor anzustreben. Andererseits ist oft ein erhöhter Schaltungsaufwand nötig, um einen Bildsensor mit speziellen Eigenschaften wie beispielsweise elektronischem Shutter, erweiterter Dynamik oder einer Einrichtung zur Durchführung von Bildverarbeitungsschritten im Sensor zu entwickeln.A small optical fill factor causes a low sensitivity to light and because of that missing image information also a poorer image quality. It is therefore a high one to aim for optical fill factor. On the other hand, there is often an increased amount of circuitry necessary to an image sensor with special properties such as electronic shutter, enhanced dynamics or a facility for performing To develop image processing steps in the sensor.
Bei einem APS-Sensor besteht prinzipiell die Möglichkeit zur Einzelpixelverarbeitung, wodurch die Verarbeitungsschritte in hohem Maße parallelisiert werden können. Dem steht jedoch der dadurch in starkem Maße sinkende Füllfaktor und die damit geringere Lichtempfindlichkeit und schlechtere Bildqualität entgegen. Andererseits muß auch berücksichtigt werden, daß ein Füllfaktor von idealerweise 100% mit APS-Technologie prinzipiell nicht erreichbar ist.With an APS sensor there is in principle the possibility of single pixel processing, whereby the processing steps can be highly parallelized. The there is, however, the filling factor which decreases to a great extent and the lower one Light sensitivity and poorer image quality. On the other hand, too be taken into account that a fill factor of ideally 100% with APS technology is in principle not reachable.
Um eine hohe Bildqualität auch bei relativ geringem optischen Füllfaktor zu erzielen, wird in der DE-A-197 40 612 eine schachbrettartige Anordnung von lichtsensitiven Elementen und Schaltungselektronik vorgeschlagen, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Dabei bezeichnet Bezugszeichen 1 die lichtempfindliche Fläche, während Bezugszeichen 2 den Schaltungsteil bezeichnet.In order to achieve high image quality even with a relatively low optical fill factor, DE-A-197 40 612 proposes a checkerboard-like arrangement of light-sensitive elements and circuit electronics, as shown in FIG. 4. Reference numeral 1 designates the photosensitive surface, while reference numeral 2 designates the circuit part.
Aus Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Bd. 507, S. 327 bis 338, 1998, revised 01/2000 sind Bildsensoren in TFA-Technologie ("Thin Film on ASIC") bekannt, bei denen eine Detektorschicht auf einem Silizium-Wafer, in dessen Oberflächenbereich ASICs für den Schaltungsteil der sich ergebenden Bildelemente definiert sind, aufgebracht ist. Die Detektorschicht besteht aus einem amorphen a-Si : H-Dünnfilmsystem und wird durch UHV-PECVD auf den Wafern abgeschieden. Derartige Bildsensorelemente bestehen somit aus 2 übereinander angeordneten Bauelementeebenen; es ist aus herstellungstechnischen Gründen auch nicht möglich, weitere Bauelementeebenen hinzuzufügen. Darüber hinaus besteht die Detektorschicht aus einem a-Si : H- Dünnfilmsystem, welches nicht weiter strukturiert werden kann. Insbesondere können auf der Oberfläche der Bildsensorelemente keine Schaltungs- oder Verdrahtungsteile angeordnet werden. From Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 507, pp. 327 to 338, 1998, revised 01/2000 Image sensors known in TFA technology ("Thin Film on ASIC"), in which one Detector layer on a silicon wafer, in the surface area of which ASICs for the Circuit part of the resulting picture elements are defined, is applied. The Detector layer consists of an amorphous a-Si: H thin film system and is covered by UHV-PECVD deposited on the wafers. Such image sensor elements exist thus from 2 superimposed component levels; it's over manufacturing reasons also not possible, further component levels to add. In addition, the detector layer consists of an a-Si: H Thin film system which cannot be structured any further. In particular, on no circuit or wiring parts on the surface of the image sensor elements to be ordered.
Aus der DE-A-198 10 060 ist überdies eine optische Anordnung bekannt, bei der ein Chip mit einem optoelektronischen Bauelement, beispielsweise einer PIN-Diode, mittels Flip- Chip-Technik auf einem Substrat aufgebracht ist. Dabei ist die lichtempfindliche Oberfläche des optoelektronischen Bauelements dem Substrat zugewandt. Durch Öffnungen in dem Substrat wird sichergestellt, daß Licht von außen an den aktiven Teil des optoelektronischen Bauelements gelangt. Bei dieser Anordnung ist das Substrat, in dem beispielsweise Bereiche von Schaltungs- und/oder Verdrahtungsteil angeordnet sein können, in Bezug auf die Lichteinfallsrichtung nicht unterhalb sondern oberhalb der lichtempfindlichen Fläche angeordnet, so daß die Oberfläche nicht optimal für den Lichtnachweis ausgenutzt werden kann.From DE-A-198 10 060 an optical arrangement is also known in which a chip with an optoelectronic component, for example a PIN diode, by means of a flip Chip technology is applied to a substrate. Here is the photosensitive Surface of the optoelectronic component facing the substrate. By Openings in the substrate ensure that light from the outside reaches the active part of the optoelectronic component. With this arrangement the substrate is in which, for example, areas of the circuit and / or wiring part can be arranged can, with respect to the direction of light not below but above arranged photosensitive surface so that the surface is not optimal for the Light proof can be used.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bildsensorelement zu schaffen, mit dem die Nachteile des Stands der Technik beseitigt werden. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bildsensor zu schaffen, der aus einer Vielzahl von solchen Bildsensorelementen aufgebaut ist.It is an object of the present invention to provide an image sensor element with which the disadvantages of the prior art are eliminated. It is also the task of present invention to provide an image sensor consisting of a variety of such Image sensor elements is constructed.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Die vorliegende Erfindung stellt darüber hinaus aus auch den Bildsensor nach Anspruch 8 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the present invention, the object is achieved by the subject of Claim 1 solved. The present invention also provides the Image sensor according to claim 8 ready. Advantageous further developments of the present Invention are the subject of the dependent claims.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Bildsensorelement mit einer lichtempfindlichen Fläche, einem Schaltungsteil, der ferner einen Verdrahtungsteil zum Verbinden des Schaltungsteils nach außen aufweist, wobei die lichtempfindliche Fläche im Oberflächenbereich des Bildsensorelements angeordnet ist, und Bereiche von Schaltungs- und/oder Verdrahtungsteil unterhalb der lichtempfindlichen Fläche angeordnet sind. Dabei ist das Bildsensorelement aus mehreren Lagen aufgebaut, wobei die lichtempfindliche Fläche im Oberflächenbereich der obersten Lage angeordnet ist und die Bereiche von Schaltungs- und/oder Verdrahtungsteil jeweils in den Oberflächenbereichen der darunterliegenden Lagen angeordnet sind, und die einzelnen Lagen sind Teile von Halbleiter-Wafern. The present invention thus relates to an image sensor element with a light-sensitive Surface, a circuit part, which further comprises a wiring part for connecting the Has circuit part to the outside, the light-sensitive surface in Surface area of the image sensor element is arranged, and areas of Circuit and / or wiring part below the photosensitive surface are arranged. The image sensor element is made up of several layers, whereby the photosensitive surface is arranged in the surface area of the top layer and the areas of circuit and / or wiring part in each Surface areas of the underlying layers are arranged, and the individual Layers are parts of semiconductor wafers.
Die vorliegende Erfindung stellt darüber hinaus einen Bildsensor bereit, der aus einer Vielzahl von identischen oder nicht identischen Bildsensorelementen wie vorstehend definiert aufgebaut ist.The present invention also provides an image sensor consisting of a Variety of identical or non-identical image sensor elements as above is defined.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Oberfläche des Bildsensorelements die dem Lichteinfall zugewandte Hauptfläche des Bildsensorelements. "Im Oberflächenbereich" heißt im wesentlichen auf der Oberfläche, wobei oberhalb der lichtempfindlichen Fläche Hilfsschichten wie beispielsweise eine Antireflexionsbeschichtung, eine sog. pinning- Schicht, die die erzeugten Photoelektronen von der Oberfläche isoliert und somit eine Rekombination an der Oberfläche verhindert, oder auch Farbfilterschichten angeordnet sein können. "Unterhalb" heißt unterhalb in Bezug auf die Lichteinfallsrichtung.In the present invention, the surface of the image sensor element is that Main surface of the image sensor element facing light. "In the surface area" means essentially on the surface, above the photosensitive surface Auxiliary layers such as an anti-reflective coating, a so-called pinning Layer that isolates the photoelectrons generated from the surface and thus a Prevents recombination on the surface, or arranged color filter layers could be. "Below" means below in relation to the direction of light incidence.
Die Oberfläche des Sensorelements steht somit weitgehend für den Lichtnachweis zur Verfügung, während die Signalverarbeitung und -weiterleitung durch Komponenten unterhalb der Sensoroberfläche realisiert werden. Dadurch wird der vorteilhafte Effekt erzielt, daß das Bildsensorelement einerseits einen hohen optischen Füllfaktor aufweist, andererseits aber auch die Realisierung komplexerer Pixelelektronik zugelassen wird.The surface of the sensor element is thus largely available for light detection Available while signal processing and routing through components below the sensor surface. This will have the beneficial effect achieves that the image sensor element on the one hand has a high optical fill factor, on the other hand, the implementation of more complex pixel electronics is also permitted.
Der Schaltungsteil umfaßt dabei vorzugsweise aktive Komponenten, so daß das Bildsensorelement ein APS-Element ist. Der Verdrahtungsteil verbindet den Schaltungsteil nach außen, er verbindet den Schaltungsteil beispielsweise mit einer Ansteuerleitung, einer Leseleitung oder einer Einrichtung zur weiteren Verarbeitung der erhaltenen Signale, oder aber auch mit Schaltungsteilen weiterer Bildsensorelemente.The circuit part preferably comprises active components, so that the Image sensor element is an APS element. The wiring part connects the Circuit part to the outside, it connects the circuit part with, for example Control line, a read line or a device for further processing of the received signals, or with circuit parts of other image sensor elements.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, daß einzelne Komponenten des Bildsensorelements beispielsweise auf separaten Halbleiter-Wafern gefertigt und anschließend die Halbleiter-Wafer zusammengefügt werden. Dadurch läßt sich das Herstellungsverfahren des sich ergebenden Bildsensors deutlich vereinfachen.According to the present invention, it is possible that individual components of the Image sensor element, for example, manufactured on separate semiconductor wafers and then the semiconductor wafers are joined together. This makes it possible Simplify manufacturing process of the resulting image sensor significantly.
Ferner sind die lichtempfindliche Fläche sowie unterhalb der lichtempfindlichen Fläche angeordneten Bereiche von Schaltungs- und/oder Verdrahtungsteil vorzugsweise durch vertikale Kontaktlöcher miteinander elektrisch leitend verbunden. Somit ist es möglich, daß jedes oder fast jedes Bildsensorelement des gesamten Sensors eine Durchkontaktierung zu den darunter liegenden Lagen hat. Furthermore, the photosensitive area as well as below the photosensitive area arranged areas of circuit and / or wiring part preferably through vertical contact holes are connected in an electrically conductive manner. So it is possible that each or almost every image sensor element of the entire sensor is a Plated through to the underlying layers.
Durch die vorliegende Erfindung werden insbesondere die folgenden Vorteile erzielt:
The following advantages are achieved in particular by the present invention:
- - Dadurch, daß Bereiche von Schaltungs- und/oder Verdrahtungsteil unterhalb der lichtempfindlichen Fläche angeordnet werden, weist das Bildsensorelement einerseits einen hohen optischen Füllfaktor auf, andererseits wird aber auch die Realisierung von flächenaufwändigen Schaltungskomponenten zugelassen.- Characterized in that areas of circuit and / or wiring part below the arranged light-sensitive surface, the image sensor element on the one hand a high optical fill factor, but on the other hand also the realization approved by area-consuming circuit components.
- - Unter Verwendung der Techniken zur Vertikalen Integration wird ein einfaches Herstellungsverfahren für den Bildsensor ermöglicht und eine hohe Integrationsdichte erzielt.- Using the vertical integration techniques becomes a simple one Manufacturing process for the image sensor enables and a high integration density achieved.
- - Insbesondere können CMOS-kompatible Standard-Halbleitertechnologien verwendet werden, mit denen die Komponenten der einzelnen Sensorelemente auf Waferebene zusammengefügt werden. Anschließend können die fertigen APS-Sensoren aus dem Wafer gewonnen werden.- In particular, CMOS-compatible standard semiconductor technologies can be used with which the components of the individual sensor elements at the wafer level be put together. Then the finished APS sensors from the Wafers can be obtained.
- - Durch Bereitstellen von vertikalen Kontaktlöchern zwischen den oberen und unteren Lagen des Bildsensorelements kann eine platzsparende elektrische Kontaktierung innerhalb des Bildsensorelements realisiert werden. Die Oberfläche des Bildsensorelements wird dadurch nicht durch weiteren elektrische Leitungen bedeckt sondern steht für den Lichtnachweis zur Verfügung.- By providing vertical contact holes between the top and bottom Layers of the image sensor element can be a space-saving electrical contact can be realized within the image sensor element. The surface of the As a result, the image sensor element is not covered by further electrical lines but is available for proof of light.
- - Dadurch, daß insbesondere die Lage, in deren Oberflächenbereich die lichtempfindliche Fläche angeordnet ist, Teil eines Halbleiter-Wafers ist, kann diese Lage beliebig gestaltet werden. Es ist möglich, neben der lichtempfindlichen Fläche auch Schaltungs- und/oder Verdrahtungsteile anzuordnen, und die Geometrie der lichtempfindliche Fläche kann nach Wunsch gestaltet werden (beispielsweise achteckig).- Because in particular the location, in the surface area of which photosensitive surface is arranged, is part of a semiconductor wafer, this can Location can be designed arbitrarily. It is possible in addition to the photosensitive surface also to arrange circuit and / or wiring parts, and the geometry of the photosensitive surface can be designed as desired (for example octagonal).
- - Es können beliebig viele Lagen über einander gestapelt werden. Bei einer hohen Anzahl empfiehlt es sich jedoch, die einzelnen Wafer(teile) vor dem Zusammenfügen zu dünnen.- Any number of layers can be stacked on top of each other. At a high However, it is recommended to count the individual wafers (parts) before joining them to thin.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.The present invention will hereinafter be described with reference to the accompanying ones Drawings described in more detail.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung zweier aufeinander gefügter Halbleiter-Wafer im Querschnitt; Fig. 1 shows a schematic representation of two successive of joined semiconductor wafer in cross section;
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 shows a first embodiment of the present invention;
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und Fig. 3 shows a second embodiment of the present invention; and
Fig. 4 zeigt eine bekannte Anordnung, bei der lichtempfindliche Flächen und Schaltungsteile von benachbarten Bildsensorelementen jeweils schachbrettartig angeordnet sind. FIG. 4 shows a known arrangement in which light-sensitive areas and circuit parts of adjacent image sensor elements are each arranged in a checkerboard manner.
In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 3 einen ersten Halbleiter-Wafer, in dessen Oberflächenbereich die lichtempfindlichen Flächen der einzelnen Bildsensorelemente definiert sind, und Bezugszeichen 4 bezeichnet einen zweiten Halbleiter-Wafer, in dem Bereiche von Schaltungs- und/oder Verdrahtungsteil der einzelnen Bildsensorelemente definiert sind.In Fig. 1, reference numeral 3 denotes a first semiconductor wafer, in the surface area of which the light-sensitive areas of the individual image sensor elements are defined, and reference numeral 4 denotes a second semiconductor wafer, in which areas of the circuit and / or wiring part of the individual image sensor elements are defined .
Sodann werden die beiden Halbleiter-Wafer durch die bekannten Verfahren zur vertikalen Integration miteinander verbunden. Derartige Verfahren sind beispielsweise aus den Deutschen Patentschriften DE 195 16 487 C1 und DE 198 13 239 C1 bekannt.Then the two semiconductor wafers by the known methods for vertical Integration connected. Such methods are for example from the German patents DE 195 16 487 C1 and DE 198 13 239 C1 are known.
Dabei wird der erste Halbleiter-Wafer 3 vorzugsweise mechanisch und/oder chemisch bis auf eine Dicke kleiner 20 µm gedünnt. Anschließend werden vertikale Kontaktlöcher vorzugsweise für im wesentlichen jeweils jedes Bildsensorelement tiefgeätzt, isoliert und mit einem elektrisch leitenden Material gefüllt. Anschließend wird der erste Halbleiter- Wafer 3 auf den zweiten Halbleiter-Wafer 4 mit elektronischen Schaltungen aufgebracht und beispielsweise durch eine Haftschicht (Polyimid) darauf befestigt. Durch Wiederholen dieser Verfahrensschritte können eine beliebige Anzahl von Halbleiter-Wafern aufeinander gestapelt werden. Beispielsweise können in der dritten oder darunterliegenden Ebene Schaltungsteile wie beispielsweise Signalverarbeitung, Signalbusse, AD-Umsetzer, Schnittstellen usw. angeordnet sein.The first semiconductor wafer 3 is preferably thinned mechanically and / or chemically to a thickness of less than 20 μm. Then vertical contact holes are preferably deep-etched for essentially each image sensor element, insulated and filled with an electrically conductive material. The first semiconductor wafer 3 is then applied to the second semiconductor wafer 4 using electronic circuits and is fastened thereon, for example, by means of an adhesive layer (polyimide). Any number of semiconductor wafers can be stacked on top of one another by repeating these method steps. For example, circuit parts such as signal processing, signal buses, AD converters, interfaces, etc. can be arranged in the third or lower level.
Die mit elektrisch leitendem Material gefüllten vertikalen Kontaktlöcher können im übrigen auch bereits bei Erzeugung der lichtempfindlichen Flächen in dem ersten Halbleiter-Wafer 3 bis zu einer bestimmten Tiefe hergestellt werden.The vertical contact holes filled with electrically conductive material can also be produced to a certain depth when the photosensitive surfaces are created in the first semiconductor wafer 3 .
Ebenso ist es möglich, daß eine Anschlußmetallisierung für die lichtempfindlichen Flächen auf der Rückseite des gedünnten ersten Halbleiter-Wafers 3 hergestellt wird (Rückseitenkontakt) und die vertikalen Kontaktlöcher in einem darunter liegenden Halbleiter-Wafer erzeugt werden. It is also possible that a connection metallization for the light-sensitive areas on the back of the thinned first semiconductor wafer 3 is produced (backside contact) and the vertical contact holes are produced in a semiconductor wafer underneath.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden elektronische Schaltungen, die zusammen ein APS-Bildsensorelement bilden, auf zwei oder mehr Lagen von Halbleiter-Chips verteilt. Im Gegensatz zur bisherigen Integrationstechnik, bei der die einzelnen Komponenten grundsätzlich in einer Ebene des Wafer liegen, erreicht man hier einen Schaltungsaufbau auch in der 3. Dimension. Dadurch wird eine deutliche Steigerung der Integrationsdichte erzielt.According to the present invention, electronic circuits that are together form an APS image sensor element, on two or more layers of semiconductor chips distributed. In contrast to the previous integration technology, in which the individual Components generally lie in one plane of the wafer, one is reached here Circuit structure also in the 3rd dimension. This will significantly increase the Integration density achieved.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die lichtempfindlichen Flächen des ersten Halbleiter-Wafers 3, wie in Fig. 3 gezeigt, im wesentlichen den gesamten Oberflächenbereich des sich ergebenden Bildsensors belegen. Dabei erstrecken sich die vertikalen Kontaktlöcher 5, die die einzelnen Komponenten innerhalb der verschiedenen Ebenen miteinander elektrisch leitend verbinden, direkt in die lichtempfindlichen Flächen hinein.According to the present invention, as shown in FIG. 3, the photosensitive surfaces of the first semiconductor wafer 3 can cover substantially the entire surface area of the resulting image sensor. The vertical contact holes 5 , which connect the individual components within the various levels in an electrically conductive manner, extend directly into the light-sensitive surfaces.
Alternativ können auch nicht lichtempfindliche Bereiche, beispielsweise Bereiche von Schaltungs- und/oder Verdrahtungsteil, auf der Oberfläche angeordnet sein, und die vertikalen Kontaktlöcher 5 erstrecken sich in die nicht lichtempfindlichen Bereiche hinein. Dabei sind nicht lichtempfindliche Bereiche und lichtempfindliche Flächen 1 der einzelnen Bildsensorelemente vorzugsweise schachbrettartig angeordnet, wie in Fig. 2 gezeigt. Es ist aber auch möglich, nicht lichtempfindliche Bereiche und lichtempfindliche Flächen 1 der einzelnen Bildsensorelemente auf einem nicht-quadratischen Gitter anzuordnen, beispielsweise um einen höheren optischen Füllfaktor zu erhalten.Alternatively, non-light-sensitive areas, for example areas of the circuit and / or wiring part, can also be arranged on the surface, and the vertical contact holes 5 extend into the non-light-sensitive areas. Non-light-sensitive areas and light-sensitive areas 1 of the individual image sensor elements are preferably arranged in a checkerboard manner, as shown in FIG. 2. However, it is also possible to arrange non-light-sensitive areas and light-sensitive areas 1 of the individual image sensor elements on a non-square grid, for example in order to obtain a higher optical fill factor.
Vorteilhaft bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung ist, daß im wesentlichen der gesamte Oberflächenbereich des Bildsensorelements mit lichtsensitiven Elementen belegt ist, so daß ein hoher Füllfaktor erzielt werden kann.It is advantageous in the arrangement shown in FIG. 3 that essentially the entire surface area of the image sensor element is covered with light-sensitive elements, so that a high fill factor can be achieved.
Vorteilhaft bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung ist, daß sich die Kontaktlöcher bis in den nicht lichtempfindlichen Bereich erstrecken und somit nicht die optimale achteckige Geometrie der Fotodiode stören.It is advantageous in the arrangement shown in FIG. 2 that the contact holes extend into the non-light-sensitive area and thus do not interfere with the optimal octagonal geometry of the photodiode.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung tritt auch der Vorteil auf, daß dadurch sehr kleine Bildsensorelemente realisiert werden können. Wenn die Kontaktlöcher im Querschnitt jeweils die gesamte nichtempfindliche Fläche des in Fig. 2 gezeigten Schachbrettmusters ausfüllen, so können die Fotodioden ebenfalls auf diese Größe reduziert werden, ohne daß sich die Gesamtgeometrie des Sensors und Füllfaktor ändern. Alle anderen Schaltungs- und Verdrahtungsteile des Bildsensorelements werden in die unteren Lagen verlegt. Bei der derzeit angewendeten Technologie ist es möglich, Kontaktlöcher mit einem Durchmesser von ca. 3 bis 4 µm herzustellen, so daß auch Bildsensorelemente mit einer Fläche von 4 × 4 µm2 oder kleiner verwendet werden können.The arrangement shown in FIG. 2 also has the advantage that very small image sensor elements can be realized as a result. If the contact holes in cross-section each fill the entire non-sensitive area of the checkerboard pattern shown in FIG. 2, the photodiodes can also be reduced to this size without the overall geometry of the sensor and fill factor changing. All other circuit and wiring parts of the image sensor element are laid in the lower layers. With the technology currently used, it is possible to produce contact holes with a diameter of approximately 3 to 4 μm, so that image sensor elements with an area of 4 × 4 μm 2 or smaller can also be used.
Kleine Bildsensorelemente sind dahingehend vorteilhaft, daß auf einer vorgegebenen Sensorfläche mehr Bildsensorelemente angeordnet werden können, wodurch die Auflösung erhöht werden kann. Normalerweise ist die Bildsensorfläche einerseits aus Kostengründen, andererseits wegen der flächenmäßigen Einschränkung durch die Objektive zur Ausleuchtung begrenzt. Bei einer kleinen Bildsensorelementgröße können jedoch mehr Bildsensorelemente angeordnet werden.Small image sensor elements are advantageous in that on a given Sensor area more image sensor elements can be arranged, making the Resolution can be increased. Normally, the image sensor surface is off on the one hand Cost reasons, on the other hand because of the area restriction by the Lenses limited for illumination. With a small image sensor element size, you can however, more image sensor elements can be arranged.
Heutzutage bewegen sich die Flächen der Bildsensorelemente im Bereich zwischen 5 × 5 µm2 bis 16 × 16 µm2.Today, the areas of the image sensor elements range between 5 × 5 µm 2 to 16 × 16 µm 2 .
Zur Herstellung des ersten Halbleiter-Wafers 3, in dem die lichtempfindlichen Flächen definiert sind, werden übliche Standardverfahren verwendet, wie sie den Fachleuten bekannt sind. Die lichtempfindlichen Flächen können beispielsweise durch Photodioden oder Phototransistoren realisiert sein.To produce the first semiconductor wafer 3 , in which the light-sensitive areas are defined, customary standard methods are used, as are known to those skilled in the art. The light-sensitive areas can be realized, for example, by photodiodes or phototransistors.
Werden die lichtempfindlichen Flächen durch Photodioden realisiert, so können die Elektroden zur Kontaktierung von p- bzw. n-Bereich beispielsweise auf einer Hauptfläche des ersten Halbleiter-Wafers 3 definiert werden. Ist diese Hauptfläche die Oberfläche des ersten Halbleiter-Wafers 3, so wird allerdings durch diese Elektroden die für den Lichtnachweis zur Verfügung stehende Oberfläche verringert.If the light-sensitive areas are realized by photodiodes, the electrodes for contacting the p- or n-area can be defined, for example, on a main area of the first semiconductor wafer 3 . If this main surface is the surface of the first semiconductor wafer 3 , the surface available for light detection is reduced by these electrodes.
Es ist aber auch bei einer anderen Geometrie der p- und n-Bereiche möglich, eine Elektrode als Rückseitenkontakt nach Dünnen des Wafers und die andere Elektrode als Ringelektrode auf der Oberfläche zu realisieren. Dies wäre beispielsweise bei dem in Fig. 3 gezeigten Bildsensor sinnvoll, da in diesem Fall die vertikalen Kontaktlöcher, die in einem darunterliegenden Halbleiter-Wafer definiert sind, bis an die jeweiligen rückseitigen Elektroden heranreichen und somit die optimale, beispielsweise achteckige Geometrie der Photodioden nicht stören. However, it is also possible with a different geometry of the p and n regions to implement one electrode as a rear-side contact after thinning the wafer and the other electrode as a ring electrode on the surface. This would be useful, for example, in the case of the image sensor shown in FIG. 3, since in this case the vertical contact holes, which are defined in a semiconductor wafer underneath, reach as far as the respective rear electrodes and thus do not interfere with the optimal, for example octagonal, geometry of the photodiodes .
Zusätzlich ist es bei der Herstellung der lichtempfindlichen Flächen auf der Oberfläche des ersten Halbleiter-Wafers 3 möglich, Farbfilter, insbesondere Mosaikfilter oberhalb der lichtempfindlichen Flächen zu definieren, um einen Farbbildsensor zu erhalten.In addition, when producing the light-sensitive areas on the surface of the first semiconductor wafer 3, it is possible to define color filters, in particular mosaic filters, above the light-sensitive areas in order to obtain a color image sensor.
Zur Herstellung des zweiten Halbleiter-Wafers 4, in dem Bereiche von Schaltungs- und/oder Verdrahtungsteil angeordnet sind, werden ebenfalls übliche Standardverfahren verwendet.Standard methods are also used to produce the second semiconductor wafer 4 , in which regions of the circuit and / or wiring part are arranged.
Insbesondere ist es möglich, in dem zweiten oder darunter liegenden Halbleiter-Wafer Komponenten zur Bildverarbeitung anzuordnen, so daß in dem sich ergebenden Bildsensor eine Bildverarbeitung auf dem Sensorchip möglich ist. Eine derartige Vorrichtung zur Bildverarbeitung kann einerseits lediglich die Daten des jeweiligen Bildelements verarbeiten oder aber auch die Daten benachbarter Bildelemente mit einbeziehen, beispielsweise bei der Interpolation von Bilddaten.In particular, it is possible in the second or underlying semiconductor wafer Arrange components for image processing so that in the resulting Image sensor image processing on the sensor chip is possible. Such Image processing device can on the one hand only the data of the respective Process picture elements or also the data of neighboring picture elements include, for example, in the interpolation of image data.
Wie vorstehend beschrieben, kann der erfindungsgemäße Bildsensor auf Wafer-Ebene zusammengefügt werden und anschließend in einzelne Chips, die jeweils die Bildsensoren enthalten, vereinzelt werden. Es ist aber auch möglich, einzelne Chips aufeinander zu setzen und somit einen einzelnen Bildsensor herzustellen.As described above, the image sensor according to the invention can be used at the wafer level are put together and then into individual chips, each of which Image sensors included, can be isolated. But it is also possible to use individual chips to put on top of each other and thus produce a single image sensor.
Claims (8)
einer lichtempfindlichen Fläche und
einem Schaltungsteil, der ferner einen
Verdrahtungsteil zum Verbinden des Schaltungsteils nach außen aufweist,
wobei die lichtempfindliche Fläche im Oberflächenbereich des Bildsensorelements angeordnet ist und Bereiche von Schaltungs- und/oder Verdrahtungsteil unterhalb der lichtempfindlichen Fläche angeordnet sind,
wobei das Bildsensorelement aus mehreren Lagen aufgebaut ist, die lichtempfindliche Fläche im Oberflächenbereich der obersten Lage angeordnet ist und die Bereiche von Schaltungs- und/oder Verdrahtungsteil jeweils in den Oberflächenbereichen der darunterliegenden Lagen angeordnet sind
dadurch gekennzeichnet, daß
die einzelnen Lagen Teile von Halbleiter-Wafern sind.1. Image sensor element with
a photosensitive surface and
a circuit part, which also a
Has wiring part for connecting the circuit part to the outside,
wherein the photosensitive surface is arranged in the surface region of the image sensor element and regions of the circuit and / or wiring part are arranged below the photosensitive surface,
wherein the image sensor element is made up of several layers, the light-sensitive surface is arranged in the surface region of the uppermost layer and the regions of the circuit and / or wiring part are each arranged in the surface regions of the layers below
characterized in that
the individual layers are parts of semiconductor wafers.
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2000125363 DE10025363A1 (en) | 2000-05-23 | 2000-05-23 | Image sensor element and image sensor |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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