Thin-Film-on-CMOS Technologie
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Thin-Film-on-CMOS Technologie Bildsensortechnologie für spezielle Anwendungen Die Thin-Film-on-CMOS(TFC)-Technologie ermöglicht die Herstellung vertikal integrierter Bildsensoren mit hohem Füllfaktor und speziell angepassten Sensoreigenschaften. Dazu werden Fotodetektoren auf der Basis amorphen Siliziums verwendet, die bei niedrigen Temperaturen auf die mikroelektronischen Ausleseschaltungen des Bildsensors aufgebracht werden. So kann die nach der eigentlichen CMOS-Fertigung in einem „Add-on-Prozess“ aufgebrachte Fotodiodenschicht speziell für die jeweils gewünschte Anwendung optimiert werden. Sie ist zudem wenig empfindlich für ionisierende Strahlung oder induzierte Gefügestörungen und bedeckt die Sensoroberfläche nahezu vollständig. Dr. Christine Harendt, H-G.Graf Institut für Mikroelektronik Stuttgart Allmandring 30 a 70569 Stuttgart Whitepaper Thin-Film-on-CMOS Technologie Inhalt 1 2 3 4 5 6 7 Einführung ........................................................................................................... 3 CMOS Bildsensoren ............................................................................................ 3 Die Abscheidung amorpher Siliziumfotodioden als Add-on Prozess ................... 4 Eigenschaften von TFC Fotodioden .................................................................... 5 Anwendungsbeispiele.......................................................................................... 7 Zusammenfassung und Ausblick......................................................................... 8 Literatur ............................................................................................................... 9 © 2009 IMS CHIPS 2 Whitepaper Thin-Film-on-CMOS Technologie 1 Einführung CMOS-Bildsensoren erobern seit einigen Jahren die Märkte auch in den vorher von den CCD-Sensoren dominierten Bereichen wie Konsumentenkameras. In den Feldern Automobiltechnik, Automatisierung und Medizintechnik sind sie bereits die vorherrschenden Sensorbausteine. Das gleiche gilt für den ständig wachsenden Bereich integrierter Bildsensoren mit kleinsten Baugrößen wie in Mobiltelefonen, Gründe für den Einsatz der CMOS-Technologie sind die Möglichkeit zur Integration intelligenter Schaltungen, die hohe Flexibilität bei Pixeladressierung und Signalverarbeitung und auch die Kosten pro Sensorbaustein. So ermöglicht die CMOS-Technologie als Basistechnik der IC-Industrie die Herstellung von Sensorchips in großen Stückzahlen zum Preis von wenigen € pro Chip. Zudem erlaubt die fortschreitende Strukturverkleinerung inzwischen auch für CMOS-Bildsensoren Pixelgrößen von wenigen µm und erreicht damit den von den CCDs beherrschten Bereich von Auflösung und Sensorgröße [1]. Eine grundsätzliche Einschränkung liegt jedoch in der zweidimensionalen Anordnung von fotoempfindlichem Element und Schaltung. Diese Konkurrenz um die Siliziumfläche führt dazu, dass in der Regel nur 30-50% der Oberfläche für Fotodioden verwendet werden können. Je komplexer und intelligenter die Schaltung am Pixel, desto weniger Platz bleibt für das lichtempfindliche Element. Auch der Einsatz intelligenter peripherer Schaltungen und neuartiger Pixelkonzepte wie beispielsweise die gemeinsame Nutzung von Transistoren (1,5-Transistor-Zelle) löst das Problem nur teilweise. Eine Erhöhung des sogenannten Füllfaktors, also des Anteils der lichtsensitiven Oberfläche, ist daher ein zentrales Anliegen der Bildsensorentwickler. Ein bereits vor Jahren demonstrierter [2] und jetzt umgesetzter Ansatz dazu ist die vertikale Anordnung von Schaltung und Fotodioden: Amorphe Siliziumfotodioden, die bei niedrigen Temperaturen nach der abgeschlossenen CMOS-Fertigung aufgebracht werden, ermöglichen Füllfaktoren von über 90%. HDRC 2 CMOS Bildsensoren Der prinzipielle Aufbau eines CMOS-Bildsensorpixels ist in Bild 1 dargestellt. Üblicherweise wird eine pn-Fotodiode aus einer der im CMOS-Prozess verfügbaren Diffusionen gebildet. Dies ist bereits eine der Einschränkungen für diese Bildsensoren, denn CMOS-Prozesse sind für die Transistoreigenschaften optimiert, nicht aber für minimierte Dunkelströme von Fotodioden. Zwar bieten die meisten Halbleiterfabriken inzwischen spezielle Prozessvarianten für Bildsensoren an, die gerade die Aspekte von Fotoempfindlichkeit und Diodenleckströmen verbessert haben, es ist jedoch ein Kompromiss gegensätzlicher Anforderungen nötig. So erfordert die Verringerung der Transistorstrukturgrößen eine weitere Reduktion der Diffusionstiefen, zudem werden die bei den Implantationen erzeugten Kristalldefekte bei den schnellen thermischen Aktivierungen oft nicht vollständig ausgeheilt. Defekte sind die Ursache für erhöhte Dunkelströme und damit geringere Empfindlichkeit der Dioden, die Tiefe der Diode bestimmt die Spektralempfindlichkeit. Neben der Diode werden in jedem Pixel Transistoren für die Signalerfassung und Adressierung, gegebenenfalls auch für weitere Funktionen benötigt. Die minimale Zahl von Transistoren pro Pixel ist drei, allerdings gibt es inzwischen Konzepte zur gemeinsamen Nutzung von Transistoren durch mehrere Pixel. © 2009 IMS CHIPS 3 Whitepaper Thin-Film-on-CMOS Technologie Wie in Bild 2 deutlich wird, ist die Fotodiode in der obersten Siliziumschicht von einer Reihe von Schichten bedeckt (im Bild schwarz). Diese isolierenden Lagen, in der Regel abgeschiedene Siliziumoxide, werden für die Trennung der verschiedenen (grau dargestellten) Metallisierungsebenen benötigt. In modernen Submikrometerprozessen sind meist 5-7 Metallebenen für die Verdrahtung erforderlich. Entsprechend ergibt sich für die dielektrischen Schichten auf der Fotodiode eine Dicke von 4-8 µm, die oft noch erheblich über den Siliziumwafer variiert, da die einzelnen Schichten mittels Polierprozessen planarisiert werden und sich die Variationen der Einzelprozesse addieren. Die optischen Eigenschaften dieser Dielektrika-Schichten sind nur begrenzt den Erfordernissen der Bildsensorik anpassbar. Der hochaufragende Stapel von Metalllagen bewirkt die Abschattung seitlich einfallender Strahlung und vermindert damit die Empfindlichkeit der Fotodiode. Seitlich einfallendes Licht kann aber in die optisch transparenten Oxidlagen einstrahlen und über Reflexion auf benachbarten Pixeln Signalbeiträge liefern (optisches Übersprechen). Eine Verbesserung ist durch Mikrolinsen erreichbar, die auf die oberste Lage aufgebracht werden und das Licht auf die Diode fokussieren. Diese Technik stellt jedoch erhöhte Anforderungen an die Abstimmung von Objektiv und Mikrolinsenarray. 3 Die Abscheidung amorpher Siliziumfotodioden als Add-on Prozess Die im Bild rechts gezeigte Anordnung der amorphen Siliziumfotodiode auf der Oberfläche des CMOS-Sensorbausteins erfordert dagegen keine Einschränkungen der Diodeneigenschaften aus Rücksicht auf die Erfordernisse der CMOS-Prozessierung. Die fotoempfindlichen Schichten werden in einem nachgeschalteten Zusatzprozess (Add-on) völlig unabhängig von der CMOS-Fertigung aufgebracht und strukturiert. Damit kann die CMOS-Technologie ohne spezielle Anpassung für Bildsensoranwendungen eingesetzt werden. Zudem steht die gesamte Pixelfläche für die Ausleseschaltung zur Verfügung. Bild 3 zeigt den Aufbau eines TFC-Sensorpixels. Für die TFC-Dioden wird pro Pixel ein Metallkontakt benötigt, der bereits vom CMOS-Hersteller geöffnet werden kann. Die Add-on-Prozesse, die nach der Auslieferung der Wafer in einer speziellen Fertigungslinie durchgeführt werden, umfassen die Strukturierung eines Metallkontakts pro Pixel sowie die Abscheidung und Strukturierung des amorphen Schichtsystems. Der Metallkontakt des Pixels definiert im Wesentlichen die fotoempfindliche Fläche des Pixels. Deshalb erfordert dieser Prozess eine relativ hohe Strukturauflösung (im Submikrometerbereich), damit die lateralen Metallabstände möglichst klein und damit der erreichbare Füllfaktor groß werden. Die Metalloberfläche bildet die Unterlage für das amorphe Diodenschichtsystem, das in den folgenden Niedertemperatur-Abscheideprozessen aufgebracht wird. Hydrogeniertes amorphes Silizium (a-Si:H) kann mittels Plasma-aktivierter CVD-Technik (Chemical Vapour Deposition) bei Temperaturen zwischen 100 und 150°C abgeschieden werden. Dieses Verfahren wird am Institut für Physikalische Elektronik der Universität Stuttgart seit Jahren beherrscht [3,4] und unter anderem auch für die Entwicklung von Solarzellen eingesetzt. Die geringe laterale Diffusion der in dieser Schicht fotogenerierten Ladungsträger von weniger als 0,5 µm erlaubt auch in unstrukturierten Schichten eine ortskonforme Ladungsdetektion durch die strukturierten Metallelektroden. Strukturen hoher Topographie, Stufen oder Kanten können negative Auswirkungen auf die Diodeneigenschaften, beispielsweise Leckströme oder die Querleitfähigkeit, © 2009 IMS CHIPS 4 Whitepaper Thin-Film-on-CMOS Technologie haben. Deshalb sind die in Bild 3 erkennbaren Kanten von Kontaktloch und Pixelkontakt verrundet. Für die TFC-Technologie ist der zuverlässige Anschluss an den Metallkontakt ein wichtiges Qualitätskriterium, entstandene Metalloxidschichten müssen durch geeignete Rückätzprozesse entfernt werden. Das Schichtsystem aus einer pdotierten, einer undotierten (intrinsischen) und einer n-dotierten a-Si:H Lage wird ohne Bruch des Vakuums abgeschieden. Zum Anschluss der oberen Diodenseite wird eine optisch transparente, leitfähige Schicht - hier Zinkoxid - aufgebracht. Alle Abscheidungen können bei Temperaturen weit unterhalb der für die CMOS-Substrate kritischen Temperatur von 400°C durchgeführt werden. Strukturiert wird das TFC-Schichtsystem durch einen Ätzprozess, wobei nur die Metallanschlusspads der CMOS-Chips freigelegt werden müssen. Die Pixelseparation wird durch den unteren Pixelkontakt erreicht; das Schichtsystem über dem Bildfeld bleibt also verbunden. Daher muss für den oberen Diodenanschluss lediglich ein Metallkontakt pro Bildsensor, beispielsweise eine ringförmige Aluminiumleitung, auf das transparente leitfähige Oxid aufgebracht werden. Damit sind die im Anschluss an die Abscheidung nötigen Strukturierungsprozesse mit relativ einfachen und kostengünstigen Techniken durchführbar. Die letzten Schritte des Prozesses sind die Abscheidung einer geeigneten Antireflexionsschicht sowie die Montage und der Test der Bildsensorbausteine, hier unterscheidet sich die Prozessfolge nicht von dem bei Standardbausteinen üblichen Vorgehen. 4 Eigenschaften von TFC Fotodioden Amorphe Siliziumfotodioden weisen eine Reihe von Eigenschaften auf, die sie von einkristallinen Siliziumdioden unterscheiden. So beträgt die Bandlücke von a-Si:H ungefähr 1,8 eV (1,1 eV für kristallines Silizium), kann aber durch Mischung mit Germanium oder Kohlenstoff verschoben werden [4]. Damit können Werte von Eg=1,0 eV bis zu Eg=2,1 eV realisiert werden. Das Spektralverhalten der Fotodiode kann also über die Dotierung der intrinsischen Schicht eingestellt damit der Anwendung entsprechend gewählt werden. Abbildung 1 macht deutlich, wie sich das Absorptionsverhalten der amorphen Siliziumschichten durch Kodotierung mit Germanium oder Kohlenstoff ändert. Auch die Schichtdicke der amorphen Fotodiode hat Einfluss auf die Quantenausbeute und das Spektralverhalten. © 2009 IMS CHIPS 5 Whitepaper Thin-Film-on-CMOS Technologie Zusammensetzung des a-Si:H mit Germanium mit Kohlenstoff Schichtdicke 1 µm auf Glas Abbildung 1 Dünne Schichten amorphen Siliziums mit Ge oder C-Dotierung verschiedener Konzentration auf einem Glassubstrat (M-Schubert, ipe, Univ. Stuttgart) Spectral Sensitivity TFC vs. Bulk CMOS 0,5 TFC 1.5 µm NIP TFC 0.8 µm PIN 0.25µm Bulk CMOS Spectral Sensitivity [A/W] 0,4 0,3 0,2 0,1 0 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 Wavelength [nm] Abbildung 2 Spektralempfindlichkeit von TFC-Dioden im Vergleich mit Silizium (0,25µm CMOS) Im Vergleich zu den Spektraleigenschaften der kristallinen Siliziumfotodiode liegt das Absorptionsmaximum der für den Endoskopsensor gewählten TFC-Schicht bei niedrigeren Wellenlängen (S. Abbildung 2). Aufgrund der geringen Schichtdicke der amorphen Diode gibt es keine Spektralempfindlichkeit im infraroten Bereich. © 2009 IMS CHIPS 6 Whitepaper Thin-Film-on-CMOS Technologie Die Strom-Spannungs-Charakteristik der amorphen Siliziumdioden (Abbildung 3) zeigt für den unbeleuchteten Fall einen Dunkelstrom < 10-9 Acm-2 und damit eine gute Empfindlichkeit für kleine Beleuchtungen. Der hohe Dynamikumfang erlaubt die Aufnahme von Szenen mit großen Helligkeitsunterschieden. Abbildung 3 Kennlinien amorpher Siliziumfotodioden mit und ohne Beleuchtung ((M- Schubert, ipe, Univ. Stuttgart) 5 Anwendungsbeispiele Die Kombination von Dünnschicht- und CMOS-Technologie erlaubt unter anderem die Fertigung von Bildsensoren mit sehr kleinen Pixeln, wie sie beispielsweise in der Endoskopie benötigt werden. Im Rahmen des europäischen Verbundprojekts Intracorporeal Videoprobe (IVP) wurden Kamerachips für endoskopische Anwendungen hergestellt. Ein Mini-Endoskop mit einem Außendurchmesser von 3,5 mm trägt an seiner Spitze einen Bildsensor mit ca. 40.000 Bildpunkten (s. Abbildung 4). Solche Chips können in großen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden und erlauben somit auch die Fertigung von Einweg-Endoskopen. © 2009 IMS CHIPS 7 Whitepaper Thin-Film-on-CMOS Technologie Abbildung 4 Bildsensor für den Einsatz im Mini-Endoskop im Vergleich mit einer Münze IVP Ein anderes Anwendungsbeispiel ist die Raumfahrttechnik. Bildsensoren für die Lageregelung in Satelliten müssen hohe Anforderungen erfüllen. Die gewünschte SubPixel-genaue Interpolation der Lage von Sternbildern erfordert einen Sensor mit hohem Füllfaktor der fotoempfindlichen Flächen und damit guter Fotoempfindlichkeit. Sie müssen zudem unempfindlich gegenüber ionisierender Strahlung sein. Auch hier sind amorphe Siliziumfotodioden den im Siliziumsubstrat integrierten überlegen. Dies konnte bei der Entwicklung eines speziellen Bildsensors im BMBF-Verbundprojekt APS Sternsensor nachgewiesen werden. APS 6 Zusammenfassung und Ausblick Die Ergebnisse zeigen, dass die TFC-Technologie als Add-on-Prozess zu StandardCMOS-Prozessen in der Lage ist, mit Hilfe wenigen Zusatzschritten Bildsensoren herzustellen, die speziell an die jeweiligen Anforderungen angepasst sind. So kann das Spektralverhalten der Sensoren eingestellt, der Füllfaktor erhöht und eine verbesserte Strahlungsfestigkeit erreicht werden. Diese Technik bietet damit viele Vorteile für den Bereich von Spezialsensoren. © 2009 IMS CHIPS 8 Whitepaper Thin-Film-on-CMOS Technologie 7 Literatur [1] E. Fossum, CMOS image sensors: Electronic camera-on-a-chip, IEEE Transact. Electron Devices 44, 1689 (1997) [2] H. Fischer, J. Schulte, J. Giehl, M. Böhm, and J. P. M. Schmitt, Thin film on ASIC, a novel concept for intelligent image sensors, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 258, 1139 (1992) [3] T. Neidlinger, C. Harendt, J. Glöckner, M. B. Schubert, Novel device concept for voltage-bias controlled color detection in amorphous silicon based CMOS cameras, Mat. Res. Soc. Symp Proceed. 558, 285 (1999) [4] T. Neidlinger, M.B. Schubert, G. Schmid, H. Brummack, Fast Color Detection with Two-Terminal P-I-I-N Devices, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 420, 147 (1996) [5] Abschlussbericht BMBF-Projekt 50JR0242 APS für Sternsensor (2006) [6] C. Harendt, K.-M.Irion, Miniature HDRC Cameras for Endoscopy, in: B. Hoefflinger (Ed.), High-Dynamic-Range (HDR) Vision, Springer Series in Advanced Microelectronics 26, Springer Verlag (2007) ,pp. 137-1139 [7] http://ivp.ims-chips.de/start.html [8] A. Arena et al., Intracorporeal Videoprobe ( IVP), in: Bos , S. Laxminarayan, A. Marsh (eds), Medical and Care Compunetics 2, IOS Press London, 2005, Volume, pp. 167174 © 2009 IMS CHIPS 9 Whitepaper Thin-Film-on-CMOS Technologie Institut für Mikroelektronik Stuttgart Allmandring 30a, 70569 Stuttgart Tel.: +49 711 21855-0 Fax: +49 711 21855-111 [email protected] www.ims-chips.de © 2009 IMS CHIPS 143/WP/10_09 10
