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CMOS-Bildsensoren

Neue CMOS-Bildsensoren erweitern Einsatzmöglichkeiten

| Redakteur: Marc Platthaus

Abb.1: Bildsensor mit eingezeichneten funktionalen Strukturen. (Bild: Fraunhofer IMS)
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Abb.1: Bildsensor mit eingezeichneten funktionalen Strukturen. (Bild: Fraunhofer IMS)

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Eine Silizium-Nitrid-Schutzschicht, die transparent für UV-Strahlung ist, erweitert die Einsatzmöglichkeiten von CMOS-Bildsensoren. So können sie beispielsweise in der Bioanalytik aber auch bei der Kontrolle von Autolacken eingesetzt werden.

CMOS-Bildsensoren (CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor) haben in den letzten Jahren einen großen Marktanteil für herkömmliche Bildgebungs-Anwendungen erreicht. Bei CMOS-Bildsensoren werden photoaktive Bereiche durch die Implantation von Ionen in ein Silizium-Substrat erzeugt. In diesen photoaktiven Bereichen werden die von einfallenden Photonen erzeugten Elektronen gesammelt und können als elektrisches Signal ausgelesen werden. Im Gegensatz zu Charge Coupled Devices (CCDs) können bei CMOS-Bildsensoren auch Schaltungen direkt in jedem Pixel untergebracht werden, was komplexe Sig- nalaufbereitung auf demselben integrierten Schaltkreis ermöglicht. Zudem weisen CMOS-Bildsensoren die nachteiligen Effekte von CCD-Sensoren wie Smear und Blooming nicht auf. Neben den eigentlichen photoaktiven Pixeln sind in CMOS-Bildsensoren auch immer Schaltungen für die Ansteuerung der Pixel integriert, die sich in der Umgebung der Pixel auf dem gleichen Silizium-Substrat befinden (s. Abb. 1).

Neben den photoaktiven Silizium-Bereichen werden bei CMOS-Bildsensoren zur Verdrahtung der Schaltungen mehrere Lagen Metall aufgebracht und durch Silizium-Oxide voneinander und vom Silizium isoliert. Zum Schutz der Schaltungen vor mechanischen Einflüssen und der Diffusion von Ionen und Feuchtigkeit sind CMOS-Schaltungen außerdem durch eine Schicht aus Silizium-Nitrid abgedeckt, die auch als Passivierung bezeichnet wird. Ein Querschnitt eines Pixels ist in Abb. 2 dargestellt. Standardmäßig verwendete Silizium-Nitrid-Passivierungen zeigen jedoch eine hohe Absorption von UV-Strahlung, was den Einsatz von CMOS-Bildsensoren für Anwendungen in diesem Spektralbereich verhindert.

Möglichkeiten der Silizium-Nitrid-Passivierung

Die Abscheidung von Silizium-Nitrid-Passivierungen erfolgt durch das so genannte PE-CVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Bei diesem Verfahren wird der Wafer in eine Reaktionskammer gebracht und unter der Zuleitung verschiedener Reaktionsgase eine Gasentladung gezündet. Dadurch bildet sich eine Schicht des gewünschten Materials auf dem Wafer. Die abgeschiedene Schicht ist jedoch kein kristallines Si3N4 sondern eine amorphe Schicht, deren Stöchiometrie nicht der kristallinen entspricht, sondern durch einen höheren Anteil von Silizium-Atomen gekennzeichnet ist.

Da es sich um eine amorphe Schicht handelt, deren Stöchiometrie zwischen der von reinem Silizium und der von Si3N4 liegt, befindet sich auch die Bandlücke der resultierenden Schicht zwischen den beiden Materialien. Die Bandlücke von Si3N4 ist dabei wesentlich größer als die von reinem Silizium. Die Bandlücke bestimmt auch die Energie, die ein Photon benötigt, um ein Elektron anzuregen und damit von der Schicht absorbiert zu werden.

Bei der Entwicklung der herkömmlichen Silizium-Nitrid-Passivierung für CMOS-Bauteile, die keine speziell für den UV-Bereich verwendeten optischen Detektoren enthalten, werden ausschließlich deren Schutzeigenschaften berücksichtigt, aber nicht deren Transmission bei kleinen Wellenlängen. In der Regel endet die Durchlässigkeit bei den in der Halbleitertechnik üblichen Passivierungsschichten bei einer Wellenlänge von etwa 400 bis 500 nm, also im kurzwelligen Bereich des sichtbaren Lichts, sodass bereits der blaue und violette Spektralbereich geschwächt werden.

Aus dem physikalischen Verständnis der UV-Absorption der Silizium-Nitrid-Passivierung wird schnell der eingeschlagene Weg klar: Gelingt es, den Stickstoff-Anteil in der Schicht zu erhöhen, so vergrößert sich die Bandlücke und die Absorption von Photonen beginnt erst ab einer höheren Energie und damit kleineren Wellenlänge. Durch geeignete Abscheidebedingungen ist es gelungen, die Absorptionskante der Schicht von etwa 450 nm auf etwa 250 nm zu verschieben (s. Abb. 3). Bereits bei der Entwicklung der Passivierung wurden die Anforderungen an die Schutzwirkung und Zuverlässigkeit mit berücksichtigt. Daher konnten die Schutz- eigenschaften der ursprünglichen Passivierung erhalten werden. In zahlreichen Tests hat die neue Passivierung ihre Eignung bewiesen. So wurden keine Unterschiede in der elektrischen Zuverlässigkeit nach Temperatur und Feuchtigkeits-Stresstests gefunden und auch chemische Dichtigkeitstests und Ätzraten-Bestimmungen lieferten keine Verschlechterung der neuen Passivierung im Vergleich zur ursprünglichen Version. Dies ist wichtig, um den zuverlässigen Betrieb des Bildsensors über lange Zeit zu gewährleisten.

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