Способы формирования противоотражающих структур для датчиков изображения на основе кмоп-технологии

Способы формирования противоотражающих структур для датчиков изображения на основе кмоп-технологии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Родственные заявки

Настоящая заявка является родственной находящейся одновременно на рассмотрении патентной заявке US 12/120413 (номер поверенного BUR920070255US1).

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к полупроводниковым структурам, более точно, к способам изготовления противоотражающих структур для датчиков изображения на основе комплементарных металло-оксидных полупроводников.

Предпосылки создания изобретения

Датчик изображения преобразует видимое изображение в цифровые данные, которые могут быть представлены в изобразительной форме. Датчик изображения имеет массив элементов изображения (пикселов), которые являются единичными устройствами для преобразования видимого изображения в цифровые данные. Датчики изображения применяются в цифровых камерах и устройствах оптического формирования изображений. Датчики изображения включают приборы с зарядовой связью (ПЗС) или датчики изображения на основе комплементарных металло-оксидных полупроводников (КМОП).

Хотя КМОП-датчики изображения разработаны относительно недавно по сравнению с ПЗС, преимуществом КМОП-датчиков изображения является меньшее потребление энергии, меньшие размеры и более быстрая обработка данных, чем у ПЗС, а также прямой цифровой выход, что отсутствует у ПЗС. Кроме того, КМОП-датчики изображения являются менее дорогостоящими в изготовлении, чем ПЗС, поскольку для изготовления КМОП-датчиков изображения могут применяться многие стандартные технологии производства полупроводников. По этим причинам в последнее время промышленное применение КМОП-датчиков устойчиво растет.

Единичная ячейка КМОП-датчика изображения имеет область пикселов и логическую область. Область пикселов обычно содержит по одному активному пикселу каждого типа, например, пиксел передачи красного цвета, имеющий первый фотодиод под красным светофильтром, пиксел передачи зеленого цвета, имеющий второй фотодиод под зеленым светофильтром, и пиксел передачи синего цвета, имеющий третий фотодиод под синим светофильтром. Область пикселов также может содержать темновой пиксел, который покрыт непрозрачным слоем, таким как экранирующая бленда из алюминия, и применяется для измерения фонового выходного уровня в отсутствии освещения с тем, чтобы можно было соотнести и калибровать выход других пикселов. Использование темнового пиксела описано в патенте US 6750912, выданном на имя Tennant и др., содержание которого в порядке ссылки включено в настоящую заявку.

Под действием света каждый фотодиод генерирует заряды. Логические устройства, соединенные с фотодиодом, обнаруживают и усиливают заряды, чтобы генерировать сигналы, пропорциональные падающему свету. Каждый пиксел содержит по меньшей мере один фотодиод для преобразования падающих фотонов в электрические заряды. Поскольку площадь фотодиода меньше площади каждого пиксела, над каждым фотодиодом помещают выпуклую сверху и плоскую снизу линзу, т.е. оптическую линзу, имеющую выпуклую поверхность сверху и преимущественно плоскую поверхность снизу, с тем, чтобы фотоны, падающие на выпуклую сверху и плоскую снизу линзу, фокусировались на расположенном под ней фотодиоде. Между выпуклой сверху и плоской снизу линзой и фотодиодами обычно помещают цветной светофильтр, чтобы придать каждому пикселу цветовую чувствительность, т.е. способность реагировать на фотоны в пределах определенного диапазона длин волн. Таким образом, выпуклая сверху и плоская снизу линза обеспечивает большой радиус фокусировки света по площади фотодиодов.

Эффективность каждого пиксела зависит от количества света, проходящего по пути световых лучей, а также от качества фокусирования пропускаемого света расположенной над ним системой линз. С целью обеспечения более эффективного фокусирования световых лучей, падающих на наружную поверхность области пикселов полупроводниковой интегральной схемы, в системах линз применяются многие технологические достижения, такие как система составных линз с множеством линз на пути световых лучей. Прохождение света по пути световых лучей доводят до максимума путем использования нескольких оптических интерфейсов на пути световых лучей, а также применения материала, обеспечивающего минимально возможное различие на каждом оптическом интерфейсе. Во многих случаях, чтобы улучшить пропускание света из полупроводника устраняют излишние оптические интерфейсы. В некоторых случаях оптические интерфейсы устраняют, даже несмотря на отрицательные последствия, такие как ухудшение характеристик управления процессом или его надежности. Например, в верхних слоях диэлектрика в пределах области пикселов выполняют отверстия, несмотря на ухудшение защиты нижележащих металлических токопроводящих дорожек (или) ухудшение постоянства и топографии процесса в расположенных на ними структурах металлических межсоединений.

Несмотря на такие структурные изменения, вносимые в структуру пикселов, сохраняются значительные светопотери вследствие отражения на оптическом пути, что является фактором, ограничивающим эффективность структур пикселов датчика изображения.

В связи с вышеизложенным, существует потребность в структуре, уменьшающей отражение света на оптическом пути пиксела КМОП-датчика изображения и тем самым увеличивающей пропускание света к фотодиоду и повышающей общий коэффициент полезного действия пиксела датчика изображения, а также в способах изготовления такой структуры.

Краткое изложение сущности изобретения

Указанные выше задачи решены в настоящем изобретении с помощью противоотражающих структур, которые содержат "структуры типа глаз мотылька" или наноразмерные выпуклости меньшего размера, чем длина волны света, на обнаружение которого рассчитан КМОП-датчик изображения, и которые имеют область плавно изменяющегося показателя преломления между двумя материалами с различными показателями преломления и тем самым уменьшают отражение на оптическом интерфейсе, а также с помощью способов изготовления таких структур.

Согласно настоящему изобретению выпуклости меньшего вертикального и горизонтального размера, чем диапазон длин волн света, обнаруживаемого фотодиодом, выполнены на оптическом интерфейсе между двумя слоями с различными показателями преломления и находятся на оптическом пути света, падающего на фотодиод. Выпуклости могут быть выполнены за счет использования самособирающихся блок-сополимеров, которые образуют массив сублитографических элементов рельефа из первой составляющей блок-сополимера, находящихся внутри матрицы из второй составляющей блок-сополимера. Структуру составляющей блок-сополимера переносят на первый оптический слой, чтобы сформировать массив наноразмерных выступов. В качестве альтернативы, для создания выпуклостей размером менее длины волны света может применяться обычная литография. Непосредственно на выпуклостях первого оптического слоя формируют второй оптический слой. На границе раздела первого и второго оптических слоев показатель преломления плавно изменяется, что обеспечивает высокое пропускание света с низким отражением.

Согласно одной из особенностей изобретения предложен способ формирования полупроводниковой структуры, в котором:

используют подложку со структурой "полупроводник на диэлектрике" (ПНД или SOI, от английского-semiconductor-on-insulator), содержащую полупроводниковый слой, утопленный изоляционный слой и несущую подожку,

формируют фотодиод на верхней поверхности полупроводникового слоя,

удаляют несущую подожку и обнажают нижнюю поверхность утопленного изоляционного слоя и

формируют массив выпуклостей на нижней поверхности утопленного изоляционного слоя, при этом верхняя поверхность утопленного изоляционного слоя примыкает к нижней поверхности полупроводникового слоя.

Шаг выпуклостей может составлять менее 270 нм. Шаг может иметь сублитографический размер. Массив выпуклостей согласно настоящему изобретению может иметь форму правильного шестиугольника, но не ограничен формой правильного шестиугольника. Способ может дополнительно включать формирование слоя металлических межсоединений на верхней поверхности полупроводникового слоя. Массив выпуклостей может иметь поверхность раздела с окружающим воздушным или вакуумным пространством.

Массив выпуклостей может иметь гексагональную симметрию, при которой поверхности имеют постоянную вогнутую кривизну. Массив выпуклостей имеет форму блочной матрицы с массивом углублений в ней, при этом каждое углубление имеет форму перевернутого кругового конуса.

Полупроводниковый слой может содержать кремний, а изоляционный слой может содержать окись кремния, при этом общая высота изоляционного слоя, включая массив выпуклостей, может составлять от около 100 нм до около 2000 нм.

Способ может дополнительно включать стадии, на которых:

наносят фоторезист на нижнюю поверхность утопленного изоляционного слоя,

в фоторезисте литографическим методом формируют рисунок и

путем травления переносят сформированный в фоторезисте рисунок на утопленный изоляционный слой, чтобы сформировать массив выпуклостей.

Согласно другой особенности настоящего изобретения предложен другой способ формирования полупроводниковой структуры, в котором:

формируют фотодиод в полупроводниковом слое,

формируют транзистор на полупроводниковом слое, исток которого выполнен за одно целое с фотодиодом,

формируют диэлектрический слой уровня межсоединений, у которого металлическая токопроводящая дорожка внедрена в полупроводниковый слой и

формируют содержащий выпуклости диэлектрический участок непосредственно на диэлектрическом слое уровня межсоединений, при этом содержащий выпуклости диэлектрический участок содержит массив выпуклостей.

Способ может дополнительно включать стадии, на которых формируют оптическую линзу, рассчитанную на фокусирование света на фотодиоде. Шаг массива выпуклостей может составлять менее 270 нм. Шаг может иметь сублитографический размер. Массив может представлять собой правильный шестиугольник. Каждая из выпуклостей может иметь форму конуса, площадь поперечного сечения которого монотонно уменьшается в зависимости от расстояния по вертикали от основания конуса. Массив выпуклостей может иметь гексагональную симметрию, при которой поверхности имеют постоянную вогнутую кривизну. Массив выпуклостей имеет форму блочной матрицы с массивом углублений в ней, при этом каждое углубление имеет форму перевернутого кругового конуса. Содержащий выпуклости диэлектрический участок может содержать нитрид кремния, а диэлектрический слой уровня межсоединений содержит окись кремния.

Способ может дополнительно включать стадии, на которых формируют логическую область и область пикселов на полупроводниковой подложке, содержащей полупроводниковый слой, при этом логическая область имеет плоский диэлектрический участок, а область пикселов имеет содержащий выпуклости диэлектрический участок. Высота конуса может составлять от около 40 нм до около 480 нм, а первая толщина может составлять от около 50 нм до около 600 нм.

Матрица полимерных блоков может содержать первую составляющую блок-сополимера, а цилиндрические полимерные блоки - вторую составляющую блок-сополимера.

Способ может дополнительно включать стадии, на которых:

формируют диэлектрический слой непосредственно на диэлектрическом слое уровня межсоединений,

наносят фоторезист на диэлектрический слой,

в фоторезисте литографическим методом формируют рисунок и

путем травления переносят сформированный в фоторезисте рисунок на диэлектрический слой, чтобы сформировать массив выпуклостей на участке диэлектрического слоя, которым является содержащий выпуклости диэлектрический участок.

Согласно еще одной из особенностей настоящего изобретения предложен еще один способ формирования полупроводниковой структуры, в котором:

формируют фотодиод в полупроводниковом слое,

формируют транзистор на полупроводниковом слое, исток которого выполнен за одно целое с фотодиодом, и

формируют диэлектрический слой над фотодиодом, при этом диэлектрический слой окружает по бокам и перекрывает управляющий электрод транзистора и имеет содержащий выпуклости диэлектрический участок, который перекрывает фотодиод и содержит массив выпуклостей.

Способ может дополнительно включать стадии, на которых формируют промежуточный диэлектрический слой непосредственно на фотодиоде и управляющем электроде, при этом диэлектрический слой формируют непосредственно на промежуточном диэлектрическом слое. Диэлектрический слой может содержать первый материал из нитрида кремния, а промежуточный диэлектрический слой содержит второй материал из нитрида кремния. Диэлектрический слой может содержать нитрид кремния, а промежуточный диэлектрический слой может содержать окись кремния. Диэлектрический слой может быть сформирован непосредственно на фотодиоде и управляющем электроде.

Шаг массива выпуклостей может составлять менее 270 нм. Шаг может иметь сублитографический размер. Массив может представлять собой правильный шестиугольник. Каждая из выпуклостей может иметь форму конуса, площадь поперечного сечения которого монотонно уменьшается в зависимости от расстояния по вертикали от основания конуса. Массив выпуклостей может иметь гексагональную симметрию, при которой поверхности имеют постоянную вогнутую кривизну. Массив выпуклостей имеет форму блочной матрицы с массивом углублений в ней, при этом каждое углубление имеет форму перевернутого кругового конуса.

Высота конуса может составлять от около 40 нм до около 480 нм, а первая толщина может составлять от около 50 нм до около 600 нм.

Матрица полимерных блоков может представлять собой первую составляющую блок-сополимера, а цилиндрические полимерные блоки могут представлять собой вторую составляющую блок-сополимера.

Способ может дополнительно включать стадии, на которых:

наносят фоторезист на диэлектрический слой,

в фоторезисте литографическим методом формируют рисунок и

путем травления переносят сформированный в фоторезисте рисунок на диэлектрический слой, чтобы сформировать массив выпуклостей на участке диэлектрического слоя, которым является содержащий выпуклости диэлектрический участок.

Согласно еще одной из особенностей настоящего изобретения, предложен еще один способ формирования полупроводниковой структуры, в котором:

формируют фотодиод в полупроводниковом слое,

формируют слой диэлектрического материала, содержащий линзу, расположенную над фотодиодом на оптическом пути фотодиода,

непосредственно на слое диэлектрического материала формируют содержащий выпуклости диэлектрический участок, который представляет собой массив выпуклостей, пропускающий свет к фотодиоду.

Способ может дополнительно включать стадии, на которых формируют транзистор на полупроводниковом слое, исток которого выполнен за одно целое с фотодиодом. Способ может дополнительно включать стадии, на которых формируют диэлектрический слой уровня межсоединений, у которого металлическая токопроводящая дорожка внедрена в полупроводниковый слой.

Линза может содержать материал с более высоким показателем преломления, чем у слоя диэлектрического материала. Линзой может являться выпуклая сверху и плоская снизу линзу, примыкающая по вертикали к нижней поверхности содержащего выпуклости диэлектрического участка. В качестве альтернативы, линзой может являться выпуклая сверху и плоская снизу линза, которая внедрена в слой диэлектрического материала, отделена от содержащего выпуклости диэлектрического участка и расположена под ним.

Содержащий выпуклости диэлектрический участок может иметь поверхность раздела с окружающим воздушным или вакуумным пространством.

Шаг массива выпуклостей может составлять менее 270 нм. Шаг может иметь сублитографический размер.

Массив может представлять собой правильный шестиугольник. Каждая из выпуклостей может иметь форму конуса, площадь поперечного сечения которого монотонно уменьшается в зависимости от расстояния по вертикали от основания конуса. Массив выпуклостей необязательно может иметь гексагональную симметрию, при которой поверхности имеют постоянную вогнутую кривизну. Массив выпуклостей имеет форму блочной матрицы с массивом углублений в ней, при этом каждое углубление имеет форму перевернутого кругового конуса.

Способ может дополнительно включать стадии, на которых:

формируют контактную площадку на металлическом контактном участке до формирования слоя диэлектрического материала и

удаляют слой диэлектрического материала на металлическом контактном участке и обнажают верхнюю поверхность контактной площадки.

Содержащий выпуклости диэлектрический участок может содержать акрилат, метакрилат, эпоксиакрилат, полиимид или их сочетание, но без ограничения перечисленными материалами.

Полупроводниковая структура может содержать логическую область и область пикселов, при этом логическая область имеет плоский диэлектрический участок, а область пикселов имеет содержащий выпуклости диэлектрический участок. Полупроводниковая структура может дополнительно содержать металлический контактный участок, на котором обнажена металлическая контактная площадка, расположенная в диэлектрическом слое уровня межсоединений, при этом на упомянутом металлическом контактном участке отсутствует плоский диэлектрический участок и содержащий выпуклости диэлектрический участок.

Высота конуса может составлять от около 40 нм до около 480 нм, а первая толщина может составлять от около 50 нм до около 600 нм.

Матрица полимерных блоков может представлять собой первую составляющую блок-сополимера, а цилиндрические полимерные блоки представляют собой вторую составляющую блок-сополимера.

Способ может дополнительно включать стадии, на которых:

непосредственно на слое диэлектрического материала формируют диэлектрический слой,

наносят фоторезист на диэлектрический слой, в фоторезисте литографическим методом формируют рисунок и путем травления переносят сформированный в фоторезисте рисунок на диэлектрический слой, чтобы сформировать массив выпуклостей на участке диэлектрического слоя, которым является содержащий выпуклости диэлектрический участок.

Согласно еще одной из особенностей настоящего изобретения предложен еще один способ формирования полупроводниковой структуры, в котором:

формируют полупроводниковую интегральную схему и

помещают полупроводниковую интегральную схему путем капсулирования в корпус, который имеет оптически прозрачное окно, содержащее первый массив выпуклостей на передней поверхности и второй массив выпуклостей на задней поверхности.

Шаг первого массива выпуклостей может составлять менее 270 нм, а шаг второго массива выпуклостей может составлять менее 270 нм. Шаг первого массива выпуклостей и шаг второго массива выпуклостей могут иметь сублитографические размеры. По меньшей мере первый массив или второй массив может представлять собой правильный шестиугольник.

Массив выпуклостей может иметь гексагональную симметрию, при которой поверхности имеют постоянную вогнутую кривизну. Массив выпуклостей имеет форму блочной матрицы с массивом углублений в ней, при этом каждое углубление имеет форму перевернутого кругового конуса.

Оптически прозрачное окно может содержать окись кремния или окись алюминия, а высота каждого из массивов, включающих первый и второй массивы выпуклостей, может составлять от около 40 нм до около 480 нм. Полупроводниковая интегральная схема может содержать по меньшей мере один фотодиод.

Матрица полимерных блоков может представлять собой первую составляющую блок-сополимера, а цилиндрические полимерные блоки могут представлять собой вторую составляющую блок-сополимера.

Краткое описание чертежей

На фиг.1А показан вертикальный вид в поперечном разрезе одного из примеров массива выпуклостей согласно настоящему изобретению. На фиг.1Б показана диаграмма зависимости эффективного показателя преломления от расстояния по вертикали для массива выпуклостей согласно примеру, показанному на фиг.1А. На фиг.1 В схематически представлена длина волны света, падающего на массив выпуклостей согласно примеру, показанному на фиг.1А. На фиг.1Г показан вид сверху вниз примера массива шестиугольных конических выпуклостей. На фиг.1Д и 1Е показаны горизонтальные виды в поперечном разрезе примера массива выпуклостей в плоскости Е-Е' и F-F', соответственно. Плоскость А-А' на фиг.1Г-1Е соответствует плоскости вертикального вида в поперечном разрезе на фиг.1А. На фиг.1Ж-1И показаны альтернативные вертикальные виды в поперечном разрезе примера массива выпуклостей.

На фиг.2 показана диаграмма минимальной длины волны при высоком пропускании с использованием массива выпуклостей согласно настоящему изобретению для границы раздела воздух - нитрид кремния и границы раздела воздух - окись кремния.

На фиг.3-5, 6 и 7 показаны последовательные вертикальные виды в поперечном разрезе первого примера полупроводниковой структуры согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.5А и 6А показаны виды сверху вниз участка первого примера полупроводниковой структуры на стадии обработки, соответствующей фиг.5 и фиг.6, соответственно. На фиг.6В показан вертикальный вид в поперечном разрезе полупроводниковой структуры согласно одной из разновидностей первого примера. На фиг.6В показаны виды сверху вниз участка полупроводниковой структуры согласно одной из разновидностей первого примера на стадии обработки, соответствующей фиг.6В.

На фиг.8 показан вертикальный вид в поперечном разрезе второго примера полупроводниковой структуры согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.9-14 и 15 показаны последовательные вертикальные виды в поперечном разрезе одного из примеров структуры металлических межсоединений уровня, которая может применяться для формирования полупроводниковой структуры согласно второму примеру, проиллюстрированному на фиг.8. На фиг.14А показан вертикальный вид в поперечном разрезе одной из разновидностей примера структуры металлических межсоединений уровня М2.

На фиг.16-21 и 22 показаны последовательные вертикальные виды в поперечном разрезе третьего примера полупроводниковой структуры на различных стадиях изготовления согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.21А показана первая разновидность третьего примера полупроводниковой структуры. На фиг.22А показа вторая разновидность третьего примера полупроводниковой структуры.

На фиг.23-27 и 28 показаны последовательные вертикальные виды в поперечном разрезе четвертого примера полупроводниковой структуры на различных стадиях изготовления согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.27А показана первая разновидность четвертого примера полупроводниковой структуры. На фиг.28А показана вторая разновидность четвертого примера полупроводниковой структуры.

На фиг.29 показан вертикальный вид в поперечном разрезе пятого примера полупроводниковой структуры согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.30 показан увеличенный вид пятого примера полупроводниковой структуры. На фиг.31-33, 34, 35 и 36 показаны последовательные вертикальные виды в поперечном разрезе оптически прозрачного окна 100 согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.33А показана первая разновидность пятого варианта осуществления. На фиг.35А показана вторая разновидность пятого вариант осуществления.

На фиг.37 показана блок-схема процесса конструирования, используемого для конструирования и изготовления полупроводников согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Как указано выше, настоящее изобретение относится к способам изготовления противоотражающих структур для датчиков изображения на основе комплементарных металло-оксидных полупроводников, которые будут подробно описаны далее со ссылкой на сопровождающие изобретение чертежи. Следует отметить, что одинаковые и сходные элементы обозначены на чертежах одинаковыми позициями.

О противоотражающих свойствах фасетных хрусталиков глаза у мотыльков впервые сообщается в работе С.G. Bernhard "Structural and functional adaptation in a visual system", Endeavour, 26, стр.79-84 (1967 г.). В результате дальнейших исследований были описаны характеристики таких фасетных хрусталиков. Одним из таких исследований является работа S. J. Wilson "The optical properties of'moth eye' antireflection surfaces," Optica Acta, том 29, №7, стр.993-1009 (1982 г.). Многофасетный глаз мотылька содержит массив кутикулярных выпуклостей, именуемых "роговичными сосочками". Массив роговичных сосочков обеспечивает значительное снижение отражательной способности поверхности фасетного хрусталика и, следовательно, высокое пропускание света через границу раздела воздуха и многофасетного глаза. По расчетам такой массив роговичных сосочков увеличивает пропускание света с примерно 96% до более 99%. Впоследствии массивы роговичных сосочков были обнаружены у многих других насекомых.

Оптические свойства поверхности глаза мотылька можно лучше понять, если представить его как множество поверхностных слоев, содержащих постепенно изменяющиеся доли воздуха и вещества, образующего многофасетный глаз. Вместо резкой границы раздела воздуха и вещества многофасетного глаза массив роговичных сосочков обеспечивает зону плавно изменяющегося показателя преломления, которая препятствует отражению света и усиливает пропускание света.

В настоящем изобретении используются структуры, имитирующие массив роговичных сосочков. В отличие от массива роговичных сосочков у насекомых в настоящем изобретении используется массив выпуклостей из оптически прозрачного материала небиологического происхождения. Массив выпуклостей согласно настоящему изобретению может быть сформирован из самособирающихся полимеров, которые могут образовывать сублитографические поперечные элементы рельефа, или может быть сформирован обычными литографическими методами. Массив выпуклостей согласно настоящему изобретению используют для увеличения пропускание света в полупроводниковую интегральную схему, содержащую фотодиод или датчик на основе комплементарных металло-оксидных полупроводников (КМОП).

На фиг.1А показан вертикальный вид в поперечном разрезе одного из примеров массива выпуклостей 101, расположенных на участке 102 постоянной толщины согласно настоящему изобретению. На фиг.1Г показан вид сверху вниз, а на фиг.1Д и 1Е показаны горизонтальные виды в поперечном разрезе примера массива выпуклостей 101 в плоскости Е-Е' и F-F' на фиг.1А, соответственно. Массив выпуклостей 101 согласно примеру и участок 102 постоянной толщины содержат одинаковый материал, который необязательно является прозрачным. Массив выпуклостей 101 согласно примеру предпочтительно образует регулярную матрицу, т.е. с определенной периодичностью по меньшей мере в одном направлении. Массив выпуклостей 101 согласно примеру предпочтительно имеет периодичность в двух измерениях.

Массив выпуклостей имеет форму блока, в котором выполнен массив углублений, каждое из которых имеет форму перевернутого кругового конуса. Массив выпуклостей образует единую конструкцию, поскольку пары соседних выпуклостей, примыкают друг к другу сбоку. Каждая выпуклость 101 имеет горизонтальное поперечное сечение, площадь которого уменьшается в зависимости от расстояния от участка 102 постоянной толщины. В настоящем изобретении описано использование углублений, каждое из которых имеет форму перевернутого кругового конуса. Вместе с тем, углубления в целом могут представлять собой перевернутый конус любого типа с произвольной формой поперечного сечения, которая определяется формой блочной матрицы, сформированной с целью травления материала, из остающейся части которого формируют массив выпуклостей, как это описано далее. Таким образом, площадь горизонтального поперечного сечения каждой выпуклости 101 может иметь форму многоугольника, эллипса или их сочетания и зависит от периодичности массива выпуклостей 101 согласно примеру. Площадь поперечного сечения каждой выпуклости 101 может иметь приданную ей кривизну, как показано на фиг.1Ж и 1З. Кроме того, каждая выпуклость 101 может иметь плоские верхние поверхности, которые могут представлять собой множество изолированных поверхностей или единую сплошную поверхность.

Например, площадь горизонтального поперечного сечения выпуклостей 101 может представлять собой матрицу, содержащую массив круглых углублений. В целом, площадь горизонтального поперечного сечения выпуклостей 101 дополняет массив форм, которые могут иметь форму прямоугольника или любого другого многоугольника или форму эллипса. Такие разновидности получают путем выбора самоорганизующегося материала, образующего поперечные сечения таких форм, или путем формирования рисунка в слое фоторезиста, чтобы литографическим методом сформировать такие рисунки на стадиях изготовления, которые будут описаны далее.

Шаг р массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру и высота h выпуклостей 101 могут быть оптимизированы с тем, чтобы увеличить пропускание света между массивом выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру и внешней средой, которая имеет иной показатель преломления, чем у массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру и участка 102 постоянной толщины, и которой может являться воздушное пространство, вакуумное пространство или твердый материал. Если внешней средой является воздушное или вакуумное пространство, высота h выпуклостей 101 в идеале составляет от около 0,1 до 0,6 длины волны света в вакуумном пространстве, предпочтительно от около 0,25 до 0,5 длины волны света в вакуумном пространстве. В оптическом спектре с диапазоном длин волн от около 400 нм до около 800 нм высота h выпуклостей может составлять от около 40 нм до около 480 нм, предпочтительно от около 100 нм до около 400 нм. Оптимальное значение высоты h может изменяться в зависимости от показателя преломления внешней среды и показателя преломления массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру и участка 102 постоянной толщины.

На фиг.1Б показана диаграмма зависимости эффективного показателя преломления от расстояния по вертикали для показанного на фиг.1А примера массива выпуклостей. Эффективным показателем преломления является средневзвешенное значение показателей преломления внешней среды и массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру и участка 102 постоянной толщины на каждой горизонтальной плоскости, для которой вычисляют эффективный показатель преломления. Эффективный показатель преломления является таким же, как и показатель преломления внешней среды выше расстояния d по вертикали, превышающего высоту h массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру, при этом он постепенно уменьшается по мере уменьшения расстояния d по вертикали за пределами расстояния по вертикали, соответствующего вершинам массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру. Эффективный показатель преломления становится таким же, как и показатель преломления участка 102 постоянной толщины при меньшем расстояния d по вертикали, чем соответствующее расстояние до нижних поверхностей выпуклостей 101.

На фиг.1 В схематически представлена длина волны света, падающего на массив выпуклостей согласно примеру на фиг.1А, чтобы проиллюстрировать относительную размерность длины волны света и высоты h выпуклостей 101. Поскольку длина волны света может находиться в интервале, например, от около 400 нм до около 800 нм, относительная шкала размерности длины волны λ и высоты h массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру является лишь приблизительной.

Каждый из конусов, образующих массив выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру, необязательно могут иметь постоянную конусность. Отдельные конусы из массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру могут иметь выпуклую и вогнутую кривизну, как это показано на фиг.1Ж и 1З. Кроме того, отдельные "конусы" могут не иметь вершины и могут быть заменены трапециевидным конусом с плоской верхней поверхностью, как показано на фиг.1И. Такая кривизна может придаваться путем манипулирования процессом травления во время формирования массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру. В целом, поскольку площадь горизонтального поперечного сечения отдельной выпуклости монотонно уменьшается с увеличением расстояния d по вертикали, настоящее изобретение может быть осуществлено на практике с использованием любой формы горизонтального поперечного сечения и/или конфигурации массива, которым может являться регулярная или нерегулярная матрица.

На фиг.2 показана диаграмма минимальной длины волны при высоком пропускании (при коэффициенте пропускания более 99%) с использованием массива выпуклостей согласно настоящему изобретению для границы раздела воздух - нитрид кремния и границы раздела воздух - окись кремния. Шаг элементы рельефа, которым является шаг массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру и который может быть измерен от вершины выпуклости 101 до вершины соседней выпуклости 101, влияет на эффективность массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру. Кроме того, показатель преломления массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру влияет на минимальную длину волны при высоком пропускании. Показатель преломления составляет около 2,02 для нитрида кремния и около 1,46 для окиси кремния. Поверхность раздела воздух - нитрид кремния обеспечивает высокое пропускание при шаге р около или менее 200 нм. Поверхность раздела воздух - окись кремния обеспечивает высокое пропускание при шаге р около или менее 270 нм. Предпочтительно шаг р массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру составляет менее 270 нм.

В целом, чем меньше шаг р массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру, тем выше пропускание у массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру настоящего изобретения. В настоящем изобретении могут использоваться массивы выпуклостей, имеющие шаг сублитографического размера. Хотя литографический минимальный размер или критический размер задают только применительно к доступному литографическому оборудованию, и обычно он изменяется от поколения к поколению полупроводниковой техники, подразумевается, что литографический минимальный размер и критический размер должны задаваться в расчете на оптимальные характеристики литографического оборудования, доступного на момент изготовления полупроводника. По данным на 2008 год литографический минимальный размер составляет около 50 нм, и по расчетам должен уменьшиться в будущем. Любой размер, меньше литографического минимального размера, является "сублитографическим размером". Способ придания такого сублитографического размера шагу р массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру описан далее.

В качестве альтернативы, шаг р массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру может иметь литографический размер, т.е. размер, равный или превышающий литографический минимальный размер. Способ придания такого литографического размера шагу р массива выпуклостей 101 согласно рассматриваемому примеру описан далее.

На фиг.3 проиллюстрирован первый пример полупроводниковой структуры, которая содержит подложку 9 со структурой "полупроводник на диэлектрике" (ПНД) и полученные на конечной стадии полупроводникового производства (BEOL, от английского - back-end-of-the-line) структуры 29. Подложка 9 со структурой ПНД содержит несущую подожку 2, утопленный изоляционный слой 4 и полупроводниковый слой 10. Полупроводниковая структура согласно первому примеру имеет область пикселов, содержащую пикселы КМОП-датчиков изображения, и логическую область, в которой расположены стандартные полупроводников