DD231895A1 - Ladungsgekoppeltes bauelement mit volumenkanal (bccd) - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein neuartiges Konzept zur Realisierung eines ladungsgekoppelten Bauelementes. Solcherart Bauelemente finden vielfaeltige Anwendung in der Mikroelektronik und in der Optoelektronik, sowohl in der Form einzelner Zeilen als auch in zu flaechenfoermigen Anordnungen zusammengefassten Zeilen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zweiphasen-CCD mit selbstjustierten Barrierengebieten zu konstruieren, wobei bei relativ unkomplizierter Technologie eine elektrische Trennung von aus einer Ebene strukturierten Elektroden nicht notwendig ist und darueberhinaus ein kleineres Raster ermoeglicht wird. Erfindungsgemaess wird ein Halbleitersubstrat mit einem geeigneten Isolierfilm ueberzogen; auf diesem wird eine erste Elektrodenebene abgeschieden. Vorher wurde in das Substrat eine Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp eingebracht, um einen Transport der Signalladung in einem Volumenkanal (BCCD) zu gewaehrleisten. Ebenfalls vorher koennen geeignete Kanal-Stopper-Gebiete eingebracht worden sein.

Description

Erfindungsgemäß sind zur Lösung dieser Aufgabe in einem BCCD-Register selbstjustiert Transfergebiete angeordnet, die in einer speziellen Vertikalstruktur ausgeführt sind.

Das erfindungsgemäße BCCD-Register kommt mit zwei Elektrodenebenen aus.

Ein Halbleitersubstrat wird mit einem geeigneten Isolierfilm überzogen, auf diesen wird eine erste Elektrodenebene abgeschieden. Vorher wurde in das Substrat eine Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp eingebracht, um einen Transport der Signalladung in einem Volumenkanal (BCCD) zu gewährleisten. Ebenfalls vorher können geeignete Kanal-. Stopper-Gebiete eingebracht worden sein.

Aus der ersten Elektrodenebene wird eine erste Elektrodenkonfiguration herausstruktuiert, dergestalt, daß die späteren Speichergebiete mit dem Elektrodenmaterial bedeckt sind und die späteren Transfergebiete ohne Elektrodenmaterial verbleiben. Danach wird, mit der ersten Elektrodenkonfiguration als Maske, ein Dotand vom Sustratleitungstyp implantiert. Dosis und Implantationsenergie werden.derart gewählt, daß in den späteren Transfergebieten eine für den Zweiphasenbetrieb ausreichende Potentialbarriero entsteht.

Imfolgenden Schritt wird eine geeignete Maske, z.B. Fotolack, strukuriert, dergestalt, daß in Längsrichtung des (zukünftigen) BCCD-Registersjederzweite „Spalt" (mit Spalt werden die nicht mit Elektrodenmaterial bedeckten Gebiete bezeichnet) mit Lack abgedeckt ist. Nunmehr erfolgen hintereinander zwei Implantationen: Es werden tief ein Dotand vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp und flach ein Dotand vom Substratleitungstyp in die nicht von der Maske und nicht von Elektrodenmaterial bedeckten Gebiet eingebracht. Die Dosis des Dotanden vom Substratleitungstyp wird derart bemessen, daß unmittelbar von der Halbleiteroberfläche bis in eine gewisse Tiefe hinein eine Kanal-Stopper-Schicht entsteht. Diese Kanal-Stopper-Schicht schirmt das darunterliegende Halbleitervolumen gegen äußere elektrische Felder ab. Die Dosis des tief eingebrachten Dotanden vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp wird so groß gewählt, daß im späteren Betriebsfali des BCCD-Registers das Potential in diesen Gebieten bei völliger Verarmung an Minoritätsladungsträgern (bezogen auf Substratleitungstyp) einen Wert erreicht, wie er für ein Transfergebiet benötigt wird. Es sei erwähnt, daß die Größe dieses Potentialwertes auch von der Eindringtiefe der darüberliegenden Kanal-Stopper-Schicht abhängt. Die hintereinander erfolgenden zwei Implantationen müssen aufeinander abgestimmt werden.

Nach Ablösen der Implantationsmaske erfolgt eine weitere Strukturierung der ersten Elektrodenebene: Jedes zweite Speichergate der ersten Elektrodenkonfiguration, in Längsrichtung des (zukünftigen) BCCD-Registers gezählt, wird weggeätzt. Nunmehr werden die verbliebenen Elektroden der ersten Konfiguration, wenn nicht bereits vorher erfolgt, mit einem geeigneten Isolierfilm überzogen. Danach wird die zweite Elektrodenebene aufgebracht und aus ihr die zweite Elektrodenkonfiguration herausstrukturiert. Diese Strukturierung ist relativ grob, in Längsrichtung des (zukünftigen) BCCD-Registers kann diese zweite Konfiguration zusammenhängend bleiben.

Im weiteren erfolgen die üblichen Schritte wie Einbringen von Source- und Draingebieten, mögliche Abscheidung von weiteren isolierenden Schichten, Strukturierung von Kontaktfenstern und Aufbringen sowie Strukturieren einer Leitbahnebene. In Transportrichtung des BCCD-Registers wiederholt sich ständig eine Gruppe mit folgenden vier Gebieten: Erstes Gebiet — Dotierungszone vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp mit eingebrachtem Dotanden vom Substratleitungstyp, überdeckt von Elektrode der zweiten Konfiguration

Zweites Gebiet— Dotierungszone vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp, überdeckt von Elektorde der zweiten Konfiguration.

Drittes Gebiet— Dotierungszone vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp mit eingebrachten Dotanden vom Substratleitungstyp, mit zusätzlich eingebrachtem Dotanden vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp und mit zusätzlich (flach) eingebrachten Dotanden vom Substratleitungstyp, überdeckt von Elektrode der zweiten Konfiguration. Viertes Gebiet— Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp, überdeckt von Elektrode der ersten Konfiguration.

Das erste und zweite Gebiet bilden Transfer- und Speichergebiet einer ersten BCCD-ZeIIe, sie werden von einer Elektrode der zweiten Konfiguration gesteuert. Das dritte und vierte Gebiet bilden Transfer- und Speichergebiet einer zweiten BCCD-ZeIIe, wobei das vierte Gebiet von einer Elektrode der ersten Konfiguration gesteuert ist. Das dritte Gebiet wird zwar von einer Elektrode der zweiten Konfiguration überdeckt, jedoch hat diese Elektrode auf den Extremwert des elektrischen Potentials in diesem Gebiet keinen Einfluß, da-wie oben erläutert-die sich von der Halbleiteroberfläche bis in eine gewisse Tiefe hinein erstreckende Kanal-Stopper-Schicht das darunter befindliche Halbleitergebiet gegen die von der Elektrode ausgehenden Felder abschirmt. Die erste und zweite BCCD-ZeIIe bilden zusammen eine Stufe eines Zwei-Phasen-BCCD.

Zum Betrieb wird an die Elektroden der zweiten Konfiguration eine Taktimpulsfolge gelegt, während die Elektroden der ersten Konfiguration mit einer Gleichspannung gespeist werden, die etwa gleich dem arithmetischen Mittelwerten zwischen High- und Low-Pegel der Taktimpulse ist.

Da jede deraufgebrachten Elektrodenebenen an einer einheitlichen Taktphase liegt, braucht innerhalb einer Ebene keine elektrische Trennung der einzelnen Elektroden voneinander zu erfolgen. Probleme, wie sie bei oben aufgeführten bekannten technischen Lösungen auf Grund von Poly-Si-Fäden entstehen, gibt es bei dieser Erfindung nicht. Die zweite Elektrodenkonfiguraiion braucht keine „Feinstrukturierung" längs des BCCD-Registers aufzuweisen. Dieser Umstand vereinfacht die Herstellung.

Die im BCCD-Register wirksamen Potential barrieren sind, wie aus dem oben aufgeführten klar hervorgeht, selbstjustiert eingebracht. Ein Zweiphasen-BCCD wäre ohne solche Selbstjustage mit zu großen Nachteilen behaftet. Jedoch auch die Kontaktierung wird vereinfacht und platzsparend. Die zweite Elektrodenkonfiguration kann bei fehlender „Feinstrukturierung" problemlos im Bereich der aktiven Registerfläche kontaktiert werden. Die Breite der BCCD-Register kann dadurch minimal gestaltet werden, was von besonderem Vorteil bei der flächenförmigen Anordnung von BCCD-Registern ist, bei denen zwischen den einzelnen Zeilen elektrodenlose Fotosensoren angeordnet sind, die BCCD-Register also nur einzeln, längs der Transportrichtung kontaktierbar sind.

Besonders vorteilhaft ist, daß die für die Funktion des BCCD Wichtigsten Maße, nämlich die Länge der Transfer-und Speichergebiete, durch die in einem Strukturierungsschritt hergestellte erste Elektrodenkonfiguration festgelegt sind. Das ermöglicht, problemlos ein kleines Raster zu realisieren.

Ein minimales Raster kann folgendermaßen abgeschätzt werden: Die minimale Spaltlänge in der ersten Elektrodenkonfiguration ist mit konventionellen Methoden zu etwa 2/xm strukturierbar. Die minimale Länge der Elektrode der ersten Konfiguration ist praktisch mit4/u.m anzusetzen. Damit ergibt sich für konventionelle Strukturierung ein minimales praktisches Raster von δμ,Γη.

Die oben erläuterten Gedanken zur erfindungsgmäßen Konstruktion eines BCCD-Registers können im Sinne dieser Erfindung auch allgemeiner angewandt werden. Das Transfergebiet mit der überdeckten Kanal-Stopper-Schicht ist zusammen mit dem nachfolgenden Speichergebiet, welches von einer Elektrode bedeckt wird, die vorzugsweise mit einer Gleichspannung gespeist wird, jedoch in bestimmten Betriebsarten jederzeit mit Impulsspannungen belegt werden kann, ein BCCD-Grundelement, was in verschiedensten Arten von BCCD's günstig eingesetzt werden kann.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

In der dazugehörigen Zeichnung sind einzelne Etappen der Herstellung der Variante des erfindungsgemäßen Bauelementes dargestellt.

Es wird von einem p-leitenden Si-Substrat ausgegangen. Selbstverständlich ist die Erfindung auch mit η-leitenden Substraten . realisierbar. Die entsprechend einzubringenden Dotierungen sind dann jeweils vom entgegengesetzten Leitungstyp. Desweiteren wird als Elektrodenmaterial polykristallines Silizium angegeben. Selbstverständlich können auch andere geeignete Materialien, insbesondere Suizide, verwendet werden.

Fig. 1a-c zeigt Schnitte längs der Transportrichtung deszukünfigen ladungsgekoppelten Schieberegisters. In ein p-leitendes Si-Substrat 10 wurde großflächig in den späteren aktiven Gebieten eine n-Dotierung 11 eingebracht (Fig. 1 a). Die Dosis diser n-Dotierung 11 wurde so bemessen, daß im späteren Betrieb des CCD-Schieberregisters das Gebiet 11 vollständig an beweglichten Ladungsträgern verarmen kann.

Die zur lateralen Begrenzung des Schieberegisters notwendigen Kanal-Stopper-Gebiete sind in den Schnittzeichnungen von Fig. 1 nicht darstellbar. Die Kanal-Stopper-Gebiete sind genügend hoch p-dotierte Gebiete oder eine Kombination von hoher p-Dotierung mit dickem Feldoxid. Die aktiven Gebiete wurden mit dem Gateisolator 13 überzogen. Sehr gut eignet sich als Gateisolator 13 eine Doppelschicht aus thermisch aufgewachsenen S1Q2 und chemisch abgeschiedenem Si₃N₄. Aus der ersten abgeschiedenen und dotierten Poly-Si-Schicht wurde die erste Elektrodenkonfiguration 12 herausstrukturiert. Nun erfolgte großflächig eine Bor-Implantation, die Elektroden 12 dienten als Maske, und es entstanden die leicht p-dotierten Gebiete 14. Durch diese Gebiete 14 werden für den späteren 2-Phasen-Betrieb notwendige Potentialbarrieren erzeugt. Als nächstes wird die Lackmaske 16 hergestellt (Fig. 1b), welche jeden zweiten Spalt zwischen den Elektroden 12 bedeckt. Mit den nachfolgenden Implantationen von Phosphor und Bor wird das endgültige Dotierungsprofil in den Gebieten 15 und 17 eingestellt. Das Bor wird relativ flach implantiert, die Bordosis wird derart bemessen, daß unmittelbar von der Halbleiteroberfläche bis in eine gewisse Tiefe hinein eine Kanal-Stopper-Schicht 15 entsteht. Der Phosphor wird relativ tief implantiert, die Phospordosis wird derart bemessen, daß im späteren Betriebsfall des BCCD-Registers das Potential in den Gebieten 17 bei völliger Verarmung an Elektronen einen Wert erreicht, wie er für ein Transfergebiet benötigt wird. Dieser Potentialwert hängt auch von der Eindringtiefe der Kanal-Stopper-Schicht 15 ab. Die hintereinander erfolgenden Phosphor- und Bor-Implantationen müssen zur Erreichung des notwendigen Potentials aufeinander abgestimmt sein.

Nach Ablösen der Lackmaske erfolgte eine weitere Strukturierung der ersten Elektrodenkonfiguration. Jede zweite der Elektroden 12, in Längsrichtung des zukünftigen BCCD-Rigisters gezählt, wird weggeätzt. Soll ein sehr kleines Raster im BCCD-Register realisiert werden, empfiehlt sich bei diesem Ätzschritt die Anwendung eines isotropten Ätzers. Dadurch ist es möglich, die Spaltlänge zwischen den Elektroden 12 fast bis auf das Überdeckungsmaß der Strukturierungsmaskezu reduzieren. Ein Beispiel: Nehmen wir an, daß die Strukturierungsmaske die Kanten derjenigen Elektroden 12, die bei diesem Ätzschritt nicht angegriffen werden sollen, der Justiertoleranz wegen um 1,5μ.ιη überdecken muß. Dann kann die Spaltlänge bis auf etwa 2 ,um reduziert werden. Falls die Strukturierungsmaske auf Grund der Justiertoleranz noch schmale Kantenstreifen von wegzuätzenden Elektroden überdeckt, so werden diese Kantenstreifen wegen der isotropen Ätzung sicher mitentfernt. Nunmehr werden die verbliebenen Elektroden 12 mit einem Isolierfilm 28 überzogen. Das kann durch thermische Oxydation des PoIy-Si erfolgen. Nun wird die zweite Poly-Si-Schicht aufgebracht und aus ihr die Elektrodenkonfiguration 18 herausstrukturiert (siehe Fig. 1c). Die Dotierung der poly-Si-Elektroden 18 kann während der später durchzuführenden Source- und Draindiffusion erfolgen.

Die Strukturierung der zweiten Poly-Si-Schicht ist relativ grob, längs der Transportrichtung des BCCD-Registers kann die Elektrode 18 zusammenhängend bleiben.

Zur weiteren Fertigstellung des BCCD-Registers erfolgen die üblichen Schritte wie Source- und Draindiffusion, Abscheidung von Silox, Strukturierung von Kontaktfenstern und Aufbringen einer Al-Leitbahnebene.

Zum Betrieb wird an die Elektrode 18 eine Taktimpulsfolge gelegt, während die Elektrode 12 mit einer Gleichspannung gespeist werden, die etwa gleich dem arithmetischen Mittelwert zwischen High- und Low-Pegel der Taktimpulse ist. Die Gebiete 17 sind die Transfergebiete für die nachfolgenden, von den Elektroden 12 bedeckten Speichergebiete 11. Die Transfergebiete 17 werden durch die Känal-Stopper-Schicht 15 gegen die von der Elektrode 18 ausgehenden elektrischen Felder abgeschirmt. In Fig. 1d sind die maximalen Potentiale im leeren Ladungstransportkanal dargestellt. Im Transfergebiet 17 und im von der Elektrode 12 bedeckten Speichergebiet 11 hat das Potential den Verlauf 19. Im von der Elektrode 18 kontrollierten Bereich wechselt das Potential im Rhytmus der Taktspannung vom Verlauf 20 für den Low-Pegel zum Verlauf 21 für den High-Pegel.

Claims (2)

Erfindungsanspruch:

1. Gateoxidstufen in Verbindung mit einer Barrierenimplantation sowie

1. Ladungsgekoppeltes Bauelement mit Volumenkanal (BCCD), gekennzeichnet dadurch, daß in einem BCCD-Register gleichzeitig Transfergebiete, in denen der Verlauf des Potentials zum einen durch eine darüber angeordnete Elektrode und zum anderen durch eine flache, das Transfergebiet überdeckende Kanal-Stopper-Schicht festgelegt ist, vorgesehen sind, während der Verlauf des Potentials in sämtlichen Speichergebieten durch darüber angeordnete Elektroden bestimmt wird, und daß das Transfergebiet mit überdeckender flacher Kanal-Stopper-Schicht zusammen mit einem durch eine Elektrode der ersten Konfiguration gesteuerten Speichergebiet den einen Zellentyp bildet, während der andere Zellentyp ein Transfergebiet und ein Speichergebiet umfaßt, die gemeinsam von einer Elektrode der zweiten Konfiguration gesteuert werden, und daß sämtliche Transfer- und Speichergebiete selbstjustiert zur ersten Elektrodenebene angeordnet sind.

2. Ladungsgekoppeltes Bauelement mit Volumenkanal (BCCD) nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß nach Strukturierung einer ersten Elektrodenebene großflächig (mit der ersten Elektrodenkonfiguration als Maske) eine Barrierendotierung (Dotierung vom Substratleitungstyp eingebracht und danach eine zusätzliche Maske, vorzugsweise aus Fotolack, strukuriert ist, derart, daß, in Längsrichtung des zukünfigen BCCD-Registers gezählt, jeder zweite Spalt zwischen den Elektroden der ersten Konfiguration von der zusätzlichen Maske nicht bedeckt wird, wobei in diese unbedeckte Spalte hintereinander zwei Implantationen von Dotanden mit zum Substrat umgekehrten Leitungstypes und von Dotanden des Substratleitungstypes erfolgen, so daß zum einen in diesen Spalten Volumengebiete entstehen, die im spateren Bstrieb des BCCD als Transfergebiete dienen, und zum anderen diese Volumengebiete zur Halbleiteroberfläche hin durch eine fläche Kanal-Stopper-Schicht bedeckt werden und daß nachfolgend in einer zweiten Strukturierung der ersten Elektrodenkonfiguration jede zweite Elektrode, in Längsrichtung des zukünftigen BCCD-Registers gezählt, entfernt wird und abschließend eine zweite Elektrodenebene elektrisch isoliert gegen die erste Elektrodenkonfiguration aufgebracht wird, wobei die daraus strukturierte zweite Elektrodenkonfiguration in Längsrichtung des zukünftiglen BCCD-Registers zusammenhängend sein kann.

3. Ladungsgekoppeltes Bauelement mit Volumenkanal (BCCD) nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß einige der Transfergebiete mit überdeckter Kanal-Stopper-Schicht ausgeführt sind, und daß diese Transfergebiete alleine bzw. zusammen mit nachfolgenden Speichergebieten, welche von einer Elektrode bedeckt werden, eingesetzt sind.

4. Ladungsgekoppeltes Bauelement mit Volumenkanal (BCCD) nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Elektrodenmaterial poly-kristallines Silizium oder Suizide verwendet werden.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Die Erfindung beinhaltet ein neuartiges Konzept zur Realisierung eines ladungsgekoppelten Bauelementes. Solcherart Bauelemente finden vielfältige Anwendung in der Mikroelektronik und in der Optoelektronik, sowohl in der Form einzelner Zeilen als auch in zu flachenförmigen Anordnungen zusammengefaßten Zeilen.

Charakteristik der bekannten technischen Läsungen

Von den verschiedenen bekannten CCD-Typen sind diejenigen mit 2 Phasen besonders vorteilhaft betreffs ihrer Ansteuerung.

In einer bekannten Ausführungsvariante, siehe z.B. die Fairchild-CCD-Typenreihe wie auch die Bauelemente L 110, L 133 und L 211 des VEB WF Berlin, werden mit einer ersten Poly-Si-Ebene die Speicherelektroden hergestellt, und mit einer zweiten Poly-Si-Ebene die Transferelektroden realisiert. Dabei überdecken die Transferelektroden die zwischen den Speicherelektroden strukurierten Spalte. Vor Abscheiden der zweiten Poly-Si-Ebene wird in die Spalten, selbstjustiert durch die Kanten der Speicherelektroden, ein Dotand vom Subtratleitungstyp.implantiert, wodurch die für den späteren Zweiphasenbetrieb notwendigen Potentialbarrierengebiete fixiert sind. Jeweils eine Speicherelektrode und eine Transferelektrode bilden ein Elekrodenpaar.

Die Elektrodenpaare werden abwechselnd mit der ersten und zweiten Taktphase verbunden,Dazu muß jede der Speicherelektroden elektrisch von ihren Nachbar-Speicherelektroden getrennt sein. Die gleiche Forderung gilt für die Transferelektrode.

Außerdem muß die Isolation zwischen Speicherelektrode und sie überlappender, jedoch mit der anderen Taktphase verbundenen Transfereiektrode perfekt sein.

Diese letzten Forderungen sind im technologischen Prozeß nicht immer einfach realisierbar. Die elektrische Trennung der Transferelektroden untereinander wird oft durch das Entstehen bzw. Stehenbleiben von sogenannten Poly-Si-Fäden nicht erreicht. Es gibt in der Fachliteratur bereits Vorschläge, z.B. die US-PS 4027381,4027382 und 403506, bei einem 2-Phasen-CCD die Elektroden jederTaktphase aus jeweils nur einer aufgebrachten Elektrodenebene herauszujustieren und somit Probleme wie das des Entstehens von Poly-Si-Fäden zu umgehen. Dabei werden vornehmlich zwei Grundvariaten angewendet:

2. Vor Aufbringen der ersten Elektrodenebenen eine erste Barrierimplantation, wobei das Implant später in gewissen .; Teilgebieten infolge eines Oxydationsprozesses größtenteils vom Oxid aufgezehrt wird, sowie eine nachfolgende zweite Barrierenimplantation. Solcherart Technologien sind kompliziert. Da das Aufzehren eines Barrierenimplantes.durch ein Oxid nicht vollständig erfolgt, entstehen Probleme durch Potentialinhomogenitäten in der realisierten CCD-Zelle.

Das kleinstmögliche Raster wird bei der eingangs erwähnten Technologie, wo Transferelektroden die zwischen Speicherelektroden strukturierten Spalten überdecken, durch minimal realisierbare Spaltenlänge und minimal benötigte Überlappung zwischen Speicher- und Transferelektrode bestimmt. Beträgt z. B. minimale Spaltlänge zwischen den Transferelektroden 4/xm, die minimale Überlappung 2<u,m, so ergibt sich als minimale Länge für die Speicherelektrode 8/xm. Bei einem 4,u,m-Spa!t zwischen den Speicherelektroden wird somit ein minimales Raster von 12μηι erreicht.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, ein Bauelement mit optimalen Gebrauchseigenschaften, insbesondere hinsichtlich eines minimalen Rasters, bei wesentlicher Vereinfachung der Herstellungstechnologie zu schaffen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Zweiphasen-CCD mit selbstjustierten Barrierengebieten zu konstruieren, wobei bei relativ unkomplizierter Technologie eine elektrische Trennung von aus einer Ebene strukturierten Elektroden nicht notwendig ist und darüberhinaus eine kleineres Raster ermöglicht wird.