DE10105071A1 - CMOS-Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

CMOS-Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung

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Abstract

Es werden ein CMOS-Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung offenbart. Der Sensor verfügt über einen Fotodiodenbereich, der sich in einen unteren Teil eines aktiven Bereichs erstreckt, in dem ein Übertragungsgate (55), ein Erfassungsgate und ein Rücksetzgate (58) ausgebildet sind, wodurch die Empfindlichkeit des CMOS-Bildsensors verbessert ist. DOLLAR A Dieser Sensor ist mit Folgendem versehen: DOLLAR A - einem Einheitszellenbereich mit einem ersten und einem zweiten Bereich, die einander benachbart auf einem Silicium-Volumensubstrat (51) ausgebildet sind; DOLLAR A - einem PDN-Bereich (53) mit einem ersten PDN-Bereich, der sich ausgehend von der Oberfläche im ersten Bereich in einer Richtung rechtwinklig zur Oberfläche desselben in das Volumen erstreckt, und einem zweiten PDN-Bereich, der sich von einem unteren Abschnitt des ersten PDN-Bereichs in einer Richtung rechtwinklig zu diesem bis zu einem unteren Abschnitt des zweiten Bereichs erstreckt und DOLLAR A - einem potentialungebundenen Diffusionsbereich (54) und einem Rücksetzbereich (59), die an der Oberfläche des zweiten Bereichs über dem zweiten PDN-Bereich ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen CMOS-Bildsensor und ein Verfah­ ren zu dessen Herstellung.
In jüngerer Zeit werden die meisten elektronischen Erzeug­ nisse immer vielseitiger. Z. B. sind PCs mit CD-ROM-Laufwer­ ken, DVD-Spielern oder Kameras für Videokonferenzen ausge­ rüstet. Auch sind Digitalkameras handelsüblich, die an einem Computer angebracht werden können, um Bilder zu editieren. Selbst Notebooks und Mobiltelefone mit einer kleinen an ih­ nen angebrachten Kamera werden bald in großen Mengen am Markt zu erhalten sein.
Wenn eine Kamera an einem großen Erzeugnis wie einem PC an­ gebracht wird, führt deren Verwendung zu keinerlei Proble­ men. Jedoch entstehen schwerwiegende Probleme, wenn eine Kamera an einem kleinen, tragbaren Erzeugnis wie einem Note­ book oder einem Mobiltelefon angebracht wird, da eine Kamera im Allgemeinen ein CCD als Bildsensor (fotoempfindliches Bauteil) verwendet, das viel Energie benötigt, weswegen für die Kamera eine große Batterie zu verwenden ist.
Die meisten bisher entwickelten CCDs werden durch eine höhe­ re Spannung (+15 bis -9 V) als CMOS-Schaltungen betrieben. Der Herstellprozess für CCDs ist dem Grunde nach ähnlich demjenigen für bipolare Transistoren. Daher sind die Kosten zum Herstellen von CCDs viel höher als die für CMOS-Bautei­ le.
Um derartige Probleme zu überwinden, wurde daran geforscht, CMOS-Bildsensoren zu realisieren und herzustellen, um CCD- Bildsensoren zu erhalten, die billig herstellbar sind, mit niedriger Spannung betreibbar sind und geringen Energiever­ brauch aufweisen.
Nachfolgend wir ein herkömmlicher CMOS-Bildsensor unter Be­ zugnahme auf die Fig. 1 bis 4 erläutert.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Pixelstruktur mit 3 Transistoren (TR) bei einem herkömmlichen CMOS-Bildsensor, und Fig. 2 ist ein Schaltbild für das 3 TR-Pixel desselben.
Da bei einem CMOS-Bildsensor ein Standard-CMOS-Prozess ange­ wandt wird, ist gemäß Fig. 1 eine n-Wanne 102 in einem p- Halbleitersubstrat 100 ausgebildet, um einen Lichtempfangs­ abschnitt zu erhalten. Um in diesem erzeugte Bildladungen zu erfassen, ist angrenzend an die n-Wanne 102 eine p-Wanne 101 ausgebildet. Ausgehend von der Fläche der n-Wanne 102 bis zu einem Teil der Fläche der p-Wanne 101 erstreckt sich ein n+- Bereich 103a, der als Kanal für eine Bewegung der Bildladun­ gen verwendet wird. Ein weiterer n+-Bereich 103b ist in ei­ nem Teil der Oberfläche des p-Wannenbereichs 101 beabstandet vom n+-Bereich 103a ausgebildet, und er wird als potenzial­ ungebundener Bereich verwendet, in dem ein Lesevorgang für die Bildladungen ausgeführt wird. Um dabei die Ladungen zu transportieren, ist über dem Substrat zwischen dem n+-Be­ reich 103a und dem n+-Bereich 103b ein Übertragungsgate 104 ausgebildet.
Gemäß dem Schaltbild der Fig. 2 ist der Schaltkreis der 3 TR- Pixelstruktur mit einem Rücksetztransistor 1, einem Auswähl­ transistor 4 und einem Zugriffstransistor 7 versehen. Der Rücksetztransistor 1 verfügt über ein Gate zum Empfangen eines Rücksetzsignals über einen Signaleingangsanschluss 2, eine mit einem potenzialungebundenen Knoten 5 verbundene Elektrode und eine weitere Elektrode, die mit einem VDD-An­ schluss 3 verbunden ist. Das Gate des Auswähltransistors 4 ist mit dem potenzialungebundenen Knoten 5 verbunden, und eines seiner Elektroden ist mit dem VDD-Anschluss 3 verbun­ den. Seine andere Elektrode ist mit dem Zugriffstransistor 7 verbunden. Dieser ist zwischen den Auswähltransistor 4 und eine Spaltenauswählleitung 9 in Reihe geschaltet. Das Gate des Zugriffstransistors 7 ist mit einem Zeilenauswählsignal- Eingangsanschluss 8 verbunden, um ein Zeilenauswählsignal zu empfangen. Zwischen den potenzialungebundenen Knoten 5 und einen Masseanschluss 10 ist eine Fotodiode 6 geschaltet.
Nun wird der Lesevorgang der 3-TR-Pixelstruktur bei einem herkömmlichen CMOS-Bildsensor beschrieben.
Bildladungen, die durch von außen einfallendes Licht in ei­ ner Fotodiode 6 induziert wurden, werden in dieser angesam­ melt. Diese angesammelten Signalladungen ändern das Potenzi­ al des potenzialungebundenen Knotens 5, der als Sourcean­ schluss des Rücksetztransistors 1 verwendet wird, und von diesem ausgehend ändert sich das Gatepotenzial des Auswähl­ transistors 4, der als Treiber eines Pixelpegel-Sourcefol­ gers verwendet wird. Die Änderung des Gatepotenzials des Auswähltransistors 4 sorgt dafür, dass sich die Vorspannung am Knoten des Drains des Zugriffstransistors 7 mit der Source des Auswähltransistors 4 ändert.
So ändern sich, während in der Fotodiode 6 Signalladungen angesammelt werden, Potenziale an den Sources des Rücksetz- und Auswähltransistors 1 und 4. Dabei wird, wenn über den Zeilenauswählsignal-Eingangsanschluss 8 ein Zeilenauswähl­ signal an das Gate des Zugriffstransistors 7 gelegt wird, die in der Fotodiode 6 aufgrund der Signalladungen erzeugte Potenzialdifferenz an eine Spaltenauswählleitung 9 übertra­ gen.
Nachdem der Signalpegel aufgrund der in der Fotodiode 6 er­ zeugten Signalladungen erfasst wurde, wird der Rücksetztran­ sistor 1 durch das über den Rücksetzsignal-Eingangsanschluss 2 empfangene Rücksetzsignal eingeschaltet, und es werden alle in der Fotodiode 6 angesammelten Signalladungen rückge­ setzt.
Um das Störsignalproblem bei herkömmlichen CMOS-Bildsensoren mit 3-TR-Pixelstruktur zu überwinden, wurde ein CMOS-Bild­ sensor mit 4-TR-Pixelstruktur untersucht, der nachfolgend beschrieben wird.
Fig. 3 ist ein Querschnitt eines herkömmlichen CMOS-Bildsen­ sors mit 4-TR-Pixelstruktur, und Fig. 4 ist ein Schaltbild desselben.
Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, ist eine p-Epitaxieschicht 301 auf einem p-Halbleitersubstrat 300 ausgebildet, und ein n-Wannenbereich 302 ist in einem Teil der p-Epitaxieschicht 301 ausgebildet. Außerdem besteht in einem Teil der Oberflä­ che der p-Epitaxieschicht 301 ein Fotodiodenbereich aus ei­ ner fremdstoffdotierten n+-Schicht 303 innerhalb dieser p- Epitaxieschicht 301 und einer p+-Oberflächen-Fremdstoff­ schicht 307, die an der Oberfläche der fremdstoffdotierten Schicht 303 ausgebildet ist.
In einem Teil der p-Epitaxieschicht 301 ist beabstandet vom Fotodiodenbereich ein n+-Bereich 304 ausgebildet. Dieser n+- Bereich wird als potenzialungebundener Diffusionsbereich zum Erfassen von Bildladungen verwendet. Ein weiterer n+-Bereich 309 ist in der p-Epitaxieschicht 301 beabstandet vom n+-Be­ reich 304 ausgebildet, und er ist mit der Versorgungsspan­ nung VDD verbunden.
In der Oberfläche der p-Epitaxieschicht 301 ist zwischen dem Fotodiodenbereich, 303 mit 307, und dem n+-Bereich 304 eine leicht dotierte n-Fremdstoffschicht 308 ausgebildet, über der ein Übertragungsgate 305 vorhanden ist. Weiterhin ist auf der Oberfläche der Epitaxieschicht 301 zwischen den n+- Bereichen 304 und 309 ein Rücksetzgate 306 ausgebildet.
Nachfolgend werden der Schaltungsaufbau und ein Ladungser­ fassungsvorgang mit dem herkömmlichen CMOS-Bildsensor mit 4- TR-Pixelstruktur unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert.
Die Schaltung der 4-TR-Pixelstruktur besteht aus einem Rück­ setztransistor 21, einem Auswähltransistor 24, einem Zu­ griffstransistor 30, einem Übertragungstransistor 29 und einer Fotodiode 27.
Das Gate des Rücksetztransistors empfängt über einen Rück­ setzsignal-Eingangsanschluss 22 ein Rücksetzsignal. Eine Elektrode desselben ist mit einem potenzialungebundenen Kno­ ten 25 versehen, und seine andere Elektrode ist mit einem VDD-Anschluss 23 versehen. Das Gate des Auswähltransistors 24 ist mit dem potenzialungebundenen Knoten 25 versehen. Eine Elektrode des Auswähltransistors 24 ist mit dem VDD- Anschluss 23 versehen. Seine andere Elektrode ist mit dem Zugriffstransistor 30 verbunden. Das Gate dieses Zugriffs­ transistors 30 ist mit einem Zeilenauswählsignal-Eingangsan­ schluss 31 verbunden, um ein Zeilenauswählsignal zu empfan­ gen. Die andere Elektrode des Zugriffstransistors 30 ist mit einer Spaltenauswählleitung 32 verbunden. Das Gate des Über­ tragungstransistors 29 ist mit einem Übertragungssignal-Ein­ gangsanschluss 28 verbunden. Eine Elektrode dieses Transis­ tors ist mit dem potenzialungebundenen Knoten 25 verbunden, und eine andere Elektrode ist mit einer Fotodiode 27 verbun­ den. Wenn angesammelte Ladungen gelesen werden, führt der Übertragungstransistor 29 einen Vorgang zum Übertragen von Bildladungen aus. Die andere Elektrode der Fotodiode 27 ist mit einem Masseanschluss 10 und einem Fotogate 26 verbunden. Wenn Ladungen übertragen werden, führt das Fotogate 26 einen solchen Vorgang aus, dass es die ander Oberfläche angesam­ melten Ladungen sammelt.
Nachfolgend wird ein Erfassungsvorgang mit dem herkömmlichen CMOS-Bildsensor mit 4-TR-Pixelstruktur beschrieben.
Als Erstes werden durch einfallendes Licht induzierte Bild­ ladungen in der Fotodiode 27 angesammelt. Die angesammelten Signalladungen werden an der Oberfläche derselben gesammelt, wenn die Vorspannung am Fotogate 26 auf einen hohen Pegel umgeschaltet wird. Dabei wird, wenn ein am Gate des Übertra­ gungstransistors 29 eingegebenes Übertragungssignal diesen Transistor einschaltet, der Signalpegel an den potenzialun­ gebundenen Knoten 25 übertragen. Zusätzlich zu diesem Zu­ stand ändert sich, wenn der Rücksetztransistor 21 im AUS- Zustand verbleibt, der Potenzialpegel am potenzialungebunde­ nen Knoten 25, der als Sourceanschluss des Rücksetztransis­ tors 21 verwendet wird, entsprechend den am potenzialunge­ bundenen Knoten 25 angesammelten Signalladungen. Daher än­ dert sich das Potenzial am Auswähltransistor 24. Diese Po­ tenzialänderung am Gate des Auswähltransistors 24 bewirkt eine Änderung der Vorspannung am Sourceanschluss des Aus­ wähltransistors 24 und damit eine Änderung der Vorspannung am Drain des Zugriffstransistors 30.
Wenn in diesem Fall über den Zeilenauswählsignal-Eingangsan­ schluss 31 ein Zeilenauswählsignal an das Gate des Zugriffs­ transistors 30 angelegt wird, wird ein Potenzial aufgrund der an der Fotodiode 27 erzeugten Signalladungen an die Spaltenauswählleitung 32 übertragen. Im Ergebnis wird, nach­ dem der Signalpegel aufgrund der in der Fotodiode 27 erzeug­ ten Ladungen erfasst wurde, der Rücksetztransistor 21 durch das über den Rücksetzsignal-Eingangsanschluss 22 empfangene Rücksetzsignal in den EIN-Zustand versetzt, wodurch alle Signalladungen rückgesetzt werden.
Durch Wiederholen der o. g. Vorgänge wird jeder Signalpegel, und auch ein Bezugspotenzial nach dem Rücksetzvorgang, aus­ gelesen.
Jedoch bestehen bei bekannten CMOS-Bildsensoren immer noch die folgenden Probleme.
Obwohl die Fotodioden eines CMOS-Bildsensors mit 3-TR-Pixel­ struktur einen großen Lichtempfangsbereich aufweisen, wo­ durch der Füllfaktor verbessert ist, ist eine zusätzliche Schaltung erforderlich, um im Pixelpegel erzeugte Störsigna­ le zu beseitigen, weswegen die Pixelgröße erhöht ist.
Ferner besteht ein anderes schwerwiegendes Problem darin, dass die Empfindlichkeit abrupt wegen einer Kapazität der Fotodiode abnimmt, die unmittelbar als Eingangskapazität wirkt.
Durch Verwenden der CCD-Technik bei einem CMOS-Bildsensor mit 4-TR-Pixelstruktur zum Überwinden derartiger Probleme und zum Kontrollieren der Störsignale, wird die Qualität des Bilds des Sensors verbessert, da die Ladungsübertragungscha­ rakteristik verbessert ist. Es ist auch die Empfindlichkeit eines die CCD-Technik verwendenden Sensors verbessert, da der eindiffundierte, potenzialungebundene Knoten eine nie­ drige Eingangskapazität aufweist. Jedoch sind die Blauan­ sprechcharakteristik und der Füllfaktor wegen der Verwendung nicht allzu gut.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass aufgrund des potenzialungebundenen Knotens ein Bildnachzieheffekt auf­ tritt. Ferner ist der Herstellprozess wegen der Herstellung des Fotogates kompliziert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen CMOS-Bild­ sensor mit hervorragender Empfindlichkeit und eine Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen.
Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Sensors durch die Lehren der beigefügten Ansprüche 1 und 9 und hinsichtlich des Ver­ fahrens durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 15 gelöst.
Der erfindungsgemäße CMOS-Sensor verfügt über einen Ein­ heitszellenbereich mit einem ersten und einem zweiten Be­ reich, die einander benachbart sind und beide auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind; einem PDN-Bereich (die­ ser "PDN-Bereich" spezifiziert den Bereich zum Erzeugen ei­ ner Fotodiode mit n-Dotierung in einer p-Wanne) mit einem ersten und einem zweiten PDN-Bereich, wobei sich der erste PDN-Bereich ausgehend von der Oberfläche des ersten Bereichs zum Halbleitervolumen in einer Richtung rechtwinklig zur Oberfläche des Halbleiters erstreckt, und wobei sich der zweite PDN-Bereich vom unteren Abschnitt des ersten PDN-Be­ reichs zum unteren Abschnitt des zweiten Bereichs in einer Richtung rechtwinklig zum ersten PDN-Bereich erstreckt; und einem potenzialungebundenen Diffusionsbereich und einem Rücksetzbereich, die beide an der Oberfläche des zweiten Bereichs über den zweiten PDN-Bereich ausgebildet sind.
Das erfindungsgemäße Herstellverfahren verfügt über den Schritt des Herstellens einer Epitaxieschicht durch epitak­ tisches Aufwachsen auf eine Oberfläche des Halbleitersub­ strats, mit einem ersten und einem zweiten Bereich, die ein­ ander benachbart sind; den Schritt des Unterteilens des ers­ ten und zweiten Bereichs in mehrere Unterbereiche; den Schritt des wiederholten Ausführens eines PDN-Fremdstoffio­ nen-Dotierprozesses einmal oder entsprechend der Anzahl der mehreren Unterbereiche, um im PDN-Bereich eine stufenförmige Potenzialverteilung einzustellen, die entsprechend jeder Position der Unterbereiche einen Stufenwert aufweist; den Schritt des Herstellens von Transistoren zum Übertragen, Erfassen und Rücksetzen von im zweiten Bereich erzeugten Bildladungen; und den Schritt des erneuten Ausführens eines PDN-Fremdstoffionen-Dotierprozesses im ersten Bereich.
Der erfindungsgemäße CMOS-Bildsensor verfügt über die fol­ genden Wirkungen:
  • - Erstens zeigt er eine hervorragende Empfindlichkeitscharak­ teristik abhängig von der Lichtwellenlänge, da der PDN-Be­ reich durch den Ionendotierprozess tief in der Tiefenrich­ tung ausgebildet ist, wie es in den Fig. 6b und 6c darge­ stellt ist:
  • - Zweitens zeigt der Sensor verringerte Weißdefekte, wie sie im Wesentlichen in einer Fotodiodenstruktur existieren, da der PDN-Bereich tief ausgebildet ist.
  • - Drittens ist die Lichtansprechcharakteristik des Sensors verbessert, da für einen maximalen Fotodiodenbereich in ei­ nem Einheitszellenbereich gesorgt ist und der Füllfaktor erhöht ist.
Zusätzliche Merkmale und Aufgaben der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt und gehen teilweise aus dieser hervor, ergeben sich aber andererseits auch beim Aus­ üben der Erfindung. Die Aufgaben und andere Vorteile der Erfindung werden durch die Maßnahmen erzielt, wie sie spezi­ ell in der Beschreibung, den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen dargelegt sind.
Es ist zu beachten, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die beanspruchte Erfindung sind.
Die Zeichnungen, die beigefügt sind, um das Verständnis der Erfindung zu fördern, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, deren Prinzipien zu erläutern.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Pixelstruktur mit drei Transistoren bei einem herkömmlichen CMOS-Bildsensor.
Fig. 2 ist ein Schaltbild zur Struktur gemäß Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer Pixelstruktur mit vier Transistoren bei einem herkömmlichen CMOS-Bildsensor.
Fig. 4 ist ein Schaltbild zur Struktur gemäß Fig. 3.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht der Pixelstruktur eines erfin­ dungsgemäßen CMOS-Bildsensors.
Fig. 6a und 6b sind Schnittansichten zum Darstellen eines PDN-Ionendotierprozesses für einen CMOS-Bildsensor gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 6c ist eine Schnittansicht der Pixelstruktur eines CMOS- Bildsensors und einen PDN-Ionendotierprozesses gemäß dem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Nun werden ein erfindungsgemäßer CMOS-Bildsensor und ein erfindungsgemäßes Verfahren zu dessen Herstellung unter Be­ zugnahme auf die Fig. 5 und 6 erläutert.
Der erfindungsgemäße CMOS-Bildsensor verfügt über eine Struktur, bei der sich ein PDN-Bereich zum unteren Abschnitt eines aktiven Bereichs erstreckt, wodurch er tief ausgebil­ det ist und der Füllfaktor und die Empfindlichkeit verbes­ sert sind. Daher ist es möglich, dass das auf die gesamte Oberfläche des Sensors auffallende Licht zur Erzeugung von Bildladungen beiträgt. Die Gesamtfläche enthält die Fläche der ersten und zweiten Bereiche mit Ausnahme von Bereichen, in denen Gates ausgebildet sind und die daher als Lichtab­ schirmung wirken.
Gemäß Fig. 5 verfügt die Einheitszelle eines CMOS-Bildsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung über eine p-Epi­ taxieschicht 52, die auf einem p-Halbleitersubstrat 51 aus­ gebildet ist und einen ersten Bereich, in dem ein erster PDN-Bereich ausgebildet ist, und einen zweiten Bereich, in dem ein zweiter PDN-Bereich ausgebildet ist, aufweist. Beide PDN-Bereiche werden später erläutert.
In der Epitaxieschicht 52 ist ein PDN-Bereich 53 ausgebil­ det, der beim in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel L- förmigen Querschnitt aufweist. Den vertikalen Teil des PDN- Bereichs 53 bildet ein erster PDN-Bereich, und den horizon­ talen Teil bildet ein zweiter PDN-Bereich. Daher wird der Bereich der Epitaxieschicht 52 mit dem ersten PDN-Bereich als erster Bereich bezeichnet, und der mit dem zweiten PDN- Bereich wird als zweiter Bereich bezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der erste PDN-Bereich von der Oberfläche des ersten Bereichs in einer Richtung rechtwinklig zur Oberfläche in das Volumen hinein ausgebildet, und der zweite PDN-Bereich erstreckt sich vom unteren Abschnitt des ersten PDN-Bereichs in einer Richtung rechtwinklig zu diesem zum unteren Abschnitt des zweiten Bereichs.
Der PDN-Bereich 53 verfügt über ein Fremdstoffdotierungs- Konzentrationsprofil oder eine Fremdstoffdotierungstiefe, die in der horizontalen Richtung ausgehend vom ersten Be­ reich stufenweise abnimmt, wie es in den Fig. 6a bis 6c dargestellt ist, was bei deren Beschreibung näher erläutert wird. Dadurch soll in der horizontalen Richtung eine schräge Potenzialverteilung aufgebaut werden, damit Bildladungen über den gesamten PDN-Bereich 53 erzeugt werden, jedoch im ersten Bereich eine Ladungsübertragung an eine externe elek­ tronische Schaltung erzielt wird. Im Ergebnis werden die im gesamten PDN-Bereich erzeugten Bildladungen wegen der schrä­ gen Potenzialverteilung im PDN-Bereich im ersten Bereich gesammelt.
An der Oberfläche des PDN-Bereichs ist durch einen p+-Fremd­ stoffionen-Dotierprozess ein an der Oberfläche stark dotier­ ter Fremdstoffbereich 54 ausgebildet, um im PDN-Bereich er­ zeugte Störsignale zu unterdrücken.
In einem Teil der Oberfläche des zweiten Bereichs ist durch n+-Fremdstoffdotierung, um einen vorbestimmten Abstand vom ersten PDN-Bereich entfernt, ein erster stark dotierter Fremdstoffbereich 57 ausgebildet, der als Diffusionsbereich zum Erfassen von Bildladungen verwendet wird. Zwischen die­ sem und dem ersten PDN-Bereich ist auf dem Halbleitersub­ strat ein Übertragungsgate 55 ausgebildet. In einem Teil der Oberfläche des zweiten Bereichs ist durch n+-Fremdstoffdo­ tierung, um einen vorbestimmten Abstand vom ersten stark dotierten Fremdstoffbereich 57 entfernt, ein zweiter stark dotierter Fremdstoffbereich 59 ausgebildet, der als Rück­ setzbereich zum Rücksetzen von Bildladungen verwendet wird, wenn im potenzialungebundenen Diffusionsbereich Bildladungen erfasst wurden.
Das Rücksetzgate 58 ist auf dem Halbleitersubstrat zwischen dem ersten und dem zweiten stark dotierten Fremdstoffbereich 57 und 59 ausgebildet. Das Auswählgate 61 ist in einem iso­ lierten Bereich auf der Oberfläche der Epitaxieschicht 52 ausgebildet und mit dem ersten stark dotierten Fremdstoffbe­ reich 57 verbunden.
In der Oberfläche der Epitaxieschicht 52 sind zu den beiden Seiten des Auswählgates 61 ein dritter und ein vierter stark dotierter Fremdstoffbereich 60 und 62 ausgebildet, um einen Auswähltransistor zu bilden.
Unter dem Übertragungsgate 55 und dem Rücksetzgate 58 sind durch Eindotieren von n-Fremdstoffionen ein erster und ein zweiter leicht dotierter Fremdstoffbereich 56 und 63 ausge­ bildet.
Der zweite stark dotierte Fremdstoffbereich 59 ist mit einem Spannungsversorgungsanschluss VDD verbunden.
Diese Struktur eines erfindungsgemäßen CMOS-Bildsensors kann bei allen Bildsensoren mit 3-TR- und 4-TR-Struktur angewandt werden.
Nun wird ein erfindungsgemäßes Herstellverfahren für einen CMOS-Bildsensor erläutert.
Als Erstes wird, durch Ausführen eines Epitaxieprozesses an der Oberfläche des p-Halbleitersubstrats 51, die Epitaxie­ schicht 52 auf der Oberfläche des Substrats hergestellt. Wenn anstelle eines Epitaxieprozesses, wie bei der beispiel­ haften Erläuterung zur Erfindung angegeben, ein Wannenpro­ zess zum Herstellen des Bildsensors verwendet wird, ist es möglich, ein n-Halbleitersubstrat und eine p-Wanne zu ver­ wenden, die in diesem durch Eindotieren von p-Fremdstoffio­ nen hergestellt wurde.
Nachdem die p-Epitaxieschicht oder der p-Wannenbereich auf bzw. im Halbleitersubstrat hergestellt wurde, wird ein Fremdstoffionen-Dotierprozess zum Herstellen eines PDN-Be­ reichs im Einheitszellenbereich ausgeführt. Dieser Fremd­ stoffionen-Dotierprozess wird wiederholt unter Verwendung einer durch eine Fotolithografietechnik erzeugten Masken­ schicht ausgeführt. Bei den Ausführungsbeispielen der Erfin­ dung werden zwei Vorgehensweisen für den Ionendotierprozess erläutert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 6a wird nun das erste Verfahren erläutert. Dabei zeigt Fig. 6a ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Einheitszellenbereich zum Erzeugen des PDN-Bereichs in drei Unterbereiche unterteilt ist. Dabei sind ein erster, ein zweiter und ein dritter Unterbereich ausgehend von der ganz linken Seite (die in den Zeichnungen nicht dargestellt ist) im Einheitszellenbereich ausgebildet. Für diesen Fall wird der Ionendotierprozess drei Mal ausge­ führt, um gemäß der Erfindung ein stufenförmiges Fremdstoff­ konzentrationsprofil im PDN-Bereich zu erzeugen. Dies kann durch einen Ionendotierprozess mit konstanter Dotierstoff­ konzentration oder konstanter Energie erfolgen.
Das Verfahren eines Ionendotierprozesses mit konstanter Kon­ zentration wird nun erläutert. Dieser Prozess wird am Besten drei Mal ausgeführt, da drei Unterbereiche vorhanden sind:
  • - der erste Fremdstoffionen-Dotierprozess mit konstanter Dotierstoffkonzentration wird für alle drei Unterbereich im Einheitszellenbereich ausgeführt;
  • - der zweite Fremdstoffionen-Dotierprozess, mit derselben Dotierstoffkonzentration wie beim ersten Prozess, wird für den ersten und zweiten Unterbereich ausgeführt, wie es in Fig. 6a dargestellt ist;
  • - der dritte Fremdstoffionen-Dotierprozess, wiederum mit derselben Dotierstoffkonzentration wie beim ersten Prozess, wird für den ersten Unterbereich ausgeführt, wie es in Fig. 6a dargestellt ist.
Daher überlappen bei diesem Ausführungsbeispiel für die ein­ dotierte Konzentration im ersten Unterbereich drei Fremd­ stoffionen-Dotierprozesse, und für die Dotierstoffkonzen­ tration im zweiten Unterbereich überlappen zwei Fremdstoff­ ionen-Dotierprozesse. Im ganz rechten, letzten Unterbereich wird der Fremdstoffionen-Dotierprozess nur einmal ausge­ führt.
Als Ergebnis der drei Fremdstoffionen-Dotierprozesse ist, wie es in Fig. 6a dargestellt ist, das eindotierte Fremd­ stoffkonzentrationsprofil im PDN-Bereich entsprechend der Wiederholungszahl der Prozesse sequenziell verkleinert oder vergrößert. Bei diesem Profil wird der erste Unterbereich als erster PDN-Bereich verwendet.
Unter Bezugnahme auf Fig. 6b wird nun ein anderes Verfahren zum Erzeugen eines dotierten Fremdstoffkonzentrationsprofils gemäß der Erfindung erläutert.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind der erste und zwei­ te Bereich in mehrere Unterbereiche, nämlich drei Unterbe­ reiche, unterteilt. Beim Dotieren variiert die Dotierionen­ konzentration (oder die Dotierionenenergie) abhängig von der Position des Unterbereichs:
  • - für den ersten Unterbereich, der als erster PDN-Bereich verwendet wird, wird ein Ionendotierprozess mit der höchsten Konzentration (der höchsten Dotierungsenergie) verwendet;
  • - für den zweiten Bereich wird ein Ionendotierprozess mit der zweithöchsten Konzentration (der zweithöchsten Dotie­ rungsenergie) verwendet;
  • - für den Unterbereich ganz links wird die niedrigste Do­ tierstoffkonzentration (die niedrigste Dotierungsenergie) verwendet.
Das Fremdstoffkonzentrationsprofil für den PDN-Bereich ist ebenfalls in Fig. 6b dargestellt.
Es ist möglich, den Dotierungsprozess entsprechend der Posi­ tion jedes Unterbereichs in umgekehrter Reihenfolge auszu­ führen, so dass der Unterbereich ganz links die niedrigste Fremdstoffkonzentration und der Unterbereich ganz rechts die höchste Fremdstoffkonzentration aufweist.
Es ist möglich, eine stufenförmige Fremdstoffkonzentration im PDN-Bereich unter Verwendung einer Maskierungsschicht mit variierender Dicke abhängig von der Position jedes Unterbe­ reichs herzustellen. In diesem Fall weist der in der Epita­ xieschicht 52 erzeugte PDN-Bereich abhängig von der Dicke der Maskenschicht ein stufenförmiges Ionendotierungsprofil auf.
Nachdem der Ionendotierprozess gemäß der Abfolge der Fig. 6a oder der Fig. 6b abgeschlossen ist, wird ein Ionendotierpro­ zess nur für den ersten Bereich zwei oder drei Mal wieder­ holt ausgeführt, um den ersten PDN-Bereich in einer Richtung rechtwinklig zur Oberfläche des Halbleitersubstrats zu bil­ den. Fig. 6c zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein vier­ ter Fremdstoffdotierprozess ausgeführt wurde.
Die Dotierstoffkonzentration im Fall der Fig. 6c kann der Dotierstoffkonzentration im Fall der Fig. 6a oder 6b entspre­ chen, was jedoch nicht der Fall sein muss, jedoch ist es bevorzugt, wenn für den Fall der Fig. 6c eine Dotierstoffkon­ zentration verwendet wird, die derjenigen gemäß Fig. 6a oder 6b entspricht oder kleiner ist.
Der Ionendotierprozess gemäß Fig. 6c wird ausgeführt, nachdem alle Transistoren zum Übertragen, Erfassen und Rücksetzen von Ladungen hergestellt wurden.
Alle Ionendotierprozesse für den ersten Bereich werden aus­ geführt, ohne dass in diesem irgendein Isolierbereich herge­ stellt wird.
Im Fotodiodenbereich des erfindungsgemäßen CMOS-Bildsensors werden im PDN-Bereich erzeugte Bildladungen vom PDN-Bereich mit niedriger Fremdstoffkonzentration zum PDN-Bereich mit hoher Fremdstoffkonzentration (dem ersten Bereich) übertra­ gen, da im PDN-Bereich durch den PDN-Ionendotierprozess ent­ sprechend der Position jedes Unterbereichs eine Differenz des internen Potenzialniveaus erzeugt ist.
Beim erfindungsgemäßen CMOS-Bildsensor ist der gesamte Be­ reich der Einheitszelle, außer dem durch Transistoren gegen Licht abgeschirmten Bereich, als Lichtempfangsgebiet ausge­ bildet, da die Fotodiode auf dem unteren Teil des aktiven Bereich (dem zweiten Bereich) ausgebildet ist, wobei Tran­ sistoren zum Übertragen, Erfassen und/oder Rücksetzen von Ladungen in der Oberfläche des aktiven Bereichs ausgebildet sind.

Claims (24)

1. CMOS-Bildsensor mit:
einem Einheitszellenbereich mit einem ersten und einem zweiten Bereich, die einander benachbart auf einem Silicium- Volumensubstrat (51) ausgebildet sind;
einem PDN-Bereich (53) mit einem ersten PDN-Bereich, der sich ausgehend von der Oberfläche im ersten Bereich in einer Richtung rechtwinklig zur Oberfläche desselben in das Volu­ men erstreckt, und einem zweiten PDN-Bereich, der sich von einem unteren Abschnitt des ersten PDN-Bereichs in einer Richtung rechtwinklig zu diesem bis zu einem unteren Ab­ schnitt des zweiten Bereichs erstreckt; und
einem potenzialungebundenen Diffusionsbereich (54) und einem Rücksetzbereich (59), die an der Oberfläche des zwei­ ten Bereichs über dem zweiten PDN-Bereich ausgebildet sind.
2. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass der PDN-Bereich (53) in mehrere Unterbereiche un­ terteilt ist und eine stufenförmige Differenz der Potenzial­ niveaus zwischen zwei benachbarten Unterbereichen entspre­ chend der Reihenfolge vorliegt.
3. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die Ionendotierkonzentration im zweiten PDN-Be­ reich abhängig vom Abstand vom ersten PDN-Bereich stufenför­ mig abnimmt.
4. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die Tiefe der Ionendotierung ausgehend von der Oberfläche des zweiten Bereichs im zweiten PDN-Bereich ab­ hängig vom Abstand vom ersten PDN-Bereich stufenförmig ab­ nimmt.
5. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass der potenzialungebundene Diffusionsbereich (54) vom ersten PDN-Bereich beabstandet ist und an der Oberfläche des zweiten Bereichs zwischen dem ersten PDN-Bereich und dem potenzialungebundenen Diffusionsbereich ein Übertragungsgate (55) ausgebildet ist.
6. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass der Rücksetzbereich (59) beabstandet vom potenzi­ alungebundenen Diffusionsbereich (54) ausgebildet ist und an der Oberfläche des zweiten Bereichs zwischen dem potenzial­ ungebundenen Diffusionsbereich und dem Rücksetzbereich ein Rücksetzgate (58) ausgebildet ist.
7. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, dass das Rücksetzgate (58) mit einem Spannungsversor­ gungsanschluss (VDD) verbunden ist.
8. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass in einem Teil des zweiten Bereichs, der vom ersten Bereich am weitesten entfernt ist, ein Auswähltransistor ausgebildet ist, dessen Auswählgate (61) mit dem potenzial­ ungebundenen Diffusionsbereich (54) verbunden ist.
9. CMOS-Bildsensor mit:
einer p-Epitaxieschicht (52), die auf einem p-Halbleiter­ substrat (51) ausgebildet ist und einen ersten und einen zweiten Bereich, die einander benachbart sind, aufweist;
einem PDN-Bereich (53), der so in der p-Epitaxieschicht ausgebildet ist, dass er einen ersten PDN-Bereich, der sich ausgehend von der Oberfläche des ersten Bereichs in einer Richtung rechtwinklig zur Oberfläche in das Volumen er­ streckt, und einen zweiten PDN-Bereich aufweist, der sich von einem unteren Abschnitt des ersten PDN-Bereichs in einer Richtung rechtwinklig zu diesem zu einem unteren Abschnitt des zweiten Bereichs erstreckt;
einem Bereich mit hoher Fremdstoffkonzentration an der Oberfläche (54), der in der Oberfläche des ersten Bereichs durch einen p+-Fremdstoffionen-Dotierprozess hergestellt wurde;
einem ersten Bereich mit hoher Fremdstoffkonzentration (57), der durch einen n+-Fremdstoffdotierprozess in der Oberfläche des zweiten Bereichs getrennt vom Bereich mit hoher Fremdstoffkonzentration an der Oberfläche ausgebildet ist;
einem Übertragungsgate (55) auf der Oberfläche des zweiten Bereichs zwischen dem ersten Bereich mit hoher Fremdstoff­ konzentration und dem ersten PDN-Bereich;
einem zweiten Bereich (59) mit hoher Fremdstoffkonzentrat­ ion, der durch einen n+-Fremdstoffdotierprozess in der Ober­ fläche des zweiten Bereichs getrennt vom ersten Bereich mit hoher Fremdstoffkonzentration hergestellt ist und als Rück­ setzbereich verwendet wird; und
einem Rücksetzgate (58), das auf dem Substrat zwischen dem ersten und zweiten Bereich mit hoher Fremdstoffkonzentration ausgebildet ist.
10. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, dass der PDN-Bereich (53) in mehrere Unterbereiche un­ terteilt ist und eine stufenförmige Differenz der Potenzial­ niveaus zwischen zwei benachbarten Unterbereichen entspre­ chend der Reihenfolge vorliegt.
11. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, dass der PDN-Bereich (53) hinsichtlich der Ionendotier­ konzentration oder hinsichtlich der Ionendotiertiefe abhän­ gig vom Abstand vom ersten PDN-Bereich eine stufenförmige Abnahme aufweist.
12. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, dass in einem Abschnitt des zweiten Bereichs, der vom ersten Bereich am weitesten entfernt ist, ein Auswähltran­ sistor ausgebildet ist, dessen Auswählgate (61) mit dem als potenzialungebundener Diffusionsbereich verwendeten Bereich (54) mit hoher Fremdstoffkonzentration verbunden ist.
13. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, dass in einem Teil des zweiten Bereichs unter sowohl dem Übertragungsgate (55) als auch dem Rücksetzgate (58) durch n--Fremdstoffdotierung ein leicht dotierter Fremd­ stoffbereich (56, 63) ausgebildet ist.
14. CMOS-Bildsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, dass eine in einem n-Halbleitersubstrat ausgebildete p- Wanne anstelle einer auf einem p-Halbleitersubstrat (51) hergestellten p-Epitaxieschicht (52) verwendet ist.
15. Verfahren zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors, mit den folgenden Schritten:
epitaktisches Aufwachsen einer Epitaxieschicht (52) mit einem ersten und einem zweiten Bereich, die einander benach­ bart sind, auf eine Oberfläche eines Halbleitersubstrats (51);
Unterteilen des ersten und zweiten Bereichs in mehrere Unterbereiche und anschließendes Ausführen eines PDN-Fremd­ stoffdotierprozesses für ein Mal oder für soviele Male, wie es der Anzahl der Unterbereiche entspricht, damit die Poten­ zialniveaudifferenz zwischen zwei benachbarten Unterberei­ chen entsprechend der Reihenfolge stufenförmig ist;
Herstellen mehrerer Transistoren zum Übertragen, Erfassen und Rücksetzen von Ladungen im zweiten Bereich; und
erneutes Eindotieren von PDN-Fremdstoffionen in den ersten Bereich.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Substrats mit Epitaxieschicht ein n-Halb­ leitersubstrat verwendet wird, in dem durch einen p-Fremd­ stoffionen-Dotierprozess eine p-Wanne hergestellt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste PDN-Bereich das höchste Potenzial im PDN-Be­ reich (53) aufweist.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Bereich die höchste Fremdstoffkonzentration oder die größte Fremdstoffdotiertiefe aufweist.
19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maskenschicht mit abhängig vom Abstand vom ersten Bereich stufenförmig zunehmender Dicke hergestellt wird und danach ein einmaliger PDN-Fremdstoffionen-Dotierprozess durch die Maskenschicht ausgeführt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere PDN-Fremdstoffionen-Dotierprozesse wiederholt so ausgeführt werden, dass sie sich im ersten Unterbereich am meisten und im am weitesten vom ersten Unterbereich ent­ fernten Unterbereich am wenigsten überlappen.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration oder die Dotierungsenergie beim PDN-Fremdstoffionen-Dotierprozess auf einem konstanten Wert gehalten wird.
22. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der PDN-Fremdstoffionen-Dotierprozess für die jeweili­ gen Unterbereiche ein Mal ausgeführt wird und die Dotier­ stoffkonzentration oder die Dotierungsenergie beim PDN- Fremdstoffionen-Dotierprozess abhängig von der Position der jeweiligen Unterbereiche variiert.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration oder die Dotierungsenergie entsprechend dem Abstand vom ersten Bereich abnimmt.
24. Herstellverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der erste Bereich gleichmäßige Fremdstoffio­ nenkonzentration aufweist, während alle PDN-Fremdstoffionen- Dotierprozesse ausgeführt werden.
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