DE10105071B4 - CMOS-Bildsensor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
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Abstract
Description
-
- Priorität: 28. April 2000,
Republik Korea, Nr. P 2000-22855 - Beschreibung
- Die Erfindung betrifft einen CMOS-Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
- In jüngerer Zeit werden die meisten elektronischen Erzeugnisse immer vielseitiger. Z. B. sind PCs mit CD-ROM-Laufwerken, DVD-Spielern oder Kameras für Videokonferenzen ausgerüstet. Auch sind Digitalkameras handelsüblich, die an einem Computer angebracht werden können, um Bilder zu editieren. Selbst Notebooks und Mobiltelefone mit einer kleinen an ihnen angebrachten Kamera werden bald in großen Mengen am Markt zu erhalten sein.
- Wenn eine Kamera an einem großen Erzeugnis wie einem PC angebracht wird, führt deren Verwendung zu keinerlei Problemen. Jedoch entstehen schwerwiegende Probleme, wenn eine Kamera an einem kleinen, tragbaren Erzeugnis wie einem Notebook 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 höhere 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-Bauteile.
- 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 Energieverbrauch aufweisen.
- Nachfolgend wir ein herkömmlicher CMOS-Bildsensor unter Bezugnahme auf die
1 bis4 erläutert. -
1 ist eine Schnittansicht einer Pixelstruktur mit 3 Transistoren (TR) bei einem herkömmlichen CMOS-Bildsensor, und2 ist ein Schaltbild für das 3 TR-Pixel desselben. - Da bei einem CMOS-Bildsensor ein Standard-CMOS-Prozess angewandt wird, ist gemäß
1 eine n-Wanne102 in einem p-Halbleitersubstrat100 ausgebildet, um einen Lichtempfangsabschnitt zu erhalten. Um in diesem erzeugte Bildladungen zu erfassen, ist angrenzend an die n-Wanne102 eine p-Wanne101 ausgebildet. Ausgehend von der Fläche der n-Wanne102 bis zu einem Teil der Fläche der p-Wanne101 erstreckt sich ein n+-Bereich103a , der als Kanal für eine Bewegung der Bildladungen verwendet wird. Ein weiterer n+-Bereich103b ist in einem Teil der Oberfläche des p-Wannenbereichs101 beabstandet vom n+-Bereich103a ausgebildet, und er wird als potenzialungebundener Bereich verwendet, in dem ein Lesevorgang für die Bildladungen ausgeführt wird. Um dabei die Ladungen zu transportieren, ist über dem Substrat zwischen dem n+-Bereich103a und dem n+-Bereich103b ein Übertragungsgate104 ausgebildet. - Gemäß dem Schaltbild der
2 ist der Schaltkreis der 3 TR-Pixelstruktur mit einem Rücksetztransistor1 , einem Auswähltransistor4 und einem Zugriffstransistor7 versehen. Der Rücksetztransistor1 verfügt über ein Gate zum Empfangen eines Rücksetzsignals über einen Signaleingangsanschluss2 , eine mit einem potenzialungebundenen Knoten5 verbundene Elektrode und eine weitere Elektrode, die mit einem VDD-Anschluss3 verbunden ist. Das Gate des Auswähltransistors4 ist mit dem potenzialungebundenen Knoten5 verbunden, und eines seiner Elektroden ist mit dem VDD-Anschluss3 verbunden. Seine andere Elektrode ist mit dem Zugriffstransistor7 verbunden. Dieser ist zwischen den Auswähltransistor4 und eine Spaltenauswählleitung9 in Reihe geschaltet. Das Gate des Zugriffstransistors7 ist mit einem Zeilenauswählsignal-Eingangsanschluss8 verbunden, um ein Zeilenauswählsignal zu empfangen. Zwischen den potenzialungebundenen Knoten5 und einen Masseanschluss10 ist eine Fotodiode6 geschaltet. - Nun wird der Lesevorgang der 3-TR-Pixelstruktur bei einem herkömmlichen CMOS-Bildsensor beschrieben.
- Bildladungen, die durch von außen einfallendes Licht in einer Fotodiode
6 induziert wurden, werden in dieser angesammelt. Diese angesammelten Signalladungen ändern das Potenzial des potenzialungebundenen Knotens5 , der als Sourceanschluss des Rücksetztransistors1 verwendet wird, und von diesem ausgehend ändert sich das Gatepotenzial des Auswähltransistors4 , der als Treiber eines Pixelpegel-Sourcefolgers verwendet wird. Die Änderung des Gatepotenzials des Auswähltransistors4 sorgt dafür, dass sich die Vorspannung am Knoten des Drains des Zugriffstransistors7 mit der Source des Auswähltransistors4 ändert. - So ändern sich, während in der Fotodiode
6 Signalladungen angesammelt werden, Potenziale an den Sources des Rücksetz- und Auswähltransistors1 und4 . Dabei wird, wenn über den Zeilenauswählsignal-Eingangsanschluss8 ein Zeilenauswählsignal an das Gate des Zugriffstransistors7 gelegt wird, die in der Fotodiode6 aufgrund der Signalladungen erzeugte Potenzialdifferenz an eine Spaltenauswählleitung9 übertragen. - Nachdem der Signalpegel aufgrund der in der Fotodiode
6 erzeugten Signalladungen erfasst wurde, wird der Rücksetztransistor1 durch das über den Rücksetzsignal-Eingangsanschluss2 empfangene Rücksetzsignal eingeschaltet, und es werden alle in der Fotodiode6 angesammelten Signalladungen rückgesetzt. - Um das Störsignalproblem bei herkömmlichen CMOS-Bildsensoren mit 3-TR-Pixelstruktur zu überwinden, wurde ein CMOS-Bildsensor mit 4-TR-Pixelstruktur untersucht, der nachfolgend beschrieben wird.
-
3 ist ein Querschnitt eines herkömmlichen CMOS-Bildsensors mit 4-TR-Pixelstruktur, und4 ist ein Schaltbild desselben. - Wie es in
3 dargestellt ist, ist eine p-Epitaxieschicht301 auf einem p-Halbleitersubstrat300 ausgebildet, und ein n-Wannenbereich302 ist in einem Teil der p-Epitaxieschicht301 ausgebildet. Außerdem besteht in einem Teil der Oberfläche der p-Epitaxieschicht301 ein Fotodiodenbereich aus einer fremdstoffdotierten n+-Schicht303 innerhalb dieser p-Epitaxieschicht301 und einer p+-Oberflächen-Fremdstoffschicht307 , die an der Oberfläche der fremdstoffdotierten Schicht303 ausgebildet ist. - In einem Teil der p-Epitaxieschicht
301 ist beabstandet vom Fotodiodenbereich ein n+-Bereich304 ausgebildet. Dieser n+-Bereich wird als potenzialungebundener Diffusionsbereich zum Erfassen von Bildladungen verwendet. Ein weiterer n+-Bereich309 ist in der p-Epitaxieschicht301 beabstandet vom n+-Bereich304 ausgebildet, und er ist mit der Versorgungsspannung VDD verbunden. - In der Oberfläche der p-Epitaxieschicht
301 ist zwischen dem Fotodiodenbereich,303 mit307 , und dem n+-Bereich304 eine leicht dotierte n-Fremdstoffschicht308 ausgebildet, über der ein Übertragungsgate305 vorhanden ist. Weiterhin ist auf der Oberfläche der Epitaxieschicht301 zwischen den n+-Bereichen304 und309 ein Rücksetzgate306 ausgebildet. - Nachfolgend werden der Schaltungsaufbau und ein Ladungserfassungsvorgang mit dem herkömmlichen CMOS-Bildsensor mit 4-TR-Pixelstruktur unter Bezugnahme auf
4 erläutert. - Die Schaltung der 4-TR-Pixelstruktur besteht aus einem Rücksetztransistor
21 , einem Auswähltransistor24 , einem Zugriffstransistor30 , einem Übertragungstransistor29 und einer Fotodiode27 . - Das Gate des Rücksetztransistors empfängt über einen Rücksetzsignal-Eingangsanschluss
22 ein Rücksetzsignal. Eine Elektrode desselben ist mit einem potenzialungebundenen Knoten25 versehen, und seine andere Elektrode ist mit einem VDD-Anschluss23 versehen. Das Gate des Auswähltransistors24 ist mit dem potenzialungebundenen Knoten25 versehen. Eine Elektrode des Auswähltransistors24 ist mit dem VDD-Anschluss23 versehen. Seine andere Elektrode ist mit dem Zugriffstransistor30 verbunden. Das Gate dieses Zugriffstransistors30 ist mit einem Zeilenauswählsignal-Eingangsanschluss31 verbunden, um ein Zeilenauswählsignal zu empfangen. Die andere Elektrode des Zugriffstransistors30 ist mit einer Spaltenauswählleitung32 verbunden. Das Gate des Übertragungstransistors29 ist mit einem Übertragungssignal-Eingangsanschluss28 verbunden. Eine Elektrode dieses Transistors ist mit dem potenzialungebundenen Knoten25 verbunden, und eine andere Elektrode ist mit einer Fotodiode27 verbunden. Wenn angesammelte Ladungen gelesen werden, führt der Übertragungstransistor29 einen Vorgang zum Übertragen von Bildladungen aus. Die andere Elektrode der Fotodiode27 ist mit einem Masseanschluss10 und einem Fotogate26 verbunden. Wenn Ladungen übertragen werden, führt das Fotogate26 einen solchen Vorgang aus, dass es die ander Oberfläche angesammelten Ladungen sammelt. - Nachfolgend wird ein Erfassungsvorgang mit dem herkömmlichen CMOS-Bildsensor mit 4-TR-Pixelstruktur beschrieben.
- Als Erstes werden durch einfallendes Licht induzierte Bildladungen in der Fotodiode
27 angesammelt. Die angesammelten Signalladungen werden an der Oberfläche derselben gesammelt, wenn die Vorspannung am Fotogate26 auf einen hohen Pegel umgeschaltet wird. Dabei wird, wenn ein am Gate des Übertragungstransistors29 eingegebenes Übertragungssignal diesen Transistor einschaltet, der Signalpegel an den potenzialungebundenen Knoten25 übertragen. Zusätzlich zu diesem Zustand ändert sich, wenn der Rücksetztransistor21 im AUS-Zustand verbleibt, der Potenzialpegel am potenzialungebundenen Knoten25 , der als Sourceanschluss des Rücksetztransistors21 verwendet wird, entsprechend den am potenzialungebundenen Knoten25 angesammelten Signalladungen. Daher ändert sich das Potenzial am Auswähltransistor24 . Diese Potenzialänderung am Gate des Auswähltransistors24 bewirkt eine Änderung der Vorspannung am Sourceanschluss des Auswähltransistors24 und damit eine Änderung der Vorspannung am Drain des Zugriffstransistors30 . - Wenn in diesem Fall über den Zeilenauswählsignal-Eingangsanschluss
31 ein Zeilenauswählsignal an das Gate des Zugriffstransistors30 angelegt wird, wird ein Potenzial aufgrund der an der Fotodiode27 erzeugten Signalladungen an die Spaltenauswählleitung32 übertragen. Im Ergebnis wird, nachdem der Signalpegel aufgrund der in der Fotodiode27 erzeugten Ladungen erfasst wurde, der Rücksetztransistor21 durch das über den Rücksetzsignal-Eingangsanschluss22 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, ausgelesen.
- Jedoch bestehen bei bekannten CMOS-Bildsensoren immer noch die folgenden Probleme.
- Obwohl die Fotodioden eines CMOS-Bildsensors mit 3-TR-Pixelstruktur einen großen Lichtempfangsbereich aufweisen, wodurch der Füllfaktor verbessert ist, ist eine zusätzliche Schaltung erforderlich, um im Pixelpegel erzeugte Störsignale 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 Ladungsübertragungscharakteristik verbessert ist. Es ist auch die Empfindlichkeit eines die CCD-Technik verwendenden Sensors verbessert, da der eindiffundierte, potenzialungebundene Knoten eine niedrige Eingangskapazität aufweist. Jedoch sind die Blauansprechcharakteristik und der Füllfaktor wegen der Verwendung nicht allzu gut.
- Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass aufgrund des potenzialungebundenen Knotens ein Bildnachzieheffekt auftritt. Ferner ist der Herstellprozess wegen der Herstellung des Fotogates kompliziert.
- Aus der
US 6 026 964 A ist eine aktive Pixelsensorzelle bekannt. Sie umfasst eine fotosensitive Vorrichtung. Sie umfasst ferner eine erste Vorrichtung, die mit der fotosensitiven Vorrichtung gekoppelt ist und eine zweite Vorrichtung, die mit der fotosensitiven Vorrichtung gekoppelt ist. Die fotosensitive Vorrichtung erzeugt Ladungen in Antwort auf die Einwirkung von Elektromagnetismus auf die fotosensitive Vorrichtung. Die erste Vorrichtung zieht einen ersten Typ an erzeugter Ladung ab von der fotosensitiven Vorrichtung. Die zweite Vorrichtung zieht einen zweiten Typ an erzeugter Ladung ab von der fotosensitiven Vorrichtung. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen CMOS-Bildsensor mit hervorragender Empfindlichkeit und eine Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen.
- Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Sensors durch die Lehren des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 13 gelöst.
- Der erfindungsgemässe CMOS-Sensor verfügt über einen Einheitszellenbereich mit einem ersten und einem zweiten Bereich, die einander benachbart sind und beide auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind; einem PDN-Bereich (dieser ”PDN-Bereich” spezifiziert den Bereich zum Erzeugen einer 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-Bereichs 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 epitaktisches Aufwachsen auf eine Oberfläche des Halbleitersubstrats, mit einem ersten und einem zweiten Bereich, die einander benachbart sind; den Schritt des Unterteilens des ersten und zweiten Bereichs in mehrere Unterbereiche; den Schritt des wiederholten Ausführens eines PDN-Fremdstoffionen-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 folgenden Wirkungen:
- – Erstens zeigt er eine hervorragende Empfindlichkeitscharakteristik abhängig von der Lichtwellenlänge, da der PDN-Bereich durch den Ionendotierprozess tief in der Tiefenrichtung ausgebildet ist, wie es in den
6b und6c dargestellt 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 einem 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 Ausüben der Erfindung. Die Aufgaben und andere Vorteile der Erfindung werden durch die Maßnahmen erzielt, wie sie speziell 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.
-
1 ist eine Schnittansicht einer Pixelstruktur mit drei Transistoren bei einem herkömmlichen CMOS-Bildsensor. -
2 ist ein Schaltbild zur Struktur gemäß1 . -
3 ist eine Schnittansicht einer Pixelstruktur mit vier Transistoren bei einem herkömmlichen CMOS-Bildsensor. -
4 ist ein Schaltbild zur Struktur gemäß3 . -
5 ist eine Schnittansicht der Pixelstruktur eines erfindungsgemäßen CMOS-Bildsensors. -
6a und6b sind Schnittansichten zum Darstellen eines PDN-Ionendotierprozesses für einen CMOS-Bildsensor gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
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 Bezugnahme auf die
5 und6 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 ausgebildet ist und der Füllfaktor und die Empfindlichkeit verbessert 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 Lichtabschirmung wirken.
- Gemäß
5 verfügt die Einheitszelle eines CMOS-Bildsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung über eine p-Epitaxieschicht52 , die auf einem p-Halbleitersubstrat51 ausgebildet 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-Bereich53 ausgebildet, der beim in5 dargestellten Ausführungsbeispiel L-förmigen Querschnitt aufweist. Den vertikalen Teil des PDN-Bereichs53 bildet ein erster PDN-Bereich, und den horizontalen Teil bildet ein zweiter PDN-Bereich. Daher wird der Bereich der Epitaxieschicht52 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 Bereich stufenweise abnimmt, wie es in den6a bis6c 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-Bereich53 erzeugt werden, jedoch im ersten Bereich eine Ladungsübertragung an eine externe elektronische Schaltung erzielt wird. Im Ergebnis werden die im gesamten PDN-Bereich erzeugten Bildladungen wegen der schrägen Potenzialverteilung im PDN-Bereich im ersten Bereich gesammelt. - An der Oberfläche des PDN-Bereichs ist durch einen p+-Fremdstoffionen-Dotierprozess ein an der Oberfläche stark dotierter Fremdstoffbereich
54 ausgebildet, um im PDN-Bereich erzeugte 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 diesem und dem ersten PDN-Bereich ist auf dem Halbleitersubstrat ein Übertragungsgate55 ausgebildet. In einem Teil der Oberfläche des zweiten Bereichs ist durch n+-Fremdstoffdotierung, um einen vorbestimmten Abstand vom ersten stark dotierten Fremdstoffbereich57 entfernt, ein zweiter stark dotierter Fremdstoffbereich59 ausgebildet, der als Rücksetzbereich 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 Fremdstoffbereich57 und59 ausgebildet. Das Auswählgate61 ist in einem isolierten Bereich auf der Oberfläche der Epitaxieschicht52 ausgebildet und mit dem ersten stark dotierten Fremdstoffbereich57 verbunden. - In der Oberfläche der Epitaxieschicht
52 sind zu den beiden Seiten des Auswählgates61 ein dritter und ein vierter stark dotierter Fremdstoffbereich60 und62 ausgebildet, um einen Auswähltransistor zu bilden. - Unter dem Übertragungsgate
55 und dem Rücksetzgate58 sind durch Eindotieren von n-Fremdstoffionen ein erster und ein zweiter leicht dotierter Fremdstoffbereich56 und63 ausgebildet. - 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 Epitaxieschicht52 auf der Oberfläche des Substrats hergestellt. Wenn anstelle eines Epitaxieprozesses, wie bei der beispielhaften Erläuterung zur Erfindung angegeben, ein Wannenprozess zum Herstellen des Bildsensors verwendet wird, ist es möglich, ein n-Halbleitersubstrat und eine p-Wanne zu verwenden, die in diesem durch Eindotieren von p-Fremdstoffionen hergestellt wurde. - Nachdem die p-Epitaxieschicht oder der p-Wannenbereich auf bzw. im Halbleitersubstrat hergestellt wurde, wird ein Fremdstoffionen-Dotierprozess zum Herstellen eines PDN-Bereichs im Einheitszellenbereich ausgeführt. Dieser Fremdstoffionen-Dotierprozess wird wiederholt unter Verwendung einer durch eine Fotolithografietechnik erzeugten Maskenschicht ausgeführt. Bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung werden zwei Vorgehensweisen für den Ionendotierprozess erläutert.
- Unter Bezugnahme auf
6a wird nun das erste Verfahren erläutert. Dabei zeigt6a 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 ausgeführt, um gemäß der Erfindung ein stufenförmiges Fremdstoffkonzentrationsprofil im PDN-Bereich zu erzeugen. Dies kann durch einen Ionendotierprozess mit konstanter Dotierstoffkonzentration oder konstanter Energie erfolgen. - Das Verfahren eines Ionendotierprozesses mit konstanter Konzentration 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
6a dargestellt ist; - – der dritte Fremdstoffionen-Dotierprozess, wiederum mit derselben Dotierstoffkonzentration wie beim ersten Prozess, wird für den ersten Unterbereich ausgeführt, wie es in
6a dargestellt ist. - Daher überlappen bei diesem Ausführungsbeispiel für die eindotierte Konzentration im ersten Unterbereich drei Fremdstoffionen-Dotierprozesse, und für die Dotierstoffkonzentration im zweiten Unterbereich überlappen zwei Fremdstoffionen-Dotierprozesse. Im ganz rechten, letzten Unterbereich wird der Fremdstoffionen-Dotierprozess nur einmal ausgeführt.
- Als Ergebnis der drei Fremdstoffionen-Dotierprozesse ist, wie es in
6a dargestellt ist, das eindotierte Fremdstoffkonzentrationsprofil 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
6b wird nun ein anderes Verfahren zum Erzeugen eines dotierten Fremdstoffkonzentrationsprofils gemäß der Erfindung erläutert. - Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind der erste und zweite Bereich in mehrere Unterbereiche, nämlich drei Unterbereiche, unterteilt. Beim Dotieren variiert die Dotierionenkonzentration (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 Dotierungsenergie) verwendet;
- – für den Unterbereich ganz links wird die niedrigste Dotierstoffkonzentration (die niedrigste Dotierungsenergie) verwendet.
- Das Fremdstoffkonzentrationsprofil für den PDN-Bereich ist ebenfalls in
6b dargestellt. - Es ist möglich, den Dotierungsprozess entsprechend der Position jedes Unterbereichs in umgekehrter Reihenfolge auszuführen, 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 Unterbereichs herzustellen. In diesem Fall weist der in der Epitaxieschicht
52 erzeugte PDN-Bereich abhängig von der Dicke der Maskenschicht ein stufenförmiges Ionendotierungsprofil auf. - Nachdem der Ionendotierprozess gemäß der Abfolge der
6a oder der6b abgeschlossen ist, wird ein Ionendotierprozess nur für den ersten Bereich zwei oder drei Mal wiederholt ausgeführt, um den ersten PDN-Bereich in einer Richtung rechtwinklig zur Oberfläche des Halbleitersubstrats zu bilden.6c zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein vierter Fremdstoffdotierprozess ausgeführt wurde. - Die Dotierstoffkonzentration im Fall der
6c kann der Dotierstoffkonzentration im Fall der6a oder6b entsprechen, was jedoch nicht der Fall ein muss, jedoch ist es bevorzugt, wenn für den Fall der6c eine Dotierstoffkonzentration verwendet wird, die derjenigen gemäß6a oder6b entspricht oder kleiner ist. - Der Ionendotierprozess gemäß
6c wird ausgeführt, nachdem alle Transistoren zum Übertragen, Erfassen und Rücksetzen von Ladungen hergestellt wurden. Alle Ionendotierprozesse für den ersten Bereich werden ausgeführt, ohne dass in diesem irgendein Isolierbereich hergestellt 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) übertragen, da im PDN-Bereich durch den PDN-Ionendotierprozess entsprechend der Position jedes Unterbereichs eine Differenz des internen Potenzialniveaus erzeugt ist.
- Beim erfindungsgemäßen CMOS-Bildsensor ist der gesamte Bereich der Einheitszelle, außer dem durch Transistoren gegen Licht abgeschirmten Bereich, als Lichtempfangsgebiet ausgebildet, da die Fotodiode auf dem unteren Teil des aktiven Bereich (dem zweiten Bereich) ausgebildet ist, wobei Transistoren zum Übertragen, Erfassen und/oder Rücksetzen von Ladungen in der Oberfläche des aktiven Bereichs ausgebildet sind.
Claims (22)
- CMOS-Bildsensor mit: einem Einheitszellenbereich mit einem ersten und einem zweiten Bereich, die einander benachbart auf einem Silicium-Volumensubstrat 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 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 einem potenzialungebundenen Diffusionsbereich (57 ) und einem Rücksetzbereich (59 ), die an der Oberfläche des zweiten Bereichs über dem zweiten PDN-Bereich ausgebildet sind. - CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der PDN-Bereich (
53 ) in mehrere Unterbereiche unterteilt ist und eine stufenförmige Differenz der Potenzialniveaus zwischen zwei benachbarten Unterbereichen entsprechend der Reihenfolge vorliegt. - CMOS-Bildsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionendotierkonzentration im zweiten PDN-Bereich abhängig vom Abstand vom ersten PDN-Bereich stufenförmig abnimmt.
- CMOS-Bildsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Ionendotierung ausgehend von der Oberfläche des zweiten Bereichs im zweiten PDN-Bereich abhängig vom Abstand vom ersten PDN-Bereich stufenförmig abnimmt.
- CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der potenzialungebundene Diffusionsbereich (
57 ) 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. - CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücksetzbereich (
59 ) beabstandet vom potenzialungebundenen Diffusionsbereich (57 ) ausgebildet ist und an der Oberfläche des zweiten Bereichs zwischen dem potenzialungebundenen Diffusionsbereich und dem Rücksetzbereich ein Rücksetzgate (58 ) ausgebildet ist. - CMOS-Bildsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rücksetzgate (
58 ) mit einem Spannungsversorgungsanschluss (VDD) verbunden ist. - CMOS-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Teil des zweiten Bereichs, der vom ersten Bereich am weitesten entfernt ist, ein Auswähltransistor ausgebildet ist, dessen Auswählgate (
61 ) mit dem potenzialungebundenen Diffusionsbereich (54 ) verbunden ist. - CMOS-Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 8 wobei: das Silizium-Volumensubstrat umfasst eine p-Epitaxieschicht (
52 ), die auf einem p-Halbleitersubstrat (51 ) ausgebildet ist; der PDN-Bereich (53 ) in der p-Epitaxieschicht ausgebildet ist; ein Bereich mit hoher Fremdstoffkonzentration an der Oberfläche (54 ) ausgebildet ist, der in der Oberfläche des ersten Bereichs durch einen p<+>-Fremdstoffionen-Dotierprozess hergestellt wurde; der potenzialungebundene Diffusionsbereich (57 ) einen ersten Bereich mit hoher Fremdstoffkonzentration umfasst, der durch einen n<+>-Fremdstoffdotierprozess in der Oberfläche des zweiten Bereichs getrennt vom Bereich mit hoher Fremdstoffkonzentration an der Oberfläche ausgebildet ist; ein Übertragungsgate (55 ) ist ausgebildet auf der Oberfläche des zweiten Bereichs zwischen dem ersten Bereich mit hoher Fremdstoffkonzentration und dem ersten PDN-Bereich; der Rücksetzbereich (59 ) einen zweiten Bereich mit hoher Fremdstoffkonzentration umfasst, der durch einen n<+>-Fremdstoffdotierprozess in der Oberfläche des zweiten Bereichs getrennt vom ersten Bereich mit hoher Fremdstoffkonzentration hergestellt ist; und ein Rücksetzgate (58 ) auf dem Substrat zwischen dem ersten und zweiten Bereich mit hoher Fremdstoffkonzentration ausgebildet ist. - CMOS-Bildsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abschnitt des zweiten Bereichs, der vom ersten Bereich am weitesten entfernt ist, ein Auswähltransistor ausgebildet ist, dessen Auswählgate (
61 ) mit dem als potenzialungebundener Diffusionsbereich verwendeten Bereich (57 ) mit hoher Fremdstoffkonzentration verbunden ist. - CMOS-Bildsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Teil des zweiten Bereichs unter sowohl dem Übertragungsgate (
55 ) als auch dem Rücksetzgate (58 ) durch n<–>-Fremdstoffdotierung ein leicht dotierter Fremdstoffbereich (56 ,63 ) ausgebildet ist. - CMOS-Bildsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine in einem n-Halbleitersubstrat ausgebildete p-Wanne anstelle einer auf einem p-Halbleitersubstrat (
51 ) hergestellten p-Epitaxieschicht (52 ) verwendet ist. - Verfahren zum Herstellen eines CMOS-Bildsensors, mit den folgenden Schritten: epitaktisches Aufwachsen einer Epitaxieschicht (
52 ) mit einem ersten und einem zweiten Bereich, die einander benachbart sind, auf eine Oberfläche eines Halbleitersubstrats (51 ); Unterteilen des ersten und zweiten Bereichs in mehrere Unterbereiche und anschliessendes Ausführen eines PDN-Fremdstoffdotierprozesses für ein Mal oder für soviele Male, wie es der Anzahl der Unterbereiche entspricht, damit die Potenzialniveaudifferenz zwischen zwei benachbarten Unterbereichen 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. - Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Substrats mit Epitaxieschicht ein n-Halbleitersubstrat verwendet wird, in dem durch einen p-Fremdstoffionen-Dotierprozess eine p-Wanne hergestellt wird.
- Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste PDN-Bereich das höchste Potenzial im PDN-Bereich (
53 ) aufweist. - Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Bereich die höchste Fremdstoffkonzentration oder die grösste Fremdstoffdotiertiefe aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 13, 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.
- Verfahren nach Anspruch 13, 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 entfernten Unterbereich am wenigsten überlappen.
- Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration oder die Dotierungsenergie beim PDN-Fremdstoffionen-Dotierprozess auf einem konstanten Wert gehalten wird.
- Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der PDN-Fremdstoffionen-Dotierprozess für die jeweiligen Unterbereiche ein Mal ausgeführt wird und die Dotierstoffkonzentration oder die Dotierungsenergie beim PDN-Fremdstoffionen-Dotierprozess abhängig von der Position der jeweiligen Unterbereiche variiert.
- Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration oder die Dotierungsenergie entsprechend dem Abstand vom ersten Bereich abnimmt.
- Herstellverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich gleichmässige Fremdstoffionenkonzentration aufweist, während alle PDN-Fremdstoffionen-Dotierprozesse ausgeführt werden.
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