DE10160501A1

DE10160501A1 - Festkörper-Bildverarbeitungseinrichtung

Info

Publication number: DE10160501A1
Application number: DE10160501A
Authority: DE
Inventors: Masayuki Furumiya; Hiroaki Ohkubo; Yasutaka Nakashiba
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2002-09-12
Also published as: JP2002170945A; JP4270742B2; US6639293B2; US20020063302A1; TW517388B; KR20020042508A

Abstract

Eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung wie zum Beispiel ein CMOS-Bildsensor schließt Photodiodenabschnitte ein, die so gestaltet sind, dass sowohl die Empfindlichkeit verbessert als auch die Kreuzkopplung elektrischer Ladungen mit benachbarten Bildpunkten verringert wird. Eine p-Schicht, deren Verunreinigungskonzentration niedriger ist als die einer p·+·-Substratschicht, ist auf der p·+·-Substratschicht ausgebildet, bei der es sich um ein Siliziumhalbleiter-p-Substrat mit hoher Verunreinigungskonzentration handelt. Eine photoelektrische n-Umwandlungszone ist an einer Stelle auf der Oberseite der p-Schicht vorgesehen. Mittels dieser Konfiguration werden die zu den Photoelektronen, die in der p-Schicht erzeugt werden, gehörenden Elektronen, die in Richtung des Substrats diffundieren, zuverlässig in der p·+·-Substratschicht gefangen und durch Rekombination vernichtet.

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung und eine photoelektrische Halbleiter-Konvertierungsvorrichtung, die ein photoelektrisches Konvertierungselement wie zum Beispiel einen Licht(Photo)detektor eines Photokopplers aufweist, und insbesondere eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung, die in Ver arbeitungsprozessen gegen eine CMOS-(Complementary Metal-Oxide Semiconductor- Ergänzungs-Metalloxidhalbleiter)Vorrichtung, d. h. einen CMOS-Bildsensor, austauschbar ist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

In den letzten Jahren war die Entwicklung von Kameras zu erleben, die zur Erlangung von Bilddaten eingesetzt und zusammen mit z. B. Personalcomputern (PCs) verwendet wurden. Ladungsgekoppelte Baustein-(CCD-)Lichtsensoren, die CCDs nutzen, oder CMOS- Lichtsensoren, die in Herstellungsprozessen gegen CMOS-Vorrichtungen ausgetauscht werden können, werden als die in diese Kameras eingebauten Festkörper-Bildverarbeitungs vorrichtungen verwendet.

Ein CCD-Lichtsensor (im folgenden auch Bildsensor genannt) ist eine Art von Bild sensor, in dem photoelektrische Konvertierungselemente oder Photodioden zweidimensional korrespondierend zu sie Bildpunkten (Bildelementen) angeordnet sind, wobei die Signale der jeweiligen Bildpunkte, die mittels photoelektrischer Konvertierungselemente elektrisch geladen wurden, nacheinander gelesen werden, indem vertikale Übertragungs-CCDs und horizontale Übertragungs-CCDs zum Einsatz gelangen. CMOS-Bildsensoren ähneln CCD- Bildsensoren darin, dass photoelektrische Konvertierungselemente zweidimensional kor respondierend zu Bildpunkten angeordnet sind, doch beim Lesen von Signalen werden keine vertikalen und horizontalen Übertragungs-CCDs verwendet, sondern die für die jeweiligen Bildpunkte gespeicherten Signale werden mittels Auswahlleitungen, die aus Aluminium leitungen bestehen, aus ausgewählten Bildelementen gelesen, wie es beim Auslesen einer Halbleiter-Speichervorrichtung der Fall ist.

Im Gegensatz zu einem CCD-Bildsensor, der eine Vielzahl positiver und negativer Energiequellenspannungen zum Betrieb der CCDs benötigt, kann ein CMOS-Bildsensor mit einer einzigen Stromversorgung betrieben werden und ermöglicht dadurch einen geringeren Energieverbrauch und eine geringere Energiequellenspannung als ein CCD-Bildsensor. Weiterhin kompliziert der Einsatz eines Herstellungsverfahrens für die CCD selbst bei der Herstellung eines CCD-Bildsensors die einfache Anwendung von Herstellungsverfahren, die üblicherweise für eine CMOS-Schaltung zum Einsatz kommen. Andererseits werden die Her stellungsverfahren für einen CMOS-Bildsensor üblicherweise auch für CMOS-Schaltungen angewandt. Periphere Schaltungen wie z. B. logische Schaltungen, Analogschaltungen und Analog-/Digital-Konvertierungsschaltungen können deshalb gleichzeitig mit dem CMOS- Bildsensor mittels CMOS-Herstellungsverfahren gebildet werden, die häufig bei der Her stellung von Prozessoren, Halbleiterspeichervorrichtungen wie z. B. DRAMs (Dynamic Random Access Memories [dynamische Direktzugriffsspeicher]) und logischen Schaltungen zum Einsatz kommen. Mit anderen Worten weist ein CMOS-Bildsensor die Vorteile auf, dass er ohne weiteres auf demselben Halbleiterchip wie eine Halbleiterspeichervorrichtung oder ein Prozessor gebildet werden kann und dass weiterhin die Herstellung des CMOS-Bild sensors ohne weiteres in der gleichen Fertigungsanlage erfolgen kann wie die einer Halb leiterspeichereinrichtung oder eines Prozessors.

Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht, die ein Beispiel dieser Art von CMOS-Bild sensor zeigt und den Grundriss einer Halbleitervorrichtung, die als CMOS-Bildsensor aus gebildet ist, zeigt. Der CMOS-Bildsensor 1 ist ausgestattet mit: der Bildeinheit 2, in der photoelektrische Konvertierungselemente (im folgenden auch Umwandlungselemente ge nannt) zweidimensional für jeden Bildpunkt angeordnet sind; dem Taktgenerator 3 zur Erzeugung von Zeitsignalen, die für das Lesen von Signalen aus den Bildpunkten erforderlich sind; der vertikalen Abtasteinheit 4 und der horizontalen Abtasteinheit 5 zum Auswählen der Ausgabe der Bildpunkte; dem Analogsignalprozessor 6 zur Verstärkung und Verarbeitung von Signalen von den ausgewählten Bildpunkten; und der logischen Schaltungseinheit 7 zur Verarbeitung der Analogsignalausgabe vom Analogsignalprozessor 6 und zur Ausgabe des Ergebnisses in Form digitaler Signale. Die logische Schaltungseinheit 7 ist ausgestattet mit: dem A/D-Wandler 8 zur Ausführung der Analog-Digital-Umwandlung der Eingangsanalog signale; dem digitalen Signalprozessor (DSP) 9 zur Umwandlung der digitalisierten Signale in digitale Bildsignale; und der Schnittstelle (I/F) 10 zur Ausgabe digitaler Bildsignale nach außen und zum Empfang von Befehlsdaten von außen.

Die nachfolgende Erläuterung betrifft die Elementarzellen, aus denen die Bildeinheit 2 des CMOS-Bildsensors 1 besteht. In diesem Falle ist für jeden Bildpunkt eine Elementarzelle vorgesehen, die aus einem photoelektrischen Umwandlungselement, d. h. einer Photodiode, für jeden Bildpunkt, realisiert als pn-Verbindung, und einem Transistor besteht, der einen Schalter zur Auswahl dieses photoelektrischen Umwandlungselements darstellt. Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht, die die Konstruktion einer Elementarzelle nach dem Stand der Technik in einem CMOS-Bildsensor zeigt.

Die Elementarzelle 11 weist im wesentlichen eine Konstruktion auf, bei der ein Quellbereich 13 des p-Typs auf ein Substrat 12 des p-Typs aufgebracht ist, und bei der ein photoelektrischer Umwandlungsbereich 14 des n-Typs, der mit dem Quellbereich 13 des p- Typs verbunden ist, um eine Photodiode zu bilden, in der Oberfläche des Quellbereichs 13 des p-Typs vorgesehen ist. Zum Zwecke der Isolierung dieser Elementarzelle 11 von benachbarten Elementarzellen sind weiterhin vorgesehen: ein Isolierbereich 15 des p⁺-Typs, der im Typ-p-Quellbereich 13 ausgebildet ist; ein Isolieroxidfilm 16, der zum Beispiel auf dem p⁺-Typ-Isolierbereich 15 ausgebildet ist; ein Gate-Oxidfilm 17, der auf den Abschnitten der Oberflächen des p-Typ-Quellbereichs 13 und der photoelektrischen n-Typ-Umwand lungszone 14 ausgebildet ist, auf denen sich kein Isolieroxidfilm 16 befindet; ein Zwischen schichtsperrfilm 18, der so gebildet ist, dass er die gesamten Oberflächen des Isolieroxidfilms 16 und des Gate-Oxidfilms 17 bedeckt; und ein Abschirmfilm 19, der innerhalb des Zwischenschichtsperrfilms 18 gebildet ist, um den Einfall von Licht auf nicht notwendige Abschnitte zu verhindern.

Weiterhin ist der n⁺-Typ-Rücksetz-Drainbereich 20 im p-Typ-Quellbereich 13 an einer Position ausgebildet, die etwas entfernt von der photoelektrischen n-Typ-Umwandlungszone 14 liegt. Der Gate-Oxidfilm 17 ist ebenfalls auf der Oberfläche dieses n⁺-Typ-Rücksetz- Drainbereichs 20 ausgebildet. Ein Rücksetztransistor 21 ist in dem p-Typ-Quellbereich 13 und zwischen dem photoelektrischen n-Typ-Umwandlungsbereich 14 und dem n⁺-Typ- Rücksetz-Drainbereich 20 als Kanalbereich, der photoelektrischen n-Typ-Umwandlungszone 14 als Quellbereich und dem n⁺-Typ-Rücksetz-Drainbereich 20 als Drainbereich ausgebildet. Die photoelektrische n-Umwandlungszone 14 ist somit durch den Rücksetztransistor 21 mit dem n⁺-Rücksetz-Drainbereich 20 verbunden.

Die Elementarzelle ist weiterhin ausgestattet mit einem Treibertransistor 22 einer Quell verfolgungseinrichtung und einem Transistor 23, der einen horizontalen Auswahlschalter dar stellt. Die photoelektrische n-Umwandlungszone 14 ist mit dem Gate des Treibertransistors 22 verbunden, um Ausgangsveränderungen gemäß der Menge des einfallenden Lichtes nach außen auszugeben. Für jede Zeile der Einzelzellanordnung ist ein Lasttransistor 24 einer Quellverfolgungseinrichtung ausgebildet. Der Treibertransistor 22, der Transistor 23 und der Lasttransistor 24 sind in dieser Reihenfolge hintereinander zwischen die Versorgungs spannungen V_DD und V_SS geschaltet. Die Ausgangsspannung V_out dieser Elementarzelle 11 liegt am Anschlusspunkt zwischen dem Transistor 23 und dem Lasttransistor 24 an.

Ein CMOS-Bildsensor dieser Konstruktion arbeitet wie folgt:

Zuerst wird durch Erhöhen eines Impulses, der dem Gate des Rücksetztransistors 21 zugeführt wird, auf einen hohen Wert das Potenzial der photoelektrischen n-Umwandlungs zone 14 auf die Versorgungsspannung V_DD gesetzt, die dem n⁺-Rücksetzdrainbereich 20 zugeführt wird, wodurch die Signalladung in der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 zurückgesetzt wird. Die Senkung des Impulses, der dem Gate des Rücksetztransistors 21 zugeführt wird, auf einen niedrigen Wert bewirkt den Beginn der Akkumulation der Signal ladung. Während der Akkumulation der Signalladung erzeugt das Einfallen von Licht Elek tronenlochpaare im Bereich des unteren Abschnittes der photoelektrischen n-Umwandlungs zone 14, woraufhin die Elektronen in der Verarmungszone unter der photoelektrischen n- Umwandlungszone 14 akkumuliert und die Löcher durch den p-Bereich 13 entladen werden. Das Potenzial der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 ändert sich dann gemäß der Anzahl der akkumulierten Elektronen, und durch den Betrieb der Quellverfolgungs einrichtung wird diese Potenzialänderung über die Quelle des Treibertransistors 22 an den horizontalen Auswahlschalttransistor 23 ausgegeben, wodurch eine photoelektrische Umwandlungsausgabecharakteristik mit guter Linearität zu erreichen ist.

Obwohl in der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 ein "kTC"-Rauschen auftritt, die zu einer Gleitdiffusionsschicht wird, wenn der Rücksetztransistor 21 zurückgesetzt ist, kann dieses Rauschen durch Abtasten und Speichern der Ausgabe im Dunkeln vor der Über tragung von Signalelektronen und durch die nachfolgende Ermittlung der Differenz zwischen diesem Wert und der Ausgabe im Hellen eliminiert werden. Hierbei bezeichnet k die Boltz mann-Konstante, T die Temperatur und C die elektrische Kapazität.

Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Photodiodenstruktur zeigt, die eine stärkere Verringerung des Kriechrauschens vorsieht als das photoelektrische Umwandlungs element (Photodiode) in der in Fig. 2 dargestellten Elementarzelle. In Fig. 3 abgebildete Teile die die gleichen Bezugszeichen tragen wie Teile in Fig. 2, stellen die gleichen Bestandteile dar wie in Fig. 2.

Die in Fig. 3 dargestellte Photodiodenstruktur umfaßt die p⁺-Oberflächenschicht 25, die auf der Oberfläche des Abschnitts der Photodiode (d. h. des photoelektrischen Umwandlungs elements) in Fig. 2 gebildet ist, wobei die Bereitstellung dieser Art von p⁺-Oberflächenschicht 25 den Kriechstrom an der Oberfläche des Photodiodenabschnittes reduziert. Diese Kon struktionsart wird nach dem Stand der Technik häufig eingesetzt.

Die vergangen Jahre haben einen steigenden Bedarf sowohl an Miniaturisierung als auch an größeren Bildpunktzahlen in Bildsensoren (d. h. Festkörper-Bildverarbeitungsvor richtungen) gezeigt, und diese Anforderungen haben unvermeidlich sowohl eine stärkere Integration der Elementarzellen als auch einen kleineren Bereich pro Bildpunkt erforderlich gemacht. Eine Reduzierung der Bildpunktgröße führt zu einer Verkleinerung des Bereichs jeder Photodiode, und diese Verkleinerung führt ihrerseits zu einer Verringerung der Licht menge, die auf jeden Bildpunkt fällt. Die Verringerung der einfallenden Lichtmenge bewirkte ein Abfallen des Ausgangssignals, wodurch das SN(Signal-Rausch)-Verhältnis des Ausgabe bildes sinkt und die Bildqualität sich verschlechtert.

Eine Lösung dieser Probleme verlangt eine Verbesserung der Effizienz der photoelek trischen Umwandlung pro Einzelbereich. Da die Bildpunkte kleiner sind, verringert sich auch die auf jeden Bildpunkt einfallende Lichtmenge. Unabhängig von dieser Verringerung der einfallenden Lichtmenge muss die Effizienz der photoelektrischen Umwandlung hinsichtlich der Tiefe der Photodiode verbessert werden, um die Zahl der Photoelektronen zu erhöhen, d. h. es muss eine tiefe Photodiode gebildet werden. Die Bildung einer tiefen Photodiode bedeutet die Ausweitung der Verarmungszone der Photodiode bis tief in das Substrat. Auf diese Weise können Elektronen, die nach dem Stand der Technik durch photoelektrische Umwandlung erzeugt wurden, jedoch in Richtung des Substrats strömten und deshalb nicht im Photo diodenabschnitt akkumuliert wurden und damit nicht zur Empfindlichkeit der Photodiode beitrugen, effizient in der Photodiode akkumuliert werden.

Auf der Grundlage dieser Überlegung haben die Anmelder der vorliegenden Erfindung früher in der JP, P2001-7309A ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Verunreinigungs konzentration nur der p-Quellschicht unter der Photodiode geringer gehalten wird als die Ver unreinigungskonzentration der p-Quellschicht anderer Abschnitte, wodurch sich die Ver armungszone der Photodiode tiefer in das Substrat erstreckt und sich die Lichtempfindlichkeit verbessert und außerdem die kapazitive Kopplung mit dem Substrat verringert wird, um die Erkennungsempfindlichkeit zu verbessern.

Ein Problem bleibt jedoch auch bei der Umsetzung dieser Maßnahmen ungelöst. Dieses Problem betrifft das Auftreten eines Kopiereffektes (im folgenden auch als Kreuzkopplung bezeichnet) zwischen Bildpunkten und einer deutlichen Auflösungsminderung auf Grund der Bewegung von Elektronen zwischen benachbarten Photodioden (d. h. Elementarzellen). Mit anderen Worten führt die Diffusion von Photoelektronen in Bildpunkte, in denen Licht erzeugt wird, zum Ableiten von Elektronen in Bildpunkte, in denen zunächst kein einfallendes Licht vorhanden sein sollte, und somit wird ein Rauschen erzeugt, das selbst in den Bild punkten, auf die kein Licht einfällt, den Eindruck einer Signaleingabe erweckt wird. Vorrich tungen wie zum Beispiel Abschirmfilme sind nicht in der Lage, diese Kreuzkopplungs komponente zu unterbinden, da sie von der Erzeugung von Photoelektronen in relativ tiefen Abschnitten des Substrats herrührt. Licht, das zu Photoelektronen in relativ tiefen Abschnitten des Substrats führt, ist Licht von Wellenlängen von Rot bis fast Infrarot auf. Dies ist darauf zurückzuführen, dass wegen der Abhängigkeit der Wellenlänge des Absorptionskoeffizienten von Silizium (Si), das als Halbleitersubstrat dient, die Absorptionslänge für Licht aus dem roten oder fast infraroten Wellenlängenbereich größer ist, d. h. dieses Licht dringt tief in das Substrat ein. Photoelektronen, die auf Grund der Absorption dieses Lichtes tief im Substrat auftreten, diffundieren in das Substrat vom Typ p, und Photoelektronen, die in horizontaler Richtung in der Schnittansicht aus Fig. 2 oder Fig. 3 diffundieren, können einen benachbarten Bildpunkt erreichen und damit zu einer Quelle für Kreuzkopplungen werden.

Im Gegensatz dazu wird blaues und grünes Licht, bei dem es sich um sichtbares Licht kurzer Wellenlängen handelt, im wesentlichen in Abschnitten des photoelektrischen n-Um wandlungsbereichs und der Verarmungszone der Photodiode, die sich in Richtung des Substrats erstrecken, absorbiert, und dieses Licht dringt daher nicht tief in das Substrat ein. Mit anderen Worten ist die Kreuzkopplungskomponente, die das Substrat durchdringt, bei kurzen Wellenlängen nur klein.

Wenn die p-Quelle mit einer zu großen Tiefe ausgebildet ist, erhöht sich die Empfind lichkeit mit Bezug auf Licht nahe dem Infrarotbereich, und die Vorrichtung ist nicht mehr für den Einsatz als Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung zur Anwendung mit sichtbarem Licht geeignet. Infrarot-(IR-)Sperrfilter werden häufig verwendet, um die Empfindlichkeit für Licht nahe dem Infrarotbereich zu unterdrücken, doch wenn die Empfindlichkeit für Licht nahe dem Infrarotbereich zu hoch ist, kann die Empfindlichkeit für Licht, das den Filter durchdringt, ungeachtet des Einsatzes eines IR-Sperrfilters nicht ignoriert werden.

Somit verstärkt einfache Vergrößerung der Tiefe des p-Quellbereichs zur Erhöhung der Empfindlichkeit nur die ungewollte Empfindlichkeit für Licht nahe dem Infrarotbereich, und weiterhin diffundieren Elektronen, die in den tieferen Abschnitten des p-Quellbereichs auftreten, horizontal und werden zu einer Quelle der Kreuzkopplungen zu den benachbarten Bildpunkten.

Abschließend sei gesagt, dass eine Photodiodenstruktur, die sowohl eine hohe Empfind lichkeit für sichtbares Licht als auch eine geringe Kreuzkopplung bietet, bislang nicht vorge schlagen worden ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Festkörper-Bildverarbei tungsvorrichtung zu schaffen, die die Erkennungsempfindlichkeit erhöhen, die Effizienz der Ausgabeumwandlung erhöhen, die photoelektrische Umwandlungseffizienz erhöhen, die Verarmungszone erweitern, die Isolationsmerkmale zwischen den Bildpunkten aufrecht erhalten und das Auftreten von Kreuzkopplungen verringern kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Festkörper-Bildverarbeitungs vorrichtung realisiert, die umfasst: eine Substratschicht, die aus einem Halbleiter eines ersten leitfähigen Typs (im folgenden auch Leitungstyp genannt) besteht; eine Halbleiterschicht des ersten Leitungstyps, die auf der Substratschicht vorgesehen ist; und eine auf der Halbleiter schicht vorgesehene photoelektrische Umwandlungszone eines zweiten Leitungstyps, der dem ersten Leitungstyp entgegengesetzt ist; wobei die Verunreinigungskonzentration der Substratschicht höher ist als die Verunreinigungskonzentration der Halbleiterschicht.

Eine Halbleiterschicht mit niedriger Verunreinigungskonzentration vom ersten Lei tungstyp, deren Verunreinigungskonzentration niedriger ist als die der Halbleiterschicht, kann zwischen der Substratschicht und der Halbleiterschicht vorgesehen sein. In dem Falle, dass die Halbleiterschicht mit niedriger Verunreinigungskonzentration vorgesehen ist, ist die Ver unreinigungskonzentration der Halbleiterschicht mit niedriger Verunreinigungskonzentration vorzugsweise niedriger als die Verunreinigungskonzentration des photoelektrischen Umwand lungsbereichs.

Die erfindungsgemäße Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung kann weiterhin mit einer peripheren Schaltungshalbleiterschicht vom ersten Leitungstyp versehen sein, die eine höhere Verunreinigungskonzentration aufweist als die Halbleiterschicht und die auf der Halb leiterschicht zumindest unter Transistoren in Bildpunkten ausgebildet ist. Weiterhin beträgt aus der Sicht der Unterdrückung der Empfindlichkeit für Licht nahe dem Infrarotbereich der Abstand von der Oberfläche der Hauptebene des Halbleiters zur Oberfläche der Halbleiterschicht auf der Substratschicht vorzugsweise ein Minimum von 2 µm und ein Maximum von 10 µm.

Bei der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise mindestens eine der Halbleiter schicht bzw. der Halbleiterschicht mit niedriger Verunreinigungsdichte durch epitaxiales Wachstum gebildet. Weiterhin handelt es sich beim Tiefenprofil der Verunreinigung in der Halbleiterschicht vorzugsweise um ein retrogrades Profil.

Indem die vorliegende Erfindung die oben beschriebene Struktur annimmt, kann sie eine Photodiode realisieren, die zu einer hohen Empfindlichkeit in der Lage ist, kann sie bewirken, dass sich das Spektralmerkmal dem Spektralmerkmal des sichtbaren Lichtes nähert, und kann weiterhin eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung schaffen, die die Kreuz kopplung zwischen den Bildpunkten unterdrückt.

Die obige und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung auf der Grundlage der beigefügten Zeichnungen deutlich, die Beispiele bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht, die eine Konstruktion eines Beispiels für einen CMOS-Bildsensor zeigt;

Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Elementarzelle und eine periphere Schaltung in einem CMOS-Bildsensor nach dem Stand der Technik zeigt;

Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Elementarzelle nach dem Stand der Technik zeigt, in der das Kriechrauschen in einer Photodiode reduziert wurde;

Fig. 4 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Elementarzelle in einer Festkörper- Bildverarbeitungsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Elementarzelle in einer Festkörper- Bildverarbeitungsvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 6 zeigt das Tiefenprofil der Verunreinigung in einem Photodiodenabschnitt der in Fig. 5 dargestellten Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung;

Fig. 7 ist ein Diagramm, das das Spektralempfindlichkeitsmerkmal in einer Festkörper- Bildverarbeitungsvorrichtung nach dem Stand der Technik und der Festkörper-Bildverarbei tungsvorrichtung aus Fig. 5 zeigt;

Fig. 8 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Elementarzelle in einer Festkörper- Bildverarbeitungsvorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 9 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Elementarzelle in einer Festkörper- Bildverarbeitungsvorrichtung nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung Erste Ausführungsform

Eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung, deren Elementarzelle in Fig. 4 darge stellt wird, ist als CMOS-Bildsensor der Art ausgebildet, die in der oben beschriebenen Fig. 1 gezeigt wird. In der Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung aus Fig. 4 sind Konstruktion und Betrieb anderer Abschnitte als die Elementarzelle äquivalent zu dem in Fig. 1 dargestell ten CMOS-Bildsensor, so dass redundante Erläuterungen weggelassen werden. Weiterhin sind Teile in Fig. 4, die die gleichen Bezugszeichen tragen wie Teile in Fig. 2, mit den Elementen in Fig. 2 identisch.

In Fig. 4 wird die p-Schicht 27 mit einer Verunreinigungskonzentration, die niedriger ist als die der p⁺-Substratschicht 26, auf der p⁺-Substratschicht 26 gebildet, bei der es sich um ein p-Halbleitersubstrat hoher Konzentration handelt (zum Beispiel um ein Siliziumsubstrat vom Typ p+). Die photoelektrische n-Umwandlungszone 14 wird an einer Stelle auf der Oberseite dieser p-Schicht 27 gebildet. Die p⁺-Substratschicht 26, die p-Schicht 27 und die photoelek trische n-Umwandlungszone 14 entsprechen jeweils der Substratschicht des ersten Leitungs typs, der Halbleiterschicht des ersten Leitungstyps bzw. der photoelektrischen Umwandlungs zone des zweiten Leitungstyps. Die photoelektrische n-Umwandlungszone 14 wird zum Bei spiel gebildet durch Ionenimplantation oder -diffusion einer n-Verunreinigung in die p- Schicht 27. Die p-Schicht 27 wird vorzugsweise durch epitaxiales Wachstum auf der p⁺- Schicht 26 gebildet. Das Verunreinigungsprofil kann durch Ionenimplantation einer p- Verunreinigung gesteuert werden, wie in der weiter unten zu erläuternden der zweiten Aus führungsform. In diesem Falle beträgt die Verunreinigungskonzentration der p⁺-Substrat schicht 26 beispielsweise 1 × 10¹⁸/cm³ bis 1 × 10²²/cm³ und die Verunreinigungskonzentration der p-Schicht 27 beispielsweise 1 × 10¹⁶/cm³ bis 1 × 10¹⁸/cm³. Die Verunreinigungskonzen tration der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 beträgt beispielsweise 1 × 10¹⁸/cm³ bis 1 × 10²²/cm³.

P⁺-Isolierbereiche 15 und Isolieroxidfilme 16 sind zur Isolierung der Vorrichtung an beiden Enden der oberen Fläche der in der Abbildung gezeigten p-Schicht 27 vorgesehen, und zusätzlich wird wie bei der Elementarzelle nach dem Stand der Technik, die in Fig. 3 darge stellt ist, die p⁺-Oberflächenschicht 25 auf den Oberflächen der p-Schicht 27 und der photo elektrischen n-Umwandlungszone 14 gebildet, die nicht zum Bildungsbereich der Isolieroxid schichten 16 gehören, um Kriechströme an der Oberfläche des Photodiodenabschnittes zu ver hindern. Ein Zwischenschichtsperrfilm 18 ist auf den Isolieroxidfilmen 16 und der p⁺-Ober flächenschicht 25 vorgesehen, um die gesamte Festkörper-Bildverarbeitungseinheit, die diese Einzelteile enthält, abzudecken. In dem Zwischenschichtsperrfilm 18 sind Abschirmfilme 19 ausgebildet, um das Einfallen von Licht auf Bereiche zu verhindern, die kein Licht benötigen.

Die Dicke der p-Schicht 27 in dieser Elementarzelle liegt bei etwa 2 µm bis 10 µm. Mit anderen Worten wird der Abstand von der Oberfläche der Hauptebene des Halbleiters bis zur Grenzfläche zwischen der p-Schicht 27 und der p⁺-Substratschicht 26 auf ein Minimum von 2 µm und ein Maximum von 10 µm gesetzt. Dieser Bereich von 2 µm bis 10 µm entspricht etwa der Absorptionslänge des Lichtes des roten bis fast infraroten Bereichs in Silizium. Die Dicke der p-Schicht kann je nach der Wellenlänge des Lichtes verändert werden, für das eine Empfindlichkeit bestehen soll.

Wenn einfallendes Licht in eine Photodiode eindringt, die aus einer photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 und einer p-Schicht 27 besteht, erzeugt das einfallende Licht während des Signalladungs-Akkumulationszeitraums Elektronenlochpaare in der photo elektrischen n-Umwandlungszone 14 und in dem Bereich der p-Schicht 27, der sich unter der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 befindet. Die erzeugten Elektronen werden dann in der Verarmungszone akkumuliert, die in der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 und in dem Abschnitt der p-Schicht 27, der unter der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 liegt, gebildet wird. Da die p⁺-Substratschicht 26, die eine höhere Verunreinigungskon zentration aufweist als die p-Schicht 27, unter der p-Schicht 27 angeordnet ist, werden die Elektronen der Photoelektronen, die in der p-Schicht 27 zu diesem Zeitpunkt auftreten und die in Richtung des Substrats diffundieren, zuverlässig in der p⁺-Substratschicht 26 gesammelt/er faßt, rekombiniert und vernichtet. Die Elektronendiffusion in horizontaler Richtung wird daher in der in Fig. 4 dargestellten Elementarzelle stärker unterdrückt als in der Elementar zelle nach dem Stand der Technik. Im Ergebnis dessen kann die Kreuzkopplung zwischen den Bildpunkten verringert werden, wodurch es möglich wird, ein Absinken der Bildauflösung zu unterdrücken.

Zweite Ausführungsform

Wie bei der in Fig. 4 dargestellten Elementarzelle ist die in Fig. 5 dargestellte Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform als CMOS- Bildsensor wie in der in Fig. 1 gezeigten, oben beschriebenen Vorrichtung ausgebildet. Deshalb wird an dieser Stelle auf redundante Erläuterungen zu Konstruktion und Betrieb von Teilen außer der Elementarzelle verzichtet. Weiterhin stellen Teile, die in Fig. 5 die gleichen Bezugszeichen tragen wie Teile in Fig. 4, die gleichen Bestandteile dar wie in Fig. 4.

Der Unterschied zwischen dieser Elementarzelle und der in Fig. 4 dargestellten Zelle liegt in der Bildung der p^--Schicht 28 zwischen der p⁺-Substratschicht 26 und der p-Schicht 27. Die p^--Schicht 28 weist eine Verunreinigungskonzentration auf, die niedriger ist als die der p-Schicht 27, und hat somit eine Verunreinigungskonzentration, die weit niedriger ist als die der p⁺-Substratschicht 26. Die p^--Schicht 28 entspricht der Halbleiterschicht vom ersten Leitungstyp mit niedriger Verunreinigungskonzentration und wird, vorzugsweise durch epitaxiales Wachstum, auf der p⁺-Substratschicht 26 gebildet. Weiterhin wird die Verunreini gungskonzentration der p^--Schicht 28 vorzugsweise auf einen niedrigeren Wert gesetzt als den der Verunreinigungskonzentration in der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14. Die Verunreinigungskonzentration der p⁺-Substratschicht 26 beträgt beispielsweise 1 × 10¹⁸/cm³ bis 1 × 10²²/cm³; die Verunreinigungskonzentration der p^--Schicht 28 beträgt beispielsweise 1 × 10¹⁴/cm³ bis 1 × 10¹⁶/cm³, und die Verunreinigungskonzentration der p-Schicht 27 beträgt beispielsweise 1 × 10¹⁶/cm³ bis 1 × 10¹⁸/cm³. Die Verunreinigungskonzentration der photo elektrischen n-Umwandlungszone 14 beträgt beispielsweise 1 × 10¹⁸/cm³ bis 1 × 10²²/cm³.

Konkret gesagt können bei der Bildung dieser Elementarzelle die p^--Schicht 28 und die p-Schicht 27 im gleichen Epitaxialschritt auf der p⁺-Substratschicht 26 gezüchtet werden, wo nach eine p-Verunreinigung durch Ionenimplantation nur in geeignete Bereiche der p-Schicht eingeführt werden kann. In diesem Falle wird die Dicke der p-Schicht 27 vom maximalen Bereich der Verunreinigungen zur Zeit der Ionenimplantation bestimmt. Da die Dicke der p- Schicht 27 in dieser Elementarzelle ebenfalls vorzugsweise zwischen 2 µm und 10 µm gesetzt wird, wird die Ionenenergie während der Implantation gemäß der gewünschten Dicke ange passt. Weiterhin liegt, wie nachfolgend erläutert werden wird, der Ort der höchsten Verun reinigungskonzentration nicht an der Oberfläche der p-Schicht 27, sondern im Innern, und die Ionenimplantation erfolgt vorzugsweise mit einer relativ hohen Energie, so dass die Vertei lung der Verunreinigungskonzentration in Tiefenrichtung, d. h. ein Tiefenprofil, ein retro grades Profil ergibt.

Auch in dieser Elementarzelle erzeugt das einfallende Licht, wenn einfallendes Licht in eine aus einer photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 und einer p-Schicht 27 bestehende Photodiode eindringt, Elektronenlochpaare in der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 und dem Bereich der p-Schicht 27, der während eines Ladungsakkumulationszeitraumes unter der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 liegt. Daraufhin werden die erzeugten Elek tronen in einer Verarmungszone akkumuliert, die in der photoelektrischen n-Umwandlungs zone 14 und dem Abschnitt der p-Schicht 27, die unterhalb der photoelektrischen n-Um wandlungszone liegt, gebildet ist. Das Vorhandensein der p^--Schicht 28, die zu diesem Zeit punkt eine niedrigere Verunreinigungskonzentration aufweist als die p-Schicht 27, unter der p-Schicht 27 führt zu der Tendenz für Elektronen, die in der p-Schicht 27 erzeugt wurden, in diese p^--Schicht 28 zu diffundieren, die ein niedriges Potenzial aufweist. Da eine p⁺-Substrat schicht hoher Konzentration gebildet ist, werden die Elektronen, die einmal die p^--Schicht 28 erreicht haben, zuverlässig in der p⁺-Schicht 26 gefangen und dann rekombiniert und ver nichtet, bevor sie in horizontaler Richtung, d. h. in Richtung der benachbarten Elementar zellen, diffundieren. Die in Fig. 5 dargestellte Elementarzelle bietet somit eine stärkere Unterdrückung der Horizontaldiffusion von Elektronen als der Stand der Technik. Diese Elementarzelle ist deshalb in der Lage, die Kreuzkopplung zwischen Bildpunkten zu verringern und den Verlust an Bildauflösung zu unterdrücken.

Um die oben beschriebene Bewegung der Elektronen zu erläutern, zeigt Fig. 6 ein Ver unreinigungskonzentrationsprofil in Richtung der Tiefe einer Photodiode der in Fig. 5 darge stellten Zelle. In diesem Falle ist, wie weiter oben beschrieben, die Verunreinigungskonzen tration der p⁺-Substratschicht 26 hoch, die Konzentration der photoelektrischen n-Umwand lungszone 14 und der p-Schicht 27 ist mittel und die Konzentration der p^--Schicht 28 ist niedrig. Das Ausmaß der photoelektrischen Umwandlungszone, die als Verarmungszone fungiert, ist der durch einen Pfeil gekennzeichnete Abschnitt, dessen in die Tiefe weisende Richtung sich von der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 bis zum mittleren Abschnitt - in Tiefenrichtung - der p-Schicht 27 erstreckt. Photoelektronen, die in Abschnitten unterhalb der Mitte der p-Schicht 27 erzeugt werden, werden wirksam in Richtung der p^--Schicht 28 diffundiert, und selbst Elektronen, die in Horizontalrichtung diffundieren, erreichen die Verarmungszone an der Oberflächenseite nicht mehr und tragen nicht zur Empfindlichkeit bei. Mit anderen Worten wird die Elektronendiffusion im wesentlichen unterdrückt. Elektronen, die die p^--Schicht 28 erreichen, werden in der p⁺-Schicht 26 rekombiniert und vernichtet und tragen demnach ebenfalls nicht zur Empfindlichkeit bei. Somit wird die Elektronendiffusion in Horizontalrichtung unterdrückt, und die Kreuzkopplung zwischen Bildpunkten kann verringert werden.

Die Elementarzelle der zweiten Ausführungsform weist weiterhin den Vorteil auf, dass sie eine leichte Steuerung der Spektralcharakteristik der Photodiode ermöglicht. Fig. 7 ist ein Schaubild, das die Spektralempfindlichkeit der Elementarzelle der zweiten Ausführungsform und einer Elementarzelle nach dem Stand der Technik zeigt.

Im Falle der Elementarzelle nach dem Stand der Technik tragen Photoelektronen, die im tiefen Abschnitt der Photodiode, das heißt an tiefen Abschnitten der p-Quelle 13, auftreten, ebenfalls zur Empfindlichkeit bei, und die Elementarzelle zeigt daher eine relativ hohe Empfindlichkeit für Licht nahe dem infraroten Bereich. Wie bereits erläutert, ist nicht nur die Empfindlichkeit für Licht nahe dem infraroten Bereich in einer Festkörper-Bildverarbeitungs vorrichtung für sichtbares Licht nicht erforderlich, da sie eine Quelle für eine Verschlechte rung der Kreuzkopplungscharakteristik darstellt, sondern die Empfindlichkeit für Licht nahe dem infraroten Bereich wird vorzugsweise auf ein Minimum reduziert. Im Falle der in Fig. 5 und 6 dargestellten Elementarzelle ist der bestimmende Faktor der Spektralempfindlichkeit und insbesondere der Empfindlichkeit für den infrarotnahen Abschnitt die Erweiterung der Verarmungszone in Tiefenrichtung und insbesondere die Tiefe (und das Profil) der p-Schicht 27. Beiträge zur Empfindlichkeit in Abschnitten, die tiefer liegen als die p-Schicht 27, können durch eine angemessene Steuerung dieser Position der p-Schicht 27 und insbesondere der Position der maximalen Verunreinigungskonzentration reduziert werden. In dem in Fig. 7 gezeigten Falle unterdrückt die Steuerung nur der Erweiterung in Tiefenrichtung der p- Schicht wirksam nur die Empfindlichkeit für infrarotnahes Licht und verringert im Vergleich zu dem Beispiel nach dem Stand der Technik die Empfindlichkeit für kürzerwelliges sichtbares Licht (von 350 nm bis 550 nm) nicht.

Dritte Ausführungsform

Wie im Falle der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung ist die dritte Ausführungsform der Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung nach Fig. 8 wie der oben beschriebene und in Fig. 1 dargestellte CMOS-Bildsensor ausgebildet, so dass an dieser Stelle auf redundante Erläute rungen zu Konstruktion und Betrieb von Teilen außer der Elementarzelle verzichtet wird. Weiterhin stellen Teile, die in Fig. 8 die gleichen Bezugszeichen tragen wie Teile in Fig. 4, die gleichen Bestandteile dar wie in Fig. 4.

Die in Fig. 8 gezeigte Elementarzelle gleicht im wesentlichen der Zelle aus Fig. 4, unterscheidet sich jedoch darin, dass die p-Schicht 27 der Elementarzelle aus Fig. 4 aus der mit P_PD bezeichneten p-Photodiodenschicht 29 und der mit P_CIR bezeichneten p-Peripher schaltungsschicht 30 besteht.

Die p-Photodiodenschicht 29 ist mindestens in dem Bereich vorhanden, der direkt unter der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 liegt, um sowohl mit der photoelek trischen n-Umwandlungszone 14 als auch der p⁺-Substratschicht 26 in Kontakt zu stehen. Die p-Peripherschaltungsschicht 30 liegt als Quellbereich vor, der in der p-Photodiodenschicht 29 ausgebildet ist, und ist so beschaffen, dass sie Transistoren in Bildpunkten wie zum Beispiel Transistoren der horizontalen Wahlschalter und Treibertransistoren darstellt. Die p-Photo diodenschicht 29 und die p-Peripherschaltungsschicht 30 entsprechen der Halbleiterschicht vom ersten Leitungstyp bzw. der Peripherschaltungsschicht vom ersten Leitungstyp. Die p- Peripherschaltungsschicht 30 selbst grenzt nicht direkt an die p⁺-Substratschicht 26. Die Ver unreinigungskonzentration in der p-Photodiodenschicht 29 ist niedriger als die der p⁺-Sub stratschicht 26. Die photoelektrische n-Umwandlungszone 14 wird durch Ionenimplantation oder n-Verunreinigungsdiffusion in der p-Photodiodenschicht 29 gebildet.

Die Verunreinigungskonzentration der p⁺-Substratschicht 26 beträgt beispielsweise 1 × 10¹⁸/cm³ bis 1 × 10²²/cm³, und die Verunreinigungskonzentration der p-Photodiodenschicht 29 und der p-Peripherschaltungsschicht 30 beträgt beispielsweise 1 × 10¹⁶/cm³ bis 1 × 10¹⁸/cm³. Die Verunreinigungskonzentration der p-Photodiodenschicht 29 ist jedoch niedriger als die Verunreinigungskonzentration der p-Peripherschaltungsschicht 30. Die Verunreinigungs konzentration der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 beträgt beispielsweise 1 × 10¹⁸/cm³ bis 1 × 10²²/cm³. Die p-Photodiodenschicht 29 und die p-Peripherschaltungsschicht 30 werden beispielsweise auf der p⁺-Substratschicht 26 durch epitaxiales Wachstum gezüchtet und mit der gewünschten Ionenimplantation ausgebildet.

Auch bei dieser Elementarzelle erzeugt das einfallende Licht in einer Signalladungs- Akkumulationsperiode Elektronenlochpaare in der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 und in dem Bereich der p-Photodiodenschicht 29, der sich unter der photoelektrischen n- Umwandlungszone 14 befindet, wenn einfallendes Licht in die Photodiode, die aus einer photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 und einer p-Photodiodenschicht 29 besteht, eindringt. Die erzeugten Elektronen werden dann in der Verarmungszone akkumuliert, die in der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 und in dem Abschnitt der p-Photodioden schicht 29 gebildet wird, der unter der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 liegt.

Zu dieser Zeit bedeutet die Anordnung der p⁺-Substratschicht 26, die eine höhere Verunreinigungskonzentration aufweist als die p-Photodiodenschicht 29 unterhalb der p- Photodiodenschicht 29, dass Elektronen der Photoelektronen, die in der p-Photodiodenschicht 29 erzeugt worden sind und in Richtung des Substrats diffundiert sind, zuverlässig in der p⁺- Substratschicht 26 akkumuliert, dann rekombiniert und vernichtet werden. Somit bietet die in Fig. 8 dargestellte Elementarzelle eine stärkere Unterdrückung der horizontalen Elektronen diffusion als die Elementarzelle nach dem Stand der Technik. Die Kreuzkopplung zwischen den Bildpunkten kann somit verringert und das Absinken der Bildauflösung unterdrückt werden. Weiterhin ist diese Elementarzelle in der Lage, eine stärkere Unterdrückung der Elektronendiffusion zu bieten und die Kreuzkopplung mehr zu verringern als die in Fig. 4 dargestellte Elementarzelle, weil die p-Peripherschaltungsschicht 30 unter Transistoren in den Bildpunkten gebildet und die p-Verunreinigungskonzentration dieser Schicht höher ist als die der p-Photodiodenschicht 29.

Vierte Ausführungsform

Wie im Falle der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung ist die Festkörper-Bildverarbeitungs vorrichtung nach Fig. 9 gemäß der vierten Ausführungsform wie der oben beschriebene und in Fig. 1 dargestellte CMOS-Bildsensor ausgebildet, so dass an dieser Stelle auf redundante Erläuterungen zu Konstruktion und Betrieb von Teilen außer der Elementarzelle verzichtet wird. Weiterhin stellen Teile, die in Fig. 9 die gleichen Bezugszeichen tragen wie Teile in Fig. 8, die gleichen Bestandteile dar wie in Fig. 8.

Der Unterschied zwischen dieser Elementarzelle und der in Fig. 8 gezeigten Zelle besteht in der Gestaltung der p^--Schicht 28, die eine niedrigere Verunreinigungskonzentration aufweist als die p-Photodiodenschicht 29 wie bei der zweiten Ausführungsform zwischen der p⁺-Substratschicht 26 und der p-Photodiodenschicht 29. Die p^--Schicht 28 wird, vorzugsweise durch epitaxiales Wachstum, auf der p⁺-Substratschicht 26 gebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform können die p^--Schicht 28, die p-Photodiodenschicht 29 und die p-Peripher schaltungsschicht 30 mit dem gleichen Epitaxialschritt gebildet werden, und die p-Verunreini gungen können wie bei der zweiten Ausführungsform mittels Ionenimplantation nur in geeig nete Bereiche der p-Photodiodenschicht 29 und der p-Peripherschaltungsschicht 30 einge bracht werden. Weiterhin ist das bevorzugte Verunreinigungsprofil der p-Photodiodenschicht 29 das gleiche wie das Verunreinigungsprofil der p-Schicht 27 in der zweiten Ausführungs form. Hierbei beträgt die Verunreinigungskonzentration der p⁺-Substratschicht 26 beispiels weise 1 × 10¹⁸/cm³ bis 1 × 10²²/cm³; die Verunreinigungskonzentration der p^--Schicht 28 beträgt beispielsweise 1 × 10¹⁴/cm³ bis 1 × 10¹⁶/cm³; und die Verunreinigungskonzentration der p- Photodiodenschicht 29 sowie der p-Peripherschaltungsschicht 30 beträgt beispielsweise 1 × 10¹⁶/cm³ bis 1 × 10¹⁸/cm³. Die Verunreinigungskonzentration der p-Photodiodenschicht 29 ist jedoch niedriger als die der p-Peripherschaltungsschicht 30. Die Verunreinigungskonzen tration der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 beträgt beispielsweise 1 × 10¹⁸/cm³ bis 1 × 10²²/cm³.

Auch in dieser Elementarzelle erzeugt das einfallende Licht, wenn das einfallende Licht in eine aus einer photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 und einer p-Photodiodenschicht 29 bestehende Photodiode eindringt, Elektronenlochpaare in der photoelektrischen n-Um wandlungszone 14 und dem Bereich der p-Photodiodenschicht 29, der während des Signal ladungsakkumulationszeitraumes unter der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 liegt. Die erzeugten Elektronen werden in der Verarmungszone akkumuliert, die in der photo elektrischen n-Umwandlungszone 14 und dem Bereich der p-Photodiodenschicht 29 unter der photoelektrischen n-Umwandlungszone 14 gebildet ist. Zu diesem Zeitpunkt führt das Vor handensein der p^--Schicht 28, die eine niedrigere Verunreinigungskonzentration aufweist als die p-Photodiodenschicht 29 unter der p-Photodiodenschicht 29 dazu, dass Elektronen, die in der p-Photodiodenschicht 29 erzeugt wurden, dazu neigen, in diese p^--Schicht 28 zu diffundieren, die ein niedrigeres Potenzial aufweist. Da eine p⁺-Substratschicht 26 mit hoher Konzentration gebildet worden ist, werden die Elektronen, die die p^--Schicht 28 einmal erreicht haben, dann zuverlässig in der p⁺-Schicht 26 gefangengehalten, dann rekombiniert und vernichtet, bevor sie in horizontaler Richtung, d. h. in Richtung der benachbarten Elementarzellen, diffundieren. Die in Fig. 9 dargestellte Elementarzelle ist somit geeignet, eine stärkere Unterdrückung der Horizontaldiffusion von Elektronen als die Zelle nach dem Stand der Technik zu schaffen. Im Ergebnis ist diese Elementarzelle in der Lage, die Kreuz kopplung zwischen Bildpunkten zu verringern und die Abnahme an Bildauflösung zu unter drücken. Weiterhin kann diese Elementarzelle eine stärkere Unterdrückung der Elektronen diffusion schaffen und die Kreuzkopplung auf einem niedrigeren Niveau halten als eine Elementarzelle nach der zweiten Ausführungsform, weil die p-Peripherschaltungsschicht 30 unter Transistoren in den Bildpunkten gebildet und weil die p-Verunreinigungskonzentration dieser Schicht höher ist als die der p-Photodiodenschicht 29.

Obwohl in den obigen Erläuterungen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, soll die Verbindungsposition der p⁺-Substratschicht 26 mit der p-Schicht 27 oder der p-Photodiodenschicht 30 in diesen Ausführungsformen vor zugsweise nicht zu flach sein, da anderenfalls die Empfindlichkeit gesenkt wird und die Transistoreigenschaften geändert werden. Die Verbindungsposition ist vorzugsweise etwa 2 µm bis 10 µm, was tiefer als die p-Quellschicht nach dem Stand der Technik ist. Mit anderen Worten beträgt die Dicke der p-Schicht 27 oder der p-Photodiodenschicht 30 vorzugsweise 2 µm bis 10 µm, eingeschlossen die Dicke der photoelektrischen Umwandlungszone 14 und der p⁺-Oberflächenschicht 25.

Die p⁺-Substratschicht 26 selbst kann durch epitaxiales Wachstum auf einer Art von Silizium-Halbleitersubstrat gebildet werden. Die Verwendung einer derartigen, durch epi taxiales Wachstum erzeugten p⁺-Substratschicht hat den Vorteil, dass Fehler reduziert werden und das Rauschen eliminiert wird. In diesem Falle kann das Substrat in Abschnitten, die tiefer sind als diese p⁺-Substratschicht, eine beliebige Verunreinigungskonzentration aufweisen, und die oben beschriebene Aufgabe lässt sich mittels dieses p- auf-p⁺-Substrats lösen.

Obwohl eine rauscharme "verstiftete" (pinned) Photodiode, die eine p⁺-Oberflächen schicht 25 auf der Photodiodenoberfläche aufweist, in den obigen Ausführungsformen be schrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Photodiodenstruktur beschränkt und kann offensichtlich auf eine Photodiode angewandt werden, die keine p⁺-Oberflächenschicht 25 auf der Photodiodenoberfläche besitzt.

Weiterhin ist die vorliegende Erfindung nicht auf den oben beschriebenen CMOS-Bild sensor beschränkt und kann offensichtlich auf einen eindimensionalen CMOS-Sensor (d. h. einen "Liniensensor") oder Photokoppler mit einer Photodiodenstruktur angewandt werden. Weiterhin schließt die vorliegende Erfindung in ihrem Bereich eine Konstruktion ein, bei der der Leitungstyp jeder Schicht in den oben beschriebenen Ausführungsformen umgekehrt ist, z. B. eine Konstruktion, die eine n⁺-Substratschicht, eine n-Schicht und eine photoelektrische p-Umwandlungszone an Stelle einer p⁺-Substratschicht, einer p-Schicht und einer photo elektrischen n-Umwandlungszone aufweist und in der Löcher in einer Verarmungszone akkumuliert werden.

Wie oben erläutert, wird bei der erfindungsgemäßen Festkörper-Bildverarbeitungsvor richtung eine hochkonzentrierte Substratschicht vom ersten Leitungstyp, bei der es sich um eine p⁺-Substratschicht handelt, unter einer Halbleiterschicht vom ersten Leitungstyp, zum Beispiel einer p-Schicht oder einer p-Photodiodenschicht, ausgebildet. Im Ergebnis dessen werden von den Photoelektronen, die in der Halbleiterschicht erzeugt werden, die Elektronen, die in Richtung des Substrats diffundieren, zuverlässig in der Substratschicht gesammelt, dann rekombiniert und vernichtet. Somit wird die horizontale Elektronendiffusion wirksamer unterdrückt als in Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, und die Kreuzkopplung zwischen den Bildpunkten kann weiter verringert werden, so dass eine Unterdrückung des Verlustes an Bildauflösung ermöglicht wird.

Weiterhin neigen in einer Konstruktion, die mit einer Halbleiterschicht mit niedriger Verunreinigungskonzentration vom ersten Leitungstyp versehen ist, bei der es sich zum Beispiel um eine p^--Schicht handelt, Elektronen, die in der Halbleiterschicht erzeugt werden, dazu, in Richtung der Halbleiterschicht mit niedriger Verunreinigungskonzentration zu diffundieren, die ein niedriges Potenzial aufweist. Elektronen, die die Halbleiterschicht mit niedriger Verunreinigungskonzentration erreichen, werden zuverlässig in der Substratschicht gefangen, dann rekombiniert und vernichtet, bevor sie sich in horizontaler Richtung aus breiten können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet daher eine stärkere Unterdrückung der horizontalen Elektronendiffusion als eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik und ermöglicht somit eine weitere Verringerung der Kreuzkopplung zwischen Bildpunkten und kann folglich einen Verlust an Bildauflösung unterdrücken. Weiterhin ermöglicht in diesem Falle das Steuern der Verunreinigungsverteilung in Tiefenrichtung der Halbleiterschicht eine wirksame Unterdrückung nur des Lichtes nahe dem infraroten Bereich, ohne die Empfindlich keit für kürzere Wellenlängen (von 350 nm bis 550 nm) des sichtbaren Lichtes einzuschrän ken. Somit kann eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung geschaffen werden, die für den Einsatz als Vorrichtung für sichtbares Licht geeignet ist.

Obgleich bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mittels spezifi scher Begriffe beschrieben wurden, dient diese Beschreibung nur der Verdeutlichung, und es ist davon auszugehen, dass Veränderungen und Variationen vorgenommen werden können, ohne von Geist oder Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung, umfassend:
eine Substratschicht, die aus einem Halbleiter von einem ersten Leitungstyp besteht;
eine Halbleiterschicht von diesem ersten Leitungstyp, die auf der Substratschicht angeordnet ist; und
eine photoelektrische Umwandlungszone von einem zweiten Leitungstyp, der dem ersten Leitungstyp entgegengesetzt ist, die auf der Halbleiterschicht angeordnet ist;
wobei die Verunreinigungskonzentration der Substratschicht höher ist als die Verunrei nigungskonzentration der Halbleiterschicht.

2. Eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiterhin eine Peripherschaltungs-Halbleiterschicht vom ersten Leitungstyp, die auf der Halbleiterschicht zumindest unter den Transistoren in Bildpunkten gebildet ist, umfaßt, wobei die Verunreini gungskonzentration der Peripherschaltungs-Halbleiterschicht höher ist als die Verunreini gungskonzentration der Halbleiterschicht.

3. Eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ein Tiefen profil der Verunreinigung in der Halbleiterschicht ein retrogrades Profil ist.

4. Eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Abstand von einer Oberfläche einer Halbleiterhauptebene zu einer Oberfläche auf der Substratschicht seite der Halbleiterschicht ein Minimum von 2 µm und ein Maximum von 10 µm beträgt.

5. Eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung, umfassend:
eine Substratschicht, die aus einem Halbleiter von einem ersten Leitungstyp besteht;
eine Halbleiterschicht von diesem ersten Leitungstyp mit niedriger Verunreinigungs konzentration, die auf der Substratschicht angeordnet ist;
eine Halbleiterschicht von diesem ersten Leitungstyp, die auf der Halbleiterschicht mit niedriger Verunreinigungskonzentration angeordnet ist; und
eine photoelektrische Umwandlungszone von einem zweiten Leitungstyp, der dem ersten Leitungstyp entgegengesetzt ist, die auf der Halbleiterschicht angeordnet ist;
wobei die Verunreinigungskonzentration der Substratschicht höher ist als die Verunrei nigungskonzentration der Halbleiterschicht und die Verunreinigungskonzentration der Halbleiterschicht mit niedriger Verunreinigungsdichte niedriger ist als die Verunreinigungs konzentration der Halbleiterschicht.

6. Eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Verun reinigungskonzentration der Halbleiterschicht mit niedriger Verunreinigungsdichte niedriger ist als die Verunreinigungskonzentration der photoelektrischen Umwandlungszone.

7. Eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei mindestens eine der Halbleiterschicht und der Halbleiterschicht mit niedriger Verunreinigungsdichte durch epitaxiales Wachstum gebildet wird.

8. Eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, weiterhin umfassend eine Peripherschaltungs-Halbleiterschicht vom ersten Leitungstyp, die auf der Halbleiter schicht zumindest unter den Transistoren in Bildpunkten gebildet ist, wobei die Verunreini gungskonzentration der Peripherschaltungs-Halbleiterschicht höher ist als die Verunreini gungskonzentration der Halbleiterschicht.

9. Eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei ein Tiefen profil der Verunreinigung in der Halbleiterschicht ein retrogrades Profil ist.

10. Eine Festkörper-Bildverarbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei der Abstand von einer Oberfläche einer Halbleiterhauptebene zu einer Oberfläche auf der Substratschicht- Seite der Halbleiterschicht ein Maximum von 2 µm und ein Minimum von 10 µm beträgt.