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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beziehen sich allgemein auf das Gebiet
elektronischer Systeme und Halbleiterbauelemente, und insbesondere
auf Photodioden, die in CMOS-Technologie hergestellt werden.
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Eine
Photodiode ist eine Halbleiterdiode, die einen pn-Übergang oder eine pin-Struktur
aufweist und als Photodetektor fungiert. Ein pn-Übergang wird gebildet, indem
Halbleiter vom p-Typ und vom n-Typ in sehr engem Kontakt miteinander
kombiniert werden, wobei p-Typ und n-Typ einen ersten und einen zweiten
Leitfähigkeitstyp
bezeichnen. Eine pin-Struktur wird gebildet, indem eine undotierte
intrinsische Halbleiterzone zwischen eine p-Typ-Halbleiterzone und
eine n-Typ-Halbleiterzone platziert wird.
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Üblicherweise
umfasst ein Photodiodenbildsensor einen Rücksetztransistor und eine von Photodioden
gebildete Lichterfassungszone. Jede Photodiode kann z. B. dadurch
gebildet werden, dass eine n-dotierte Zone mit einem p-dotierten
Körper verbunden
wird. Während
des Betriebs wird eine Spannung an den Gate-Anschluss des Rücksetztransistors
derart angelegt, dass der Rücksetztransistor eingeschaltet
wird und ein Kondensator an dem pn-Übergang aufgeladen wird. Wenn
dieser Kondensator auf ein bestimmtes Potentialniveau aufgeladen wird,
wird der Rücksetztransistor
abgeschaltet, so dass die Photodiode in Sperrrichtung vorgespannt wird,
was zur Bildung einer Verarmungszone führt. Wenn ein Photon einer
ausreichenden Energie auf die Photodiode auftrifft, regt es ein
Elektron an und erzeugt dadurch ein mobiles Elektron und ein positiv geladenes
Elektronenloch. Falls die Absorption in der Verarmungszone des pn-Übergangs
oder eine Diffusionslänge
davon entfernt erfolgt, werden diese Träger durch das eingebaute elektrische
Feld der Verarmungszone von dem pn-Übergang weggetrieben, wodurch
ein Photostrom erzeugt wird. Das heißt, dass die Elektronen in
Richtung der n-dotierten Zone wandern, so dass das elektrische Potential
in der n-dotierten Zone abfällt.
Dagegen bewegen sich die Löcher
weg von der Verarmungszone und in Richtung des p-dotierten Körpers.
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Üblicherweise
befindet sich der pn-Übergang
in einer gewissen Tiefe von einer Halbleiter-Hauptoberfläche, was
zu einer gewissen spektralen Selektivität der Photodiodenstruktur führt. Licht mit
kurzer Wellenlänge
wird stärker
gedämpft
als Licht mit einer längeren
Wellenlänge,
wenn es durch die Hauptoberfläche
in den Halbleiter eintritt. Deshalb kann eine Photodiode für kurzwelliges
Licht empfindlich gemacht werden, wenn die Verarmungszone in einer
Tiefe nahe der Halbleiteroberfläche
gebildet wird, und andererseits kann eine Photodiodenstruktur für längerwelliges
Licht empfindlich gemacht werden, wenn die Verarmungszone in einer
größeren Tiefe
von der Halbleiter-Hauptoberfläche
angeordnet ist.
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Es
wäre wünschenswert,
eine Photodiodenstruktur zu haben, die bei typischen CMOS-Prozessschritten
hergestellt ist und die für
Licht sowohl kurzer als auch längerer
Wellenlängen
empfindlich ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Photodiodenstrukturen,
ein Halbleiterbauelement sowie Verfahren mit verbesserten Charakteristika
zu liefern.
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Diese
Aufgabe wird durch Photodiodenstrukturen gemäß Anspruch 1 oder 22, ein Halbleiterbauelement
gemäß Anspruch
15 oder durch Verfahren gemäß Anspruch
24 oder 25 gelöst.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung liefert eine Photodiodenstruktur, die
folgende Merkmale aufweist: einen Halbleiter eines ersten Leitfähigkeitstyps,
wobei der Halbleiter eine Hauptoberfläche aufweist, eine in dem Halbleiter
an der Hauptoberfläche
desselben gebildete erste Wanne, wobei die erste Wanne einen zu
dem ersten Leitfähigkeitstyp
entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp
aufweist, eine in dem Halbleiter an der Hauptoberfläche desselben
seitlich außerhalb
der ersten Wanne gebildete zweite Wanne, wobei die zweite Wanne
den zweiten Leitfähigkeitstyp
aufweist, und einen ersten Anschluss, der die erste Wanne und die zweite
Wanne elektrisch verbindet, und einen zweiten Anschluss, der den
Halbleiter verbindet, derart, dass eine Verarmungszone einer lateral
variierenden Entfernung von der Hauptoberfläche aus einem Anlegen einer
Sperrspannung an den ersten und den zweiten Anschluss resultiert.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung liefert ein Halbleiterbauelement, das
folgende Merkmale aufweist: eine Halbleiterschicht eines ersten
Leitfähigkeitstyps,
wobei die Halbleiterschicht eine Hauptoberfläche aufweist, eine in der Halbleiterschicht
gebildete Photodiodenstruktur, wobei die Photodiodenstruktur eine
Mehrzahl von ersten Wannen aufweist, die in der Halbleiterschicht an
der Hauptoberfläche
derselben gebildet sind, wobei die ersten Wannen einen zu dem ersten
Leitfähigkeitstyp
entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisen,
und Zonen des zweiten Leitfähigkeitstyps eine
höhere
Dotierungskonzentration aufweisen als die ersten Wannen, wobei die
Zonen in der Halbleiterschicht an der Hauptoberfläche derselben
zwischen den ersten Wannen gebildet sind, und eine integrierte Schaltung,
die in der Halbleiterschicht lateral außerhalb der Photodiodenstruktur
gebildet ist, wobei die integrierte Schaltung Transistoren umfasst, die
Wannen des zweiten Leitfähigkeitstyps
aufweisen, die in denselben Prozessschritten wie die ersten Wannen
auf der Halbleiterschicht gebildet werden.
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Ein
wieder anderes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung liefert ein Verfahren zum Herstellen
einer Photodiodenstruktur in einem Prozessablauf gemäß Materialien,
Abmessungen und Prozessschritten der CMOS-Technologie, wobei das Verfahren
folgende Schritte umfasst: Bereitstellen ei nes Halbleiters eines
ersten Leitfähigkeitstyps,
wobei der Halbleiter eine Hauptoberfläche aufweist, Bilden einer
ersten Wanne in dem Halbleiter an der Hauptoberfläche desselben,
wobei die erste Wanne einen zu dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten
Leitfähigkeitstyp
aufweist, Bilden einer Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps, die eine höhere Dotierungskonzentration
aufweist als die erste Wanne, wobei die Zone in dem Halbleiter an
der Hauptoberfläche
desselben lateral außerhalb
der ersten Wanne gebildet wird, und Verbinden eines ersten Anschlusses
mit der ersten Wanne und der Zone, und Verbinden eines zweiten Anschlusses
mit dem Halbleiter, derart, dass eine Verarmungszone einer lateral
variierenden Entfernung von der Hauptoberfläche aus einem Anlegen einer
Sperrspannung an den ersten und den zweiten Anschluss resultiert.
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Ein
wieder anderes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung liefert ein Verfahren zum Herstellen
eines Halbleiterbauelements in einem Prozessablauf gemäß Materialien,
Abmessungen und Prozessschritten der CMOS-Technologie, wobei das Verfahren
folgende Schritte umfasst: Bilden einer Photodiodenstruktur in einer
Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei die Halbleiterschicht eine
Hauptoberfläche
aufweist, wobei die Photodiodenstruktur eine Mehrzahl von ersten
Wannen aufweist, die in der Halbleiterschicht an der Hauptoberfläche derselben
gebildet sind, wobei die ersten Wannen einen zu dem ersten Leitfähigkeitstyps
entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp
aufweisen, und wobei Zonen des zweiten Leitfähigkeitstyps eine höhere Dotierungskonzentration
aufweisen als die ersten Wannen, wobei die Zonen in der Halbleiterschicht
an der Hauptoberfläche
derselben zwischen den ersten Wannen gebildet sind, und Bilden einer
integrierten Schaltung in der Halbleiterschicht lateral außerhalb
der Photodiodenstruktur, wobei die integrierte Schaltung Transistoren
umfasst, die zweite Wannen des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei
die Schritte des Bildens der Photodiodenstruktur und der integ rierten
Schaltung beide einen gemeinsamen Dotierungsschritt für die ersten
und zweiten Wannen umfassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt einer typischen Photodiode in CMOS-Technologie;
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2 einen
schematischen Querschnitt einer Photodiodenstruktur gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
Draufsicht auf die Photodiodenstruktur der 2;
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4 einen
schematischen Querschnitt einer Photodiodenstruktur gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 einen
schematischen Querschnitt einer Photodiodenstruktur eines wieder
anderen Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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6 einen
schematischen Querschnitt eines wieder anderen Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung; und
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7 eine
wellenlängenabhängige Empfindlichkeit
einer typischen Photodiodenstruktur und einer Photodiodenstruktur
gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung.
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Bezüglich der
folgenden Beschreibung ist zu beachten, dass gleiche oder gleich
arbeitende Funktionselemente dieselben Bezugszeichen aufweisen und
dass somit die Beschreibungen jener Funktionselemente in den im
Folgenden veranschaulichten verschiedenen Ausführungsbeispiele austauschbar sind.
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Bevor
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 2 bis 7 beschrieben
werden, wird unter Bezugnahme auf 1 zuerst
auf Unzulänglichkeiten
der bekannten Technologie eingegangen.
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1 zeigt
einen Querschnitt einer in CMOS-Technologie hergestellten Photodiodenstruktur.
Die allgemein mit 100 bezeichnete Photodiodenstruktur verwendet
ein Siliziumsubstrat 102 eines ersten Leitfähigkeitstyps.
Im Folgenden ist der erste Leitfähigkeitstyp
vom p-Typ, obwohl er auch n-Typ sein könnte. Eine isolierende Schicht 103 einer Flachgrabenisolation
(STI – shallow
trench isolation) schützt
die Hauptoberfläche
des p-Typ-Substrats 102. In das p-Typ-Substrat 102 wurde eine p-Wanne 104 hineingearbeitet,
die eine Wanne 105 eines zweiten Leitfähigkeitstyps umgibt, wobei
der zweite Leitfähigkeitstyp
vom n-Typ ist. Die Übergänge zwischen
der p-Wanne 104 und der n-Wanne 105 schneiden
die Hauptoberfläche,
die durch die isolierende Schicht 103 geschützt ist,
entlang einer Linie 106. Eine stark ndotierte Zone 107,
die eine höhere Dotierungskonzentration
aufweist als die n-Wanne 105, ermöglicht einen elektrischen Kontakt
mit der n-Wanne 105.
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Wenn
an die Photodiodenstruktur 100 eine elektrische Sperrverspannung
angelegt wird, werden an den pn-Übergängen Verarmungszonen
gebildet. In 1 ist eine dieser Verarmungszonen 108 schematisch
an dem Übergang
zwischen n-Wanne und p-Substrat angegeben. Wie zuvor beschrieben
wurde, erzeugt einfallendes Licht Träger hauptsächlich in einer Verarmungszone
des pn-Übergangs
einer Photodiode. Diese Träger
liegen in Form von Elektronenlochpaaren vor, die auf den Einfluss
des elektrischen Feldes in der Verarmungszone reagieren. Erzeugte Elektronen
werden in die negative Richtung des elektrischen Feldes getrieben,
die Löcher
in der entgegengesetzten Richtung. Für ein gegebenes einfallendes
Licht (Wellenlänge,
Amplitude) gilt, dass die Photodiode umso mehr Träger sammeln
kann und dass die spektrale Empfindlichkeit der Photodiode somit umso
besser ist, je breiter die Verarmungszone ist.
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1 gibt
an, dass ein beträchtlicher
Teil der Verarmungszone 108 in einer vordefinierten Tiefe
unterhalb der Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats 102 angeordnet ist. Dies führt zu einer
spektralen Selektivität
der Halbleiterstruktur 100, da lediglich Licht einer vordefinierten
Wellenlänge,
die der Tiefe der Verarmungszone 108 entspricht, Letztere
erreicht.
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Um
im Vergleich zu herkömmlichen
Photodiodenstrukturen, wie sie in 1 gezeigt
sind, eine bessere Spektralantwort zu erhalten, muss die Verarmungszone 108 beispielsweise
in einer Richtung der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 102 vertikal erweitert
werden. Dies kann mit Photodiodenstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
erreicht werden, die im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 bis 7 beschrieben
werden.
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt einer monolithischen Photodiodenstruktur 200 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Die
Photodiodenstruktur 200 umfasst einen Halbleiter oder ein
Halbleitersubstrat 102 des ersten Leitfähigkeitstyps (p-Typs), wobei
der Halbleiter 102 eine Hauptoberfläche aufweist, die durch eine
isolierende Schicht 103 geschützt ist. Erste Wannen 105 werden
in dem Halbleiter 102 an der Hauptoberfläche desselben
gebildet, wobei die ersten Wannen 105 vom zweiten Leitfähigkeitstyp
(n-Typ) sind, der zu dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt
ist. Ferner umfasst die Photodiodenstruktur 200 Zonen 207 des
zweiten Leitfähigkeitstyps,
die eine höhere Dotierungskonzentration
aufweisen als die ersten Wannen 105, die auch als n-Wannen
bezeichnet werden, wobei die Zonen 207 in dem Halbleiter 102 an der
Hauptoberfläche
desselben lateral außerhalb
der n-Wannen 105 gebildet sind.
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Jede
der n-Wannen 105 umfasst eine Teilzone 107 mit
einer höheren
Dotierungskonzentration als die n-Wannen 105, wobei die
Teilzonen 107 mit den n-Wannen 105 an der Hauptoberfläche des Halbleiters 102 gebildet
sind. Gemäß dem in 2 angegebenen
Beispiel sind die Teilzonen 107 stark n-dotierte Zonen, um einen elektrischen
Kontakt mit den n-Wannen 105 zu
ermöglichen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung befinden sich die stark n-dotierten Zonen 207 zwischen
jeweils zwei benachbarten n-Wannen 105 oder sind von denselben
umgeben.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
sind die stark n-dotierten Teilzonen 107, 207 mit
einem (nicht gezeigten) ersten Anschluss elektrisch verbunden, und das
Halbleitersubstrat 102 ist mit einem (nicht gezeigten)
zweiten Anschluss elektrisch verbunden. Wenn eine elektrische Sperrvorspannung über die zwei
Anschlüsse
an die Photodiodenstruktur 200 angelegt wird, werden an
den pn-Übergängen zwischen den
n-Wannen 105 und
dem Substrat 102 und zwischen den stark n-dotierten Zonen 207 und
dem Substrat 102 Verarmungszonen gebildet. Auf Grund einer
variierenden Tiefe der n-Wannen 105 und der stark n-dotierten
Zonen 207 weist die Verarmungszone 108 eine lateral
variierende Entfernung von der Hauptoberfläche auf.
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Zum
besseren Verständnis
der elektrischen Kontaktierung der stark n-dotierten Zonen 107, 207 in dem
p-Substrat 102 zeigt 3 eine Draufsicht
auf eine Photodiodenstruktur 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In 3 kann
eine Draufsicht auf zwei benachbarte n-Wannen 105 mit stark n-dotierten
Teilzonen 107 zum Kontak tieren eines ersten Anschlusses 302 identifiziert
werden. Die zwei benachbarten n-Wannen 105 umgeben eine
stark n-dotierte
Zone 207, die ebenfalls mit dem ersten Anschluss 302 elektrisch
verbunden ist. Das Halbleitersubstrat 102 ist an der Unterseite
der Struktur 300 mit einem zweiten Anschluss verbunden,
wobei der zweite Anschluss in 3 nicht
gezeigt ist.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 2 kann die Photodiodenstruktur 200,
die die n-Wannen 105 und die stark n-dotierten Zonen 207 aufweist,
durch p-Wannen 104 von einer lateral benachbarten Schaltungsanordnung,
beispielsweise einer Signalverarbeitungsschaltungsanordnung, getrennt
sein. Gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung wird die Photodiodenstruktur 200 in
einem Prozessablauf gemäß Materialien,
Abmessungen und Prozessschritten der CMOS-Technologie hergestellt.
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Somit
werden die n-Wannen 105 anhand eines standardmäßigen CMOS-Prozesses
geliefert. Die n-Wannen 105 sind über die stark n-dotierten Teilzonen 107,
die bei einem standardmäßigen CMOS-Prozess
z. B. Drain- oder Source-Kontakte für MOS-Transistoren bilden,
elektrisch verbunden. Wie aus 2 hervorgeht,
berühren
oder überlappen
die n-Wannen 105 einander nicht. In dem Zwischenraum zwischen
den n-Wannen 105 sind die stark n-dotierten Zonen 207 angeordnet.
Bei einem 0,25 Mikrometer(μm)-CMOS-Prozess
erstrecken sich die n-Wannen 105 vertikal z. B. etwa 1,1 Mikrometer
unterhalb der Hauptoberfläche
des Halbleiters 102. Bei anderen Ausführungsbeispielen erstrecken sich
die n-Wannen 105 vertikal von der Hauptoberfläche bis
in eine Tiefe zwischen etwa 0,1 Mikrometern und etwa 2,0 Mikrometern.
Sogar Tiefen außerhalb dieser
Bandbreite sind möglich.
Die stark n-dotierten Zonen 107, 207 erstrecken
sich jeweils z. B. etwa 0,2 Mikrometer unterhalb der Hauptoberfläche. Bei
anderen Ausführungsbeispielen
erstrecken sich die n-dotierten Zonen 107, 207 vertikal
von der Hauptoberfläche
bis in eine Tiefe zwischen 0,05 Mikrometern und 0,5 Mikrometern.
Andere ver tikale Erstreckungen sind selbstverständlich möglich und von der verwendeten
Technologie abhängig.
Eine Beziehung zwischen den Tiefen der n-Wannen 105 und
der n-dotierten Zonen 107, 207 liegt im Bereich
zwischen etwa 3 und etwa 8, d. h. die Tiefe der n-Wannen 105 beträgt das etwa
3- bis 8fache der Tiefe der n-dotierten Zonen 107, 207.
Die p-Wannen 104 bilden
Grenzen der Photodiodenstruktur 200 in Richtung einer lateral
benachbarten Schaltungsanordnung, die z. B. MOS-Transistoren mit
n-Wannen 105 und Teilzonen 107 umfasst.
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Eine
(in 4 gezeigte) flache Oxidschicht 103 ist über die
n-Wannen 105 und die stark n-dotierten Zonen 107, 207 auf
der Hauptoberfläche
des Halbleiters platziert. Auf die Isolierungsschicht 103 kann
gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung eine optionale spezifische optische Schicht 209 platziert
werden. Eine derartige optische Schicht 209 könnte beispielsweise
ein Farbfilter sein, das lediglich für vorbestimmte Wellenlängen transparent
ist, oder sie könnte
eine Schicht zur Vermeidung von Verlusten sein, die auf einen ungünstigen
Reflexionsfaktor zurückzuführen sind.
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Die
Verarmungszone 108 reicht von den stark n-dotierten Zonen 207,
die an der Hauptoberfläche
des Halbleiters 102 gebildet sind (Zone A), bis zu einer
Zone B unterhalb der n-Wannen 105,
die im Vergleich zu den stark n-dotierten Zonen 107 tiefer unter
die Hauptoberfläche
reichen. Die Breite der Verarmungszone 108 ist von der
Sperrspannung der Photodiodenstruktur abhängig. Jedoch weist sie qualitativ
immer eine Ausdehnung bzw. Erstreckung auf, wie sie in 2 angegeben
ist.
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Einfallendes
Licht 211 (in 2 gezeigt), das unterschiedliche
Wellenlängen
aufweist, wird gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung durch die zuvor erwähnte optische Filterschicht 209 gefiltert.
Die optische Filterschicht 209 ist jedoch nicht wesentlich
für die
Aus dehnung der spektralen Empfindlichkeit der Photodiodenstruktur 200.
Die vertikale Erstreckung der Isolierungsschicht 103 ist im
Vergleich zu der Wellenlänge
des einfallenden Lichts 211 üblicherweise sehr gering. Aus
diesem Grund bewirkt die Isolierungsschicht 103 keinen
beträchtlichen
optischen Effekt.
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Je
nach der Wellenlänge
breitet sich das einfallende Licht 211 mehr oder weniger
in die Photodiodenstruktur 200 hinein aus. Auf Grund physikalischer
Eigenschaften der Photodiodenstruktur 200 weisen kurze
Wellenlängen
(z. B. ultraviolett bis blau in einer Wellenlängenzone von etwa 300 Nanometern
bis etwa 350 Nanometern) lediglich eine sehr geringe Eindringtiefe
auf. Licht mit längeren
Wellenlängen
(z. B. rot bis infrarot in einer Wellenlängenzone von etwa 600 Nanometern
bis etwa 800 Nanometern) weist eine größere Eindringtiefe in die Photodiodenstruktur 200 auf.
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Falls
die Photodiodenstruktur 200 durch eine auf einer p-dotierten Schicht
gebildete lateral kontinuierliche n-dotierte Schicht gebildet wurde, würde die
Verarmungszone 108 eine geringere vertikale Erstreckung
aufweisen, wie in 1 gezeigt wurde. In diesem Fall
würden
lediglich Elektronenlochpaare, die anhand eines stark begrenzten
Wellenlängenbereichs
erzeugt wurden, zu dem Photostrom beitragen, da die Verarmungszone 108 in
einer vorbestimmten Tiefe von der Hauptoberfläche liegen würde und
auf Grund der wellenlängenabhängigen Eindringtiefe
des einfallenden Lichts 211 lediglich durch eine begrenzte
Wellenlängenzone
erreicht würde.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind jedoch so gebaut, dass sich die
Verarmungszone 108 vertikal von der Hauptoberfläche (Zone
A) zu einer Zone B unterhalb der n-Wannen 105 erstreckt.
Dies gewährleistet,
dass einfallendes Licht 211 mit kurzer Wellenlänge, das
Elektronenlochpaare in einer geringen Eindringtiefe von der Hauptoberfläche erzeugt,
sowie einfallendes Licht 211 mit langer Wel lenlänge, das
sich bis in eine Tiefe unterhalb der n-Wannen 105 ausbreitet,
zu dem Photostrom beitragen.
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Gemäß dem in 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind die stark n-dotierten Zonen 207 in dem p-Typ-Substrat 102 gebildet.
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Gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung könnten
die n-Wannen 105 und die stark n-dotierten Zonen 207 auch
in einer Epitaxialschicht 402 vom p-Typ, die auf dem Halbleitersubstrat 102 vom
p-Typ gebildet ist, gebildet sein, wie in 4 gezeigt
ist.
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Wiederum
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist in 5 gezeigt.
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Die
Funktionalität
der Halbleiterstruktur 500 ist im Grunde dieselbe wie die
Funktionalität
der Halbleiterstruktur der 2. Die vertikale
Erstreckung der Verarmungszone 108 bis zu der Hauptoberfläche des
p-Substrats 102 wird durch eine lateral breitere, stark
n-dotierte Zone 507 beendet, was im Vergleich zu dem unter
Bezugnahme auf 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu einer verringerten spektralen Empfindlichkeit
für kürzere Wellenlängen führt. Im
Gegensatz dazu ist das spektrale Empfindlichkeitsmaximum geringfügig zu höheren Wellenlängen hin
verschoben.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 6 gezeigt,
bei der das p-Substrat 102 durch eine auf dem p-Substrat 102 gebildete
Epitaxialschicht 402 ersetzt ist.
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Wie
aus den zuvor beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung hervorgeht, kann die laterale Breite der stark n-dotierten
Zonen 207 in einer Bandbreite zwischen 0 und der Entfernung
zwischen zwei benachbarten n-Wannen 105 variieren. Die
Entfernungen zwi schen den n-Wannen 105 und die Entfernungen
der n-Wannen 105 und der stark n-dotierten Zonen 207 hängen von
den Dotierungskonzentrationen und der Sperrspannung über der
Photodiodenstruktur ab. Üblicherweise
sind die Zonen 107, 207 stark dotiert, wobei die n-Wannen 105 eine
geringere Dotierungskonzentration aufweisen. Das p-Typ-Substrat 102 weist
eine noch geringere Dotierungskonzentration auf. Folglich erstreckt
sich die Verarmungszone 108 stärker in das p-Substrat 102 hinein.
Die Entfernung zwischen zwei benachbarten n-Wannen 105 kann
derart bemessen sein, dass die Verarmungszonen einander bei einer gegebenen
Sperrspannung an der Hauptoberfläche berühren.
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Für einen
0,25 μm-CMOS-Prozess
gelten die folgenden Beziehungen zwischen der Sperrspannung über der
Photodiodenstruktur und den Entfernungen zwischen den n-Wannen 105.
Für eine Sperrspannung
von etwa 0 V kann eine Entfernung von etwa 0,6 μm zwischen den n-Wannen 105
gewählt
werden, oder umgekehrt kann für
eine Entfernung von etwa 0,6 μm
zwischen den n-Wannen 105 eine Sperrspannung von etwa 0
V gewählt
werden. Für
eine Sperrspannung von etwa 0,5 V kann eine Entfernung von etwa
0,8 μm zwischen
den n-Wannen 105 gewählt
werden. Für
eine Sperrspannung von etwa 1,0 V kann eine Entfernung von etwa
0,9 μm zwischen
den n-Wannen 105 gewählt
werden. Für eine
Sperrspannung von etwa 1,5 V kann eine Entfernung von etwa 1,0 μm zwischen
den n-Wannen 105 gewählt
werden. Für
eine Sperrspannung von etwa 2,0 V kann eine Entfernung von etwa
1,2 μm zwischen
den n-Wannen 105 gewählt
werden. Für
eine Sperrspannung von etwa 2,5 V kann eine Entfernung von etwa
1,3 μm zwischen
den n-Wannen 105 gewählt
werden.
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Die
erweiterte spektrale Empfindlichkeit von Photodiodenstrukturen gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ist in 7 graphisch dargestellt.
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In 7 stellt
die Gerade qλ/hc
die theoretische Grenze der optischen Empfindlichkeit S(λ) dar, wobei
q die Elemen tarladung darstellt, λ die
Wellenlänge,
h die Planck-Konstante
darstellt und c die Lichtgeschwindigkeit darstellt. S1(λ) bezeichnet
die spektrale Empfindlichkeit einer herkömmlichen Photodiodenstruktur
mit einer lateral kontinuierlichen n-Schicht, die für lediglich
eine ziemlich kleine Wellenlängenzone
spektral empfindlich ist, wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben
ist. Die Kurve 700 zeigt die spektrale Empfindlichkeit
einer Photodiodenstruktur gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung.
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Da
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung eine Verarmungszone 108 liefern,
die sich von der Hauptoberfläche
zu einer Zone unterhalb der n-Wannen 105 erstreckt, ergeben
sich zusätzliche spektrale
Beiträge
zu dem Photostrom. Beiträge
der Zone A der Verarmungszone 108 beziehen sich auf kurze
Wellenlängen,
da die Zone A der Verarmungszone 108 dicht unter der Hauptoberfläche platziert
ist. Beiträge
der Zone B beziehen sich auf längere
Wellenlängen,
da die Zone B relativ tief unter der Hauptoberfläche des Halbleiters unter den
n-Wannen 105 platziert ist. Somit liefern Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu Photodiodenstrukturen
mit vertikal kontinuierlichen n-dotierten Schichten eine spektral
erweiterte Empfindlichkeit.
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Obwohl
die n-dotierten Zonen 207 bei den obigen Ausführungsbeispielen
als in dem Halbleiter an der Hauptoberfläche desselben gebildet gezeigt wurden,
sind auch andere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise
können
die Zonen 207 in den Halbleiter vergraben sein, z. B. über eine
Struktur, die die vergrabene Zone mit einem gemeinsamen Anschluss
verbindet, der die vergrabene Zone sowie Wannen 105 miteinander
verbindet.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, gibt es Änderungen,
Permutationen und Äquivalente,
die in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen. Es ist
zu beachten, dass es viele alternative Möglichkeiten gibt, die Verfahren
und Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung zu implementieren.
Beispielsweise könnten
n-Wannen durch p-Wannen ersetzt werden, stark n-dotierte Zonen könnten durch
stark p-dotierte Zonen ersetzt werden, Epitaxialschichten vom p-Typ könnten durch
Epitaxialschichten vom n-Typ ersetzt werden, und p-Substrate könnten durch
n-Substrate ersetzt werden. Somit ist beabsichtigt, dass die folgenden
angehängten
Patentansprüche
so interpretiert werden, dass sie alle derartigen Änderungen, Permutationen
und Äquivalente,
wie sie in der wahren Wesensart und dem wahren Schutzumfang der vorliegenden
Erfindung enthalten sind, umfassen.