DE102021100931A1 - Verfahren zur Herstellung eines Pixels für ein bildgebendes Lichtlaufzeitmesssystem mit einer verbesserten Fertigungsausbeute - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Pixels für ein bildgebendes Lichtlaufzeitmesssystem mit einer verbesserten Fertigungsausbeute Download PDF

Info

Publication number
DE102021100931A1
DE102021100931A1 DE102021100931.6A DE102021100931A DE102021100931A1 DE 102021100931 A1 DE102021100931 A1 DE 102021100931A1 DE 102021100931 A DE102021100931 A DE 102021100931A DE 102021100931 A1 DE102021100931 A1 DE 102021100931A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
doped
area
doping
pixel
drift field
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102021100931.6A
Other languages
English (en)
Inventor
Christian LAMMERS
Thomas Rotter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elmos Semiconductor SE
Original Assignee
Elmos Semiconductor SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Elmos Semiconductor SE filed Critical Elmos Semiconductor SE
Publication of DE102021100931A1 publication Critical patent/DE102021100931A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/148—Charge coupled imagers
    • H01L27/14806—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14812—Special geometry or disposition of pixel-elements, address lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/148—Charge coupled imagers
    • H01L27/14806—Structural or functional details thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/112—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor
    • H01L31/113—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor being of the conductor-insulator-semiconductor type, e.g. metal-insulator-semiconductor field-effect transistor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G01S7/4863—Detector arrays, e.g. charge-transfer gates

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Einbauen eines Driftfeldes in eine fotoaktive Fläche (FaF). Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines p-dotierten Substrates (Sub) und das Erzeugen einer niedrig n-dotierten N-Wanne (LDnW). Des Weiteren umfasst es das Implantieren einer Mehrzahl von leicht p-dotierten Driftfeldimplantationsgebieten (DFI), die eine unterschiedliche Breite (b) und/oder einen unterschiedlichen Abstand (a) untereinander aufweisen. Dabei kompensiert oder überkompensiert die p-Dotierung der leicht p-dotierten Driftfeldimplantationsgebieten (DFI) nicht in allen Bereichen der niedrig n-dotierten N-Wanne (LDnW) die effektive n-Dotierung der niedrig n-dotierten N-Wanne (LDnW), sondern schwächt ggf. auch nur. Es folgt das Durchführen einer Wärmebehandlung, um die Abstände (a) zwischen den Driftfeldimplantationsgebieten (DFI) zu verwischen.

Description

  • Oberbegriff
  • Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Pixels für einen optischen Sensor, insbesondere einen bildgebenden optischen Sensor, wobei das Signal-zu-Rausch-Verhältnis optimiert wird.
  • Stand der Technik
  • Im Sinne dieser Schrift ist das Pixel eines optischen Sensors ein lichtempfindlicher Sensor der eine Information eines einzelnen Bildpunkts, typischerweise die Lichtintensität an diesem Bildpunkt, erfasst.
  • Aus der DE 10 2009 020 218 B3 ist ein Pixel eines Bildsensors für eine Lichtlaufzeitmessung bekannt, bei dem in das Pixel ein Drift-Feld eingebaut wurde. Hier sei insbesondere auf die 3 der DE 10 2009 020 218 B3 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
  • Auch aus der DE 10 2012 206 089 B4 ist ein solches Pixel mit einem eingebauten Driftfeld bekannt. Hier sei auf die 4 und 12 der DE 10 2012 206 089 B4 verwiesen.
  • Die DE 10 2009 037 596 B4 erläutert beispielhaft die Ansteuerung und den Betrieb eines solchen Pixels.
  • Auch aus der US 2013 / 0 092 824 A1 ist ein Pixel für die Lichtlaufzeitmessung bekannt.
  • Aus der DE 10 2014 215 972 A1 ist ein Pixel bekannt. Insbesondere in dem Pixel der 11A der DE 10 2014 215 972 A1 liegt die dritte Speicherregion (Bezugszeichen FD3 der DE 10 2014 215 972 A1 ) sehr dicht an dem Abführgebiet (Bezugszeichen DD der DE 10 2014 215 972 A1 ). Dieser geringe Abstand führt dazu, dass potenzielle Prozessschwankungen die Schwellspannung des zwischen diesen Regionen liegenden parasitären Transistors reduzieren und öffnen können. Das Pixel der 11A der DE 10 2014 215 972 A1 ist daher nur eingeschränkt produzierbar.
  • Weitere in diesem Zusammenhang interessierende Schriften sind beispielsweise die EP 2 263 103 B1 , die WO 2007 031 102 A1 , die DE 19 833 207 A1 und die EP 1 040 366 B1 .
  • Unterschiedliche Transferpfade zu Drain-Gebieten (floating diffusion) in einem CMOS-Bildsensor können untereinander parasitäre Wechselwirkungen zeigen, welche den Transport von Signalelektronen ineffizient machen.
  • Aufgabe
  • Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist. Die Erfindung dient der Trennung unterschiedlicher Transferpfade in einem CMOS-Bildsensor.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 5 und 9 und durch ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die Erfindung wird mit Hilfe der Figuren erläutert.
  • 1 zeigt ein Pixel für einen Bildgeber mit der Möglichkeit zu einer Lichtlaufzeitmessung. Kern des Pixels ist eine fotoaktive Fläche (FAF). In der fotoaktiven Fläche (FAF) erzeugen einfallende Photonen Elektron-Loch-Paare. Durch ein eingebautes Drift-Feld und den PN-Übergang werden die Elektronen von den Löchern separiert. Diese Fotoelektronen werden unter einem Collection-Gate (CG) in einem Collection-Gate-Bereich (CGB) gesammelt. Vorzugsweise ist das Collection-Gate (CG) aus einem polykristallinen Silizium gefertigt und bevorzugt sehr stark p-dotiert oder ebenso bevorzugt mit einer positiven Spannung gegenüber dem Collection-Gate-Bereich (CGB) vorgespannt, um diese Sammlung der aus der fotoaktiven Fläche (FAF) stammenden Fotoelektronen zu unterstützen. Die fotoaktive Fläche (FAF) wird durch eine niedrig dotierte n-Wanne (LDnW) innerhalb des in einem CMOS-Prozess typischerweise p-dotierten Substrates (Sub) gebildet. Durch eine Drift-Feld-Implantation (DFI) wird innerhalb dieser niedrig dotierten n-Wanne (LDnW) ein Dotierungsgradient hin zu dem Collection-Gate-Bereich (CGB) aufgebaut, der zu einem eingebauten elektrostatischen Driftfeld führt, das die in der fotoaktiven Fläche (FAF) gebildeten Fotoelektronen zum Collection-Gate-Bereich (CGB) hin absaugt und durch diese Trennung der Fotoelektronen von den fotoelektrisch parallel erzeugten Löchern deren Lebensdauer erhöht. Die Implantationsbereiche für den Einbau des Driftfeldes mittels einer Driftfeld-Implantation sind in der 1 gestrichelt gezeichnet. Mittels unterschiedlicher Breiten (b) der einzelnen Diftfeldimplantationsgebiete (DFI) und/oder durch eine unterschiedliche Beabstandung (a) dieser Driftfeldimplantationsgebiete kann nach Implantation und anschließender Wärmebehandlung ein relativ guter konstanter Dotierungsgradient durch das Verwischen der Dotierprofile in dem Wärmebehandlungsschritt erreicht werden. In dem Beispiel der 1 ist die Formgebung, Größe und Verteilung der Driftfeldimplantationsgebiete daher nur beispielhaft. Andere Verteilungen, wie beispielsweise eine Rasterung ähnlich dem Zeitungsdruck, sind natürlich denkbar und sinnvoll.
  • In der vorgeschlagenen Pixel-Struktur der 1 werden die in dem Collection-Gate-Bereich (CGB) bei einem positiv vorgespannten Collection Gate (CG) gesammelten Fotoelektronen nun über zwei unterschiedliche Pfade abgesaugt. Hierbei wird die Absaugung jeweils durch eine jeweilige Transistorstruktur gesteuert.
  • Ein erster Pfad (CGB, SP, FD) dient der Absaugung solcher Fotoelektronen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit Signaldaten umfassen. Dieser erste Kanal wird also aktiviert, wenn Fotoelektronen erwartet werden, die erfasst werden sollen.
  • Der zweite Pfad (CGB, DP, DD) dient der Entsorgung solcher Elektronen, die z.B. durch thermische Prozesse entstehen oder von anderen Quellen, beispielsweise aus dem Substrat (Sub) stammen. Insbesondere Fotoelektronen, die zu Zeiten abweichend von denen, in denen Fotoelektronen erwartet werden, werden hier abgeführt und der Signalverarbeitungskette entzogen. Solche Fotoelektronen können beispielsweise einer permanenten Hintergrundbeleuchtung, z.B. durch die Sonne entstammen. Auf diese Weise wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert.
  • Ein erstes Transfer-Gate (TG1) steuert dabei die Durchlässigkeit des Signalpfads (SP) für die Fotoelektronen, die sich unter dem Collection-Gate (CG) ggf. zu erwarteten Zeiten gesammelt haben, und erlaubt oder unterbindet je nach elektrischer Ladung des ersten Transfer-Gates (TG1) die Absaugung dieser gesammelten Fotoelektronen durch den Floating-Diffusion-Bereich (FD) über den Signalpfad (SP).
  • Wie die leicht n-dotierte N-Wanne (LDnW), sind auch der Collection-Gate-Bereich (CGB), der Signalpfad (SD) und der Floating-Diffusion-Bereich (FD) n-dotiert. Dabei ist der Floating-Diffusion-Bereich (FD) bevorzugt höher n-dotiert.
  • Eine tiefe p-Dotierung in Form eines p-dotierten Hochenergie-p-Implantationsbereiches (HpD) unterhalb des Floating-Gate-bereiches (FD) verhindert den Zutritt von Elektronen aus dem Substrat in den Floating-Diffusion-Bereich (FD) und verbessert so den Signal-zu-Rauschabstand weiter.
  • Ein zweites Transfer-Gate (TG2) steuert dabei die Durchlässigkeit des Drain-Pfads (DP) für die Fotoelektronen, die sich unter dem Collection-Gate (CG) ggf. zu unerwarteten Zeiten gesammelt haben, und erlaubt oder unterbindet je nach elektrischer Ladung des zweiten Transfer-Gates (TG2) die Absaugung dieser gesammelten Fotoelektronen durch den Drain-Diffusion-Bereich (DD) über den Drain-Pfad (SP). Durch eine solche Absaugung werden diese unerwünschten Elektronen aus dem System entfernt.
  • Wie die leicht n-dotierte N-Wanne (LDnW), sind auch der Collection-Gate-Bereich (CGB), der Drain-Pfad (SD) und der Drain-Diffusion-Bereich (DD) n-dotiert. Dabei ist der Drain-Diffusion-Bereich (DD) bevorzugt höher n-dotiert.
  • Eine tiefe p-Dotierung in Form eines p-dotierten Hochenergie-p-Implantationsbereiches (HpD) wie unterhalb des Floating-Gate-Bereiches (FD) ist im Drain-Diffusion-Bereich gerade nicht vorhanden, da der Zutritt vagabundierender Elektronen aus dem Substrat zu deren geordneter Entfernung in den Drain-Diffusion-Bereich (DD) ja erwünscht ist, um zu verhindern, dass diese den Floating-Diffusion-Bereich (FD) erreichen können. Auch diese Maßnahme verbessert so den Signal-zu-Rauschabstand weiter.
  • In 1 ist eine virtuelle Schnittlinie (SL) zwischen den Punkten A und B eingezeichnet. Dieser Schnitt ist nun in 2 dargestellt, um den vertikalen Aufbau zu verdeutlichen.
  • In dem Substrat ist die niedrig n-dotierte N-Wanne (LDnW) eingebaut, die durch die Drift-Feld-Implantation in die Driftfeld-Implantations-Bereiche (DFI) einen Dotierungsgradienten und damit ein Driftfeld in Richtung des Collection Gate Bereiches (CGB) aufweist.
  • Der Collection-Gate-Bereich (CGB) befindet sich unterhalb des Collection-Gates (CG), das von dem Substrat (Sub) und damit von dem Collection-Gate-bereich (CGB) durch ein Gate-Oxid elektrisch getrennt ist.
  • Der Signalpfad (SP) befindet sich unterhalb des ersten Transfer-Gates (TG1), das von dem Substrat (Sub) durch ein weiteres Gate-Oxid elektrisch getrennt ist. Collection-Gate (CG) und erstes Transfer-Gate (TG1) und das in 2 nicht zu sehende zweite Transfergate (TG2) sind bevorzugt aus polykristallinem Silizium gefertigt. Der relativ hoch n-dotierte Floating-Diffusion-Bereich (FD) ist in dem Beispiel der 2 mit einem Kontakt (KO) elektrisch angeschlossen. Über diesen Kontakt (KO) werden die Fotoelektronen abgesaugt.
  • Ein p-dotierter Hochenergie-p-Implantationsbereich (HpD) unterhalb des Floating-Diffusion-Bereiches (FD) verhindert das Eindringen von Elektronen aus dem Substrat (Sub) in den Floating-Diffusion-Bereich.
  • Das wesentliche Problem ist nun, dass die p-Dotierung, die den n-dotierten Signalpfad (SP) in Form eines Kompensationsbereiches (KB, siehe 4) von dem n-dotierten Drain-Pfad (DP) trennt, nur sehr schwach dotiert ist. Außerdem ergibt sich diese schwache Dotierung als Differenz großer Zahlen. Dies hat zur Folge, dass die effektive Dotierung dieses p-dotierten Bereiches stark schwankt. Mit dem Collection-Gate (CG) bildet dieser schwach p-dotierte Bereich einen parasitären N-Kanal-Transistor (TNpara ). Dieser parasitäre N-Kanal-Transistor (TNpara ) ist in der 3, die ansonsten der 1 entspricht fett gepunktet umrandet. Der parasitären N-Kanal-Transistor (TNpara ) befindet sich zwischen dem Floating-Diffusion-Bereich (FD) und dem Signalpfad (SP) einerseits und dem Drain-Diffusion-Bereich (DD) und dem Drain-Pfad (DP) andererseits. Die Schwellspannung dieses parasitären N-Kanal-Transistors (TNpara ) schwankt nun aus besagten Gründen prozesstechnisch bedingt stark. Dies kann dazu führen, dass nicht erwünschte Elektronen, die eigentlich gerade über den Drain-Pfad (DP) abgesaugt werden, doch in den Signalpfad (SP) gelangen, weil der parasitäre N-Kanaltransistor (TNpara ) nicht geschlossen ist. In 3 ist dies mit dem Zeichen „e-“ für ein Elektron und dem Pfeil vom Drain-Pfad (DP) zum Signalpfad (SP) angedeutet.
  • 4 zeigt einen beispielhaften Querschnitt durch den parasitären N-Kanal-Transistor in etwa längs des Pfeils in 3. Der Kompensationsbereich (KB) befindet sich zwischen dem Signalpfad (SP) und dem Drain-Pfad (DP). Ist die p-Dotierung des Kompensationsbereiches (KB) nur schwach ausgeprägt oder gar invertiert, so können wie oben beschrieben, Elektronen vom Drain-Pfad (DP) in den Signalpfad (SP) gelangen und dort das Signal-zu-Rauch-Verhältnis verschlechtern.
  • Bei Fotodioden und Fotomodulatoren kommt es somit auf eine vollständige Trennung der Auslesepfade und damit einhergehend auf einen vollständigen Ladungstransport von Signalelektronen an. Man vermindert so Image-Lag und erhöht gleichzeitig die Auslesegeschwindigkeit der Sensoren.
  • Die hochenergetische p-Dotierung (HpD) hat hierbei den Zweck den Floating Diffusion-Bereich (FD) gegen Elektronen von außen abzuschirmen. „Außen“ bedeutet dabei typischerweise das umgebende Substrat (Sub). Die hochenergetische p-Dotierung (HpD) ist eine Diffusionsbarriere für diese parasitären Elektronen. Der Floating-Diffusion-Bereich (FD) ist der eigentliche Signalpfad und Nutzkanal. Der Floating-Diffusion-Kanal (CGB) steuert über den Kontakt (KO) das Gate eines nicht mehr gezeichneten Source-Followers an. Der Floating-Diffusion-Bereich ist daher nicht ohmsch an ein Bezugspotenzial gekoppelt, sondern floatet kapazitiv gekoppelt, was den Namen erklärt.
  • Die andere Seite ist der Drain-Diffusion-Bereich (DD). Dort werden überflüssige und unerwünschte Elektronen abgesaugt. Daher ist es sinnvoll, wie oben erläutert, hier keine hochenergetische p-Dotierung (HpD) vorzusehen, da so auch die Elektronen des Substrats (Sub) abgesaugt werden können.
  • Die Funktion des Collection-Gates (CG) ist, die Ladungsträger aus der Tiefe anzusaugen und so zu akkumulieren und zwischen zu speichern. Das Collection-Gate (CG) stellt die Ladungsträger für die beiden Abgänge zum Floating-Diffusion-Bereich (FD) über den Signalpfad (SP) und Drain-Diffusion-Bereich (DD) über den Drain-Pfad (DP) bereit.
  • In Pinned-Fotodioden werden zumeist n+ dotierte Polygates zur Steuerung der Transferpfade verwendet. Anpassungen in der Gate-Dotierung werden z.B. eingesetzt um partiell vergrabene Transferkanäle zu realisieren. Hier sei auf das Schutzrecht EP2584607 verwiesen.
  • Das Pixellayout der 1 verfügt über ein Auslesegebiet mit n+-dotierter Doppelpoly-Gate-Struktur. Dabei werden Elektronen zunächst von einem sogenannten Collection-Gate (CG) akkumuliert. Mit zwei invers zueinander geschalteten Transfergates (TG1 und TG2) werden die Elektronen in einen linken Auslesepfad (CGB, SP, FD) bzw. rechten Auslesepfad (CGB, DP, DD) gelenkt. Ein erster Pfad (CGB, SP, FD) führt Signalelektronen über den Kontakt (KO) zur Ausleseelektronik. Das Messsystem in das dieses Pixel eingebaut ist, verfügt bevorzugt über eine gepulste Lichtquelle, beispielsweise einen gepulsten Infrarotlaser. Dieser erste Pfad ist dabei dann nur für die Dauer eines Lichtpulses des Messsystems (einige Nanosekunden) geöffnet. Der andere, zweite Pfad (CGB, DP, DD) dient dem Abführen von Elektronen zu Zeiten, in denen kein Laserpuls auf die pn-Diode (LDnW/Sub) des Pixels trifft. Eine zu starke Wechselwirkung zwischen diesen beiden Pfaden beispielsweise durch den oben beschriebenen parasitären Elektronenaustausch führt zu extrem langsamen Pixeln, die nicht mehr den gestellten Anforderungen gerecht werden. Bei einer kontinuierlichen Bestrahlung (CW-Bestrahlung) der Diode kommt es durch die verlangsamte Transferzeit von der fotoaktiven Fläche (FAF) bis in den Floating-Diffusion-Bereich (FD) zu einem scheinbaren Anstieg der Sensitivität und zu einer Verschlechterung der Homogenität (photo response non-uniformity, PRNU). Aufgrund dieses Problems kann die Fertigungsausbeute massiv sinken.
  • Eine weitere Verbesserung kann nun erreicht werden, wenn durch eine lokale p+ Dotierung eines ansonsten komplett n+-dotierten Collection-Gates (CG) aus polykristallinem Silizium eine Erhöhung der Sehwellspannung erreicht wird, die dann parasitäre Wechselwirkungen zwischen einzelnen Auslesepfaden durch die sichere Sperrung des parasitären N-Kanaltransistors (TNpara ) unterdrückt.
  • Durch eine p+-Dotierung zwischen beiden Auslesepfaden im polykristallinen Silizium des Collection Gates (CG) wird das Fermi-Niveau und damit die Sehwellspannung des parasitären N-Kanaltransistors (TNpara ) bevorzugt um etwa 1 V ins positive verschoben. Die p+-Dotierung erfolgt nur lokal in einem Bereich zwischen beiden Auslesepfaden, um nur hier die Schwelle heraufzusetzen. Das restliche Collection-Gate (CG) bleibt bevorzugt n+-dotiert. Eine Wechselwirkung zwischen beiden Pfaden wird somit durch sichere Sperrung des parasitären N-Kanaltransistors (TNpara ) unterbunden. Um zusätzlich in der Tiefe des Bauteils eine Trennung der n-Wannen beider Pfade zu erreichen, kann ggf. zusätzlich noch eine weitere, hier nicht eingezeichnete tiefe Bor-Dotierung zwischen die Pfade implantiert werden.
  • In 5 ist eine solche zusätzliche p-Dotierung (ZpD) in Form einer tiefen Bor-Dotierung fett und gepunktet eingezeichnet. Bevorzugt wird in diesem Bereich auch die p-Dotierung des Collection-Gates (CG) vorgenommen.
  • Die Erfindung betrifft somit ein Pixel für einen optischen Sensor, der eine fotoaktiven Fläche (FAF), einen Collection Gate-Bereich (CGB), einen Signalpfad (SP), einen Floating-Diffusion-Bereich (FD), einen Drain-Pfad (DP), einen Drain-Diffusion-Bereich (DD), ein erstes Transfergate (TG1), ein zweites Transfergate (TG2) und ein Collection-Gate (CG) aufweist. Das erste Transfergate (TG1) ist in einer ersten polykristallinen Siliziumschicht zwischen dem Collection-Gate-Bereich (CGB) und dem Floating-Diffusion-Bereich (FD) über dem Signal-Pfad (SP) gefertigt. Das zweite Transfergate (TG2) ist dabei bevorzugt in der ersten polykristallinen Siliziumschicht zwischen dem Collection-Gate-Bereich (CGB) und dem Drain-Diffusion-Bereich (DD) über dem Drain-Pfad (DP) gefertigt. Das Collection-Gate (CG) ist bevorzugt in einer zweiten polykristallinen Silizium-Schicht oder in der ersten polykristallinen Silizium-Schicht über dem Collection-Gate-Bereich (CGB) gefertigt. Das Collection-Gate (CG) erstreckt sich bevorzugt in einen Bereich zwischen dem Floating-Diffusion-Bereich (FD) und dem Signalpfad (SP) einerseits und dem Drain-Diffusion-Bereich (DD) und dem Drain-Pfad (DP) andererseits. Die Dotierung des polykristallinen Siliziums des Control-Gates (CG) im Bereich zwischen dem Floating-Diffusion-Bereich (FD) und dem Signalpfad (SP) einerseits und dem Drain-Diffusion-Bereich (DD) und dem Drain-Pfad (DP) andererseits ist bevorzugt ganz oder teilweise zusätzlich p-dotiert, was das Sperren des parasitären N-Kanal-Transistors (TNpara ) zur Folge hat.
  • Die fotoaktive Fläche (FAF) weist bevorzugt ein eingebautes Driftfeld auf.
  • Die P-Dotierung des polykristallinen Siliziums des Control-Gates (CG) erstreckt sich bevorzugt auch in Teilbereiche des Control-Gates (CG) hinein, die sich über dem Control-Gate-Bereich (CGB) befinden.
  • Bevorzugt ist der parasitäre N-Kanal-Transistor (TNpara ) zwischen dem Floating-Diffusion-Bereich (FD) und dem Signalpfad (SP) einerseits und dem Drain-Diffusion-Bereich (DD) und dem Drain-Pfad (DP) andererseits ganz oder teilweise mit einer Schwellspannung anhebenden Modifikation, insbesondere mit einer p-Dotierung seines Kanals, versehen.
  • Bevorzugt sind der Collection-Gate-Bereich (CGB) und der Signalpfad (SP) und der Floating-Diffusion-Bereich (FD) längs einer Signalpfadachse (ASP ) angeordnet und der Collection-Gate-Bereich (CGB) und der Drain-Pfad (DP) und der Drain-Diffusion-Bereich (DD) sind längs einer Drain-Pfadachse (ADP ) angeordnet. Die Signalpfadachse (ASP ) ist bevorzugt um einen Winkel β=90°+/- 20° und/oder besser β=90°+/- 10° und/oder besser β=90°+/- 5° und/oder besser β=90°+/- 2° gegen die Drain-Pfadachse (ADP ) um einen gemeinsamen Punkt im Collection-Gate-Bereich (CGB) gedreht. Die niedrig n-dotierten N-Wanne (LDnW) des Pixels ist symmetrisch links und rechts einer Pixelachse (Apix ) angeordnet. Der Collection-Gate-Bereich (CGB) ist mit der n-dotierten N-Wanne (LDnW) des Pixels verbunden. Die Pixelachse (Apix ) ist bevorzugt gegen die Signalpfadachse (ASP ) um einen Winkel γ=45°+/- 20° und/oder besser γ=45°+/- 10° und/oder besser γ=45°+/- 5° und/oder besser γ=45°+/- 2° um einen gemeinsamen Punkt im Collection-Gate-Bereich (CGB) gedreht. Die Pixelachse (Apix ) ist gegen die Drain-Pfadachse (ADP ) um einen Winkel ε=45°+/- 20° und/oder besser ε=45°+/- 10° und/oder besser ε=45°+/- 5° und/oder besser ε=45°+/- 2° um einen gemeinsamen Punkt im Collection-Gate-Bereich (CGB) gedreht.
  • Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Wirkung der drei parasitären Transistoren minimiert wird. Der Erste parasitäre Transistor ist dabei der besagte parasitären N-Kanal-Transistors (TNpara ) zwischen dem Drain-Pfad (DP) und dem Source-Pfad (SP). Der zweite parasitäre Transistor ist der zwischen dem Drain-Pfad (DP) und dem Driftfeldimplantationsgebiet (DFI). Der dritte parasitäre Transistor ist der zwischen dem Driftfeldimplantationsgebiet (DFI) und dem Source-Pfad (SP). Die Ausarbeitung der Erfindung ergab, dass durch die Y-förmig Anordnung der Pfade die Wirkung der parasitären Transistoren minimiert wird.
  • Vorteil
  • Eine solche Dotierung des Collection-Gates (CG) und ggf. die parallele zusätzliche p-Dotierung des Kompensationsbereiches (KB, 5 ZpD) und die Y-Anordnung der Pfade ermöglichen zumindest in einigen Realisierungen die bessere Trennung des Signal-Pfades (SD) vom Drain-Pfad (DP), was eine bessere Ausbeute zur Folge hat. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
  • Die Sensitivität der Fotodiode nimmt so zu.
  • Bezugszeichenliste
    • a
    Abstand zweier Driftfeldimplantationsgebieten (DFI);
    A
    Beginn der Schnittlinie (SL);
    ADP
    Drain-Pfadachse;
    Apix
    Pixelachse;
    ASP
    Signalpfadachse;
    β
    Winkel zwischen Signalpfadachse (ASP ) und Drain-Pfadachse (ADP );
    b
    Breite eines Driftfeldimplantationsgebiets (DFI);
    B
    Ende der Schnittlinie (SL);
    γ
    Winkel zwischen Pixelachse (Apix ) und Signalpfadachse (ASP );
    CG
    Collection-Gate;
    CGB
    Collection Gate-Bereich;
    DD
    Drain-Diffusion-Bereich;
    DFi
    Driftfeldimplantationsgebiet;
    DP
    Drain-Pfad;
    ε
    Winkel zwischen Pixelachse (Apix ) und Drain-Pfadachse (ADP );
    FAF
    fotoaktive Fläche;
    FD
    Floating-Diffusion-Bereich;
    HpD
    Hochenergie-p-Implantationsbereich;
    KB
    Kompensationsbereich;
    KO
    Kontakt;
    LDnW
    niedrig n-dotierte N-Wanne;
    SL
    Schnittlinie;
    SP
    Signalpfad;
    Sub
    Substrat. Das Substrat ist in einem CMOS-Prozess typischerweise p-dotiert;
    TNpara
    parasitärer N-Kanal-Transistor;
    TG1
    erstes Transfergate;
    TG2
    zweites Transfergate;
  • Liste der zitierten Schriften
  • DE 19 833 207 A1 ,
    DE 10 2009 020 218 B3
    DE 10 2009 037 596 B4 ,
    DE 10 2012 206 089 B4 ,
    EP 1 040 366 B1 ,
    EP 2 263 103 B1 ,
    WO 2007 031 102 A1 .
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009020218 B3 [0003, 0047]
    • DE 102012206089 B4 [0004, 0047]
    • DE 102009037596 B4 [0005, 0047]
    • DE 102014215972 A1 [0007]
    • EP 2263103 B1 [0008, 0047]
    • WO 2007031102 A1 [0008, 0047]
    • DE 19833207 A1 [0008, 0047]
    • EP 1040366 B1 [0008, 0047]
    • EP 2584607 [0034]

Claims (1)

  1. Verfahren zum Einbauen eines Driftfeldes in eine fotoaktive Fläche (FaF) umfassend die Schritte - Bereitstellen eines p-dotierten Substrates (Sub); - Erzeugen einer niedrig n-dotierten N-Wanne (LDnW); - Implantieren einer Mehrzahl von leicht p-dotierten Driftfeldimplantationsgebieten (DFI), die eine unterschiedliche Breite (b) und/oder einen unterschiedlichen Abstand (a) untereinander aufweisen, - wobei die p-Dotierung der leicht p-dotierten Driftfeldimplantationsgebieten (DFI) nicht in allen Bereichen der niedrig n-dotierten N-Wanne (LDnW) die effektive n-Dotierung der niedrig n-dotierten N-Wanne (LDnW) kompensiert oder überkompensiert, sondern ggf. auch nur schwächt; - Durchführen einer Wärmebehandlung, um die Abstände (a) zwischen den Driftfeldimplantationsgebieten (DFI) zu verwischen.
DE102021100931.6A 2020-03-10 2021-01-18 Verfahren zur Herstellung eines Pixels für ein bildgebendes Lichtlaufzeitmesssystem mit einer verbesserten Fertigungsausbeute Pending DE102021100931A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020106391.1 2020-03-10
DE102020106391 2020-03-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102021100931A1 true DE102021100931A1 (de) 2021-09-16

Family

ID=77457629

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102021100913.8A Pending DE102021100913A1 (de) 2020-03-10 2021-01-18 Pixel für ein bildgebendes Lichtlaufzeitmesssystem mit einer verbesserten Fertigungsausbeute
DE102021100931.6A Pending DE102021100931A1 (de) 2020-03-10 2021-01-18 Verfahren zur Herstellung eines Pixels für ein bildgebendes Lichtlaufzeitmesssystem mit einer verbesserten Fertigungsausbeute

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102021100913.8A Pending DE102021100913A1 (de) 2020-03-10 2021-01-18 Pixel für ein bildgebendes Lichtlaufzeitmesssystem mit einer verbesserten Fertigungsausbeute

Country Status (1)

Country Link
DE (2) DE102021100913A1 (de)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19833207A1 (de) 1998-07-23 2000-02-17 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zur Aufnahme eines dreidimensionalen Abstandsbildes
EP1040366B1 (de) 1997-12-23 2003-10-08 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur aufnahme eines dreidimensionalen abstandsbildes
WO2007031102A1 (de) 2005-09-15 2007-03-22 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Erfassung optischer strahlung
DE102009020218B3 (de) 2009-05-07 2011-01-13 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Detektor und Verfahren zum Detektieren elektromagnetischer Strahlung und Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens
EP2584607A2 (de) 2011-10-13 2013-04-24 Omnivision Technologies, Inc. Übertragungsvorrichtung mit teilweise verdecktem Kanal für Bildsensoren
DE102009037596B4 (de) 2009-08-14 2014-07-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Pixelstruktur, System und Verfahren zur optischen Abstandsmessung sowie Steuerschaltung für die Pixelstruktur
EP2263103B1 (de) 2008-04-14 2015-08-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Optischer abstandsmesser und verfahren zur optischen abstandsmessung
DE102014215972A1 (de) 2014-08-12 2016-02-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Pixelstruktur zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt und Abstandserfassungssystem mit einer derartigen Pixelstruktur
DE102012206089B4 (de) 2012-03-15 2017-02-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Halbleiterstruktur, verfahren zum betreiben derselben und herstellungsverfahren

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1040366B1 (de) 1997-12-23 2003-10-08 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur aufnahme eines dreidimensionalen abstandsbildes
DE19833207A1 (de) 1998-07-23 2000-02-17 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zur Aufnahme eines dreidimensionalen Abstandsbildes
WO2007031102A1 (de) 2005-09-15 2007-03-22 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Erfassung optischer strahlung
EP2263103B1 (de) 2008-04-14 2015-08-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Optischer abstandsmesser und verfahren zur optischen abstandsmessung
DE102009020218B3 (de) 2009-05-07 2011-01-13 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Detektor und Verfahren zum Detektieren elektromagnetischer Strahlung und Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens
DE102009037596B4 (de) 2009-08-14 2014-07-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Pixelstruktur, System und Verfahren zur optischen Abstandsmessung sowie Steuerschaltung für die Pixelstruktur
EP2584607A2 (de) 2011-10-13 2013-04-24 Omnivision Technologies, Inc. Übertragungsvorrichtung mit teilweise verdecktem Kanal für Bildsensoren
DE102012206089B4 (de) 2012-03-15 2017-02-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Halbleiterstruktur, verfahren zum betreiben derselben und herstellungsverfahren
DE102014215972A1 (de) 2014-08-12 2016-02-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Pixelstruktur zur optischen Abstandsmessung an einem Objekt und Abstandserfassungssystem mit einer derartigen Pixelstruktur

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021100913A1 (de) 2021-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE68917242T2 (de) Festkörperbildsensor.
DE102009020218B3 (de) Detektor und Verfahren zum Detektieren elektromagnetischer Strahlung und Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens
DE102018121679B4 (de) Matrixsubstrat für digitalen Röntgendetektor, damit ausgerüsteter digitaler Röntgendetektor und Verfahren für seine Herstellung
DE102011076635B3 (de) Detektor zur Detektion elektromagnetischer Strahlung mit Transfersteuerelektrode und Abflusssteuerelektrode
EP1241710A2 (de) Lichtsensitives Halbleiterbauelement
EP2629340B1 (de) Halbleiterstruktur für einen auf dem Lawineneffekt beruhenden Strahlungsdetektor sowie Strahlungsdetektor
WO2020201189A1 (de) Avalanche-photodioden-array
DE60033894T2 (de) Strahlungsdetektor
DE69631666T2 (de) Mikrostruktur mit opto-elektronischem gate
DE2952289A1 (de) Ladungsgekoppelte vorrichtung
DE10251735B4 (de) Aktives Pixel und Verfahren zur Herstellung eines aktiven Pixels
EP2549536A1 (de) Halbleiterstruktur zur Photonendetektion
WO2013087608A1 (de) Halbleiterbauelement mit trench gate
DE69025173T2 (de) Festkörper-bildsensor
DE102014211226B4 (de) Photoelektrische umwandlungseinrichtung und verfahren zum herstellen einer photoelektrischen umwandlungseinrichtung
EP0719454B1 (de) Halbleiter(detektor)struktur
EP1873834B1 (de) Löschbarriere, insbesondere für einem Halbleiterdetektor, und zugehöriges Betriebsverfahren
DE102021100931A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Pixels für ein bildgebendes Lichtlaufzeitmesssystem mit einer verbesserten Fertigungsausbeute
DE102012112765B4 (de) Photozellenvorrichtungen für phasenempfindliche Erfassung von Lichtsignalen und Herstellungsverfahren
DE102008011280B4 (de) Strahlungsempfangendes Halbleiterbauelement, Verfahren zum Betreiben und Verwendung desselben sowie Strahlungsdetektor und Halbleiteranordung mit dem Halbleiterbauelement
DE102005007358B4 (de) Lichtempfindliches Bauelement
DE102011113767B3 (de) Halbleiterdetektor mit einer Ladungsträgerinjektionseinrichtung und Betriebsverfahren dafür
DE112020006344T5 (de) Range-Imaging-Sensor und Verfahren zur Herstellung dieses Sensors
DE112021005507T5 (de) Optischer Sensor
DE10230225B4 (de) Photomischdetektor und Verfahren zu seinem Betrieb und zu seiner Herstellung