DE10230225B4

DE10230225B4 - Photomischdetektor und Verfahren zu seinem Betrieb und zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10230225B4
Application number: DE10230225A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr. Stegemann; Zhanping Dr.-Ing. Xu; Christoph Dr. Ellmers
Original assignee: Zentrum Mikroelektronik Dresden GmbH
Current assignee: IDT Europe GmbH
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: DE10230225A1

Abstract

Photomischdetektor mit in und auf einem Halbleitersubstrat angeordneten Schichten, die sich in vertikaler, lateraler und transversaler Richtung erstrecken und die mindestens zwei optisch transparente Modulationsphotogates und mindestens zwei Auslesedioden bilden, wobei die Modulationsgates in lateraler Richtung innen einander benachbart sind, in lateraler Richtung außen neben einem ersten Modulationsgate eine erste Auslesediode angeordnet ist, die mit einer Detektierschaltung verbindbar ist, das erste Modulationsphotogate mit einem ersten Modulationspotential beaufschlagbar ist, in lateraler Richtung außen neben einem zweiten Modulationsgate eine zweite Auslesediode angeordnet ist, die mit der Detektierschaltung verbindbar ist, das zweite Modulationsphotogate mit einem zweiten Modulationspotential beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in lateraler Richtung zwischen dem ersten Modulationsphotogate (5) und seiner zugeordneten ersten Auslesediode (7) ein erster Transfer- und Separationstransistor (17) angeordnet ist, an dessen Transfer- und Separationsgate (14) ein erstes Zusatzpotential anlegbar ist, und in lateraler Richtung zwischen dem zwei ten Modulationsphotogate (6) und seiner zugeordneten zweiten Auslesediode (8) ein zweiter Transfer-...

Description

Die Erfindung betrifft einen Photomischdetektor mit in und auf einem Halbleitersubstrat angeordneten Schichten, die sich in vertikaler, lateraler und transversaler Richtung erstrecken und die mindestens zwei optisch transparente Modulationsphotogates und mindestens zwei Auslesedioden bilden. Dabei sind die Modulationsphotogates in lateraler Richtung innen einander benachbart. In lateraler Richtung ist außen neben einem ersten Modulationsphotogate eine erste Auslesediode angeordnet, die mit einer Detektierschaltung verbindbar ist. Das erste Modulationsphotogate ist mit einem ersten Modulationspotential beaufschlagbar. In lateraler Richtung ist außen neben einem zweiten Modulationsphotogate eine zweite Auslesediode angeordnet, die mit der Detektierschaltung verbindbar ist. Schließlich ist das zweite Modulationsphotogate mit einem zweiten Modulationspotential beaufschlagbar.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb dieses Photomischdetektors, bei dem ein Objekt mit einem entsprechend einer ersten Modulationsfunktion modulierten Licht beleuchtet und das daraufhin von dem Objekt reflektierte Licht auf die Modulationsphotogates geleitet wird. Dabei werden die Modulationsphotogates mit einer entsprechend einer mit der ersten Modulationsfunktion korrelierten zweiten Modulationsfunktion moduliert.
Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung dieses Photomischdetektors, bei dem in ein Halbleitersubstrat mittels der CMOS-Technologie mindestens zwei Modulationsphotogates und zwei Auslesedioden eingebracht werden.

Ein Photomischdetektor, ein Verfahren zu dessen Betrieb und zu dessen Herstellung ist in den Druckschriften DE 197 04 496 A1 und der DE 198 21 974 A1 beschrieben. Diese Photomischdetektoren bestehen aus zwei optisch transparenten Modulationsphotogates, insbesondere aus Polysilizium, und aus zwei Auslesedioden, die in lateraler Richtung jeweils außen neben den Modulationsphotogates angeordnet sind. Der so aufgebaute Photomischdetektor ist in der Lage, aufgrund eines inhärenten Mischprozesses, der bei einem Empfang eines von einem Objekt reflektierten Lichtes, das durch eine Modulationsfunktion moduliert wurde, unmittelbar die Laufzeit der von dem Objekt reflektierten elektromagnetischen Wellen zu erfassen. Damit kann mit diesem Photomischdetektor neben der Intensitätsinformation über die empfangene Strahlung auch eine Entfernungs- oder Tiefeninformation zu dem Reflektionsobjekt gewonnen werden.

Zur Realisierung dieser Funktion werden die Modulationsphotogates mit je einem Modulationspotential beaufschlagt, und zwar in der Art, dass das erste Modulationsphotogate mit einer ersten Modulationsspannung U_o + U_m und das zweite Modulationsphotogate mit einer zweiten Modulationsspannung U_o – U_m beaufschlagt wird, worin U_o eine Grundspannung und U_m eine Modulationsgrundspannung darstellt, die der Modulationsfunktion folgt. U_o wird in der Regel eine Gleichspannung sein, wohingegen U_m insbesondere eine zeitvariante Spannung darstellt.

In den Raumladungszonen unter den Modulationsphotogates werden durch die Photonen des empfangenen Lichtes Photoelektronen generiert und gesammelt, die durch das elektrische Feld der Modulationsphotogates zu den Auslesedioden driften. Die Transferausbeute der Photoelektronen hängt u.a. von der Höhe der Modulationsspannung ab. Durch die zeitinvariante Modulationsspan nung werden die zu unterschiedlichen Zeitpunkten generierten Photoelektronen zur ersten oder zweiten Auslesediode transportiert. Da Modulationsspannung und empfangenes Licht mit der Modulationsfunktion korrelieren, kann aus der Differenz der an den Auslesedioden gemessenen Spannung oder Strom die Laufzeit der empfangenen Strahlung im Verhältnis zu ihrem Aussenden ermittelt und damit auf die Entfernung des Objektes geschlossen werden.

Bei dem bekannten Photomischdetektor grenzt das photoaktive Gebiet unter den Modulationsphotogates direkt an die Auslesedioden. Damit wirkt im Falle des Anliegens einer Modulationsspannung U_o + U_m an dem ersten oder zweiten Modulationphotogate die in den Auslesedioden gesammelte Ladung auf den Ladungsträgertransport aus der Raumladungszone unter den Modulationsphotogates zurück, da die gesammelte Ladung den Feldgradienten in Richtung zu der Raumladungszone reduziert und damit die Ladungsträgerausbeute reduziert wird.

Außerdem bleiben die an dem Modulationsphotogates angrenzenden Auslesedioden an den Modulationsphotogates elektrisch angeschlossen, so dass im Falle des Anliegens einer Modulationsspannung U_o – U_m ein Teil der genierten Ladungsträger zur falschen Auslesediode driften.

Da die Empfindlichkeit und die Tiefenauslösung aus der Differenz der an den Auslesedioden gemessenen Photoströmen bestimmt werden, werden diese durch die bekannte Anordnung negativ beeinflusst.

Es ist damit Aufgabe der Erfindung, einen Photomischdetektor derart auszubilden, dass dessen Empfindlichkeit und Tiefenauflösung verbessert wird.

Diese Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass in lateraler Richtung zwischen dem ersten Modulationsphotogate und seiner zugeordneten ersten Auslesediode ein erster Transfer- und Separationstransistor angeordnet ist, an dessen Gate ein erstes Zusatzpotential anlegbar ist, und in lateraler Richtung zwischen dem zweiten Modulationsphotogate und seiner zugeordneten zweiten Auslesediode ein zweiter Transfer- und Separationstransistor angeordnet ist, dessen Gate mit einem zweiten Zusatzpotential beaufschlagbar ist. Dabei ist unter den Modulationsphotogates ein bis teilweise unter die Transfer- und Separationsgates der jeweiligen Transfer- und Separationstransistoren reichendes Verarmungsgebiet eingebracht.

Durch die Transfer- und Separationstransistoren wird zum einen der Feldgradient in Richtung zur jeweiligen Auslesediode erhöht. Zum anderen verhindert die Absperrfunktion, dass ein Ladungstransport zur falschen Seite der „Ladungsschaukel" stattfinden kann.

Durch das Verarmungsgebiet wird die Ladungsträgerrekombination an der Gateoxidgrenzfläche unter den Modulationsphotogates reduziert, da ein vergrabener Kanal entsteht.

Weiterhin wird die Beeinflussung der Auslesediode durch das sich zeitlich verändernde Potential an den Modulationsphotogates vermieden.

In einer Ausgestaltung der Anordnung ist vorgesehen, dass das Halbleitersubstrat aus einem p-Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 5 bis 50 Ωcm oder aus einem Epitaxiesubstrat mit gleicher Dotierung besteht. Dies gewährleistet die Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung mit bekannten einfachen Mitteln.

Weiterhin wird der Photomischdetektor dadurch fortgebildet, dass zwischen den Modulationsphotogates und/oder zu den benachbarten Transfer- und Separationsgates der Transfer- und Separationstransistoren ein für die CMOS-Technologie minimaler Abstand eingestellt wird. Dies dient zum einen einer hohen Ladungsträgerausbeute und außerdem wird unter Beibehaltung der erfindungsgemäßen Vorteile damit die Ausdehnung des Photomischdetektors minimal gehalten.

Es ist günstig, in einer Ausführungsform die Detektierschaltung durch eine Metallabdeckung vor optischer Strahlung zu schützten. Dadurch wird wirkungsvoll vermieden, dass die Detektierschaltung in ihrer Wirkungsweise durch photoelektrische Effekte, insbesondere durch die empfangene Strahlung beeinträchtigt wird, was zu unerwünschten Überlagerungseffekten und damit zu einer Beeinträchtigung des Messergebnisses führen könnte.

Weiterhin ist es zweckmäßig, dass die Modulationsphotogates aus Polysilizium bestehen. Polysilizium ist einfach herstellbar und zeigt für den Einsatzzweck sehr gute optische Eigenschaften, insbesondere eine gute Lichtdurchlässigkeit.

Die erfindungsgemäße Aufgabenstellung wird auch durch Verfahren zum Betrieb dieses Photomischdetektors gelöst, bei dem das erste und das zweite Modulationspotential mit einem Zeitverhalten, und das erste und das zweite zusatzpotential mit dem selben Zeitverhalten jeweils relativ zueinander zeitlich verändert werden. Damit werden jeweils im gleichen Zeitverhalten zu dem Modulationspotential die Transfer- und Absperrfunktionen realisiert.

Hierin ist es vorteilhaft, dass das erste und das zweite Modulationspotential und das erste und zweite Zusatzpotential mit einem Takt gleicher Taktfrequenz moduliert werden. Eine einfache Modulationsfunktion kann in einer Taktung des ausgesandten Lichtes und in einer entsprechenden Taktung des Modulationssignales bestehen. Da Taktsignale in der digitalen Messtechnik ohnehin Verwendung finden, ist die Taktung als Modulation eine einfach zu realisierende Form der Modulationsfunktion.

Schließlich wird die erfindungsgemäße Aufgabenstellung auch durch ein Verfahren zur Herstellung dieses Photomischdetektors gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass in lateraler Richtung zwischen den Modulationsphotogates und den Auslesedioden Transfer- und Separationstransistoren eingebracht werden. Diese hierfür erforderlichen Verfahrensschritte sind durch die CMOS Technologie in einfacher Art und Weise zu realisieren.

Es ist dabei zweckmäßig, dass unter den Modulationsphotogates ein bis unter die jeweiligen Transfer- und Separationstransistoren reichendes Verarmungsgebiet eingebracht wird. Das Verarmungsgebiet dient dem Ladungsträgertransport und stellt die Verbindung zu den benachbarten Absperr- und Separationstransistoren her.

Insbesondere ist dabei zweckmäßig, dass das Verarmungsgebiet durch Arsenimplantation erzeugt wird, eine wirkungsvolle und mit üblichen Verfahrensschritten zu realisierende Form.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist vorgesehen, dass das Modulationsphotogate als Polysiliziumgate ausgeführt wird, unter dem ein Gateoxid unabhängig von einem Gateoxid unter den Transfer- und Separationsgates der Transfer- und Separationstransistoren erzeugt wird. Hierdurch werden die einzelnen Verfahrensschritte deutlich voneinander getrennt und es wird möglich, die Eigenschaften des Photomischdetektors unabhängig von den Parametern der Transfer- und Separationstransistoren einzustellen.

Das Herstellungsverfahren kann andererseits auch dadurch ausgebildet werden, dass die Modulationsphotogates gemeinsam mit den Transfer- und Separationsgates der Transfer- und Separationstransistoren auf einem gemeinsamen Gateoxid erzeugt werden, wodurch Prozessschritte eingespart werden können.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einer Dotierung der Auslesedioden mit Arsen oder Phosphor die Abstände zwischen den Modulationsphotogates und/oder zwischen den Modulationsphotogates und den Transfer- und Separationsgates der Transfer- und Separationstransistoren durch eine Maske vor einer Dotierung geschützt werden.

Weiterhin ist es zweckmäßig, dass bei weiteren Dotierungen innerhalb der CMOS-Technologie nach der Photogateerzeugung die Abstände zwischen den Photogates und/oder zwischen den Modulationsphotogates und den Transfer- und Separationsgates der Transfer- und Separationstransistoren durch Abdeckmasken vor einer Dotierung geschützt werden.

Zur Vermeidung einer Beeinträchtigung der optischen Durchlässigkeit ist es zweckmäßig, dass eine in der CMOS-Technologie übliche Nitridpassivierung über dem Photomischdetektor im Bereich der Photogates mittels einer Bondfensterätzung geöffnet wird.

Aus dem gleichen Grunde ist es vorteilhaft, dass vor einem Aufbringen von silizierten Transfer- und Separationstransitoren die Photogates mit einer Abdeckmaske bedeckt werden.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass durch eine zusätzliche Phosphorimplantation in die Auslesedioden die pn-Tiefe so erhöht wird, dass der Feldgradient in Richtung der Modulationsphotogates steigt. Damit wird der Ladungsträgertransport in die Auslesedioden verbessert.

Weiterhin ist es zweckmäßig, dass bei allen im Prozess erfolgenden p-Dotierungen außer der Dotierung des Verarmungsgebietes das Gebiet der Modulationsphotogates durch Aufbringen einer oder mehrerer Abdeckmasken vor Dotierungen geschützt wird.

Dadurch wird die p-Dotierung im Gebiet der Modulationsphotogates niedrig gehalten, was eine Vergrößerung der Raumladungszone im Substrat bei einer anliegenden Spannung an den Modulationsphotogates bewirkt. Dies hat eine Erhöhung der Lichtausbeute zur Folge.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
1 einen Querschnitt durch einen Photomischdetektor nach dem Stand der Technik,
2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Photomischdetektor.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Zeichnungen einander entsprechende Anordnungsteile.
Der in den Zeichnungen dargestellte Photomischdetektor 1 ist mit in und auf einem Halbleitersubstrat 2 angeordneten Schichten, die sich in vertikaler Richtung 3, in lateraler Richtung 4 und in nicht näher dargestellter transversaler Richtung erstrecken versehen. Diese Schichten bilden zwei optisch transparente Modulationsphotogates 5; 6 und mindestens zwei Auslesedioden 7; 8. Dabei sind die Modulationsphotogates 5; 6 in lateraler Richtung 4 innen einander benachbart. In lateraler Richtung 4 ist außen neben einem ersten Modulationsphotogate 5 eine erste Auslesediode 7 angeordnet. In lateraler Richtung 4 ist außen neben einem zweiten Modulationsphotogate 6 eine zweite Auslesediode 8 angeordnet.
Die Auslesedioden 7 und 8 bestehen aus einem jeweils ersten 9 oder zweiten n+ dotierten Gebiet 10, das mit einem ersten 11 oder zweiten Kontakt 12 versehen ist. Die n+ dotierten Gebiete bilden mit dem p-leitenden Halbleitersubstrat 2 die jeweiligen pn-Diodenübergänge. Über die Kontakte 11 und 12 sind die Auslesedioden 7 und 8 mit einer nicht näher dargestellten Detektierschaltung verbunden.
Die Modulationsphotogates 5 und 6 erstrecken sich in lateraler Richtung 4 so weit, dass sie in vertikaler Richtung teilweise bis über die n+ dotierten Gebiete 9 oder 10 der jeweiligen Auslesedioden 7 oder 8 reichen.
Das erste Modulationsphotogate 5 ist mit einem ersten Modulationspotential U_o + U_m und das zweite Modulationsphotogate 6 mit einem zweiten Modulationspotential U_o – U_m beaufschlagbar.
Beispielsweise zur Entfernungsmessung wird nun ein nicht näher dargestelltes Objekt mit einem entsprechend einer ersten Modu lationsfunktion modulierten Licht beleuchtet. Das daraufhin von dem Objekt reflektierte Licht wird auf die Modulationsphotogates 5 und 6 geleitet. Dabei werden die Modulationsphotogates 5 und 6 mit einer entsprechend einer mit der ersten Modulationsfunktion korrelierten zweiten Modulationsfunktion moduliert.
Bei dem Photomischdetektor nach 1 grenzt das photoaktive Gebiet, d.h. die Raumladungszone 13 unter dem ersten Modulationsphotogate 5, das mit U_o + U_m beaufschlagt ist, direkt an die erste Auslesediode 7. Dies wirkt elektrisch auf den Ladungsträgertransport aus der Raumladungszone 13 unter dem ersten Modulationsphotogates zurück, in der Weise, dass die in der ersten Auslesediode 7 gesammelten Ladungen die effektive Spannung der ersten Auslesediode 7 reduzieren, den Feldgradienten in Richtung zum ersten Modulationsphotogate 5 verkleinern und damit die Ladungsträgerausbeute reduzieren. Außerdem bleibt die zweite Auslesediode 8, die am ersten Modulationsphotogate angrenzt am zweiten Modulationsphotogate 6, elektrisch angeschlossen, wenn dies mit der Modulationsspannung U_o + U_m beaufschlagt ist, so dass ein Teil der generierten Ladungsträger zur falschen Auslesediode driften und damit die Empfindlichkeit und Tiefenauflösung verschlechtern, da diese Information aus der Differenz der an den Auslesedioden 7 und 8 gemessenen Photoströmen bestimmt wird.
Weiterhin wird die Modulationsspannung der Modulationsphotogates 5 und 6 kapazitiv auf die Auslesedioden 7 und 8 gekoppelt und erzeugt eine periodische Störspannung an den Auslesedioden.
Das erste Ausführungsbeispiel gemäß 2 geht von der Integration eines Photomischdetektors in einer CMOS-Technologie mit selbstpositionierender Doppelwanne, einem Polysiliziumgate und einer Doppelmetallisierung aus.
Darin ist zwischen der ersten Auslesediode 7 und dem ersten Modulationsphotogate 5 ein erstes Transfer- und Separationsgate 14 und zwischen der zweiten Auslesediode 8 und dem zweiten Mo dulationsphotogate 6 ein zweites Transfer- und Separationsgate 15 lokalisiert. Damit erstrecken sich die Transfer- und Separationsgates 14 und 15 in vertikaler Richtung bis über das erste oder zweite n+ dotierte Gebiet 9 oder 10 und nicht mehr die Modulationsphotogates 5 oder 6.
Unter den Modulationsphotogates 5 und 6 ist ein Verarmungsgebiet 16 eingebracht, dass sich in vertikaler Richtung teilweise bis unter die Transfer- und Separationsgates 14 und 15 erstreckt. Damit wird mit den Übergängen Verarmungsgebiet 16 – nicht näher dargestellter p-Wanne in dem Halbleitersubstrat 2 – erstes n+ dotiertes Gebiet 9 und dem ersten Transfer- und Separationsgate 14 ein erster Seperationstransistor 17 gebildet. In gleicher Weise wird mit den Übergängen Verarmungsgebiet 16 – p-Wanne in dem Halbleitersubstrat 2 – zweites n+ dotierte Gebiet 10 und dem ersten Transfer- und Separationsgate 15 ein zweiter Transfer- und Separationstransistor 18 gebildet.
Die Transfer- und Separationsgate 14 und 15 werden mit der gleichen Frequenz der Modulationsphotogates 5 und 6 phasenversetzt so getaktet, dass eine minimale kapazitive Störspannung in den Auslesedioden entsteht. Das erste Transfer- und Separationsgate 14 hat die Spannung U_tr, die den ersten Transfer- und Separationstransistor 17 öffnet und eine Verarmungszone unter dem ersten Transfer- und Separationsgate 14 einstellt, so dass ein zusätzlicher Feldgradient zur ersten Auslesediode 7 entsteht. Hierdurch wird die Transferfunktion realisiert.
Gleichzeitig hat das zweite Transfer- und Separationsgate 15 eine Spannung U_sp, vorzugsweise 0V, die den zweiten Transfer- und Separationstransistor 18 zur zweiten Auslesediode 8 absperrt und so den Ladungstransport von Elektronen zur falschen Seite der Ladungsschaukel verhindert. Damit wird die Absperrfunktion realisiert.
Das flache Verarmungsgebiet 16 unter den Modulationsphotogates 5 und 6 realisiert den elektrischen Anschluss der Kanäle unter den Modulationsphotogates 5 und 6 an den jeweiligen Transfer- und Separationstransistor 17 und 18, beeinflusst aber das Sperrverhalten der Separationstransistoren 17 und 18 nicht. Durch das Verarmungsgebiet 16 wird die Raumladungszone in vertikaler Richtung 3 in das p-Halbleitersubstrat 2 hinein tiefer, die Anzahl der generierten Ladungsträger steigt und die Oberflächenrekombination wird reduziert, da sich ein vergrabener Kanal ausbildet. Bei Umpolung der Modulationsspannung U_m an den Modulationsphotogates 5 und 6 realisiert das erste Transfer- und Separationsgate 14 die Absperrfunktion und das zweite Transfer- und Separationsgate 15 die Transferfunktion, wobei die generierten Ladungsträger zur zweiten Auslesediode 8 driften.
Als Halbleitersubstrat 2 wird p-Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 5 – 10 Ωcm oder ein Epitaxiesubstrat mit gleicher Dotierung verwendet. Zur Integration des Photomischdetektors 1 wird eine spezielle p-Wannenmaske (Abdeckmaske) eingesetzt, die das zukünftige Gebiet des Photomischdetektors 1 abdeckt und damit die Dotierung niedrig lässt. Zur Schwellspannungsimplantation mit Bor, die normalerweise ganzflächig erfolgt, wird eine zweite Abdeckmaske eingesetzt, um den Photomischdetektor vor weiteren Dotierungen zu schützen. Das Verarmungsgebiet 16 wird über eine flache Arsenimplantation mit einer Dosis von 1·10¹¹ bis 1·10¹²cm^–2 über eine Lackmaske eingebracht. Ein Gateoxid 19 unter den Modulationsphotogates 5 und 6 von 8-25 nm Dicke wird zusammen mit einem Gateoxid 20 und den Transfer- und Separationsgates 14 15 erzeugt und ein minimaler Abstand der Modulationsphotogates 5 und 6 von 0,35 μm – 1,2 μm, je nach minimaler Strukturbreite der CMOS-Technologie, wird eingestellt.
Wird ein siliziertes Gate als Transfer- und Separationsgate 14 und 15 eingesetzt, müssen die Modulationsphotogates 5 und 6 über eine Maske geschützt werden, damit auf den Modulationsphotogates 5 und 6 kein Silizid entsteht. Im Vergleich zum Polysilizium ist ein Silizidgate für den Photomischdetektor 1 unge eignet, da die optische Strahlung reflektiert wird. In einer Maske zur Sourse/Drain-Implantation, bei der die Auslesedioden 7 und 8 erzeugt werden, wird ein Schutzstreifen generiert, damit der Abstand zwischen den Modulationsphotogates 5 und 6 nicht dotiert und eine hohe Ladungstransfereffizienz erreicht wird. Der Abstand zwischen den Modulationsphotogates 5 und 6 wird außerdem bei allen weiteren Dotierschritten, die zwischen der Photogateerzeugung und der Kontakterzeugung durchgeführt werden, durch Masken geschützt.
Die nicht näher dargestellte Ausleseelektronik des Photomischdetektors wird durch zusätzliche Abdeckungen im speziellen Design des zweiten Metalls vor der optischen Strahlung geschützt, um Fehlfunktionen durch parasitäre Photoeffekte zu vermeiden. Die Maske für die Öffnung der Bondfenster wird so ausgebildet, dass über dem Photomischdetektor 1 die Passivierung entfernt und damit die Quantenausbeute erhöht wird.
Ein zweites Ausführungsbeispiel geht von der Integration eines Photomischdetektors 1, ebenfalls entsprechend 2, in einer CMOS-Technologie mit Doppelwanne, Doppelpolisiliziumgate und Dreifachmetall aus. Als Halbleitersubstrat 2 wird p-Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 20 – 50 Ωcm oder ein p-Epitaxiesubstrat gleicher Dotierung verwendet, um eine hohe Empfindlichkeit des Photomischdetektors 1 zu erreichen, wobei der Standardprozess p-Substrat mit einem spezifischen Widerstand von 5 - 10 Ωcm benutzt. Da die p-Wanne über eine Lackmaske implantiert wird, muss über das spezielle Design die Maske so geändert werden, dass der Photomischdetektor 1 nicht implantiert wird, insbesondere durch einen Abdeckbereich in der p-Wannenmaske. Eine oder mehrere weitere Abdeckmasken zum Schutz des Photomischdetektors 1 vor weiteren Kanaldotierungen bei Schwellspannungsimplantationen, die für CMOS-Transistoren üblich sind, werden eingesetzt. Dadurch wird erreicht, dass im Gebiet des Photomischdetektors 1 die Substratdotierung erhalten bleibt.
Das Verarmungsgebiet 16 wird über eine flache Arsenimplantation mit einer Dosis von 1·10¹¹ bis 1·10¹²cm^–2 über eine Lackmaske eingebracht, um durch einen vergrabenen Kanal die Ausbeute des Ladungsträgertransports zu erhöhen. Der Ladungsträgertransport findet durch eine Verarmungsimplantation in einem vergrabenen Kanal statt und die Ladungsträgerrekombination an der Grenzfläche zum Gateoxid 20 wird reduziert. Die Modulationsphotogates 5 und 6 werden im ersten Polysilizium realisiert und ein Gateoxid 19 von wahlweise 20-100 nm Dicke ist einstellbar. Durch die Modulationsphotogates 5 und 6 mit separatem Gateoxid 19 ist es möglich, die Eigenschaften des PMD unabhängig von den CMOS-Transistoren zu optimieren.
Ein minimaler Abstand der Modulationsphotogates 5 und 6 von 0,35μm – 1,2μm, je nach minimaler Strukturbreite der CMOS-Technologie, wird eingestellt, um eine hohe Ausbeute des Ladungsträgertransports zu erreichen.
Danach werden das Gateoxid 20 und die Gateelektroden 21 für die Transfer- und Separationstransistoren 17 und 18 hergestellt, die unabhängig vom Photomischdetektor 1 optimiert werden können. Eine Ausführung der Transfer- und Separationsgate 14 und 15 als silizierte Gates ist möglich.
In der Maske zur Source/Drain-Implantation, bei der die Auslesedioden 7 und 8 erzeugt werden, wird ein Schutzstreifen generiert, damit der Abstand zwischen den Modulationsphotogates 5 und 6 nicht dotiert wird und eine hohe Ladungstransfereffizienz erreicht wird. Der Abstand zwischen den Modulationsphotogates 5 und 6 wird außerdem bei allen weiteren Dotierschritten, die zwischen der Photogateerzeugung und der Kontakterzeugung durchgeführt werden, durch Masken geschützt.
Über eine nicht näher dargestellte Lackmaske werden die Auslesedioden 7 und 8 zusätzlich mit Phosphor im Bereich von 10¹⁴ – 10¹⁶ cm^–2 implantiert, die Eindringtiefe der pn-Übergänge auf 0,5 bis 1 μm erhöht und damit ein stärkerer Feldgradient in Richtung der Modulationsphotogates 5 und 6 über die Seperationsgates 14 und 15 erzeugt.
Wird ein Silizidprozeß angewendet, muss der Photomischdetektor 1 durch eine zusätzliche Abdeckmaske vor der Silizierung geschützt werden.
Die Ausleseelektronik des Photomischdetektors 1 wird durch zusätzliche Abdeckungen über ein spezielles Design des zweiten und/oder dritten Metalls vor der optischen Strahlung geschützt, um Fehlfunktionen durch parasitäre Photoeffekte zu vermeiden. Durch das Design der Maske für die Öffnung der Bondfenster wird über dem Photomischdetektor 1 die Passivierung entfernt und damit die Quantenausbeute erhöht.

1: Photomischdetektor
2: Halbleitersubstrat
3: vertikale Richtung
4: laterale Richtung
5: erstes Modulationsphotogate
6: zweites Modulationsphotogate
7: erste Auslesediode
8: zweite Auslesediode
9: erstes n+ dotiertes Gebiet
10: zweites n+ dotiertes Gebiet
11: erster Kontakt
12: zweiter Kontakt
13: Raumladungszone unter den Modulationsphotogates
14: erstes Transfer- und Separationsgate
15: zweites Transfer- und Separationsgate
16: Verarmungsgebiet
17: erster Transfer- und Separationstransistor
18: zweiter Transfer- und Separationstransistor
19: Gateoxid unter den Modulationphotogates
20: Gateoxid unter den Transfer- und Separationsgates
21: Gateelektrode

Claims

Photomischdetektor mit in und auf einem Halbleitersubstrat angeordneten Schichten, die sich in vertikaler, lateraler und transversaler Richtung erstrecken und die mindestens zwei optisch transparente Modulationsphotogates und mindestens zwei Auslesedioden bilden, wobei die Modulationsgates in lateraler Richtung innen einander benachbart sind, in lateraler Richtung außen neben einem ersten Modulationsgate eine erste Auslesediode angeordnet ist, die mit einer Detektierschaltung verbindbar ist, das erste Modulationsphotogate mit einem ersten Modulationspotential beaufschlagbar ist, in lateraler Richtung außen neben einem zweiten Modulationsgate eine zweite Auslesediode angeordnet ist, die mit der Detektierschaltung verbindbar ist, das zweite Modulationsphotogate mit einem zweiten Modulationspotential beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in lateraler Richtung zwischen dem ersten Modulationsphotogate (5) und seiner zugeordneten ersten Auslesediode (7) ein erster Transfer- und Separationstransistor (17) angeordnet ist, an dessen Transfer- und Separationsgate (14) ein erstes Zusatzpotential anlegbar ist, und in lateraler Richtung zwischen dem zwei ten Modulationsphotogate (6) und seiner zugeordneten zweiten Auslesediode (8) ein zweiter Transfer- und Separationstransistor (18) angeordnet ist, dessen Transfer- und Separationsgate (15) mit einem zweiten Zusatzpotential beaufschlagbar ist, wobei unter den Modulationsphotogates (5; 6) ein bis teilweise unter die Gates (14; 15) der jeweiligen Transfer- und Separationstransistoren (17; 18) reichendes Verarmungsgebiet (16) eingebracht ist.
Photomischdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (2) aus einem p-Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 5 bis 50 Ωcm oder aus einem Epitaxiesubstrat mit gleicher Dotierung besteht.
Photomischdetektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Modulationsphotogates (5; 6) und/oder zu den benachbarten Transfer- und Separationsgates (14; 15) der Transfer- und Separationstransistoren (17; 18) ein für die CMOS-Technologie minimaler Abstand eingestellt wird.
Photomischdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektierschaltung durch eine Metallabdeckung vor optischer Strahlung geschützt wird.
Photomischdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsphotogates (5; 6) aus Polysilizium bestehen.
Verfahren zum Betrieb eines Photomischdetektors nach Anspruch 1, bei dem ein Objekt mit einem entsprechend einer ersten Modulationsfunktion modulierten Licht beleuchtet und das daraufhin von dem Objekt reflektierte Licht auf die Modulationsphotogates geleitet wird, wobei die Modulationsphotogates mit einer entsprechend einer mit der ersten Modulationsfunktion korrelierten zweiten Modulationsfunktion moduliert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Modulationspotential mit einem Zeitverhalten, und das erste und das zweite Zusatzpotential mit dem selben Zeitverhalten jeweils relativ zueinander zeitlich verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Modulationspotential und das erste und zweite Zusatzpotential mit einem Takt gleicher Taktfrequenz moduliert werden.
Verfahren zur Herstellung eines Photomischdetektors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in ein Halbleitersubstrat mittels der CMOS-Technologie mindestens zwei Modulationsphotogates und zwei Auslesedioden eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass in lateraler Richtung zwischen den Modulationsphotogates (5; 6) und den Auslesedioden (7; 8) Transfer- und Separationstransistoren (17; 18) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verarmungsgebiet (16) durch Arsenimplantation erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsphotogates (5; 6) als Polysiliziumgates ausgeführt werden, unter denen ein Gateoxid (19) unabhängig von einem Gateoxid (20) unter den Transfer- und Separationsgates (14; 15) der Transfer- und Separationstransistoren (17; 18) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsphotogates (5; 6) gemeinsam mit den Transfer- und Separationsgates (14; 15) der Transfer- und Separationstransistoren (17; 18) auf einem gemeinsamen Gateoxid erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Dotierung der Auslesedioden (7; 8) mit Arsen oder Phosphor die Abstände zwischen den Modulationsphotogates (5; 6) und/oder zwischen den Modulationsphotogates (5; 6) und den Transfer- und Separationsgates (14; 15) der Transfer- und Separationstransistoren (17; 18) durch eine Maske vor einer Dotierung geschützt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei weiteren Dotierungen innerhalb der CMOS-Technologie nach der Photogateerzeugung die Abstände zwischen den Modulationsphotogates (5; 6) und/oder zwischen den Modulationsphotogates (5; 6) und den Transfer- und Separationsgates (14; 15) der Transfer- und Separationstransistoren (17; 18) durch Abdeckmasken vor einer Dotierung geschützt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der CMOS-Technologie übliche Nitridpassivierung über dem Photomischdetektor (1) im Bereich der Modulationsphotogates (5; 6) mittels einer Bondfensterätzung geöffnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Aufbringen von silizierten Transfer- und Separationsgates (14; 15) der Transfer- und Separationstransistoren (17; 18) die Modulationsphotogates (5; 6) mit einer Abdeckmaske abgedeckt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine zusätzliche Phosphorimplan tation in die Auslesedioden (7; 8) die pn-Tiefe so erhöht wird, dass der Feldgradient in Richtung der Modulationsphotogates (5; 6) steigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei allen im Prozess erfolgenden p-Dotierungen, außer der Dotierung des Verarmungsgebietes, das Gebiet der Modulationsphotogates (5; 7) durch Aufbringen einer oder mehrerer Abdeckmasken vor Dotierungen geschützt wird.