DE10251735B4

DE10251735B4 - Aktives Pixel und Verfahren zur Herstellung eines aktiven Pixels

Info

Publication number: DE10251735B4
Application number: DE10251735.5A
Authority: DE
Inventors: Danny Scheffer
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2022-11-06
Also published as: GB2387270B; DE10251735A1; GB0225759D0; GB2387270A; US6545303B1

Abstract

Aktives Pixel mit einer Halbleiterschicht (5) mit einer Oberfläche (7) und Dotierungsmitteln eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei die Halbleiterschicht (5) einen ersten Bereich (1) und einen zweiten Bereich (2) umfasst, die beide Dotierungsmittel eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei der erste Bereich (1) zum Sammeln von Ladungsträgern in der Halbleiterschicht (5) gestaltet ist, die durch elektromagnetische Strahlung erzeugt werden, wobei die Fläche des ersten Bereichs eine Grenze aufweist, wobei der zweite Bereich zum Empfangen von in dem ersten Bereich gesammelten Ladungsträgern gestaltet ist, wobei die Halbleiterschicht (5) ferner einen dritten Bereich (3) mit Dotierungsmitteln des ersten Leitfähigkeitstyps mit einem erhöhten Dotierungsniveaus als die Halbleiterschicht (5) umfasst, wobei der dritte Bereich (3) eine Sperrschicht bildet, um Diffusion der Ladungsträger aus der Halbleiterschicht in den zweiten Bereich (2) zu verhindern, wobei der erste Bereich (1) entlang eines Teils seiner Grenze von dem dritten Bereich (3) durch eine Zone der Halbleiterschicht (5) getrennt ist, welche eine Ladungsträgerdiffusionsschicht an der Oberfläche (7) oder diese berührend aufweist.

Description

Technischer Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich von Detektoren auf Halbleiterbasis für elektromagnetische Strahlung. Insbesondere werden aktive Pixel zum Erkennen elektromagnetischer Strahlung mit einem hohen Füllfaktor oder mit einer hohen Empfindlichkeit, sowie ein Array solcher aktiver Pixel offenbart. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen solcher Pixel.
Hintergrund der Erfindung
Auf Halbleitern basierende Sensoren und Bauelemente zum Erkennen elektromagnetischer Strahlung sind in der Technik bekannt. Beispiele für solche Sensoren sind in der WO 93/19489 A1 und in der EP 0739039 A2 offenbart. Diese Sensoren werden in einem Halbleitersubstrat in CMOS- oder MOS-Technologie ausgeführt. In diesen Sensoren bilden die Bereiche, die zum Sammeln von Ladungsträgern dienen, die von der Strahlung im Halbleitersubstrat erzeugt werden, einen p-n oder einen n-p Übergang mit dem Substrat, jeweils mit einer Leitfähigkeit des n-Typs oder des p-Typs. Solche Übergänge werden Sammelübergänge genannt. Unter den in CMOS- oder MOS-Technologie ausgeführten Bildsensoren wird zwischen CMOS- oder MOS-Bildsensoren mit passiven Pixeln und CMOS- oder MOS-Bildschirmen mit aktiven Pixeln unterschieden. Die Sensoren der WO 93/19489 A1 und der EP 0739039 A2 sind Sensoren mit aktiven Pixeln.
Ein aktives Pixel wird mit im Pixel integrierten Mitteln konfiguriert, um die Ladung zu verstärken, die auf dem lichtempfindlichen Element oder der lichtempfindlichen Komponente in dem Pixel gesammelt wird. Passive Pixel haben keine solchen Mittel und erfordern einen ladungsempfindlichen Verstärker, der nicht im Pixel integriert und mit einer langen Leitung zum Pixel hin verbunden ist. Aufgrund der zusätzlichen Elektronik in dem aktiven Pixel kann ein Bildsensor mit aktiven Pixeln so ausgestattet werden, dass er aufwändigere Funktionen ausführt, welche für die Leistung des Abbildungsgerätes oder Systems auf der Basis des Sensors vorteilhaft sein können. Zu diesen Funktionen können Filterung, Betrieb bei höheren Geschwindigkeiten oder Betrieb unter extremeren Beleuchtungsbedingungen gehören. Es bleibt jedoch ein Hauptnachteil der CMOS- oder MOS-Bildsensoren mit aktiven Pixeln, und in einem geringeren Maße auch von Sensoren mit passiven Pixeln, dass ein erheblicher Teil der Oberfläche des Pixels für einen Ausleseschaltkomplex verwendet wird.
Es ist bekannt, dass das ladungsempfindliche Volumen eines p-n oder n-p Übergangs größer ist als die Verarmungsschicht des Übergangs. In der Tat besteht bei allen innerhalb einer sogenannten Rekombinationslänge vom Sammelübergang erzeugten Ladungen die Möglichkeit, dass sie auf diesen Übergang diffundieren und dort gesammelt werden. Auf der Basis dieses Mechanismus ist es möglich, einen Sensor mit einem kleinen Übergang und doch einem größeren fotoempfindlichen Volumen herzustellen. Fotosensoren können mit Übergängen von 3 × 2 μm und einer Rekombinationslänge von 15 μm hergestellt werden. Somit hat ein solcher Detektor eine scheinbare Frontgröße oder fotoempfindliche Region von 30 μm Durchmesser. Würde jedoch ein unverwandter elektronischer Schaltkomplex wie z. B. ein Ausleseschaltkomplex in die Nachbarschaft eines solchen Sammelübergangs gesetzt, dann würde ein Teil der Ladungen, die sonst den Sammelübergang erreicht hätten, von Übergängen oder Komponenten des Ausleseschaltkomplexes gesammelt. Die Ladungsträger, die durch auf die für den Ausleseschaltkomplex verwendete Regionen des Detektors fallendes Licht erzeugt werden, werden daher hauptsächlich durch die Übergänge dieses Ausleseschaltkomplexes gesammelt. Die vom Ausleseschaltkomplex beanspruchte Fläche in den Pixeln geht daher für das Sammeln der Strahlung verloren, und dies ist im Wesentlichen der Grund für den niedrigen Füllfaktor oder die niedrige Empfindlichkeit von Sensoren mit aktiven Pixeln.
In der US 6225670 B1 ist ein Strahlungsdetektor auf Halbleiterbasis offenbart. Ein solcher Detektor ist auch in 1 dargestellt. Er hat eine Sperrschicht 3 zwischen dem strahlungsempfindlichen Volumen 5 im Halbleitersubtrat 6 und den Bereichen 2 sowie Übergänge mit einem Ausleseschaltkomplex, und entweder keine oder eine tiefere Sperrschicht 4 zwischen dem strahlungsempfindlichen Volumen 5 im Halbleitersubstrat 6 und den Bereichen 1 sowie Übergänge, die zum Sammeln der von der Strahlung erzeugten Ladungsträger ausgelegt und vorbestimmt sind. Der die Sperrschicht 3 bildende Bereich zwischen dem strahlungsempfindlichen Volumen 5, in dem Ladungen erzeugt werden, und der damit unverwandten Elektronik 2 des Ausleseschaltkomplexes kann Dotierungsmittel desselben Leitfähigkeitstyps wie das strahlungsempfindliche Volumen 5 haben, z. B. eine p-Mulde (auch p-Well genannt) in einem p-Typ-Substrat. Der keine Sperrschicht erzeugende Bereich 4 kann einen Bereich mit einem zum Leitfähigkeitstyp des Substrats umgekehrten Leitfähigkeitstyp sein, z. B. eine n-Mulde (auch n-Well genannt) in einem p-Typ-Substrat. Ein solches Pixel hat einen höheren Füllfaktor als ein Pixel ohne Sperrschichtregion 3.
Aus der EP 1102322 A2 ist ferner eine Fotodiode für einen CMOS-Bildsensor bekannt, die einen fließenden p+ Bereich für einen CMOS-Bildsensor aufweist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein aktives Pixel, ein Array von aktiven Pixeln und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, die eine verbesserte Bildschärfe ergeben, ohne den Rauschgehalt des Bildes zu erhöhen.
Zusammenfassung der Erfindung
Der vorliegende Erfinder hat überraschenderweise gefunden, dass der Füllfaktor eines aktiven Pixels der in der US 6 225 670 B1 gezeigten Art noch weiter erhöht werden kann, indem ein Abstand zwischen dem die Sperrschicht bildenden Bereich zwischen dem strahlungsempfindlichen Volumen, in dem Ladungen erzeugt werden, und den elektronischen Komponenten des Ausleseschaltkomplexes einerseits und einem Bereich, der sich wenigstens teilweise unter einer Ladungssammelregion befindet, andererseits geschaffen wird.
Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein aktives Pixel mi einer Halbleiterschicht mit einer Oberfläche und Dotierungsmitteln eines ersten Leitfähigkeitstyps bereit, wobei diese Halbleiterschicht einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich umfasst, die beide Dotierungsmittel eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei der erste Bereich zum Sammeln von Ladungsträgern, die durch elektromagnetische Strahlung in der Halbleiterschicht erzeugt werden, gestaltet ist, wobei der zweite Bereich zum Empfangen von in dem ersten Bereich gesammelten Ladungsträgern gestaltet ist, wobei der erste Bereich eine Fläche und eine Grenze dieser Fläche aufweist, wobei die Halbleiterschicht ferner einen dritten Bereich mit Dotierungsmitteln des ersten Leitfähigkeitstyps mit einem höheren Dotierungsniveau als die Halbleiterschicht umfasst, wobei der dritte Bereich eine Sperrschicht bildet, um die Diffusion der Ladungsträger aus der Halbleiterschicht in den zweiten Bereich im Wesentlichen zu verhindern, wobei über einen Teil ihrer Grenze der erste Bereich von dem dritten Bereich durch eine Zone der Halbleiterschicht getrennt ist, welche eine Ladungsträgerdiffusionsschicht oder -zone an der Oberfläche oder diese berührend aufweist. Die elektromagnetische Strahlung kann alle Formen von Licht, Röntgenstrahlen sowie kosmische oder nukleare Partikel umfassen. Die Halbleiterschicht kann eine epitaktische Schicht sein.
Es kann einen vierten Bereich mit Dotierungsmitteln des zweiten Leitfähigkeitstyps vorgesehen werden, welcher den ersten Bereich wenigstens teilweise überlappt, wobei der vierte Bereich über einen Teil seiner Grenze von dem dritten Bereich durch eine Zone der Halbleiterschicht getrennt ist.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Array von aktiven Pixeln bereit, wobei jedes aktive Pixel eine Halbleiterschicht mit einer Oberfläche und Dotierungsmitteln eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, wobei die Halbleiterschicht einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich umfasst, die beide Dotierungsmittel eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei dieser erste Bereich zum Sammeln von Ladungsträgern gestaltet ist, die durch elektromagnetische Strahlung in der Halbleiterschicht erzeugt werden, wobei der erste Bereich eine Fläche und eine Grenze aufweist, wobei der zweite Bereich zum Empfangen von in dem ersten Bereich gesammelten Ladungsträgern gestaltet ist, wobei die Halbleiterschicht ferner einen dritten Bereich mit Dotierungsmitteln des ersten Leitfähigkeitstype mit einem höheren Dotierungsniveau als die Halbleiterschicht umfasst, wobei der dritte Bereich eine Sperrschicht bildet, um die Diffusion der Ladungsträger aus der Halbleiterschicht in den zweiten Bereich im Wesentlichen zu verhindern, wobei über einen Teil seiner Grenze der erste Bereich eines Pixels von Interesse von dem dritten Bereich eines Nachbarpixels durch eine Zone der Halbleiterschicht getrennt ist, welche eine Ladungsträgerdiffusionsschicht oder -zone an der Oberfläche oder diese berührend aufweist. Zur Erzielung der bestmöglichen Leistung sollte die Trennung größer als die Breite der Verarmungsschicht sein, die eine Fachperson für eine bestimmte Technologie errechnen kann. Die Breite dieser Verarmungsschicht ist von der Konzentration der Schicht abhängig, in der die Verarmungsschicht erzeugt wird. Eine Breite, die größer ist als die Breite der Verarmungsschicht, führt zu keiner weiteren Reduzierung der Pixelkapazität, kann aber die Schärfe verbessern. Falls die Breite größer als die Breite der Verarmungsschicht ist, dann ist eine Ladungsträgerdiffusionsschicht an der Oberfläche der Halbleiterschicht vorhanden. Eine Trennung, die geringer ist als die Breite der Verarmungsschicht, reduziert auch die Pixelkapazität, aber nicht so sehr wie eine Trennung mit einer Breite, die größer als die Breite der Verarmungsschicht ist.
Innerhalb der Array kann der erste Bereich eines aktiven Pixel ferner einen vierten Bereich mit Dotierungsmitteln des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei der vierte Bereich über einen Teil seiner Grenze durch eine Zone der Halbleiterschicht von dem dritten Bereich getrennt ist.
Jedes Pixel oder die Array von Pixeln ist vorzugsweise eine Pixelstruktur auf MOS-Basis.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Erhöhen der Konvertierungsverstärkung eines aktiven Pixels mit einer Halbleiterschicht mit Dotierungsmitteln eines ersten Leitfähigkeitstyps bereit, wobei die Halbleiterschicht einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich umfasst, die beide Dotierungsmittel eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei der erste Bereich zum Sammeln von Ladungsträgern, die durch elektromagnetische Strahlung in der Halbleiterschicht erzeugt werden, gestaltet ist, wobei der zweite Bereich zum Empfangen von in dem ersten Bereich gesammelten Ladungsträgern gestaltet ist, wobei die Halbleiterschicht ferner einen dritten Bereich mit Dotierungsmitteln des ersten Leitfähigkeitstyps mit einem höheren Dotierungsniveau als die Halbleiterschicht umfasst, wobei der dritte Bereich eine Sperrschicht bildet, um die Diffusion der Ladungsträger aus der Halbleiterschicht in den zweiten Bereich im wesentlichen zu verhindern, wobei das Verfahren den Schritt des physikalischen Trennens des dritten Bereichs von dem ersten Bereichs durch eine Region der Halbleiterschicht umfasst.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Herstellen eines aktiven Pixels bereit, das die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen einer Halbleiterschicht mit Dotierungsmitteln eines ersten Leitfähigkeitstyps, Bereitstellen eines ersten Bereiche und eines zweiten Bereichs in der Halbleiterschicht, die beide Dotierungsmittel eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei der erste Bereich eine Fläche und eine Grenze dieser Fläche aufweist, ferner Bereitstellen eines dritten Bereichs in der Halbleiterschicht mit Dotierungsmitteln des ersten Leitfähigkeitstyps mit einem höheren Dotierungsniveau als die Halbleiterschicht, wobei der dritte Bereich eine Oberfläche aufweist, wobei der zweite Bereich in der Oberfläche des dritten Bereichs vorgesehen ist, und Ausbilden des ersten und des dritten Bereichs derart, dass über einen Teil seiner Grenze der erste Bereich von dem dritten Bereich durch eine Zone der Halbleiterschicht getrennt ist.
Ein aktives Pixel gemäß der vorliegenden Erfindung bietet eine geringere Kapazität und eine höhere Konvertierungsverstärkung als aktive Pixel des Standes der Technik. Es können schärfere Bilder im Vergleich zu konventionellen Bauelementen erzeugt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung hervor, die in Zusammenhang mit den Begleitzeichnungen zu lesen ist, die beispielhaft die Grundsätze der Erfindung illustrieren. Diese Beschreibung wird nur beispielhaft gegeben, ohne den Umfang der Erfindung zu begrenzen. Die nachfolgend angegebenen Bezugsziffern beziehen sich auf die beiliegenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt auf schematische Weise einen vertikalen Querschnitt eines aktiven Pixels gemäß dem Stand der Technik;
2 zeigt schematisch einen vertikalen Querschnitt eines aktiven Pixels gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei zwischen einem n-Mulden-Implantat und einem p-Mulden-Implantat ein Abstand vorhanden ist;
3 zeigt schematisch einen vertikalen Querschnitt eines aktiven Pixels gemäß einer zweiten Ausführungs der vorliegenden Erfindung, wobei kein n-Mulden-Implantat vorhanden ist;
4 zeigt eine Draufsicht auf eine Anordnung des aktiven Pixels von 2;
5 zeigt eine Array von Pixeln gemäß der vorliegenden Erfindung, über die ein Schwarz-Weiß-Übergang (Schatten) schrittweise bewegt wird;
6(a) zeigt eine erwartete Kurve der gemessenen Spannung in Abhängigkeit von der Pixelposition im Falle eines Schwarz-Weiß-Übergangs gemäß 5, und 6(b) zeigt eine gemessene Kurve, bei der Serie 1 von einem Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, während Serie 2 mit einem konventionellen Sensor erzeugt wird.
In den verschiedenen Figuren beziehen sich dieselben Bezugsziffern auf gleiche oder analoge Elemente.
Beschreibung der illustrativen Ausgestaltungen
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf bestimmte Ausgestaltungen und mit Bezug auf bestimmte Zeichnungen beschrieben, aber die Erfindung ist hierauf nicht begrenzt, sondern nur durch die Ansprüche. Die beschriebenen Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht begrenzend.
2 illustriert eine erste Ausführungsform eines aktiven Pixels gemäß der vorliegenden Erfindung. In dem beschriebenen Beispiel wird angenommen, dass das Halbleitersubstrat vom p-Leitfähigkeitstyp ist. Die Fachperson wird verstehen, dass die vorliegende Erfindung im Rahmen ihres Umfangs auch äquivalente Strukturen beinhaltet, die ein Halbleitersubstrat des n-Leitfähigkeitstyps haben. Ebenfalls werden für die Fachperson weitere äquivalente Ausführungsformen offensichtlich sein, wobei Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung nur durch die beiliegenden Ansprüche begrenzt sind.
2 zeigt schematisch einen Teil einer Pixelstruktur, z. B. einer aktiven Pixelstruktur, in der das Halbleitersubstrat 6 eine p-Typ-Dotierung hat. In dem Substrat 6 ist eine p– Schicht oder Region 5 definiert. Das Substrat 6 kann in alternativen Ausführungsformen eine gleichförmige p– oder p++ Dotierung haben. Die p– Schicht 5 kann durch Diffundierung oder Ionenimplantation oder epitaktisches Wachstum oder mit anderen in der CMOS-Verarbeitung bekannten Techniken definiert werden. Die p– Schicht 5 hat eine Oberfläche 7. Eine zusätzliche p+ Schicht oder Region 3 ist auf oder in der/dem p– Schicht/Substrat 5 definiert. Die p+ Region 3 kann durch Diffundierung oder durch Ionenimplantation oder epitaktisches Wachstum oder andere in der CMOS-basierten Verarbeitung bekannte Techniken definiert werden. In der p+ Region 3 sind eine erste Region 1 und eine zweite Region 2 definiert. Diese erste und zweite Region 1, 2 sind von einer n-Typ-Dotierung. Diese erste und zweite Regionen 1, 2 können durch Ionenimplantation oder Diffundierung oder andere in der CMOS-basierten Verarbeitung bekannte Techniken definiert werden. Diese erste und zweite Regionen 1, 2 bilden einen Übergang mit den auf p-Typ-basierten Regionen und/oder dem Substrat. Die erste Region 1 ist ein Sammelübergang zum Sammeln der Ladungsträger, die durch Strahlung im Substrat 6 und/oder der p– Region 5 erzeugt werden. Die Strahlung kann von einem beliebigen Strahlungstyp sein, z. B. alle Formen von Licht, einschließlich Infrarot und Ultraviolett sowie das optische Spektrum, elektromagnetische Hochenergiestrahlen wie Röntgenstrahlen sowie kosmische und nukleare Partikel. Der Sammelübergang 1 hat eine verstärkte Sammlung von Ladungsträgern, die im strahlungsempfindlichen Volumen 5 unter anderen elektronischen Komponenten erzeugt werden. Eine solche Funktionalität entsteht mit Hilfe einer elektrostatischen Sperrschicht, die an der Grenzfläche zwischen dem Volumen 5 und einer Region 3 mit demselben Leitfähigkeitstyp wie das Volumen 5 unter den anderen elektronischen Komponenten gebildet wird. Die Sperrschicht verhindert eine Diffusion der Ladungsträger, die unter den anderen elektronischen Komponenten erzeugt werden, in die Übergänge 2 oder in Strukturen der anderen elektronischen Komponenten. Gemäss dem Beispiel ist der Sammelübergang 1 eine Fotodiode. Die zweite Region 2 ist ein Übergang als Teil eines Ausleseschaltkomplexes zum Verarbeiten der Signale, die von den Ladungsträgern erzeugt werden, die von der ersten Region 1 gesammelt werden. Eine zusätzliche, optionale vierte Region 4 des n-Typs kann definiert werden und kann die erste Region 1 ganz oder teilweise überlappen. Diese vierte Region 4 verläuft von der ersten Region 1 zu der p– Schicht 5 und/oder dem Substrat 6. Diese vierte Region 4 wird vorzugsweise durch einen tiefgehenden Ionenimplantationsschritt definiert, kann aber auch durch andere in der CMOS-basierten Verarbeitung bekannte Techniken definiert werden. Zwischen der dritten Region 3 und der vierten Region 4 besteht ein Abstand D1, wobei D1 größer als null ist. Ebenso befindet sich zwischen der vierten Region 4 eines Pixels und der dritten Region 3 eines Nachbarpixels ein Abstand D2, wobei D2 größer als null ist.
Herkömmlicherweise werden die dritte und die vierte Region durch Verwenden einer einzelnen Maske produziert, so dass ihre Grenzen aneinander stoßen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist dies nicht mehr der Fall. Es wird daher bevorzugt, zwei separate Masken zu verwenden, um die dritte und die vierte Region gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu definieren.
Durch Erhöhen der Abstände D1, D2 zwischen der p-Mulden-Schicht 3 und der n-Mulden-Schicht 4, d. h. durch Ausbilden einer Verarmungsschicht oder -zone und einer Ladungsträger-Diffusionsschicht oder -zone an der Oberfläche oder diese berührend, berührt die Diffusionszone jetzt die Oberfläche, so dass das effektive Volumen für die Ladungsträger-Diffusion größer und die Diodenkapazität niedriger ist. Die periphere parasitäre Kapazität der Übergangs-n-Mulden-Region und der p-Mulden-Region wird dadurch minimal gehalten, dass die Größe der Verarmungsschicht um die n-Mulden-Fotodiode erweitert wird. Die Kapazität eines Fotodiodenknotens wird anhand der Kapazität des n-Mulden-Pfropfens 4 zur epitaktischen Schicht (Fläche) 5 und zur p-Mulde (Umfang) 3 bestimmt. Durch Entfernen der p-Mulde 3 in der unmittelbaren Umgebung des n-Mulden-Pfropfens 4 wird die Umfangskapazität des Pfropfens 4 vernachlässigbar. Diese Technik verringert somit die gesamte Fotodioden-Knotenkapazität erheblich und erhöht somit die Konvertierungsverstärkung (Ladung-Spannung-Konvertierung) proportional. Somit wird eine erhöhte Empfindlichkeit erzielt.
4 zeigt eine Draufsicht der Anordnung eines in 2 beschriebenen aktiven Pixels. In einem p-Mulden-Implantat 3 wird ein Loch gebildet, und in dieses Loch wird ein n-Mulde-Implantat 4 gebildet. Der Übergang 1 in 2 bildet die Source eines Rücksetztransistors, der Übergang 2 bildet seinen Drain. Zwischen Source 1 und Drain 2 wird ein Gate 8 geschaltet.
Die obige Ausführungsform wurde zwar mit Bezug auf eine vierte Region beschrieben, die ein n-Mulden-Implantat umfasst, aber die vorliegende Erfindung schließt jede Methode der Bereitstellung einer Verarmungsschicht ein. So zeigt 3 beispielsweise eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der kein n-Mulden-Implantat (wie das n-Mulden-Implantat 4 von 2) vorhanden ist. Eine Verarmungsschicht 9' für Region 1 ist in 3 dargestellt. Auch eine Kombination aus einer implantierten n-Mulde und einem induzierten n-Feld fällt in den Umfang der vorliegenden Erfindung (ist jedoch in den Zeichnungen nicht dargestellt).
Im Vergleich zu 1 sind die Verarmungsschichten 9 in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung breiter (siehe 2 und 3), so dass eine effizientere Ladungssammlung stattfindet. In der Architektur des Standes der Technik wie in 1 gezeigt verläuft die Verarmungsschicht 9 hauptsächlich in vertikaler Richtung, in den Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung verläuft die Verarmungsschicht auch horizontal. Eine am Punkt P1 in 1 vorhandene Ladung kann in verschiedene Richtungen diffundieren und kann sich in Richtung auf eine n-Mulde eines Nachbarpixels zu bewegen. Wenn dies auftritt, wird für ein Pixel empfangenes Licht auf einem anderen Pixel aufgezeichnet, was zu einem Verschmieren des Bildes führt. In allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine an der Stelle P1 (wie in 2 gezeigt) vorhandene Ladung jedoch durch die Verarmungsschicht der n-Mulde dieses Pixels angezogen und geht zu diesem Übergang. Eine laterale Ladungsbewegung wird reduziert. Somit gibt es eine größere und bessere Zone zum Sammeln von Ladungen. Dies bedeutet, dass in einem Pixel erzeugte Ladungen mit geringerer Wahrscheinlichkeit von einem anderen Pixel gesammelt werden, als dies in Architekturen des Standes der Technik der Fall war. Dies führt zu einem schärferen Bild mit weniger Unschärfe oder Verschmieren.
Eine Array 20 von n × m Pixeln gemäß der vorliegenden Erfindung wird wie in 5 gezeigt hergestellt. Ein Schwarz-Weiß-Übergang 21 wird in Schritten von z. B. 1 μm über die Array 20 von Pixeln bewegt, und die Ausgangsspannung für jedes der Pixel der Array 20 wird gemessen. Es wird eine Kurve wie in 6 erhalten, in der der Übergang von schwarz auf weiß über eine Pixelbreite W vollendet würde. Theoretisch wird erwartet, dass die Kurve scharfe Ränder hat, d. h. ein Pixel von Reihe 22 wie in 5 gezeigt ist weiß, ein Pixel von Reihe 23 ist schwarz und ein Pixel von Reihe 24 hat einen Wert, der zwischen weiß und schwarz liegt. Wenn Messungen an einer echten Array 20 von Pixeln erfolgen, dann ist dies eigentlich nicht der Fall. 6b zeigt tatsächlich gemessene Daten, bei denen die Datenserie 2 von Messungen kommt, die an einem konventionellen Bauelement durchgeführt wurden, und Datenserie 1 von Messungen kommt, die an einem Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden. Die Kurven in 6b zeigen Messergebnisse einer Signalabgabe eines Pixel in Abhängigkeit von der Verschiebung in Bezug auf den Schwarz/Weiß-Übergang wie in 5 gezeigt (in m). Es gibt keine perfekten scharfen Ränder. Der Unterschied zwischen den Ergebnissen von Datenserie 1 und den Ergebnissen von Datenserie 2 erklärt sich, wenn man die geringere Kapazität berücksichtigt, die durch Trennen des p-Mulden-Implantats und des n-Mulden-Implantats erhalten wird. Die konventionelle Formel: V = Q / C zeigt, dass mehr Spannung für dieselbe Ladung Q erhalten werden wird. Durch Trennen des p-Mulden-Implantats vom n-Mulden-Implantat kann die Kapazität reduziert werden, z. B. auf die Hälfte oder noch mehr. In 6a wird W (die Breite des Schwarz/Weiß-Übergangs 21, wie anhand der Array 20 von Pixeln zu sehen ist) gemäß der vorliegenden Erfindung kleiner. Somit wird das Bild schärfer. Zum Verbessern der Schärfe sind Algorithmen bekannt, die versuchen, die Signalabgabenkurve der Datenserie 2 in 6b durch Signalverarbeitung steiler zu machen. Wenn ein Algorithmus zum Schärfen eines konventionellen Bildes angewendet würde, dann würde ein solcher Algorithmus auch ein Rauschen generieren, das in dem Bild sichtbar sein könnte, was mit der Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht der Fall ist. Somit ergibt die vorliegende Erfindung schärfere Bilder ohne Verschlechterung des Rauschpegels in dem Bild.

Claims

Aktives Pixel mit einer Halbleiterschicht (5) mit einer Oberfläche (7) und Dotierungsmitteln eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei die Halbleiterschicht (5) einen ersten Bereich (1) und einen zweiten Bereich (2) umfasst, die beide Dotierungsmittel eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei der erste Bereich (1) zum Sammeln von Ladungsträgern in der Halbleiterschicht (5) gestaltet ist, die durch elektromagnetische Strahlung erzeugt werden, wobei die Fläche des ersten Bereichs eine Grenze aufweist, wobei der zweite Bereich zum Empfangen von in dem ersten Bereich gesammelten Ladungsträgern gestaltet ist, wobei die Halbleiterschicht (5) ferner einen dritten Bereich (3) mit Dotierungsmitteln des ersten Leitfähigkeitstyps mit einem erhöhten Dotierungsniveaus als die Halbleiterschicht (5) umfasst, wobei der dritte Bereich (3) eine Sperrschicht bildet, um Diffusion der Ladungsträger aus der Halbleiterschicht in den zweiten Bereich (2) zu verhindern, wobei der erste Bereich (1) entlang eines Teils seiner Grenze von dem dritten Bereich (3) durch eine Zone der Halbleiterschicht (5) getrennt ist, welche eine Ladungsträgerdiffusionsschicht an der Oberfläche (7) oder diese berührend aufweist.
Aktives Pixel nach Anspruch 1, dessen erster Bereich einen vierten Bereich (4) mit Dotierungsmitteln des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, wobei ein Teil des vierten Bereichs (4) durch eine Zone der Halbleiterschicht (5) von dem dritten Bereich (3) getrennt ist.
Array von aktiven Pixeln, wobei jedes aktive Pixel eine Halbleiterschicht (5) mit einer Oberfläche (7) und Dotierungsmitteln eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, wobei die Halbleiterschicht (5) einen ersten Bereich (1) und einen zweiten Bereich (2) umfasst, die beide Dotierungsmittel eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei der erste Bereich (1) zum Sammeln von Ladungsträgern gestaltet ist, die durch elektromagnetische Strahlung in der Halbleiterschicht (5) erzeugt werden, wobei der zweite Bereich zum Empfangen von in dem ersten Bereich gesammelten Ladungsträgern gestaltet ist, wobei die Fläche des ersten Bereichs (1) eine Grenze aufweist, wobei die Halbleitschicht (5) ferner einen dritten Bereich (3) mit Dotierungsmitteln des ersten Leitfähigkeitstyps mit einem höheren Dotierungsniveau als die Halbleiterschicht (5) umfasst, wobei der dritte Bereich eine Sperrschicht bildet, um Diffusion der Ladungsträger aus der Halbleiterschicht in den zweiten Bereich (2) zu verhindern, wobei über einen Teil seiner Grenze der erste Bereich (1) eines Pixels von dem dritten Bereich (3) eines Nachbarpixels durch eine Zone der Halbleiterschicht (5) getrennt ist, welche eine Ladungsträgerdiffusionszone an der Oberfläche (7) oder diese berührend aufweist.
Array von aktiven Pixeln nach Anspruch 3, wobei die Trennung größer als die Breite einer mit dem ersten Bereich (1) assoziierten Verarmungsschicht (9) ist.
Array von aktiven Pixeln nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der erste Bereich (1) eines aktiven Pixels einen vierten Bereich (4) mit Dotierungsmitteln des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, wobei der vierte Bereich (4) entlang eines Teils seiner Grenze von dem dritten Bereich (3) durch eine Zone der Halbleiterschicht (5) getrennt ist.
MOS-basierte Pixelstruktur zum Erkennen von Licht, umfassend eine Mehrzahl von aktiven Pixeln nach einem der Ansprüche 1 und 2 oder ein Array von aktiven Pixeln nach einem der Ansprüche 3 bis 5.
Aktives Pixel mit einer Halbleiterschicht (5) mit Dotierungsmitteln eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei die Halbleiterschicht (5) einen ersten Bereich (1) und einen zweiten Bereich (2) umfasst, die beide Dotierungsmittel eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei der erste Bereich (1) zum Sammeln von Ladungsträgern gestaltet ist, die durch elektromagnetische Strahlung in der Halbleiterschicht (5) erzeugt werden, wobei der zweite Bereich zum Empfangen von in dem ersten Bereich gesammelten Ladungsträgern gestaltet ist, wobei die Halbleiterschicht (5) ferner einen dritten Bereich (3) mit Dotierungsmitteln des ersten Leitfähigkeitstyps mit einem höheren Dotierungsniveau als die Halbleiterschicht (5) umfasst, wobei der dritte Bereich (3) eine Sperrschicht bildet, um die Diffusion der Ladungsträger aus der Halbleiterschicht in den zweiten Bereich (2) zu verhindern, wobei der erste Bereich (1) entlang eines Teils seiner Grenze durch eine Zone der Halbleiterschicht (5) von dem dritten Bereich (3) getrennt ist.
Aktives Pixel nach Anspruch 7, bei dem ein Abstand zwischen dem dritten und dem ersten Bereich größer als die Breite einer Verarmungsschicht (9) ist, die mit dem ersten dotierten Bereich assoziiert ist.
Verfahren zur Herstellung eines aktiven Pixels, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Halbleiterschicht (5) mit Dotierungsmitteln eines ersten Leitfähigkeitstyps, Bereitstellen eines ersten Bereichs (1) und eines zweiten Bereichs (2) in der Halbleiterschicht (5), wobei beide Bereiche Dotierungsmittel eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei der erste Bereich (1) eine Fläche mit einer Grenze aufweist, ferner Bereitstellen eines dritten Bereichs (3) in der Halbleiterschicht (5) mit Dotierungsmitteln des ersten Leitfähigkeitstyps mit einem höheren Dotierungsniveau als die Halbleiterschicht (5), wobei der dritte Bereich eine Oberfläche aufweist, wobei der zweite Bereich in der Oberfläche des dritten Bereichs vorgesehen ist, und Bilden des ersten und des dritten Bereichs derart, dass über einen Teil seiner Grenze der erste Bereich (1) von der dritten Region (3) durch eine Zone der Halbleiterschicht (5) getrennt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner ein vierter Bereich (4) mit Dotierungsmitteln des zweiten Leitfähigkeitstyps in der Halbleiterschicht (5) bereitgestellt wird, wobei der vierte Bereich (4) über einen Teil seiner Grenze durch eine Zone der Halbleiterschicht (5) von dem dritten Bereich (3) getrennt ist.