DE112008000500T5

DE112008000500T5 - Bildsensor mit Inter-Pixel-Isolierung

Info

Publication number: DE112008000500T5
Application number: DE112008000500T
Authority: DE
Inventors: Hiok Nam Tay
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-03-01
Also published as: GB2460010B; US20110068430A1; JP5435640B2; WO2008125986A3; ES2334766B1; ES2334766A1; MX2009009322A; GB2460010A8; BRPI0815520A2; CN101675523A; DE112008000500B4; JP2010520614A; GB2460010A; WO2008125986A2; GB0917164D0; US20080211050A1; CN101675523B; WO2008125986A4

Abstract

Ein Bildsensor, bestehend aus:
einer Pixel-Anordnung, die eine Vielzahl von Fotodioden umfasst, wobei besagte Fotodioden in einem Eckbereich der besagten Pixel-Anordnung jeweils Folgendes umfassen:
eine erste Region, die aus einem ersten Materialtyp konstruiert ist;
eine Isolierregion, die neben der ersten Region liegt; und
eine zweite Region, die aus einem zweiten Materialtyp konstruiert ist und zu der besagten Isolierregion versetzt ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Halbleiter-Bildsensoren.
2. Hintergrundinformationen
Fotografische Geräte wie zum Beispiel Digitalkameras und digitale Camcorder können elektronische Bildsensoren beinhalten, die Licht für das Verarbeiten zu entweder Still- oder Videoaufnahmen erfassen. Elektronische Bildsensoren enthalten typischerweise Millionen von Licht erfassenden Elementen wie zum Beispiel Fotodioden. Die Fotodioden sind in zweidimensionalen Pixel-Anordnungen arrangiert.
1 zeigt einen vergrößerten Querschnitt von Pixeln in einer Pixel-Anordnung nach dem Stand der Technik. Die Pixel umfassen erste Regionen 1, die aus einem ersten Materialtyp, typischerweise einem P-Typ, konstruiert sind, und zweite Regionen 2, die aus einem zweiten Materialtyp, typischerweise einem N-Typ, konstruiert sind. Die Regionen 1 und 2 bilden PN-Übergänge von Fotodioden. Die PN-Übergänge sind sperrvorgespannt, um Depletionsregionen zwischen den gestrichelten Linien 3 und 4 zu bilden. Die Photonen des einfallenden Lichts 5 werden absorbiert, um Elektronlochpaare 6 zu erzeugen. Die Elektronen bewegen sich, um elektrischen Strom zu erzeugen. Der Strom wird letztendlich abgetastet und verarbeitet, um das von den Bildsensoren aufgenommene Bild zu reproduzieren.
Licht mit relativ langen Wellenlängen penetriert tief in die Fotodioden. Als eine Folge werden Elektronen an den äußeren Kanten der Depletionsregionen gebildet. Die Depletionsregionen können wachsen und in Region 7 sogar fusionieren. Die Fusion von Depletionsregionen führt zu einer elektronischen kapazitiven Kopplung nebeneinander liegender Fotodioden. Eine Änderung in der Spannung einer Licht empfangenden Fotodiode kann die Spannung in einer angrenzenden, kein Licht empfangenden Fotodiode variieren. Dies wird in einer ungenauen Wahrnehmung von Licht in der angrenzenden Fotodiode resultieren. Es wäre daher wünschenswert, eine Pixel-Struktur zu bieten, welche die Effekte einer lateralen Depletionsregionausdehnung auf angrenzende Depletionsregionen minimieren würde.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Bildsensor mit einer Anordnung von Fotodioden, die jede eine erste Region umfassen, welche aus einem ersten Materialtyp konstruiert ist, und eine zweite Region, welche aus einem zweiten Materialtyp konstruiert ist. Eine Isolierregion befindet sich zwischen den ersten und zweiten Regionen. Die zweite Region ist von der Isolierregion in einer Eckregion der Fotodioden-Anordnung versetzt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Veranschaulichung eines Bildsensors nach dem Stand der Technik;
2 ist ein Schaubild eines Bildsensors;
3 ist eine Veranschaulichung einer Vielzahl von Fotodioden des Bildsensors;
4 ist eine Veranschaulichung von Fotodioden in einer Eckregion einer Pixel-Anordnung des Bildsensors;
5 ist eine Veranschaulichung von Fotodioden in der Eckregion mit versetzten Barrierenregionen;
6 ist eine Veranschaulichung von Fotodioden in der Eckregion mit versetzten N-Regionen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Geboten wird ein Bildsensor mit einer Vielzahl von Fotodioden, die jede eine erste Region umfassen, welche aus einem ersten Materialtyp konstruiert ist, und eine zweite Region, welche aus einem zweiten Materialtyp konstruiert ist. Die Fotodioden verfügen weiter über eine Isolierregion zwischen den ersten und zweiten Regionen. Die Fotodioden sind in einer Anordnung arrangiert. In Eckregionen der Anordnung sind die zweiten Regionen relativ zu den Isolierregionen versetzt, um mehr Photonen von einfallendem Licht zu erfassen.
Mit Bezug auf die Zeichnungen, insbesondere auf die Referenznummern, zeigt 2 einen Bildsensor 10. Der Bildsensor 10 umfasst eine Fotodioden-Anordnung 12, die eine Vielzahl von individuellen Fotodioden 14 beinhaltet. Die Fotodioden 14 sind typischerweise in einer zweidimensionalen Anordnung von Reihen und Spalten arrangiert. Die Anordnung 12 hat einen Zentrumsbereich 16 und Eckbereiche 18.
Die Fotodioden-Anordnung 12 ist typischerweise über eine Vielzahl von leitfähigen Spuren 22 mit einem Lichtleserkreis 20 verbunden. Die Anordnung 12 ist über leitfähige Spuren 26 mit einem Reihen-Decoder 24 verbunden. Der Reihen-Decoder 24 kann eine individuelle Reihe der Anordnung 12 wählen. Der Lichtleser 20 kann dann spezifische diskrete Spalten innerhalb der gewählten Reihe lesen. Zusammen ermöglichen der Reihen-Decoder 24 und der Lichtleser 20 das Lesen einer individuellen Fotodiode 14 innerhalb der Anordnung 12. Die von den Fotodioden 14 abgelesenen Daten können von anderen Kreisen wie zum Beispiel einem Prozessor (nicht dargestellt) verarbeitet werden, um ein visuelles Display zu erzeugen.
Der Bildsensor 10 und andere Schaltkreise können auf die gleiche oder ähnliche Weise konfiguriert, strukturiert und betrieben werden wie die korrespondierenden Bildsensoren und Bildsensorsysteme in US Pat. Nr. 6,795,117 von Tay, welche hiermit unter Bezugnahme eingeschlossen wird.
3 zeigt eine Vielzahl von Fotodioden 50. Jede Fotodiode 50 umfasst eine erste Region 52, die aus einem ersten Materialtyp konstruiert ist, und eine zweite Region 54, die aus einem zweiten Materialtyp konstruiert ist. Als ein Beispiel kann der erste Materialtyp ein dazwischenliegend dotiertes Material des P-Typs sein, und die zweite Region 52 kann ein leicht dotiertes Material des N-Typs sein. Die Regionen 50 und 52 werden auf einem Substrat 56 gebildet. Das Substrat 56 kann aus einem leicht dotierten Material des P-Typs konstruiert sein.
Jede Fotodiode 50 kann weiter ein Gatter 58 und entweder einen Source- oder Drain-Pad 60 haben, der benachbart zu der ersten Region 52 gebildet ist. Das Gatter 58 kann aus einem schwer dotierten Polysilizium-Material des N-Typs konstruiert sein. Der Source-/Drain-Pad 60 kann aus einem schwer dotierten Material des N-Typs konstruiert sein. Die N-Typ-Source-/Drain-Pads 60 können durch Isolierregionen 62 von den zweiten N-Typ-Regionen 54 getrennt sein.
Angrenzend an jede erste Region 52 befindet sich eine Barrierenregion 64. Die Barrierenregion 64 kann aus einem mittelschwer dotierten Materials des P-Typs konstruiert sein. Die Fotodioden 50 sind sperrvorgespannt, um allgemein zwischen Linien 66 und 68 gelegene Depletionsregionen zu bilden. Eine Absorption von Licht und die Bildung von Elektronlochpaaren 70 auf relativ langen Wellenlängen von Licht werden in dem unteren Abschnitt der Depletionsregionen auftreten. Als ein Beispiel wird Licht mit Wellenlängen von mehr als 650 nm dazu neigen, an der Unterseite der Depletionsregionen absorbiert zu werden.
Die Barrierenregionen 64 blockieren einen lateralen Wuchs der Depletionsregionen in horizontale Richtungen, wie mithilfe der gestrichelten Linien 72 veranschaulicht wird. Dies verhindert ein Fusionieren der Depletionsregionen und ein Erzeugen von irrenden Spannungsvariationen in angrenzenden Fotodioden. Wie in 3 gezeigt können sich die Barrierenregionen 64 bis zu den zweiten Regionen 52 hinunter erstrecken. Als ein Beispiel können die Barrierenregionen eine Tiefe von zwischen 2–4 μm aufweisen.
Wie in 4 gezeigt penetrieren die Lichtstrahlen die Fotodioden unter einem Winkel für Pixel, die sich in den Eckbereichen 18 der Pixel-Anordnung befinden. Der Winkel kann bis zu 30 Grad betragen. Das einfallende Licht kann von dem Material absorbiert werden und Elektronlochpaare 70 außerhalb der zweiten Region und sehr nahe zu den angrenzenden Fotodioden bilden. Die freien Elektronen können zu den angrenzenden Fotodioden abwandern und eine ungenaue Fotoaufnahme verursachen.
5 ist eine Ausführungsform, wo die Barrierenregionen 64 relativ von den ersten Regionen 52 versetzt sind. Die versetzten Barrierenregionen 64 erzeugen von dem Punkt, wo einfallendes Licht von dem Material absorbiert wird, einen längeren Weg zu einer angrenzenden Fotodiode. Der Versatz kann von der Mitte der Pixel-Anordnung, wo das Licht die Fotodioden penetriert, in einer senkrechten Richtung bis zu den äußeren Pixeln der Anordnung, wo das Licht unter einem wesentlichen Winkel penetriert, variieren. Der Versatz kann von der Mitte der Pixel-Anordnung zur den äußeren Regionen der Anordnung hin zunehmend größer werden. Der Versatz erlaubt es der Depletionsregion, lateral in die Richtung des einfallenden Lichts zu wachsen. Als ein Beispiel können die Barrierenregionen in der Nähe der äußersten Pixel um bis zum 0,5 μm versetzt sein.
6 ist eine Ausführungsform, wo sowohl die Barrierenregionen 64 wie auch die zweiten Regionen 54 relativ zu den Isolierregionen 62 versetzt sind. Die versetzten zweiten Regionen 54 sind übereinstimmend mit der Richtung des einkommenden Lichts und erfassen mehr Photonen. Der Versatz der zweiten Region kann von der Mitte der Pixel-Anordnung, wo das Licht die Fotodioden in senkrechter Richtung penetriert, bis zu den äußeren Pixeln der Anordnung, wo das Licht unter einem wesentlichen Winkel penetriert, variieren. Die Versätze können von der Mitte der Pixel-Anordnung zu den äußeren Regionen der Anordnung hin zunehmend größer werden. Als ein Beispiel können die Barrieren- und die zweiten Regionen 64 und 54 in der Nähe der äußersten Pixel bis zu 0.5 μm versetzt sein.
Die Fotodioden können mithilfe von bekannten CMOS-Herstellungstechniken konstruiert werden. Die Barrierenregion 64 kann auf dem Substrat 56 gebildet werden. Die ersten Regionen 52 können auf den Barrierenregionen 64 gebildet werden, und die Gatter 58 und die Pads 60 können auf den Regionen 52 gebildet werden. Die zweiten Regionen 54 können auch auf dem Substrat 56 gebildet werden. Die Reihenfolge der Bildung kann je nach den für die Herstellung des Bildsensors angewendeten Prozessen variieren.
Obwohl bestimmte beispielhafte Ausführungsformen in den beiliegenden Zeichnungen beschrieben und veranschaulicht werden sollte verstanden werden, dass solche Ausführungsformen lediglich Veranschaulichungen und keineswegs Einschränkungen der Erfindung im Allgemeinen darstellen, und dass diese Erfindung nicht auf die spezifischen gezeigten und beschriebenen Konstruktionen und Anordnungen beschränkt ist, da sich ein Experte auf diesem Gebiet verschiedene andere Modifizierungen vorstellen kann.
Zusammenfassung
Ein Bildsensor mit einer Vielzahl von Fotodioden, die jede eine erste Region umfassen, welche aus einem ersten Materialtyp konstruiert ist, und eine zweite Region, welche aus einem zweiten Materialtyp konstruiert ist. Die Fotodioden verfügen weiter über eine Isolierregion zwischen den ersten und zweiten Regionen. Die Fotodioden sind in einer Anordnung arrangiert. In Eckregionen der Anordnung sind die zweiten Regionen relativ zu den Isolierregionen versetzt, um mehr Photonen von einfallendem Licht zu erfassen.
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

- US 6795117 [0015]

Claims

Ein Bildsensor, bestehend aus: einer Pixel-Anordnung, die eine Vielzahl von Fotodioden umfasst, wobei besagte Fotodioden in einem Eckbereich der besagten Pixel-Anordnung jeweils Folgendes umfassen: eine erste Region, die aus einem ersten Materialtyp konstruiert ist; eine Isolierregion, die neben der ersten Region liegt; und eine zweite Region, die aus einem zweiten Materialtyp konstruiert ist und zu der besagten Isolierregion versetzt ist.
Der Bildsensor gemäß Anspruch 1, weiter bestehend aus einer Barrierenregion, die aus besagtem ersten Materialtyp konstruiert ist, und sich neben besagter erster Region und zwischen den zweiten Regionen benachbarter Fotodioden befindet, wobei die besagte Barrierenregion zu der besagten ersten Region für Fotodioden in besagtem Eckbereich versetzt ist.
Der Bildsensor gemäß Anspruch 1, wobei der besagte erste Materialtyp ein Material des P-Typs ist und der besagte zweite Materialtyp ein Material des N-Typs ist.
Der Bildsensor gemäß Anspruch 1, wobei die besagte zweite Region um 0,5 μm versetzt ist.
Eine Methode zur Bildung einer Vielzahl von Fotodioden eines Bildsensors, bestehend aus: der Bildung einer ersten Region; der Bildung einer Isolierregion neben der ersten Region; und der Bildung einer zweiten Region, die zu der Isolierregion versetzt ist.
Die Methode gemäß Anspruch 5, weiter bestehend aus der Bildung einer Barrierenregion, die zu der ersten Region versetzt ist.
Die Methode gemäß Anspruch 5, wobei die zweite Region um 0,5 μm versetzt ist.
Die Methode gemäß Anspruch 5, wobei der erste Materialtyp ein Material vom P-Typ ist und der zweite Materialtyp ein Material vom N-Typ ist.
Eine Pixel-Anordnung bestehend aus: zweiten Regionen in einem Substrat, wobei die zweiten Regionen ein Material eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfassen; und einer Barrierenregion in dem Substrat, wobei die Barrierenregion ein Material eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, die Barrierenregion sich zwischen einem Paar der zweiten Bereiche befindet, die Barrierenregion seitlich von einer Mittellinie zwischen dem Paar versetzt ist, der seitliche Versatz auf eine Mittellinie zwischen das Paar durchdringenden Lichtstrahlen hin konfiguriert ist und die Barrierenregion eine Tiefe einer benachbarten zweiten Region teilt.
Eine Pixel-Anordnung bestehend aus: zweiten Regionen in einem Substrat, wobei die zweiten Regionen ein Material eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfassen; und Barrierenregionen in dem Substrat, wobei jede der Barrierenregionen ein Material eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, jede der Barrierenregionen sich zwischen einem Paar der zweiten Bereiche befindet, jeder der Barrierenregionen seitlich von einer Mittellinie zwischen einem zugehörigen Paar versetzt ist, die seitlichen Versätze progressiv von einer Zentralregion der Pixel-Anordnung zu einer Außenregion variieren und mindestens eine der Barrierenregionen eine Tiefe einer benachbarten zweiten Region teilt.
Eine Pixel-Anordnung bestehend aus: zweiten Regionen in einem Substrat, wobei die zweiten Regionen ein Material eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfassen; und Barrierenregionen in dem Substrat, wobei jede der Barrierenregionen ein Material eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, jede der Barrierenregionen sich zwischen einem Paar der zweiten Regionen befindet, jeder der Barrierenregionen seitlich von einem Gatter oberhalb einer zugehörigen Barrierenregion versetzt ist, die seitlichen Versätze progressiv von einer Zentralregion der Pixel-Anordnung zu einer Außenregion variieren und mindestens eine der Barrierenregionen eine Tiefe einer benachbarten zweiten Region teilt.
Die Pixel-Anordnung gemäß Anspruch 9, 10 oder 11, wobei die Tiefe zwischen 2 μm und 4 μm beträgt.
Die Pixel-Anordnung gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die Depletionsregion so konfiguriert ist, dass sie sich seitlich von jeder der Barrierenregionen zu einer benachbarten zweiten Region erstreckt.
Die Pixel-Anordnung gemäß Anspruch 13, wobei der seitliche Versatz jeder der Barrierenregionen so konfiguriert ist, dass eine Form der zugehörigen Depletionsregion verändert wird.
Die Pixel-Anordnung gemäß Anspruch 14, wobei die Formen der Depletionsregionen sich von einer Zentralregion der Pixel-Anordnung zu einer Außenregion ändern.
Die Pixel-Anordnung gemäß Anspruch 9, weiterhin eine Vielzahl von Barrierenregionen umfassend, wobei jede der Vielzahl von Barrierenregionen einen seitlichen Versatz hat, und die seitlichen Versätze progressiv von einem Zentralbereich der Pixel-Anordnung zu einem Außenbereich variieren.
Die Pixel-Anordnung gemäß Anspruch 11, weiter bestehend aus: ersten Regionen, von denen jede der ersten Regionen ein Material des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst und jede der ersten Regionen sich unterhalb eines zugehörigen Gatters und oberhalb einer zugehörigen Barrierenregion befindet.
Die Pixel-Anordnung gemäß einer der Ansprüche 9 bis 17, wobei der erste Leitfähigkeittyp ein P-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp ein N-Typ ist.
Eine Methode zur Bildung einer Pixel-Anordnung bestehend aus: der Bildung von zweiten Regionen in einem Substrat, wobei die zweiten Regionen ein Material eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfassen; und der Bildung einer Barrierenregion in dem Substrat, wobei die Barrierenregion ein Material eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, die Barrierenregion sich zwischen einem Paar der zweiten Regionen befindet, die Barrierenregion seitlich von einer Mittellinie zwischen dem Paar versetzt ist, der seitliche Versatz auf eine Mittellinie zwischen das Paar durchdringenden Lichtstrahlen hin konfiguriert ist und die Barrierenregion eine Tiefe einer benachbarten zweiten Region teilt.
Eine Methode zur Bildung einer Pixel-Anordnung bestehend aus: der Bildung von zweiten Regionen in einem Substrat, wobei die zweiten Regionen ein Material eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfassen; und der Bildung von Barrierenregionen in dem Substrat, wobei jede der Barrierenregionen ein Material eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, jede der Barrierenregionen sich zwischen einem Paar der zweiten Regionen befindet, jeder der Barrierenregionen seitlich von einer Mittellinie zwischen einem zugehörigen Paar versetzt ist, die seitlichen Versätze progressiv von einer Zentralregion der Pixel-Anordnung zu einer Außenregion variieren und mindestens eine der Barrierenregionen eine Tiefe einer benachbarten zweiten Region teilt.
Eine Methode zur Bildung einer Pixel-Anordnung bestehend aus: der Bildung von zweiten Regionen in einem Substrat, wobei die zweiten Regionen ein Material eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfassen; und der Bildung von Barrierenregionen in dem Substrat, wobei jede der Barrierenregionen ein Material eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, jede der Barrierenregionen sich zwischen einem Paar der zweiten Regionen befindet, jeder der Barrierenregionen seitlich von einem Gatter oberhalb einer zugehörigen Barrierenregion versetzt ist, die seitlichen Versätze progressiv von einer Zentralregion der Pixel-Anordnung zu einer Außenregion variieren und mindestens eine der Barrierenregionen eine Tiefe einer benachbarten zweiten Region teilt.
Die Methode gemäß Anspruch 19, 20 oder 21, wobei die Tiefe zwischen 2 μm und 4 μm beträgt.
Die Methode gemäß Anspruch 20 oder 21, wobei die Depletionsregion so konfiguriert ist, dass sie sich seitlich von jeder der Barrierenregionen zu einer benachbarten zweiten Region erstreckt.
Die Methode gemäß Anspruch 23, wobei der seitliche Versatz jeder der Barrierenregionen so konfiguriert ist, dass eine Form der zugehörigen Depletionsregion verändert wird.
Die Methode gemäß Anspruch 24, wobei die Formen der Depletionsregionen sich von einer Zentralregion der Pixel-Anordnung zu einer Außenregion ändern.
Die Methode gemäß Anspruch 19, weiter bestehend aus: der Bildung einer Vielzahl von Barrierenregionen, wobei jede der Vielzahl von Barrierenregionen einen seitlichen Versatz hat, und die seitlichen Versätze progressiv von einer Zentralregion der Pixel-Anordnung zu einer Außenregion variieren.
Die Methode gemäß Anspruch 21, weiter bestehend aus: der Bildung erster Regionen, die ein Material des ersten Leitfähigkeitstyps umfassen, wobei sich jede der ersten Regionen unterhalb eines zugehörigen Gatters und oberhalb einer zugehörigen Barrierenregion befindet.
Die Methode gemäß einer der Ansprüche 19 bis 27, wobei der erste Leitfähigkeitstyp ein P-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp ein N-Typ ist.
Eine Pixel-Anordnung bestehend aus: Isolierregionen in einem Substrat; und zweiten Regionen in dem Substrat, wobei jede der zweiten Regionen ein Material des zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst, jede der zweiten Regionen einen seitlichen Versatz von einer der benachbarten Isolierregionen hat und die seitlichen Versätze progressiv von einer Zentralregion der Pixel-Anordnung zu einer Außenregion variieren.
Die Pixel-Anordnung gemäß Anspruch 29, wobei der zweite Leitfähigkeitstyp ein N-Typ ist.
Eine Methode zur Bildung einer Pixel-Anordnung bestehend aus: der Bildung von zweiten Regionen in einem Substrat, wobei jede der zweiten Regionen ein Material eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst; und der Bildung von Isolierregionen in dem Substrat, wobei jede der zweiten Regionen einen seitlichen Versatz von einer benachbarten Isolierregion hat und die seitlichen Versätze progressiv von einer Zentralregion der Pixel-Anordnung zu einer Außenregion variieren.
Die Methode gemäß Anspruch 31, wobei der zweite Leitfähigkeitstyp ein N-Typ ist.