DE19630434A1 - Bipolarphototransistorpixelelement - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein vertikales Bipolarpho
totransistorpixelelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In dem Aufsatz "Active-Pixel Sensor Challenge CCDs" von Eric
Fossum, erschienen in: Laser Focus World, Juni 1993, Seiten 83-87, wer
den die aufkommende aktive Pixelsensortechnik und die Technik der la
dungsgekoppelten Schaltung (CCD), die in vielen Bildverarbeitungsanwen
dungen verdrängt werden soll, gegenübergestellt. Eine CCD beruht auf ei
ner Ladungsverschiebung zum Auslesen eines Bildes. Da es sehr schwer
ist, einen 100%igen Ladungstransfer in einer CCD-Struktur zu erzielen,
sinkt die Leistung manchmal unter ein akzeptables Niveau. CCDs sind auch
sehr leistungsintensiv und erfordern eine komplizierte Herstellung.
Im Gegensatz zur CCD-Technik arbeiten aktive Pixelsensoren wie
ein Direktzugriffsspeicher (RAM), indem jedes Pixel seinen eigenen An
wähl- und Auslesetransistor umfaßt. Die Signalausgabe erfolgt dann über
Leitungsdrähte anstatt mittels Ladungsverschiebung. Daher ist die aktive
Pixelsensortechnik der CCD-Technik überlegen, indem sie wahlfreien Zu
griff, zerstörungsfreies Auslesen und leichte Integrierbarkeit in eine
auf einem Chip angeordnete Treiber- und Signalverarbeitungsschaltung
schafft.
Aus der US-PS 5 289 023 ist eine aktive Pixelsensorzelle be
kannt, die einen bipolaren npn-Phototransistor sowohl als integrierender
Photosensor als auch als Anwähleinrichtung einsetzt. In dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel ist der Phototransistor eine vertikale Struktur, de
ren Kollektor in einem Si-Substrat vom n-Typ angeordnet ist. Der Basis
anschluß des bipolaren Phototransistors, der einen p-dotierten Bereich
innerhalb des Kollektorbereichs aufweist, wird als Anwählknoten für das
Pixel verwendet. Konventionelle Feldoxidbereiche werden zum Isolieren
der Basisbereiche benachbarter Phototransistoren eingesetzt. Eine n-do
tierte Polysiliciumleitung ist über der Oberfläche des Substrats ange
ordnet und gegenüber dieser isoliert mit Ausnahme derjenigen Bereiche,
in denen sie mit den p-dotierten Basisbereichen in Kontakt steht. Dort,
wo sich die n-dotierte Polysiliciumschicht in Kontakt mit der Oberfläche
des p-dotierten Basisbereichs befindet, bildet sie einen n⁺-Epitaxialbe
reich, der als Emitter des Phototransistors dient. Die Polysiliciumlei
tung liefert den Emitterkontakt.
Eine Vielzahl von derartigen Phototransistoren kann in einer
Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sein. Die Basen aller Photo
transistoren in einer Zeile der Matrix sind kapazitiv an eine gemeinsame
Zeilenanwählleitung gekoppelt, und die Emitter aller Phototransistoren
in einer Spalte sind einstückig mit einer Spaltenleseleitung ausgebil
det. Der Eingang des Leseverstärkers ist mit der Leseleitung einer jeden
Spalte von integrierenden Photosensoren verbunden. Die Leseleitung ist
mit dem invertierenden Eingang eines Verstärkerelements eines integrie
renden Leseverstärkers verbunden. Ein Kondensator, vorzugsweise ein Va
ractor, ist ebenfalls zwischen den invertierenden Eingang und den Aus
gang des Verstärkerelements geschaltet. Eine exponentielle Rückkopplung
wird in dem Leseverstärker zur Signalkomprimierung bei hohen Lichtpegeln
vorgesehen. Die Ausgänge der Leseverstärker sind mit Abtast-und-Halte-
Schaltungen verbunden. Die Zeilen der Matrix werden einzeln angewählt,
und die Ausgänge der Abtast-und-Halte-Schaltungen werden für jede Zeile
aus der Matrix heraus abgetastet, während die Pixeldaten für die nächste
Zeile abgetastet werden.
Da dieser Bildgeber eine hohe Empfindlichkeit bei geringen
Lichtintensitäten aufweist, in einem größeren dynamischen Bereich als
mit CCDs erreichbar arbeitet und eine relativ kleine Zellenfläche erfor
dert, ist er für die Zukunft vielversprechend. Jedoch weist die gegen
wärtige Technik gewisse Unzulänglichkeiten auf. Der Ausgang des aktiven
Pixels, der den integrierten Photostrom wiederspiegelt, ist direkt pro
portional zur Stromverstärkung des npn-Bipolartransistors mit Polyemit
ter. Da es keine Möglichkeit gibt, diesen Effekt zu korrigieren, kann
der Dynamikbereich der Zelle durch Stromverstärkungsangleichung unter
den unzähligen Komponenten begrenzt werden, die in der Matrix enthalten
sind. Seit jeher ist es schwierig gewesen, eine gute Stromverstärkungs
angleichung in Transistoren mit Polyemitter zu erzielen.
Ferner verwendet das bekannte aktive Pixel einen vertikalen
npn-Transistor mit einem n-Substrat als Kollektor. Aufgrund bekannter
technischer Probleme stellen n-Substrate keine Industriestandards für
die CMOS-Technik dar. Obgleich ein p-Substrat mit einer vergrabenen
n-Schicht eingesetzt werden könnte, erfordern vergrabene n-Schichten ei
ne komplexe Herstellung und können zu erhöhten Pixelleckverlusten füh
ren, was ein kritisches Problem darstellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bipolarphoto
transistorpixelelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen,
das einfacher in der Herstellung und mit üblicher CMOS-Technik kompati
bel ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Bipolarphototransistorpixel
element mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein derartiges, für eine aktive Pixelsensormatrix geeignetes
Bipolarphototranistorpixelelement ist mit den Kernprozessen der CMOS-
Technik vollständig kompatibel. Über einen Poly/n⁺-Kopplungskondensator
werden hohe Kopplungsverhältnisse (ca. 90%) erzielt, wobei parasitäre
Kapazitäten an der Basis sehr niedrig sind. Es werden keine Polyemitter
verwendet, so daß eine bessere Stromverstärkungsangleichung im Vergleich
zu bekannten aktiven Pixelsensoren erzielt wird. Gewöhnliche Substrate
vom p-Typ können verwendet werden, wodurch keine vergrabenen n-Schichten
benötigt werden.
Ein bevorzugtes pnp-Bipolarphototransistorpixelelement weist
einen p-Kollektorbereich auf, der in p-Halbleitermaterial ausgebildet
ist. Ein n-Basisbereich ist im Kollektorbereich ausgebildet. Ein p-Emit
terbereich ist im Basisbereich ausgebildet. Ein ringförmiger n-Kondensa
torbereich ist im Basisbereich, vom Emitterbereich mit Abstand umgeben,
ausgebildet. Leitermaterial ist über dem Kondensatorbereich angeordnet
und von diesem durch darunterliegendes dielektrisches Material getrennt,
wodurch der Kopplungskondensator des Pixelelements definiert wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittdarstellung eines vertikalen pnp-
Bipolarphototransistorpixelements.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht eines vertikalen pnp-Bipolarpho
totransistorpixelelements.
Die Herstellung eines Elements 10, nämlich eines vertikalen
pnp-Bipolarphototransistorpixelements gemäß Fig. 1, kann durch Verwen
dung jedes geläufigen elementaren CMOS-Verfahrens unter Hinzufügung ei
nes Kondensatormoduls erfolgen. Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen
sich auf Elemente 10 eines Zwillingswannen-CMOS-Verfahrensablaufs, der
konventionelles p⁻/p⁺-Epi-(100)-Siliciumausgangsmaterial verwendet.
Um eine Zwillingswannenstruktur zu bilden, wird an der Ober
fläche der p-Epitaxialschicht 14 eine Auflageoxidschicht mit einer Dicke
von ca. 45 nm gebildet. Eine Nitridschicht von ca. 135 nm Dicke wird an
schließend auf der Auflageoxidschicht gebildet. Anschließend wird eine
Zwillingswannenmaske verwendet, um n-Wannenbereiche abzugrenzen und das
exponierte Nitrid zu ätzen. Eine n-Wannenimplantierung erfolgt an
schließend unter Verwendung eines n-Dotierungsmittels, beispielsweise
Phosphor auf 1,0E13, 140 keV, um n-Wannenbereiche 16 zu schaffen. Ein an
schließender selektiver Oxidationsschritt bei 950°C resultiert in einem
Aufwachsen von Siliciumdioxid mit einer Dicke von ca. 500 nm an der
Oberfläche des n-Wannenbereichs 16. Die verbleibende Nitridschicht wird
dann entfernt und eine p-Wannenimplantierung erfolgt unter Verwendung
beispielsweise von BF₂ auf 6,3E12, 150 keV, um einen p-Wannenbereich 18
zu schaffen. Das Zwillingswannenmodul wird vervollständigt durch selek
tives Rückätzen des Oxides auf den n-Wannenbereich 16 und p-Wannenbe
reich 18 bei ca. 1100°C und Entfernen des Oxides, das sich beim Dotieren
ergeben hat.
Bei einem konventionellen CMOS-Verfahrensablauf würde an
schließend die Implantierung eines Feldoxidisolmoduls zur Bestimmung von
aktiven Bereichen des CMOS-Bausteins sowohl in den n-Wannenbereichen 16
als auch in den p-Wannenbereichen 18 und dann die Bildung der CMOS-Bau
steinelemente erfolgen. Wie in Fig. 1 dargestellt, dienen hier ausge
wählte n-Wannenbereiche 16 als Basisbereich des Elements 10 einer akti
ven Pixelbildmatrix, wobei die p-Epitaxialschicht 14 als Phototransi
storkollektor dient. Die peripheren CMOS-Komponenten werden zur Bildung
beispielsweise von Steuer- und Signalverarbeitungsschaltungen einge
setzt, die in Zusammenhang mit der Pixelbildmatrix verwendet werden. Die
nachstehend beschriebenen Verfahrensschritte sind, mit Ausnahme des Kon
densatormoduls, vom konventionellen CMOS-Kernprozeß zur Vervollständi
gung der Struktur des Elements 10 übernommen.
Bevor der CMOS-Prozeß fortgesetzt wird, wird ein Kondensator
modul zu dem Zweck eingesetzt, um n⁺-Kondensatorbereiche 20 in den
n-Wannenbereichen 16 durch Implantieren von n-Dotierungsmittel, bei
spielsweise Phosphor auf 5E15, 150 keV, zu definieren. Dann wird eine
Plattenzwischenlageoxidschicht von ca. 20-30 nm Stärke über dem n⁺-Kon
densatorbereich 20 gebildet.
Das Verfahren setzt sich dann mit dem normalen CMOS-Ablauf
fort, der darin besteht, daß eine Polysiliciumschicht von ca. 325 nm
Stärke aufgebracht wird. Im folgenden Ätzschritt des CMOS-Ablaufs wird
das Polysilicium über den n⁺-Kondensatorbereichen 20 zur Bildung von
oberen Polysiliciumplatten 22 der Kopplungskondensatoren des Elements 10
geätzt. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Polysiliciumplatten 22 mit einer
Wortleitung 24 verbunden, die eine Zeile von Elementen 10 in der Bildma
trix definiert.
Eine nachfolgende Implantierung eines p-Dotierungsmittels,
beispielsweise BF₂ auf 3.5E15, 45 keV, wird zur Bildung von p⁺-Emitterbe
reichen 26 des vertikalen pnp-Phototransistorelements 10 verwendet. Wie
in Fig. 1 gezeigt, ist der Emitterbereich 26 mit einer Bitleitung 28
verbunden, die eine Spalte von Elementen 10 in der Bildmatrix definiert.
Fig. 2 zeigt ein Layout für die Pixelelementstruktur von Fig.
1. Hierbei ist der n⁺-Kondensatorbereich 20 ringförmig ausgebildet und
umgibt mit Abstand den Emitterbereich 26.
Das Element 10 funktioniert wie folgt:
Das p-Substrat 12 liegt immer bei 0V, wie es für CMOS-Kompo nenten typisch ist. Während des Rücksetzens wird die Wortleitung 24 von +5V auf 0V zurückgenommen. Die n-Wanne 16, d. h. die pnp-Basis, ist kapa zitiv durch den ebenfalls negativen Poly/n⁺-Kondensator angekoppelt, der den vertikalen pnp-Transistor anschaltet, dessen Emitter 26 auf einem positiven Spannungswert (+5V) durch externe Schaltungen auf der Bitlei tung 28 gehalten ist. Die schwimmende Basis 16 liegt bei einem Potential von nicht weniger als Vcc-Vbe (4,4V).
Das p-Substrat 12 liegt immer bei 0V, wie es für CMOS-Kompo nenten typisch ist. Während des Rücksetzens wird die Wortleitung 24 von +5V auf 0V zurückgenommen. Die n-Wanne 16, d. h. die pnp-Basis, ist kapa zitiv durch den ebenfalls negativen Poly/n⁺-Kondensator angekoppelt, der den vertikalen pnp-Transistor anschaltet, dessen Emitter 26 auf einem positiven Spannungswert (+5V) durch externe Schaltungen auf der Bitlei tung 28 gehalten ist. Die schwimmende Basis 16 liegt bei einem Potential von nicht weniger als Vcc-Vbe (4,4V).
Nach diesem Rücksetzen wird die Wortleitung 24 wieder auf +5V
gesetzt, was erneut die n-Wanne 16 kapazitiv ankoppelt, aber nun die
Emitter-Basis-Sperrschicht des pnp-Transistors umgekehrt vorspannt. Die
umgekehrt vorgespannte Emitter-Basis-Sperrschicht wirkt als Kollektor
für den Photostrom. Nach Rücksetzen liegt die Basis 16 bei ca. +8V. Wenn
ein Elektron-Loch-Paar durch ein auftreffendes Photon erzeugt wird, wer
den die Löcher durch die relativ negativen Emitter 26 und Kollektor 14,
die vom p-Typ sind, gesammelt, während die Elektronen in der Basis 16
verbleiben und bewirken, daß diese immer negativer wird. Die negative
Ladung wird während der Photointegrationsperiode weiterhin akkumuliert,
und die Basis 16 driftet in negative Richtung. Natürlich darf sie nicht
unter das Emitterpotential (+5V) abdriften, sonst geht Ladung verloren.
Demzufolge muß dafür Sorge getragen werden, daß die entsprechende Be
lichtung begrenzt bleibt.
Wenn ein Rücksetzen am Ende der Integrationsperiode erneut er
folgt, wird die an der Basis 16 akkumulierte negative Ladung in den
Emitter 26 entladen und in dem Bitleitungsleseverstärker zur Bildung ei
ner Spannung integriert, die dem integrierten Photostrom entspricht.
Der vorstehend beschriebene Vorgang ist ähnlich demjenigen aus
der US-PS 5 289 023, allerdings mit dem grundlegenden Unterschied, daß
hier eine pnp-Struktur vorhanden ist.
Claims (4)
1. Vertikales Bipolarphototransistorpixelelement (10) mit ei
nem Kollektorbereich (14), einem Basisbereich (16) und einem Emitterbe
reich (26) aus Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kollektorbereich (14) und der Emitterbereich (26) p-leitend und
der im Emitterbereich (26) ausgebildete Basisbereich (16) n-leitend
sind, wobei ein vom Emitterbereich (26) beabstandeter Kondensator vorge
sehen ist, der einen im Basisbereich (16) ausgebildeten, n-leitenden
Kondensatorbereich (20) aufweist, auf dessen Oberfläche dielektrisches
Material angeordnet ist, auf dem sich leitendes Material (22) befindet.
2. Bipolarphototransistorpixelelement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kondensatorbereich (20) eine im wesentlichen ge
schlossene Form aufweist, die den Emitterbereich (26) umgibt.
3. Bipolarphototransistorpixelelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material Siliciumdioxid
ist, das vorzugsweise eine Stärke von 20 bis 30 nm aufweist.
4. Bipolarphototransistorpixelelement nach einem der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material (22) Polysi
licium ist, das vorzugsweise eine Stärke von etwa 325 nm aufweist.
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