DE2713876A1 - Ladungsgekoppeltes element (ccd) - Google Patents
Ladungsgekoppeltes element (ccd)Info
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
Berlin und München 77 ρ 7 g 3 , BRfl
Ladungsgekoppeltes Element (CCD),
Die Erfindung betrifft ein ladungsgekoppeltes Element, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist, sowie ein
Verfahren zu seiner Herstellung.
Ladungsgekoppelte Elemente sind bekannte Bauelemente der Halbleitertechnologie
(vgl. z.B. Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte, Bd.4, 1975, Seiten 226 ff.; DT-OS 2 201 150).
Es ist weiter bekannt, daß ladungsgekoppelte Elemente als Licht-Sensoren eingesetzt werden können (siehe z.B. "IBM
Techn. Disci. Bull.", Bd.16, Nr.1, Juni 1973, Seiten 173-174
sowie "BSTJ", Okt.1972, Seiten 1923-1926). Derartige CCD-Schaltungen
bestehen im Prinzip aus einer Reihe von MIS-Kondensatoren, wobei jeder dieser MIS-Kondensatoren so aufgebaut
ist, daß auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrates eine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist, die eine
Elektrode trägt. Solche CCD-Bauelemente können z.B. als Speicher oder auch als Strahlungssensoren für Licht verwendet
werden. Mindestens bei jedem MIS-Kondensator muß eine strahlungsdurchlässige Stelle in der Elektrode vorhanden
sein, durch die Strahlung in das Substrat eindringen kann.
Durch die Strahlung werden im Substrat Ladungsträger erzeugt. Durch Anlegen einer entsprechenden Spannung zwischen dem
Substratanschluß des Elementes und der jeweiligen Elektrode eines MIS-Kondensators können diese Ladungsträger in diesem
Kondensator im Substrat unter der Kondensator-Elektrode ge-
SIz 1 BIa / 21.3.197
Ü09840/0276
sammelt werden. Beim Einsatz solcher Sensoren zur Registrierung sehr schwacher Strahlungsintensitäten erweist sich als
nachteilig, daß diejenige Strahlung, die in dem Sensor die zur Registrierung notwendigen Ladungsträgerpaare hervorruft,
durch Elektroden eines solchen MIS-Kondensators und durch die
Isolierschicht hindurch in den Halbleiter treten muß, da sowohl in der Elektrode wie auch in der Isolierschicht bereits
ein Teil der Strahlung absorbiert wird und somit zur Ladungsträgererzeugung im Halbleitersubstrat nicht mehr zur Verfügung
steht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein als Ladungsspeicher oder als Strahlungssensor — z.B. für Licht oder ionisierende Strahlung
— verwendbares ladungsgekoppeltes Element anzugeben, das auch bei schwachen Strahlungsintensitäten einsatzfähig ist,
und aus aufgrund seiner Ausgestaltung ermöglicht, daß die Ladungsträgerpaarbildung
bewirkende Strahlung nicht durch eine der Elektroden dieses ladungsgekoppelten Elementes hindurchtreten
muß.
Diese Aufgabe wird bei einem wie im Oberbegriff des Patentanspruches
1 angegebenen ladungsgekoppelten Element erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1
angegebenen Weise gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solches Bauelementes ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Die Erfindung beruht auf den folgenden Überlegungen: Die zwischen den Spalten der Elektrode vergrabenen dotierten Bereiche,
die eine zum Substrat entgegengesetzte Dotierung besitzen, können zur Ladungsspeicherung dienen, wenn im Falle eines p-Substrates
und η-dotierter vergrabener Gebiete an den Elektroden
,c ein negatives Potential in bezug auf die dotierten Bereiche
liegt, so daß der dadurch entstehende Potentialwall den Ladungs-
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_ ^- _ 77 P 7 0 3 1 BRD
ic
austausch zwischen den einzelnen vergrabenen dotierten Gebieten verhindert. Dieses negative Potential kann sowohl durch
eine äußere Spannungsquelle wie auch durch Eontaktpotentialdifferenzen im Falle von Schottky-Elektroden erzielt werden.
Durch die nur einseitige Überlappung der Elektroden mit den dazwischenliegenden vergrabenen dotierten Gebieten wird eine
Unsymmetrie der Anordnung hervorgerufen, die bewirkt, daß beispielsweise bei Anlegen einer positiven Spannung an eine der
Elektroden die in einem solchen vergrabenen dotierten Gebiet gespeicherte Ladung nur in einer Richtung in das benachbarte
vergrabene dotierte Gebiet abfließen kann. Durch diesen Umstand kann dieses Bauelement als CCD betrieben werden.
Eine bevorzugte Anwendung dieses erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten
Elementes besteht in der Verwendung als Licht-Sensor oder Sensor für andere Strahlungen, weil die aktiven Speicherbereiche,
die durch die vergrabenen dotierten Gebiete gegeben sind, nicht durch eine absorbierende Elektrode abgedeckt sind.
Weiterhin kann die Isolierschicht in dem Zwischenbereich zwisehen den Elektroden entfernt werden; sie kann auch im Falle
von Schottky-Elektroden völlig fehlen.
Ein weiterer Vorteil dieses erfindungsgemäßen CCD-Bauelementes
besteht darin, daß seine Herstellung nur einen einzigen Maskenschritt
erfordert, und daß daher die sonst sehr aufwendigen Maskenjustierprozesse bei der Herstellung entfallen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben und näher erläutert.
Fig.1 zeigen schematisch den Herstellungsvorgang für das er-
^1 findungsgemäße CCD-Bauelement,
Fig.3 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungs-
-XC- gemäßen CCD-Bauelements,
Fig.4 zeigt eine alternative Ausführungsform mit Schottky-Elektroden,
809840/0276
Fig.5 zeigt schematisch den Betrieb des erfindungsgemäßen
CCD-Bauelements.
Als Beispiel diene die Herstellung eines erfindungsgemäßen CCD in einer MOS-Technik. Auf ein Halbleitersubstrat 1, beispielsweise
einem Siliziumsubstrat, das p-dotiert ist, z.B. mit
14 -"*>
einer Trägerkonzentration von 10 cm , wird eine etwa 120 mn
dicke Siliziumdioxidschicht 2 abgeschieden. Auf dieser Siliziumdioxidschicht 2 wird eine Elektrodenschicht 13, beispielsweise
eine Aluminiumschicht, abgeschieden. Mit Hilfe einer fotolithografischen Technik werden sodann aus dieser Aluminiumschicht
die Elektroden 3 des CCD herausgeätzt. Die Elektroden 3 haben voneinander einen Abstand bis herab zu 1 bis 2/um. Sodann
werden die dotierten vergrabenen Gebiete 4 erzeugt. Diese Gebiete 4 werden in einer Tiefe zwischen etwa 50 mn und 1/um
unter der Substratoberfläche angeordnet. Dies geschieht mit Hilfe einer Ionenimplantation, z.B. von Phosphorionen 5, die
mit einer Beschleunigungsspannung zwischen 30 und ö00 keV und
12 -2 mit einer Bestrahlungsdosis größer als etwa 10 cm in das Substrat eingeschossen werden. Die Dotierung dieser vergrabenen
Gebiete 4 erfolgt dabei "selbstjustierend", da die auf der
Isolierschicht verbliebenen Elektroden 3 des CCD als Implantationsmaske
dienen. Da das Implantationsprofil in dem Halbleitersubstrat nicht exakt durch den Schattenbereich der auf der
Isolierschicht befindlichen Elektroden 3 begrenzt wird, sondern aufgrund der im Substrat stattfindenden Abbremsung der
implantierten Ionen auch eine laterale Ausdehnung besitzt und daher in den Schattenbereich der Masken reicht, entsteht bezogen
euf die Oberflächennormale des Substrates 1 eine Uberlappung zwischen den vergrabenen dotierten Gebieten 4 und den
Elektroden 3. Dieses kann ebenfalls durch Diffusionserscheinungen während des zur Aktivierung der implantierten Teilchen
notwendigen Erwärmungsprozesses auftreten, durch die das Dotierungsprofil noch weiter in den Schattenbereich der Maske 3 hineingetrieben
wird. Die Ausdehnung des Überlappungsbereiches hat vorzugsweise die Größenordnung der Entfernung der vergrabenen
Gebiete 4 von der Substratoberfläche; sie beträgt in dem
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gegebenen Beispiel zwischen etwa 50 mn und 1 /um. In dem nächstfolgenden
Schritt des Herstellungsablaufes erfolgt nun eine Ionenätzung an den auf der Isolierschicht befindlichen Elektroden
3. Diese Ionenätzung wird mit schräg einfallenden Ionen 15 vorgenommen, so daß der in Fig.2 gestrichelt dargestellte
hintere Randbereich 33 der Elektroden abgetragen wird. Der
vordere Randbereich 34 dieser Elektroden wird dabei keilförmig
abgeschrägt (Fig.2). Durch diesen Ionenätzprozeß erhält das Bauelement die in Fig.3 wiedergegebene Struktur, bei der die
Elektroden 3 und die vergrabenen dotierten Gebiete 4 sich nur einseitig überlappen.
In Fig.4 ist eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen
CCD gezeigt, bei der sich auf der Substratoberfläche Schottky-Elektroden 7 befinden. In diesem Falle ist keine Isolierschicht
auf der Substratoberfläche 11 vorhanden, so daß der Lichteinfall völlig ungehindert in das Halbleitersubstrat
erfolgen kan..
Anhand von Fig.5 wird nun die prinzipielle Betriebsweise des
erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Elementes erläutert. Die Fig.5 zeigt im oberen Teil schematisch den Aufbau des erfindungsgemäßen
ladungsgekoppelten Elementes mit den Elektroden 300, 301 und 302 sowie den in dem Substrat befindlichen vergrabenen
dotierten Gebieten 400 und 401. Im unteren Teil der Fig.5 ist schematisch für zwei Speicherzustände der Verlauf des
Potentials U für im Substrat befindliche Elektronen dargestellt. Dabei ist durch die Linie 308 ein Potentialverlauf für einen
Schaltungszustand dargestellt, bei dem an jede der Elektroden
300, 301 und 302 ein gegenüber den vergrabenen dotierten Bereichen 400 und 401 negatives Potential angelegt ist. Durch
Strahlung bzw. Lichteinfall zwischen die Elektroden 300 und werden Ladungsträgerpaare erzeugt, wobei sich die Elektronen
500 dieser Ladungsträgerpaare in dem η-dotierten Gebiet 400 sammeln, während die Defekt-Elektronen zum Substrat 100 abfließen.
Durch die Linie 309 in Fig.5 ist ein Potentialverlauf für einen LadungsverSchiebevorgang dargestellt. Dazu wird das
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77 P
negative Potential an den Elektroden 300 und 302 aufrechterhalten,
und es wird an die Elektrode 301 anstelle eines negativen ein solches positives Potential gelegt, so daß der Potentialwall
unter der Elektrode 301 abgebaut wird. Aufgrund des Überlappungsbereiches zwischen der Elektrode 301 und dem
vergrabenen dotierten Gebiet 401 entsteht eine zusätzliche Potentialmulde 501. Diese zusätzliche Potentialmulde dient
zum Sammeln der Ladungsträger. Wird an die Elektrode 301 im nächsten Schritt des Betriebsverfahrens wieder das negative
Potential angelegt, so können die in der Potentialmulde 501 befindlichen Elektronen nicht mehr in die Potentialmulde zwischen
den Elektroden 300 und 301 zurückfließen.
Beim Betrieb des erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Elements können diejenigen Elemente des CCD, die das Auslesen und Weiterbefördern
der durch die Größe der verschobenen Ladung gegebenen Information besorgen, vor der nachzuweisenden Strahlung
durch eine Abschirmung geschützt werden. Damit wird erreicht, daß beim Weitertransportieren der durch die Strahlung hervorgerufenen
Ladung aus einem bestimmten Bereich des Sensors diese Ladungsmenge nicht durch weitere, in dem Ausleseteil durch
Strahlung hervorgerufenen Ladungsträgerpaarbildung verfälscht wird.
12 Patentansprüche
5 Figuren
5 Figuren
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Claims (12)
1. Ladungsgekoppeltes Element mit einem Halbleitersubstrat
eines ersten Leitungstyps und mit über dem Halbleitersubstrat befindlichen Elektroden, welche in einer Reihe angeordnet
sind, dadurch gekennzeichnet , daß in dem Halbleitersubstrat (1) in Reihe angeordnete vergrabene dotierte
Gebiete (4) des zweiten Leitungstyps vorhanden sind, wobei Jeweils der hintere Rand (32) einer Elektrode (3) bezogen
auf die Ebene der Substratoberfläche senkrecht über
dem vorderen Rand (41) eines dotierten Gebietes (4) liegt, ohne diesen Rand (41) zu überlappen, und daß jeweils der
vordere Rand (31) dieser Elektrode (3) den hinteren Teil (42) des in der Reihe nächstfolgenden vergrabenen dotierten
Gebietes (4) überlappt.
2. Ladungsgekoppeltes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Elektroden (3) auf
einer auf dem Halbleitersubstrat (1) aufgebrachten Isolierschicht (2) befinden.
3. Ladungsgekoppeltes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden als Schottky-Elektroden
(7) auf dem Halbleitersubstrat (1) aufgebracht sind.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet , daß die vergrabenen dotierten Gebiete (4) durch Ionenimplantation dotiert sind.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (1)
aus p-leitendem Silizium besteht, mit einer Trägerkonzentra-
14 -3
tion von etwa 10 cm .
tion von etwa 10 cm .
80 9 81070 2 7 6
ORiGJNAL INSPECTED
6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet , daß die vergrabenen dotierten Gebiete (4) mit einer Trägerkonzentration von etwa
17 — Tt
10 ' cm J η-leitend dotiert sind.
7. Ladungsgekoppeltes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die vergrabenen
dotierten Gebiete (4) in einem Abstand von etwa 50 bis 1000 nm von der Substratoberfläche (11) entfernt liegen und in die
Tiefe eine Ausdehnung von 10 bis 300 nm aufweisen.
8. Ladungsgekoppeltes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand der
vergrabenen dotierten Gebiete (4) voneinander etwa 500 nm beträgt.
9. Verwendung eines ladungsgekoppelten Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Strahlungs-Sensor.
10.Verwendung eines ladungsgekoppelten Elements nach einem der
Ansprüche 1 bis 8 als Sensor für sichtbares Lirht.
11.Verfahren zur Herstellung eines ladungsgekoppelten Elements
nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch den folgenden Ablauf von Verfahrensschritten:
a. Aufbringen einer Isolierschicht (2) mit einer Dicke von 120 nm auf ein p-leitendes Siliziumsubstrat (1),
b. Aufbringen einer Reihe von Elektroden (3) auf die Isolierschicht
unter Verwendung einer fotolithografischen Technik,
c. Implantation von η-dotierenden Ionen (5) mit einer kinetischen
Energie zwischen 30 und 900 keV und mit einer Implan-
12 —2 tationsdosis von etwa 10 Ionen cm ,
d. Abätzen des hinteren Randgebietes (33) der auf der Isolierschicht
befindlichen Elektroden (3) mittels eines
809840/Ό27Ρ
27 IJÖ76
- «9 - 77 P 70 3 1 BRD
Ionenätzverfahrens, bei dem die Ionen in einer gegenüber
der Oberflächennormale des Halbleitersubstrates geneigten Richtung einfallen.
12.Verfahren zur Herstellung eines ladungsgekoppelten Elements
nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den Ablauf folgender Verfahrensschritte:
a. Aufbringen einer Schottky-Eontakte bildenden Metallschicht
auf ein Siliziumsubstrat,
b. Herausätzen einzelner Elektroden (7) aus der Metallschicht unter Verwendung einer fotolithografischen Technik,
c. Erzeugung der vergrabenen dotierten Gebiete mittels Implantation
von η-dotierenden Ionen mit einer kinetischen Energie zwischen 30 und 900 keV und einer Dosis von etwa
12 —P
10 Ionen cm ,
10 Ionen cm ,
d. Abätzen des hinteren Randbereiches (33) der Elektroden durch Ionenätzen, wobei die Einfallsrichtung der Ionen
gegenüber der Oberflächennormale des Halbleitersubstrates geneigt ist.
809840/027 f.
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Also Published As
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| US4208668A (en) | 1980-06-17 |
| FR2386140B1 (de) | 1983-01-21 |
| FR2386140A1 (fr) | 1978-10-27 |
| DE2713876C2 (de) | 1983-09-22 |
| GB1556391A (en) | 1979-11-21 |
| JPS53121585A (en) | 1978-10-24 |
| JPS624150U (de) | 1987-01-12 |
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