DE2713876C2 - Ladungsgekoppeltes Element (CCD) - Google Patents
Ladungsgekoppeltes Element (CCD)Info
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- H01L29/76833—Buried channel CCD
Description
a) Aufbringen einer Isolierschicht (2) mit einer Dicke von 120nm auf ein p-leitendes Siliziumsubstrat
(1).
b) Aufbringen einer Reihe von Elektroden (3) auf b5
die Isolierschicht unter Verwendung einer fotolithografischen Technik,
c) Implantation von η-dotierten Ionen (5) mit einer
kinetischen Energie zwischen 30 und 900 KeV und mit einer Implantationsdosis von etwa IO12
Ionen cm~2,
d) Absätzen des hinteren Randgebietes (33) der auf der Isolierschicht befindlichen Elektroden
(3) mittels eines Ionenätzverfahrens, bei dem die Ionen in einer gegenüber der Oberflächennormale
des Halbleitersubstrates geneigten Richtung einfallen.
10. Verfahren zur Herstellung eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementes nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch den Ablauf folgender Verfahrensschritte:
a) Aufbringen einer Schottky-Kontakte 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 n-dotierten Ionen mit
einer kinetischen Energie zwischen 30 und 900 keV und einer Dosis von etwa 1012 Ionen
cm-2,
d) Abätzen des hinteren Randbereiches (33) der Elektroden «lurch Ionenätzen, wobei die Einfallsrichtung
der Ionen gegenüber der Oberflächennormale des Halbleitersubstrates geneigt ist.
Die Erfindung betrifft ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement,
wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist, sowie ein Verfahren zu seiner
Herstellung.
Ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruches I ist aus der DE-OS
23 52 330 bekannt. Da bei dem bekannten ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement der in der Ladungsübertragungsrichtung
gesehene vordere Rand der im Anspruch 1 angesprochenen Elektrode ebenfalls senkrecht
über dem in Ladungsübertragungsrichtung gesehenen nächstfolgenden dotierten Gebiet liegt und dieses
nicht überlappt, sind zum bestimmungsgemäßen Betrieb des Halbleiterbauelements drei-phasige Taktsignale
erforderlich, welch« an jeweils drei benachbarten Elektroden anzulegen sind.
Aufgabe der Erfindung ist nun, ein gattungsgemäßes ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement so auszubilden,
daß dieses sich mit zwei-phasigen Taktsignalen betreiben läßt.
Diese Aufgabe wird bei einem ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art
durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements
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 ein negatives Potential in bezug auf die
dotierten Bereiche liegt, so, daß der dadurch entstehende PotentialwpJ! den Ladungsaustausch zwischen den
einzelnen vergrabenen dotierten Gebieten verhindert. Dieses negative Potential kann sowohl durch eine
äußere Spannungsquelle wie auch durch K-ontaktpotentialdifferenzen
im Falle von Schottky-Elektroden erzielt werden. Durch die nur einbettige Überlappung der
Elektroden mit den dazwischenliegenden vergrabenen dotierten Gebieten wird im Gegensatz zu der aus der
DE-OS 23 52 33C bekannten Anordnung eine Unsymmetrie der Anordnung hervorgerufen, die bewirkt, daß
beispielsweise bei Anlegen einer positiven Spannung an eine der Elektroden die in einem soichen 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 Halbleiterbauelements besteht
in der Verwendung als Sensor für Strahlung, welche in den aktiven Speicherbereichen Ladungsträger freisetzt,
zum Beispiel als Sensor für Licht öder ionisierende
Strahlung. Diese Anwendungsmöglichkeit ist deshalb
gegeben, weil die aktiven Speicherbereiche, die durch die vergrabenen dotierten Gebiete gegeben sind, nicht
durch absorbierende Elektroden abgedeckt sind.
Im folgenden v/ird die Erfindung anhand der in den
Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben und näher erläutert.
Fig. 1 und 2 zeigen schematisch den Herstellungsgang
für das erfindungsgemäße CCD-Bauelement.
Fig.3 zeigt schematisch eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen CCD-Bauelements.
Fig 4 zeigt eine alternative Ausführungsform mit Schottky-Elektroden.
F i g. 5 zeigt schematisch den Betrieb des erfindungsgemäßen CCD-Bauelements.
Zur Erläuterung der Erfindung sei zunächst die Herstellung und der Aufbau des oben gekennzeichneten
Bauelements in einer MOS-Technik beschrieben. Auf ein Halbleitersubstrat 1, beispielsweise einem Siliziumsubstrat,
das p-dotiert ist, z. B. mit einer Trägerkonzentration von )0I4cm-3, wird eine etwa 12Cnm 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 μπι.
Sodann werden die dotierten vergrabenen Gebiete 4 erzeugt. Diese Gebiete 4 werden in einer Tiefe zwischen
etwa 50 nm und 1 μπι unter der Substratoberflänhe
angeordnet. Dies geschieht mit Hilfe einer Ionenimplantation, z. B. von Phosphorionen 5, die mit einer
Beschleunigungsspannung zwischen 30 und 800 keV und mit einer Bestrahlungsdosis größer als etwa 1012 cm-2 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 Schattcnbercich
der Masken reicht, entsteht bezogen auf die Oberflächennormale
des Substrates 1 eine Überlappung zwischen den vergrabenen dotierten Gebieten 4 und
den Elektroden 3. Dieses kann ebenfalls durch Diffusion der implantierten Teilchen während des üblichen
Erwärmungsprozesses auftreten,- dabei wird das Dotierungsprofil noch weiter in den Schattenbereich der
Maske 3 hineingetrieben. Die Ausdehnung des Überlappungsbereiches hat vorzugsweise die Größenordnung
der Entfernung der vergrabenen Gebiete 4 von der
in Substratoberfläche; sie beträgt in dem gegebenen Beispiel zwischen etwa 50 nm und 1 μιτι. 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 F i g. 2 gestrichelt dargestellte hintere Randbereich 33 der Elektroden abgetragen wird. Der vordere Randbereich
34 dieser Elektroden wird dabei keilförmig abgeschrägt (Fig.2). Durch diesen lonenätzprozeß
erhält das Bauelement die in F i g. 3 wiedergegebene Struktur, bei der die Elektroden 3 w >
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 kann.
Anhand von Fig. 5 wird nun die prinzipielle
Anhand von Fig. 5 wird nun die prinzipielle
J<> Betriebsweise des erfindungsgemäßer·, ladungsgekoppelten
Elementes erläutert. Die F i g. 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
J5 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
verg-.dbenen dotierten Bereichen 400 und 401 negatives Potential angelegt ist. Durch Strahlung bzw. Lichteinfall
zwischen die Elektroden 300 und 301 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 F i g. 5 ist ein Potentialverlauf für einen Ladungsverschiebevor-
w gang dargestellt. Dazu wird das 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 untsr 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 Potcn'ialmulde
zwischen den Elektroden 300 und 301 Äurückfließcn.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen ladungsgc-
bi koppelten Elements als Strahlungs-Sensor sollten
diejenigen Bereiche ücs CCD. die das Auslesen und Weiterbefördern der durch die Strahlung ausgelösten
Ladung besorgen, vor der einfallenden Strahlung durch
eine Abschirmung geschützt werden. Damit wird erreicht, daß in den Bereichen des als Strahlungs-Sensor
betriebenen CCD. in welchen die primär ausgelöste Ladung weitertransportiert und ausgelesen wird, nicht
weitere Ladungsträger freigesetzt werden, welche die auszulesende Information verfälschen würden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps
und mit über dem Halbleitersubstrat angeordneten Elektroden, weiche in einer Reihe angeordnet sind,
bei dem in dem Halbleitersubstrat in Reihe angeordnete vergrabene dotierte Gebiete des
entgegengesetzten Leitungstyps derart angeordnet sind, daß jeweils der in Ladungsübertragungsrichtung
gesehen hintere Rand einer Elektrode bezogen auf die Ebene der Substratoberfläche senkrecht über
dem in Ladungsübertragungsrichtung gesehen vorderen Rand eines dotierten Gebietes liegt, ohne
diesen Rand zu überlappen, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der in Ladungsübertragungsrichtung
gesehen vordere Rand (31) dieser Elektrode (3) den in Ladungsübertragungsrichtung
geseheir hinteren Teil (42) des in der Reihe
nächstfoigerrlen vergrabenen dotierten Gebietes (4) >o
überlappt.
2. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich
die Elektroden (3) auf einer auf dem Halbleitersubstrat (1) aufgebrachten Isolierschicht (2) befinden.
3. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Elektroden als Schottky-Elektroden (7) auf dem Halbleitersubstrat (1) aufgebracht sind.
4. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die vergrabenen dotierten Gebiete (4) durch IonerJmpIamution dotiert sind.
5. Ladungsgekoppelt Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche Ί bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) aus p-leitendem Silizium besteht, mit einer Trägerkonzentration
von etwa 1014 cm-3.
6. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die vergrabenen dotierten Gebiete (4) mit einer Trägerkonzentration von etwa
1017 cm-J n-Ieitend dotiert sind.
7. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement 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 Halbleiterbauelement nach einem dei" Ansprüche I bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstand der vergrabenen dotierten Gebiete (4) voneinander etwa 500 nm
beträgt.
9. Verfahren zur Herstellung eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements nach einem der
Ansprüche I bis 8 ausgenommen Anspruch 3, gekennzeichnet durch den folgenden Ablauf von
Verfahrensschritten: bo
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