DE2746335C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit den Merkmalen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist Gegenstand des älteren Rechts gemäß DE-PS 26 34 312 und wird im einzelnen anhand der Fig. 3 bis 6 erläutert.

Durch die DE-OS 25 02 235 ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements bekannt, bei dem asymmetrische, die Ladungsübertragung in einer Richtung bewirkende, sich über die gesamte Breite des Ladungsübertragungskanals erstreckende Bereiche im Halbleitersubstrat durch Ionen-Implantation einer Verunreinigung mit den Steuerelektroden als Masken gebildet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß die anhand der Fig. 3 bis 6 erläuterte, erforderliche genaue Lagebeziehung der einzelnen Bereiche innerhalb des ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementes auf fertigungstechnisch einfache Weise erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 11 beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 vergrößert eine Aufsicht eines bekannten ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Aufsicht eines Hauptteils eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements, das durch das Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurde,

Fig. 4 und 5 Querschnitte längs der Linien IV-IV und V-V in Fig. 3,

Fig. 6 einen Querschnitt zur Erläuterung der Arbeitsweise des Halbleiterbauelements gemäß den Fig. 3 bis 5, und

Fig. 7 bis 11 Darstellungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst anhand der Fig. 1 und 2 ein bekanntes ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement beschrieben. In Fig. 1 ist 1 ein Halbleitersubstrat vom Leitungstyp, z. B. ein N-Siliziumsubstrat. Eine erste Isolierschicht 2 A aus SiO₂ oder dergleichen ist auf der Hauptfläche des Siliziumsubstrats 1 gebildet. Steuerelektroden 3 A, die aus einer polykristallinen Siliziumschicht mit niedrigem spezifischen Widerstand hergestellt sind, in die z. B. eine Verunreinigung dotiert ist, sind auf der Isolierschicht 2 A mit einem bestimmten Abstand d zwischen benachbarten Elektroden 3 A gebildet; eine zweite Isolierschicht 2 B, z. B. aus SiO₂, ist auf der ersten Isolierschicht 2 A und den Steuerelektroden 3 A gebildet. Außerdem sind Steuerelektroden 3 B, z. B. aus Metall, auf der zweiten Isolierschicht 2 B zwischen benachbarten Steuerelektroden 3 A gebildet. Die benachbarten Steuerelektroden 3 A und 3 B sind elektrisch zu Steuerelektrodengruppen 3 verbunden; aufeinanderfolgende Steuerelektrodengruppen 3 sind abwechselnd mit zwei Leitungen verbunden, denen zweiphasige Taktimpulse Φ₁ und Φ₂ zugeführt werden.

Bei diesem bekannten ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement ist unter den Steuerelektroden 3 A nur die erste Isolierschicht 2 A vorhanden, während unter den Steuerelektroden 3 B die erste und zweite Isolierschicht 2 A und 2 B vorhanden ist. Die Dicken der Isolierschicht unter den Steuerelektroden 3 A und 3 B sind verschieden, so daß, selbst wenn die gleiche Spannung an die Steuerelektrodengruppen 3 angelegt wird, die Oberflächenpotentiale unter den Steuerelektroden 3 A und 3 B verschieden sind und ein asymmetrisches Potential in dem Substrat 1 unter den Elektroden erzeugt wird. Durch Anlegen zweiphasiger Taktspannungen an die Elektrodengruppen wird ein stufenförmiges Potential zwischen benachbarten Ladungsübertragungsteilen erzeugt, das in der einen Richtung abnimmt. Dadurch können z. B. in der durch die Pfeile 4 in Fig. 1 angegebenen Richtung Ladungsübertragungen durchgeführt werden.

In Fig. 1 sind mit 5 Kanalbegrenzungsbereiche zwischen den jeweiligen Übertragungsleitungen, z. B. zwischen den vertikalen Schieberegistern, bezeichnet. Diese Kanalbegrenzungsbereiche 5 sind durch wahlweise Diffusion einer Verunreinigung in die Oberfläche des Substrats 1 gebildet und haben alle die gleiche Leitfähigkeit wie das Substrat 1, jedoch eine höhere Verunreinigungskonzentration als das Substrat 1, um die Übertragungsleitung zu begrenzen.

Wie zuvor beschrieben wurde, kann mit dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement eine Ladungsübertragung durch zweiphasige Taktspannungen erreicht werden. Die Herstellung ist jedoch ziemlich kompliziert, da zur Erzeugung eines asymmetrischen Potentials in den jeweiligen Ladungsübertragungsbereichen die beiden Steuerelektroden, die eine Steuerelektrodengruppe bilden, durch die Isolierschichten unterschiedlicher Dicke an dem Substrat gebildet sind.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird in dem älteren Recht gemäß DE-PS 26 34 312 ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement vorgeschlagen, bei dem ein asymmetrisches Potential dadurch erzeugt wird, daß ein durch die Kanalbegrenzungsbereiche erzeugtes Potential angewandt wird.

Ein Beispiel dieses Halbleiterbauelementes wird nun anhand der Fig. 3 bis 6 beschrieben. Bei diesem Beispiel sind Kanalbegrenzungsbereiche 5, die vertikale Ladungsübertragungskanäle begrenzen und von denen jede bandförmig ausgebildet ist, z. B. in einem N-Halbleitersubstrat 1 aus Silizium parallel zueinander in vertikaler Richtung gebildet. Jeder der Kanalbegrenzungsbereiche ist der Hauptfläche 1 a des Halbleitersubstrats 1 zugewandt. Auf der Hauptfläche 1 a des Halbleitersubstrats 1 ist eine Isolierschicht 2 aus SiO₂ oder dergleichen gebildet, und horizontal verlaufende Steuerelektroden 3, von denen jede bandförmig ist, sind auf der Isolierschicht 2 über den vertikalen durch die Kanalbegrenzungsbereiche 5 getrennten Ladungsübertragungskanälen gebildet. Von jedem Kanalbegrenzungsbereich 5 gehen Ansätze 5 a seitlich von den vertikalen Ladungsübertragungskanälen aus. Die Ansätze 5 a sind in Ladungsübertragungsteilen 10 unter den Elektroden 3 hinten - bezogen auf die durch die Pfeile 4 in Fig. 3 angegebene Ladungsübertragungsrichtung - gebildet, so daß schmale Bereiche 6 in den Ladungsübertragungskanälen durch die Ansätze 5 a gebildet sind, die von dem Potential der Kanalbegrenzungsbereiche 5 beeinflußt werden. Bei diesem Beispiel sind ähnlich wie bei dem vorherigen Beispiel die jeweils übernächsten Elektroden elektrisch verbunden, um zwei Gruppen Elektroden zu bilden, denen zweiphasige Taktspannungen Φ₁ und Φ₂ zugeführt werden.

Da bei dem oben beschriebenen ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement in jedem Übertragungsteil 10 das Oberflächenpotential an den schmalen Teilen von dem an dem anderen Teil verschieden ist, ist das Potential bezüglich der Ladungsübertragungsrichtung asymmetrisch. Wird daher (vgl. Fig. 6) eine negative Taktspannung Φ von z. B. -10 V an eine der benachbarten Elektroden 3 angelegt, so wird eine Potentialverteilung erzeugt, wie sie durch die gestrichelte Linie in Fig. 6 angegeben ist. Wie die gestrichelte Linie in Fig. 6 zeigt, werden Potentialschwellen, die um Δ a und Δ b höher als die anderen Potentiale sind, in den schmalen Bereichen 6 der Übertragungsteile 10 unter den Elektroden 3 durch die Wirkung der Ansätze 5 a der Kanalbegrenzungsbereiche 5 erzeugt. Damit ergibt sich von dem Teil unter den Elektroden 3, die am Potential 0 V liegen, zu dem Teil unter den Elektroden 3, die am Potential -10 V liegen, eine stufenförmige Spannung; die Ladungen werden daher in der durch den Pfeil 4 in Fig. 6 angegebenen Richtung übertragen.

Das beschriebene ladungsgekoppelte Halbleiterbauelement erzeugt ein asymmetrisches Potential ohne daß die Dicke der Isolierschicht zwischen dem Substrat und den Elektroden geändert werden muß. Dabei sollte eine bestimmte Lagebeziehung zwischen dem in Ladungsübertragungsrichtung gesehen hinteren Rand des schmalen Bereiches 6, bzw. der Linie, die die hinteren Ränder der gegenüberliegenden Ansätze 5 a verbindet, dem hinteren Rand der Elektrode 3, die über dem schmalen Bereich 6 gebildet ist, und dem vorderen Rand der auf diese Elektrode folgenden Elektrode 3 so genau wie möglich sein.

Das Verfahren der Erfindung ermöglicht es, das oben anhand der Fig. 3 bis 6 beschriebene ladungsgekoppelte Halbleiterbauelement auf einfache Weise herzustellen.

Ein Beispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung wird nun anhand der Fig. 7 bis 11 beschrieben, von denen die Fig. 7A bis 11A vergrößert Hauptteile bei den jeweiligen Herstellungsverfahren, die Fig. 7B, 7C, 7D, 8B, 8C, 8D bis 11B, 11C, 11D Querschnitte längs der Linien B-B, C-D und D-D in den Fig. 7A, 8A bis 11A und Fig. 11B einen Querschnitt längs der Linie B′-B′ in Fig. 11A darstellen.

Wie Fig. 7 zeigt, wird zunächst ein Halbleitersubstrat vom einen Leitungstyp, z. B. ein N-Halbleitersubstrat 1, hergestellt. Bandförmige Kanalbegrenzungsbereiche 5 werden in dem Substrat 1 parallel zueinander und mit einem vorbestimmten Abstand zwischeneinander so hergestellt, daß sie der Hauptfläche 1 a des Substrats 1 zugewandt sind und vertikale Ladungsübertragungskanäle begrenzen. Diese Kanalbegrenzungsbereiche 5 können durch ein bekanntes Verfahren, z. B. durch wahlweise Diffusion, gebildet werden. Danach wird SiO₂ auf die Hauptfläche 1 a durch ein bekanntes Verfahren, z. B. durch thermische Oxidation oder dergleichen, bis zu einer bestimmten Dicke aufgebracht, um eine Isolierschicht 2 zu bilden. Auf der gebildeten Isolierschicht 2 werden zunächst erste Steuerelektroden 13, die die Steuerelektrode jedes zweiten Ladungsübertragungsteils bilden, die vertikalen Ladungsübertragungskanäle und die Kanalbegrenzungsbereiche 5 in horizontaler Richtung schneidend hergestellt. Jede erste Elektrode 13 ist bandförmig, hat jedoch einen Vorsprung 13 a, der von einer Seite der bandförmigen Elektrode 13 ausgehend etwa in der Mitte des vertikalen Ladungsübertragungskanals liegt, der von den Kanalbegrenzungsbereichen 5 begrenzt wird. Das Verfahren zur Herstellung der ersten Elektrode 13 mit dem Vorsprung 13 a besteht darin, daß eine Halbleiterschicht, z. B. eine polykristalline Siliziumschicht mit niedrigem spezifischen Widerstand, aufgrund einer Verunreinigungsdotierung auf der Oberfläche der Isolierschicht 2 durch ein chemisches Aufwachsverfahren gebildet wird und dann die unnötigen Teile durch ein Fotoätzverfahren zur Bildung des gewünschten Musters entfernt werden.

Anschließend wird, wie Fig. 8 zeigt, die Isolierschicht 2 mit den ersten Elektroden 13 als Maske von der Hauptfläche 1 a des Substrats 1 aus selektiv geätzt.

Danach wird, wie Fig. 9 zeigt, ein Isoliermaterial, wie SiO₂, auf die ersten Elektroden 13 und die Hauptfläche 1 a aufgebracht, z. B. durch thermische Oberflächenoxidation, um eine zweite Isolierschicht 2′ zu bilden, die nach Material und Dicke der ersten Isolierschicht 2 entspricht.

Danach werden, wie Fig. 10 zeigt, die Elektroden 23 der anderen Ladungsübertragungsteile auf der zweiten Isolierschicht 2′ zwischen den benachbarten ersten Elektroden 13 selektiv gebildet. Die zweiten Steuerelektroden 23 werden durch das gleiche Verfahren wie die ersten Steuerelektroden 13 hergestellt. Hierbei wird ein Vorsprung 23 a von einer Seite jeder zweiten Steuerelektrode 23 in deren Mitte gebildet, so daß der Vorsprung 23 a von den gleichen vertikalen Linien wie der Vorsprung 13 a der ersten Steuerelektroden 13 begrenzt wird. Die zweite Steuerelektrode 23 kann so gebildet werden, daß sie teilweise das vordere Ende des Vorsprungs 13 a der ersten Elektrode 13 um die Strecke W überlappt, die kleiner als z. B. 1 µm ist, ansonsten jedoch von der Elektrode 13 um eine bestimmte Strecke d entfernt ist.

Danach wird, wie Fig. 11 zeigt, eine Verunreinigung vom gleichen Leitungstyp wie das Substrat 1 von der Hauptfläche 1 a des Substrats 1 her an den Bereichen, wo keine ersten und zweiten Steuerelektroden 13 und 23 vorhanden sind, mit einer bestimmten Implantationsenergie implantiert, wobei die Steuerelektroden als Maske für die Verunreinigungsdotierung dienen. Die Bereiche hoher Verunreinigungskonzentration bzw. die Vorsprünge 5 a der Kanalbegrenzungsbereiche 5 werden in den Bereichen zwischen den beiden Elektroden 13 und 23 mit dem Abstand d gebildet. Die Dicke der Isolierschichten 2 und 2′ wird z. B. zu 130 nm und die der polykristallinen Schichten z. B. zu 500 nm gewählt, so daß es möglich ist, durch geeignete Wahl der Dotierungsenergie die Vorsprünge 5 a nur in den Bereichen zu erzeugen, wo keine Elektroden 13 und 23 vorhanden sind. Auf diese Weise wird ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement 20 erzeugt, das schmale Bereiche 6 zwischen gegenüberliegenden Vorsprüngen 5 a der Kanalbegrenzungsbereiche 5 (entsprechend Fig. 3 bis 6) aufweist.

Wenn bei dem durch das beschriebene Verfahren hergestellten Halbleiterbauelement 20 zweiphasige Taktimpulse Φ₁ und Φ₂ an die Elektroden 13 und 23 angelegt werden, wird ein Potential, das bezüglich der Ladungsübertragungsrichtung in dem schmalen Bereich 6 durch die Wirkung des Kanalbegrenzungsbereichs 5, 5 a asymmetrisch ist, in dem Ladungsübertragungsteil unter den Steuerelektroden 13 und 23 erzeugt.

Entsprechend dem zuvor beschriebenen Verfahren wird der Vorsprung 5 a des Kanalbegrenzungsbereichs 5 mit der Länge d zwischen den Elektroden 13 und 23 auf jedem Ladungsübertragungsteil gebildet, so daß die vorderen und hinteren Enden der Elektroden 13 und 23 und der schmale Bereich 6 mit einer bestimmten Lagebeziehung genau erzeugt werden können und durch die Isolierschicht 2′ ein Kurzschluß zwischen den Elektroden 13 und 23 vermieden wird.

Bei dem zuvor beschriebenen Beispiel werden während des in Fig. 8 gezeigten Verfahrensabschnitts die Teile der Isolierschicht 2, an denen die zweiten Steuerelektroden 23 gebildet werden, selektiv entfernt, und danach wird darauf die Isolierschicht 2′ gebildet. Es ist jedoch möglich, ohne Entfernen der Isolierschicht 2 die Isolierschicht 2′ mit relativ geringer Dicke auf der Isolierschicht 2 zu bilden. Dabei sind die Dicken der Isolierschichten unter jeder Elektrode 13 und 23 verschieden. Die Ladungsübertragung kann durch geeignete Wahl der Taktspannung ohne Schwierigkeit durchgeführt werden.

Bei dem vorherigen Beispiel wird während der Verunreinigungsdotierung zur Bildung des Vorsprungs 5 a des Kanalbegrenzungsbereichs 5 die Tatsache, daß die Bereiche, auf denen die ersten und zweiten Steuerelektroden 13 und 23 gebildet werden, dicker sind als der übrige Bereich, ausgenutzt, um die Verunreinigung mit der Erstreckung d zwischen den Steuerelektroden 13 und 23 bis zu dem Substrat 1 durch geeignete Wahl der Ionenimplantationsenergie zu dotieren. Es ist jedoch in bestimmten Fällen möglich, vor dem Verfahren in Fig. 11 die Teile der Isolierschicht 2′ zwischen den ersten und zweiten Elektroden 13 und 23 durch Ätzen mit den Elektroden 13 und 23 als Ätzmaske zu entfernen, dann durch den Bereich, von dem die Isolierschicht 2′ entfernt wurde, eine Verunreinigung in das Substrat 1 durch wahlweise Diffusion oder Ionenimplantation mit hoher Verunreinigungskonzentration zu implantieren und so die Bildung des Vorsprungs 5 a des Kanalbegrenzungsbereichs 5 durchzuführen.

Bei dem ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement des vorherigen Beispiel sind der Kanalbegrenzungsbereich 5 und der Vorsprung 5 a in dem Substrat 1 N-leitend. Es ist jedoch ersichtlich, daß auch ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit der gleichen Wirkung hergestellt werden kann, das die entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweist. Obwohl ferner als Beispiel ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement des Oberflächentyps beschrieben wurde, kann die Erfindung auch auf ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit vergrabenem Kanal angewandt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements mit einem Halbleitersubstrat, in dem mindestens ein durch Kanalbegrenzungsbereiche begrenzter Ladungsübertragungskanal gebildet ist, bei dem längs jedes Ladungsübertragungskanals aufeinanderfolgende Ladungsübertragungsteile vorgesehen sind, von denen jeder eine auf einer auf dem Halbleitersubstrat angebrachten Isolierschicht angeordnete Steuerelektrode aufweist und bei denen in jedem ein durch Dotierung gebildeter Bereich im Halbleitersubstrat vorgesehen ist, durch den die Breite des Ladungsübertragungskanals eingeengt ist, derart, daß ein effektives, asymmetrisches, die Ladungsübertragung in einer Richtung des Ladungsübertragungskanals bewirkendes Potential erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem mit der Isolierschicht versehenen, die Kanalbegrenzungsbereiche enthaltenden Halbleitersubstrat eine erste leitende Schicht und eine zweite leitende Schicht elektrisch isoliert von der ersten leitenden Schicht gebildet werden und daß die ersten und zweiten leitenden Schichten so strukturiert werden, daß die erste leitende Schicht die Steuerelektrode jedes zweiten Ladungsübertragungsteils bildet, daß die zweite leitende Schicht die Steuerelektrode jedes anderen zweiten Ladungsübertragungsteils bildet und daß die erste und zweite leitende Schicht für jeden Ladungsübertragungsteil eine Dotierungsmaske bilden, durch die im Halbleitersubstrat durch Dotierung mit einer Verunreinigung in jedem Ladungsübertragungsteil die die Breite des Ladungsübertragungskanals einengenden Bereiche erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich, der die Breite des Ladungsübertragungskanals einengt, als ein vom Kanalbegrenzungsbereich ausgehender Abschnitt gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten leitenden Schichten aus polykristallinem Silizium gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten leitenden Schichten quer zur Ladungsübertragungsrichtung verlaufen, über den Ladungsübertragungskanal einander teilweise überlappen und einen Spalt dazwischen bilden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung durch Ionenimplantation durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalbegrenzungsbereiche durch Oberflächenabschnitte des Substrats mit einer höheren Verunreinigungskonzentration als die übrige Oberfläche des Substrats gebildet werden.