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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Festkörper-Bildsensor, insbesondere
einen Infrarot-Festkörper-Bildsensor mit Infrarotsensorelementen vom Schottky-Typ,
und in dem jedes eine Schottky-Übergangszone aufweist.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine Grundkonfiguration eines konventionellen
Infrarot-Festkö.rper-Bildsensors. Der darin gezeigte Infrarot-Festkörper-Bildsensor
weist Infrarotsensorelemente 100, Transfer-MOS-Transistoren 200, Vertikalregister
300, ein Horizontalregister 400 und ein Ausgangsteil 500 auf.
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Die Infrarotsensorelemente 100 sind vom Schottky-Typ, wo eine Ladung,
die der Menge der infraroten Strahlung entspricht, gespeichert wird und werden nicht
nur in horizontaler Richtung (Reihen) sondern auch in vertikaler Richtung (Spalten)
in einem Abstand voneinander angeordnet. Die Transfer-MOS-Transistoren 200 sind
gemeinsam mit den jeweiligen Spalten der Infrarotsensorelemente 100 in der vertikalen
Richtung angeordnet zur Entladung der gespeicherten Ladungen dieser Infrarotsensorelemente
100 in die Vertikalregister wie unten diskutiert ist. Die Vertikalregister 300 sind
in Parallelverbindung mit den Transfer-MOS-Transistoren 200 angeordnet und mit Ladungsverschiebeelementen
(CCD = charge coupled device) versehen zum sequentiellen Transfer der gespeicherten
Ladungen der jeweiligen Infrarotsensorelemente von den Transfer-MOS-Transistoren
200 an Ausgangsanschlüsse. Das Horizontalregister 400 ist gemeinsam mit allen der
Ausgangsanschlüsse der jeweiligen Vertikalregister 300 verbunden und ist mit einem
CCD zum weiteren sequentiellen Transfer der Ladungen von diesen Vertikalregistern
300 an einen Ausgangsanschluß versehen. Der Ausgangsteil 500 ist mit dem Ausgangsanschluß
des Horizontalregisters 400 zum Liefern der Ladungen in Form von Spannung oder ähnlichem
von dem Horizontalregister 400 zum äußeren des Sensors verbunden. Die Transfer-M0S-Transistoren
200, die
Vertikalregister 300, das Horizontalregister 400 und der
Ausgangsteil 500 bilden zusammen eine Ausleseeinrichtung, durch die die gespeicherten
Ladungen der Mehrzahl der zweidimensional angeordneten Infrarotsensorelemente 100
nacheinander ausgelesen werden und zum Äußeren des Sensors in der Form von elektrischen
Signalen geliefert werden.
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Figur 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie II-II in Figur 1. Die
Verunreinigungskonzentration eines Siliziumsubstra-14 1 vom -Typ liegt wischen 1014
und 15 tes 1 vom p-Typ liegt zwischen 1014 und 1015 Atome/cm3. Außer über den Teilen
einer Hauptoberfläche des Siliziumsubstrates 1 vom p-Typ, wo Schottky-Übergangszonen
definiert werden sollen sind Siliziumoxydschichten 2 angeordnet. Über durch die
Siliziumoxydschichten 2 isolierten Teilen der Hauptoberfläche des Siliziumsubstrates
1 vom p-Typ sind metallische Elektroden 3 zur Definition der Schottky-Ubergangszonen
angeordnet. Geeignetes Material für die metallischen Elektroden 3 ist ein Metall
wie z.B. Gold (Au) und Palladium (Pd) oder eine niedergeschlagene Schicht eines
Metall-Silicids wie z.B. Platin-Silicid (Pt.Si), Palladium-Silicid (Pd.Si) und Iridium-Silicid
(Ir~Si). Ein Schutzring 4 aus einer Region vom n-Typ ist an dem Teil des Siliziumsubstrats
1 vom p-Typ angeordnet, welcher mit der Peripherie der metallischen Elektrode 3
in Kontakt ist. Weiter ist an einem peripherischen Teil der Oberfläche der metallischen
Elektrode 3 eine Elektrodenleitung 5 aus einer Aluminiumschicht angeordnet. Es sei
darauf hingewiesen, daß das Siliziumsubstrat 1 vom p-Typ, die metallische Elektrode
3, der Schutzring 4 und die Elektrodenleitung 5 das Infrarotsensorelement 100 nach
Figur 1 bilden. An dem Teil der Hauptoberfläche des Siliziumsubstrates vom p-Typ
in unmittelbarer Umgebung der äußeren Peripherie des Schutzrings 4 ist eine Region
vom n+-Typ an einem Teil der Oberfläche, mit der die Oberflächenleitung 5 durch
die Siliziumoxydschicht 2 verbunden ist, angeordnet. Innerhalb des Teils der Siliziumoxydschicht
2, die sich von der n+-Typ-Region 6 zu einer Region
mit versenktem
Kanal vom n-Typ erstreckt ist, wie unten diskutiert, eine Gate-Elektrode 7 gegenüber
der Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 1 vom p-Typ versenkt. Die Gate-Elektrode
7 ist eine Gate-Elektrode für die Transfer-MOS-Transistoren 200 der Figur 1 und
wird im folgenden als "Transfer-Gate-Elektrode" bezeichnet. Weiter ist eine Region
mit versenktem Kanal vom n-Typ 8 unter und außerhalb eines Randteils der Hauptoberfläche
des Siliziumsubstrates 1 vom p-Typ gegenüber der t+-Typ-Region 6 der Transfer-Gatter-Elektrode
7 vorgesehen. Innerhalb der Siliziumoxydschicht 2 ist eine Gate-Elektrode 9 versenkt,
die sich über einen Randteil der Transfer-Gatter-Elektrode 7 gegenüber dem Infrarotsensorelement
100 erstreckt und parallel mit der Oberfläche der Region mit versenktem Kanal vom
n-Typ 8 parallel verläuft. Die Region mit versenktem Kanal vom n-Typ 8 und die Gate-Elektrode
9 bilden ein CCD 301, welches seinerseits das Vertikal-Register 300, wie in Fig.
1 gezeigt, bildet. Schließlich wird eine Schicht aus Siliziumnitrid 10 über den
oberen Oberflächen des InfrarotsensorelementsiOO und der Siliziumoxydschicht 2 aufgebracht.
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Im folgenden wird der Betrieb des konventionellen Infrarot-Festkörper-Bildsensors
beschrieben. Der Infrarot-Festkörper-Bildsensor wird normalerweise mit einer an
die Schottky-Übergangszone des Infrarotsensorelements 100 in umgekehrter Richtung
angelegten Vorspannung bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff (d.h. 77 K) betrieben.
Wenn Licht im Infrarotbereich entweder auf das Siliziumsubstrat 1 vom p-Typ oder
die matallische Elektrode 3 unter diesen Umständen fällt, werden Elektronen-Lochpaare
in der metallischen Elektrode 3 gebildet Unter den resultierenden Löchern werden
Löcher mit einer kinetischen Energie über der Schottky-Barriere in das Silizium-Substrat
1 vom p-Typ injiziert, worauf eine der Lichtmenge entsprechende Ladung in der metallischen
Elektrode 3 gespeichert
wird. Die in der metallischen Elektrode
3 gespeicherte Ladung wird in die Region vom +-Typ 6 über die Elektrodenleitung
5 injiziert und dann in die Region mit versenktem Kanal vom n-Typ 8 des CCD 301
oder des Vertikalregisters 300 nachdem sie durch die Transfer-Gatterelektrode 7,
die die n+-Region 6 in der Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 1 vom p-Typ und
die Region mit versenktem Kanal vom n-Typ 8 -verb indet, läuft. Die in die Region
mit versenktem Kanal vom n-Typ injizierte Ladung wird vom Ausgangsteil 500 in der
Form eines elektrischen Signals geliefert und durchläuft die Vertikal-Register 300
und die Horizontal-Register 400, wie in Figur 1 zu sehen ist. Auf diese Weise werden
in den entsprechenden der zweidimensional angeordneten Infrarotsensorelementen 100
gemäß der aufgenommenen Infrarotstrahlung gespeicherte Ladungen nacheinander durch
die Ausleseeinrichtung ausgelesen, die durch die Transfer-MOS-Transistoren 200,
die Vertikal-Register 300, das Horizontal-Register 400 und den Ausgangsteil 500
gebildet wird.
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Das konventionelle Infrarotsensorelement 100 vom Schottky-Typ ist
im allgemeinen aus dem Siliziumsubstrat 1 vom p-Typ mit einer niedrigen Verunreinigungskonzentration
im Bereich von 1014 bis 1015 Atome/cmX und der metallischen Elektrode 3 aus einem
Niederschlag von Platin-Silicid (Pt*Si) gebildet. Da in diesem Falle die Höhe #B
der Schottky-Barriere zwischen dem Siliziumsubstrat 1 vom p-Typ und der metallischen
Elektrode 3 aus Platin-Silicid (Pt-Si) 0,27 eV ist, beträgt die maximale Wellenlänge
des detektierbaren Lichts 4,60 #m, was quantenmechanisch durch die Barrieren-Höhe
von 0,27 eV bestimmt ist.
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Im allgemeinen kann die Quanten-Ausbeute Y eines Lichtsensors vom
Schottky-Typ wie folgt dargestellt werden: Y = C1 (hS - pB)Z/hS (Elektronen/Photonen),
wobei
h die Planksche Konstante, V die Schwingungsfrequenz der Lichtstrahlung und C1 die
Quanten-Ausbeute-Konstante ist.
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Wie aus der vorhergehenden Gleichung offenbar ist, ist es erforderlich,
die Höhe ~B der Schottky-Barriere für den Lichtsensor vom Schottky-Typ zu senken,
damit eine Empfindlichkeitssteigerung für ein spezifisches Wellenlängenband des
Lichts zwischen 3-5 #m, das ~atmosphärisches Fenster" genannt wird, sichergestellt
ist. Diese Forderung zum Erniedrigen der Höhe ~B der Barriere bedingt eine Erhöhung
der Verunreinigungskonzentration des Siliziumsubstrats 1 vom p-Typ. Solange das
erfüllt ist, ist die Höhe ~B der Schottky-Barriere wesent lich gesenkt infolge des
Schottky-Effekts. Zum Steigern des Wirkungsgrads des Ladungs-Transfers in der Region
mit versenktem Kanal vom n-Typ 8 des CCD 301 bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff
(77 K), sollte die Dichte von als Fallen dienenden Donatoren, die den Transfer-Wirkungsgrad
verschlech tert, so niedrig wie möglich gehalten werden. Verringerung der Dichte
der Donatoren kann erreicht werden indem das Siliziumsubstrat 1 vom p-Typ benutzt
wird, dessen Verunreinigungs konzentration so niedrig wie 1014 bis 1015 Atome/cm
liegt.
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Deshalb hat der konventionelle Infrarot-Festkörper-Bildsensor den
Nachteil, daß eine Steigerung der Empfindlichkeit des Infrarotsensorelements 100
bei der Wellenlänge von 3 - 5 gm im Konflikt zur Steigerung des Transfer-Wirkungsgrads
des CCD 301 steht.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Infrarot-Festkörper-Bildsensor
zu schaffen, der die maximale Wellenlänge des detektierbaren Lichts bei einem längeren
Wellenlängenband sicherstellt und eine Verbesserung des Wirkungsgrades bei einem
Wellenlängenbereich von 3 - 5 gm bewirkt, wobei ein Halbleitersubstrat mit einer
niedrigen Verunreinigungskonzentration benutzt wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen auf einer Hauptoberfläche eines
Halbleitersubstrats angeordneten Infrarot-Festkörper-Bildsensor, der eine Mehrzahl
von Infrarotsensorelementen, in denen Ladungen gemäß den Mengen von Infrarotstrahlungen
gespeichert werden und Ausleseeinrichtungen zum sequentiellen Auslesen der Ladungen
aufweist. Jedes der Infrarotsensorelemente weist eine Elektrode aus einem Metall
oder Metall-Silicid auf, die in Kontakt mit einem Teil der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats
zur Definition einer Schottky-Ubergangszone in Verbindung mit dem Halbleitersubstrat
gehalten wird, und eine Region hoher Verunreinigungskonzentration, die in einem
Teil der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, wo die Schottky-Übergangszone
gebildet wird, angeordnet ist, auf, wobei die Region mit hoher Verunreinigungskonzentration
die gleiche Leitfähigkeit wie das Halbleitersubstrat hat und eine höhere Verunreinigungskonzentration
als das Halbleitersubstrat.
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Es ist allgemein bekannt, daß eine höhere Empfindlichkeit eines Lichtsensors
vom Schottky-Typ bei einem Wellenlängenband von 3 bis 5 Wm, d.h. im sogenannten
atmosphärischen Fenster, durch Erniedrigung der Höhe der Schottky-Barriere erreicht
wird. Diese Forderung kann erfüllt werden durch eine höhere Verunreinigungskonzentration
des Halbleitersubstrats. Wenn dies jedoch erfüllt wird, resultiert dies in einer
Verschlechterung des Wirkungsgrades des Ladungstransfers in den Ausleseeinrichtungen.
Erfindungsgemäß ist eine Region hoher Verunreinigungskonzentration an einer Zwischenregion
mit der Schottky-Übergangszone angeordnet, wodurch die Größe des elektrischen Feldes
an der Oberfläche vergrößert wird und die effektive Höhe der Schottky-Barriere erniedrigt
wird. Als Ergebnis wird die maximale Wellenlänge des mit dem Infrarotsensorelement
detektierbaren Lichts länger. Es besteht keine Gefahr einer Verschlechterung beim
Wirkungsgrad des Ladungstransfers in den Ausleseeinrichtungen, da die Verunreinigungskonzentration
des Halbleitersubstrats nicht gesteigert werden muß.
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Die Hauptvorteile der Erfindung schließen ein: eine Verringerung der
effektiven Höhe der Schottky-Barriere in dem Infrarotsensorelement, Hinausschieben
der maximalen Wellenlänge der detektierbaren Lichtstrahlungen zu einer längeren
Wellenlängenseite und verbesserte Empfindlichkeit bei einer Wellenlänge von 3 -
5 tim.
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Diese und andere Vorteile der Erfindung werden im folgenden unter
Bezugnahme auf die Figuren ausführlich beschrieben. Von den Figuren zeigen: Fig.
1 eine schematische Darstellung einer Grundkonfiguration eines konventionellen Infrarot-Festkörper-Bildsensors;
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig.
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1; und Fig. 3 einen Querschnitt eines Infrarotsensorelements und
seine Peripherie in einem Infrarot-Festkörper-Bildsensor gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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In der folgenden Beschreibung werden im wesentlichen die Unterschiede
des Infrarotsensorelements lOOa gemäß der Ausführungsform der Erfindung gegenüber
dem konventionellen Infrarotsensorelement 100 dargestellt. Das Infrarotsensorelement
lOOa weist zusätzlich zu dem Siliziumsubstrat 1 vom p-Typ, der metallischen Elektrode
3, dem Schutzring 4 und der Elektrodenleitung 5 wie schon erwähnt eine p+-Region
11 auf. Die Region vom p+-Typ 11 wird gebildet durch Einführen einer solchen Verunreinigung
vom p-Typ wie Bor oder Gallium in einen Teil der Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats
1 vom p-Typ umgeben mit dem Schutzring 5 mittels Ioneninjektion oder Diffusion,
wobei die Region vom p +-Typ 11 eine höhere Verunreinigungskonzentration als jene
des Siliziumsubstrats 1 vom p-Typ hat. Die Schottky-Übergangszone ist zwischen der
Region vom p+-Typ ii und der metallischen Elektrode 3 definiert.
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Es ist wohlbekannt, daß die Höhe #B der Schottky-Barriere infolge
des Schottky-Effekts wirksam um j ~ reduziert wird. Es wird bemerkt, daß j ~ einen
Abfall der Barrierenenergie bei der Schottky-Ubergangszone infolge des elektrischen
Felds an der Oberfläche darstellt. Je höher die Größe E des elektrischen Felds an
der Oberfläche an der Schottky-Übergangszone ist, umso größer wird b ~. Mit dem
Infrarotsensorelement 100a gemäß der Ausführungsform der Erfindung ist es möglich
gemacht, die Größe E des elektrischen Felds an der Oberfläche an der Übergangszone
zu steigern, die effektive Höhe ~B der Schottky-Barriere zu senken und ß ~ durch
Anordnung der Region vom p +-Typ 11 der hohen Verunreinigungskonzentration an den
Übergangsteil mit der Schottky-Übergangszone zu steigern. Dadurch ist die Höhe ~B
der Schottky-Barriere über die Verunrei-+ nigungskonzentration der Region vom p+-Typ
11 steuerbar. Wenn, z.B., die metallische Oberfläche 3 des Infrarotsensorelements
100a aus einem Niederschlag von Platin-Silicid (Pt Si) hergestellt wurde, war die
Verunreinigungskonzentration der Region vom p -Typ 11, die in der Hauptoberfläche
des Siliziumsubstrats 1 vom p-Typ einer Verunreinigungskonzentration so niedrig
wie 1014 bis 10 Atome/cmd angeordnet wurde, ungefähr 1016 Atome/cmJ und eine Sperrspannung
von ungefähr 5 V wurde über die Schottky-Übergangszone angelegt bei der Temperatur
des flüssigen Stickstoffs (77 K), die Höhe OB der Schottky-Barriere fiel auf 0,23
eV und die maximale Wellenlänge des detektierbaren Lichts verschob sich zu 5,4 ßm.
Wenn die Verunreinigungskonzentration der Region vom +-Typ 11 10 Atome/cms war,
fiel die Höhe ~B der Schottky-Barriere weiter auf 0,20 eV und die maximale Wellenlänge
des detektierbaren Lichts verschob sich zu 6,2 #m. Aus dem vorgehenden ist es klar,
daß die maximale Wellenlänge des detektierbaren Lichts mit dem Infrarotsensorelement
lOOa gemäß der Ausführungsform länger wird als die maximale Wellenlänge (4,6um)
des mit dem konventionellen Infrarotsensorelements 100 der Figur 2 detektierbaren
Lichts.
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Wie schon bemerkt wurde, kann bei dem Infrarot-Festkörper-Bildsensor
gemäß der gezeigten Ausführungsform die Höhe der Schottky-Barriere in dem Infrarotsensorelement
lOOa erniedrigt werden, die maximale Wellenlänge des detektierbaren Lichts zu einer
längeren Wellenlänge verschoben werden und die Empfindlichkeit bei einem Wellenlängenbereich
von 3 -5 «m gesteigert werden, während das Siliziumsubstrat 1 vom p-Typ mit niedriger
Verunreinigungskonzentration benutzt wird, um den hohen Transferwirkungsgrad des
CCD 301 wie in Fig. 2 gezeigt zu erhalten.
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Während in der vorhergehenden Beschreibung die metallische Elektrode
3 aus Platin-Silicid (Pt-Si) beschrieben und gezeigt wurde, ist es unzweifelhaft,
daß die Erfindung nicht darauf beschränkt werden sollte und genauso anwendbar ist,
wenn die Elektrode aus einem Metall wie Gold (Au), Palladium (Pd) und Iridium (Ir)
oder einem Metall-Silicid wie z.B. Palladium-Silicid (Pd.Si) und Iridium-Silicid
(Ir Si) hergestellt wird.
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Weiter ist es klar, daß das Siliziumsubstrat 1 vom p-Typ, das in der
obigen Ausführungsform benutzt wurde durch ein Siliziumsubstrat vom n-Typ ersetzt
werden kann. In diesem Fall tritt derselbe Vorteil wie in der oben beschriebenen
Ausführungsform auf, wenn die Region vom p+-Typ 11 durch eine Region vom n -Typ
ersetzt wird.
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Im vorhergehenden ist die Auslesevorrichtung insbesondere diskutiert
worden als eine Auslesevorrichtung mit einem CCD als Bauteil. Die vorliegende Erfindung
ist aber genauso anwendbar mit einer Auslesevorrichtung mit anderen Halbleiterelementen
als Komponente, wie z.B. MOS-Transistoren, was ein Halbleitersubstrat mit niedriger
Verunreinigungskonzentration zur Unterdrückung von Steigerungen der Sperrschichtkapazität
erforderlich macht. Außerdem kann, während die Infrarotsensorelemente insbesondere
als zweidimensional angeordnet beschrieben wurden, die vorliegende Erfindung auch
auf eindimensional ange ordnete Infrarotsensorelemente angewandt werden.