DE3335117C2

DE3335117C2 -

Info

Publication number: DE3335117C2
Application number: DE19833335117
Authority: DE
Inventors: Naoki Yutani; Masahiko Itami Hyogo Jp Denda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-09-30
Filing date: 1983-09-28
Publication date: 1991-12-19
Also published as: JPS5961959A; DE3335117A1; JPS6351546B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Festkörper-Bildsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Infrarot-Festkörper-Bildsensor ist aus SPIE, Band 311, Mosaic Focal Plane Methodology II, 1981, Seite 24-29 bekannt. Bei diesem bekannten Infrarot-Festkörper-Bildsensor ist der Bereich hoher Verunreinigungskonzentration physikalisch in der Nähe der Metall-Silizium-Übergangsschicht angeordnet. Durch den dadurch erzwungenen Abstand zu der Übergangsschicht wird das Injizieren der Ladungsträger in das Substrat erschwert, außerdem wird die Übertragungsfähigkeit der Ladungen zu dem CCD hin verschlechtert. Daher ist die Ausdehnung der Empfindlichkeit zu längeren Wellenlängen und die Erhöhung der Empfindlichkeit bei längeren Wellenlängen schwierig.

Ein weiterer Infrarot-Festkörper-Bildsensor ist aus Electronics, 15. Dezember 1971, Seiten 37, 38 bekannt.

Ein derartiger Infrarot-Festkörper-Bildsensor ist aus Electronics, 15. Dezember 1971, Seiten 37 und 38 bekannt. Ein derartiger Bildsensor weist bei drei µm Wellenlänge noch eine Quantenausbeute von einigen Prozent auf. Ein Übergang zu längeren Wellenlängen ist nicht möglich, da die Schottky-Barriere zwischen der Metall-Silicidschicht und dem Halbleitersubstrat zu hoch ist.

Aus der US-PS 40 28 719 ist ein Infrarotbildsensor bekannt, der ein Halbleitersubstrat aufweist. Die durch die Strahlung erzeugten Loch-Elektron-Paare werden durch eine an eine untere Elektrode und eine obere Elektrode angelegte Spannung getrennt. Diffundierte Schichten mit niedrigem Widerstand können den Übergang von dem Halbleitersubstrat zu den Elektroden verbessern. Es ist kein Schottky-Übergang zur Ladungstrennung vorgesehen.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Grundkonfiguration eines weiteren konventionellen Infrarot-Festkörper-Bildsensors. Der darin gezeigte Infrarot-Festkörper-Bildsensor weist Infrarotsensorelemente 100, Transfer-MOS-Transistoren 200, Vertikalregister 300, ein Horizontalregister 400 und ein Ausgangsteil 500 auf. 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-MOS-Transistoren 200, die Vertikalregister 300, das Horizontalregister 400 und der Ausgangsteil 500 bilden zusammen eine Ausleseeinrichtung, durch die die gespeichertern Ladungen der Mehrzahl der zweidimensional angeordneten Infrarotsensorelemente 100 nacheinander ausgelesen werden und zum Äußeren des Sensors in der Form von elektrischen Signalen geliefert werden.

Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1. Die Verunreinigungskonzentration eines Siliziumsubstrates 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-Übergangszonen angeordnet. Geeignetes Material für die meallischen 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 Fig. 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 Fig. 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-Typge gegenüber der n⁺-Typ-Region 6 der Transfer-Gate-Elektrode 7 vorgesehen. Innerhalb der Siliziumoxydschicht 2 ist eine Gate-Elektrode 9 versenkt, die sich über einen Randteil der Transfer- Gate-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 Infrarotsensorelements 100 und der Siliziumoxydschicht 2 aufgebracht.

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 umgekehreter 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 metallische Elektrode 3 unter diesen Umständen fällt, werden Elektronen-Lochpaare in der metallischen Elektrode 3 gebildet. Unter den resusltierenden 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 n⁺-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 verbindet, 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 Fig. 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.

Das konventionelle Infrarotsensorelement 100 vom Schottky-Typ ist im allgemeinen aus dem Siliziumsubstrat 1vom p-Typ mit einer niedrigen Verunreinigungskonzentration im Bereich von 10¹⁴ bis 10¹⁵ Atome/cm³ und der metallischen Elektrode 3 aus einem Niederschlag von Platin-Silicid (Pt · Si) gebildet. Da in diesem Falle die Höhe Φ_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 µm, was quantenmechanisch durch die Barrieren-Höhe von 0,27 eV bestimmt ist.

Im allgemeinen kann die Quanten-Ausbeute Y eines Lichtsensors vom Schottky-Typ wie folgt dargestellt werden:

Y = C₁ · (hν - Φ_B)²/hν (Elektronen/Photonen),

wobei h die Plank'sche Konstante, ν die Schwingungsfrequenz der Lichtstrahlung und C₁ die Quanten-Ausbeute-Konstante ist.

Wie aus der vorhergehenden Gleichung offenbar ist, ist es erforderlich, die Höhe Φ_B der Schottky-Barriere für den Lichtsensor vom Schottky-Typ zu senken, damit eine Empfindlichkeitssteigerung für ein spezifisches Wellenlängenband des Lichts zwischen 3-5 µm, das "atmosphärisches Fenster" genannt wird, sichergestellt ist. Diese Forderung zum Erniedrigen der Höhe Φ_B der Barriere bedingt eine Erhöhung der Verunreinigungskonzentration des Siliziumsubstrats 1 vom p-Typ. Solange das erfüllt ist, ist die Höhe Φ_B der Schottky-Barriere wesentlich gesenkt infolge des Schottky-Effekts. Zum Steigern des Wirkungsgrads des Ladungs-Transfers in der Region mit gesenktem 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 verschlechtert, so niedrig wie möglich gehalten werden. Verringerung der Dichte der Donatoren kann erreicht werden, indem das Siliziumsubstrat 1 vom p-Typ benutzt wird, dessen Verunreinigungskonzentration so niedrig wie 10¹⁴ bis 10¹⁵ Atome/cm³ liegt. Deshalb hat der konventionelle Infrarot-Festkörper-Bildsensor den Nachteil, daß eine Steigerung der Empfindlichkeit des Infrarotsensorelements 100 bei der Wellenlänge von 3-5 µm im Konflikt zur Steigerung des Transfer-Wirkungsgrads des CCD 301 steht.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Infrarot-Festkörper- Bildsensor der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der die maximale Wellenlänge des nachweisbaren Lichts bei einem längeren Wellenlängenband ermöglicht und eine Verbesserung des Wirkungsgrades bei einem Wellenlängebereich von 3-5 µm bewirkt, wobei ein Halbleitersubstrat mit einer niedrigen Verunreinigungskonzentration benutzt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Infrarot-Festkörper-Bildsensor der eingangs beschriebenen Art, der durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.

Es ist allgemein bekannt, daß eine höhere Empfindlichkeit eines Lichtsensors vom Schottky-Typ bei einem Wellenlängenband von 3 bis 5 µm, 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. Eine Region hoher Verunreinigungskonzentration ist 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.

Die Hauptvorteile des Bildsensors 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 µm.

Der Bildsensor wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlich beschrieben. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Grundkonfiguration eines konventionellen Infrarot-Festkörper-Bildsensors,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 und

Fig. 3 einen Querschnitt eines Infrarotsensorelements und seine Peripherie in einem Infrarot-Festkörper-Bildsensor.

In der folgenden Beschreibung werden im wesentlichen die Unterschiede des Infrarotsensorelements 100a gegenüber dem konventionellen Infrarotsensorelement 100 dargestellt. Das Infrarotsensorelement 100a 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 11 und der metallischen Elektrode 3 definiert.

Es ist wohlbekannt, daß die Höhe Φ_B der Schottky-Barriere infolge des Schottky-Effekts wirksam um ΔΦ reduziert wird. Es wird bemerkt, daß ΔΦ einen Abfall der Barrierenenergie bei der Schottky-Übergangszone infolge des elektrischen Felds an der Oberfläche darstellt. Je höher die Größe E des elektrischen Felds an der Oberfläche an der Schottky-Übergangszone ist, um so größer wird ΔΦ. Mit dem Infrarotsensorelement 100a gemäß der beschriebenen Ausführungsorm ist es möglich gemacht, die Größe E des elektrischen Felds an der Oberfläche an der Übergangszone zu steigern, die effektive Höhe Φ_B der Schottky-Barriere zu senken und ΔΦ durch Anordnung der Region von p⁺-Typ 11 der hohen Verunreinigungskonzentration an den Übergangsteil mit der Schottky-Übergangszone zu steigern. Dadurch ist die Höhe Φ_B der Schottky-Barriere über die Verunreinigungskonzentration 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 10¹⁵ Atome/cm³ angeordnet wurde, ungefähr 10¹⁶ Atome/cm³ und eine Sperrspannung von ungefähr 5 V wurde über die Schottky-Übergangszone angelegt bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs (77 K), die Höhe Φ_B der Schottky- Barriere fiel auf 0,23 eV und die maximale Wellenlänge des detektierbaren Lichts verschob sich zu 5,4 µm. Wenn die Verunreinigungskonzentration der Region vom p⁺-Typ 11 10¹⁷ Atome/cm³ war, fiel die Höhe Φ_B der Schottky-Barriere weiter auf 0,20 eV und die maximale Wellenlänge des detektierbaren Lichts verschob sich zu 6,2 µm. Aus dem vorgehenden ist es klar, daß die maximale Wellenlänge des detektierbaren Lichts mit dem Infrarotsensorelement 100a gemäß der Ausführungsform länger wird als die maximale Wellenlänge (4,6 µm) des mit dem konventionellen Infrarotsensorelements 100 der Fig. 2 detektierbaren Lichts.

Wie schon bemerkt wurde, kann bei dem Infrarot-Festkörper- Bildsensor gemäß der gezeigten Ausführungsform die Höhe Φ_B der Schottky-Barriere in dem Infrarotsensorelement 100a erniedrigt werden, die maximale Wellenlänge des detektierbaren Lichts zu einer längeren Wellenlänge verschoben werden und die Empfindlichkeit bei einem Wellenlängenbereich von 3-5 µm 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.

Während in der vorhergehenden Beschreibung die metallische Elektrode 3 aus Platin-Silicid (Pt · Si) beschrieben und gezeigt wurde, ist es unzweifelhaft, daß der Bildsensor 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. 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.

Im vorhergehenden ist die Auslesevorrichtung insbesondere diskutiert worden als eine Auslesevorrichtung mit einem CCD als Bauteil. Der Bildsensor 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, der Bildsensor auch auf eindimensional angeordnete Infrarotsensorelemente angewandt werden.

Claims

1. Infrarot-Festkörper-Bildsensor, der auf einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrates (1) angeordnet ist,
mit einer Mehrzahl von Infrarotsensorelementen (100a), von denen jedes eine Elektrode (3) aus einem Metall oder einem Metall-Silicid in Kontakt mit einem Teil der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (1) zum Bilden einer Schottky- Übergangsschicht aufweist und in denen Ladungen gemäß des Betrages einer einfallenden Infrarotstrahlung speicherbar sind, mit Ausleseeinrichtungen (200, 300, 400, 500) zum sequentiellen Auslesen der Ladungen und
mit einem Bereich hoher Verunreinigungskonzentration (11), der die gleiche Leitfähigkeit wie das Halbleitersubstrat (1) und eine höhere Verunreinigungskonzentration als das Halbleitersubstrat (1) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich hoher Verunreinigungskonzentration (11) in einem Teil der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (1) an der Schottky-Übergangszone angrenzend angeordnet ist.

2. Infrarot-Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit des Halbleitersubstrats (1) vom p-Typ ist.

3. Infrarot-Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit des Halbleitersubstrats (1) vom n-Typ ist.

4. Infrarot-Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungskonzentration des Halbleitersubstrats (1) 10¹⁴ bis 10¹⁵ Atome/cm³ ist, die Verunreinigungskonzentration der Region mit hoher Verunreinigungskonzentration (11) 10¹⁶ bis 10¹⁷ Atome/cm³ ist.

5. Infrarot-Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleseeinrichtungen (200, 300, 400, 500) Ladungsverschiebeelemente aufweisen.

6. Infrarot-Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleseeinrichtungen (200, 300, 400, 500) Schalt-MOS-Transistoren aufweisen.