DE3432801C2

DE3432801C2 -

Info

Publication number: DE3432801C2
Application number: DE3432801A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Yokohama Jp Yamada
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-09-07
Filing date: 1984-09-06
Publication date: 1991-01-24
Also published as: US4618874A; DE3432801A1; JPS6057780A

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörper-Abbildungsvor richtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Festkörper- Abbildungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patent anspruches 3.

Eine bekannte, in Fig. 1 dargestellte Festkörper-Abbil dungsvorrichtung besitzt ein Muster aus photoelektri schen Wandler-Elementzonen 1 und Ladungsübertragungs- Elementzonen 2.

Bei der Herstellung einer solchen Vorrichtung wird ge mäß Fig. 2A eine Isolierschicht 4 auf einem Halblei ter-Substrat 3 des P-Leitfähigkeitstyps erzeugt. Auf der Isolierschicht 4 wird eine Schicht 5 aus Siliziumnitrid (SiN) in einem vorbestimmten Muster ausgebildet. Unter Benutzung der SiN-Schicht 5 als Maske werden Fremdatom ionen des P-Leitfähigkeitstyps in das Substrat 3 implan tiert, wodurch p⁺-Fremdatombereiche 6 gebildet werden. Anschließend wird das Gebilde in einer oxidierenden At mosphäre von mehr als 1000°C einem lokalen Oxidations prozeß unterworfen, wodurch sich gemäß Fig. 2B nicht von der SiN-Schicht 5 bedeckte Trennbereiche 7 der Iso lierschicht 4 ausdehnen. Die Trennbereiche 7 werden für die Elementzonen 1 und 2 benutzt. Hierauf wird die SiN- Schicht 5 entfernt, und unter Benutzung der Isolier schicht 4 als Maske werden Fremdatomionen des N-Leitfähigkeitstyps in das Substrat 3 implantiert, so daß gemäß Fig. 2C N-Fremdatombereiche 8 ent stehen, welche die photoelektrische Wandlerelementzonen 1 bilden. Sodann wird das Gebilde einem thermischen Diffusionsver fahren unterworfen, so daß die Fremdatombereiche 8 die vor bestimmte Dicke im Substrat 3 erhalten. Durch Implantie ren von Fremdatomionen des P-Leitfähigkeitstyps in das Substrat 3 werden P-Fremdatombereiche 9 er zeugt, die das Auftreten einer Verarmungsschicht an der Oberfläche des Substrats 3 verhindern, wodurch wiederum das Fließen eines Streustroms über die Substratoberfläche verhindert wird.

Bei dem bisherigen, vorstehend beschriebenen Herstellungs verfahren dehnen sich jedoch die Trennbereiche 7 der SiN- Schicht 4 beim lokalen Oxidationsvorgang in seitlicher und lotrechter Richtung zum Substrat 3 aus. Durch die seitliche Ausdehnung der Trennbereiche 7 werden die Flächen der photoelektrischen Wandler-Elementzonen 1 und der Ladungsübertragungs-Elementzonen 2 verkleinert, wo durch der Umwandlungswirkungsgrad und der Übertragungswirkungsgrad verringert werden. Zur Vermeidung einer Verkleine rung der Elementzonen 1 und 2 ist es nötig, die Größe L1 derjenigen Bereiche der SiN-Schicht 5, welche den Trennbereichen 7 entsprechen, zu verklei nern. Die Größe L1 der Bereiche der SiN-Schicht 5 muß jedoch einen Wert entsprechend einem Wert oder größer als ein Wert besitzen, der im Hinblick auf die Lithographie-Technik kritisch festgelegt ist. Unter diesem Gesichtspunkt kann somit die Größe L1 nicht nennenswert verkleinert wer den. Bei eigentlichen Herstellungsvorgang wird daher die Größe L2 der den Wandler-Elementzonen entsprechenden Berei che der SiN-Schicht 5 groß eingestellt. Hierdurch ver ringert sich aber die Packungsdichte der Bauteile, was wiederum zu einer Vergrößerung der Chip-Größe der Fest körper-Abbildungsvorrichtung führt.

Beim bisherigen Herstellungsverfahren werden zudem die mit Fremdatomen dotierten Bereiche 6 und 9 in getrennten Ver fahrensschritten ausgebildet, so daß dazwischen Stufen abschnitte entstehen, die für die Erzielung einer hohen Packungsdichte der Bauteile der Abbildungsvorrichtung ungünstig sind.

Aus der DE-OS 31 01 803 ist eine Festkörper-Bildabtast vorrichtung bekannt, bei der in einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps photoelektrische Wand ler-Elementzonen und Ladungsübertragungs-Elementzonen eines zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind und die zwischen diesen Elementzonen auf der Oberfläche ei ner Isolierschicht über eine Ladungsspeicherelektrode und eine Ladungsschiebe-Steuerelektrode verfügt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Festkörper-Abbildungs vorrichtung hoher Packungsdichte zu schaffen, bei der ein möglichst kleiner Streustromfluß vorliegt; außer dem soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Fest körper-Abbildungsvorrichtung angegeben werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Festkörper-Abbildungsvor richtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. bei einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Fest körper-Abbildungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 3 erfindungsgemäß durch die in den je weiligen kennzeichnenden Teil dieser Patentansprüche ent haltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 und 4 bis 6.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die weiteren Bereiche gleichzeitig in einem gemeinsamen Ver fahrensschritt herstellbar sind und kontinuierlich bzw. stufenlos ineinander übergehen. Diese gemeinsame und gleichzeitige Herstellung erfolgt durch gemeinsame Ionen implantation, wobei eine Maskierschicht eines vorbe stimmten Musters verwendet werden kann. Infolge dieser gemeinsamen Herstellung kann die Länge des ersten wei teren Bereiches kleiner als die Länge gemacht werden, die durch Design-Regeln der eingesetzten Photolithogra phie-Technik vorgegeben ist. Würde nämlich dieser Be reich in einem getrennten Schritt vom zweiten weiteren Bereich hergestellt werden, so würde die Länge des er sten Bereiches durch die Design-Regel bestimmt werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Muster von photoelektrischen Wandler-Ele mentzonen und Ladungsübertragungs-Elementzonen bei einer bisherigen Festkörper-Abbildungsvor richtung,

Fig. 2A und 2D in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnitt ansichten im Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 zur Darstellung der Struktur der Abbil dungsvorrichtung nach Fig. 1 in den verschie denen Herstellungsschritten,

Fig. 3 ein Muster von photoelektrischen Wandler-Ele mentzonen und Ladungsübertragungs-Elementzonen einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 4A bis 4D in vergrößertem Maßstab und im Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3 gehaltene Schnittansichten der Struktur der Abbildungs vorrichtung in den verschiedenen Herstellungs schritten,

Fig. 5A einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 4D,

Fig. 5B eine graphische Darstellung des Potentialpro fils beim Gebilde nach Fig. 5A und

Fig. 6 eine Teilschnittdarstellung einer Festkörper- Abbildungsvorrichtung gemäß einer anderen Aus führungsform der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.

Gemäß Fig. 3 sind in einem Substrat 41 des P-Leitfähig keitstyps zahlreiche photoelektrische Wandler- Elementzonen 31 ausgebildet, die in Aufsicht in Matrixform angeordnet sind und in denen elektrische Ladungen erzeugt werden, wenn Licht auf sie fällt. Weiterhin sind im Substrat 41 auch zahlreiche Ladungsübertragungs- Elementzonen 32 ausgebildet, die sich gemäß Fig. 3 in lotrechter Richtung zwischen den Wandler-Elementzonen 31 erstrecken, d. h. zwischen je zwei benachbarten "Spalten" oder lotrechten Reihen der Wand ler-Elementzonen 31. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Muster liest jede Übertragungs-Elementzone 32 die Ladung der in der lotrechten Reihen an seiner linken Seite befindli chen Wandler-Elementzonen 31 aus. Die Ladungsübertragungs-Elementzonen 32 bestehen jeweils aus z. B. einem Ladungsverschiebeele ment (CCD).

Im folgenden ist anhand der Fig. 4A bis 4D ein Verfah ren zur Herstellung der Abbildungsvorrichtung nach Fig. 3 beschrieben.

Gemäß Fig. 4A wird auf einem Halbleiter-Substrat 41 des P-Leitfähigkeitstyps eine Oxidations- oder Isolier schicht 42 erzeugt. Auf der Isolierschicht 42 wird eine Photoresistschicht 43 in einem vorgegebenen Muster ausgebildet. In einem Ionenimplantationsschritt werden unter Benutzung der Photoresistschicht 43 als Maske N-Typ-Fremdatomionen, z. B. Phosphorionen, in das Substrat 41 implantiert, so daß mehrere Zonen 44 und 45 des N-Leitfähigkeitstyps entstehen. Die N-Zonen 44 bilden dabei die photoelektrischen Wand ler-Elementzonen 31, während die N-Zone 45 die Ladungsüber tragungs-Elementzone 32 bildet. Anschließend wird das Gebil de einem thermischen Diffusionsvorgang unterworfen, um den implantierte Fremdstoff zu akti vieren und dabei die N-Zonen 44 und 45 sich bis zu einer vorbestimmten Tiefe im Substrat 41 ausdehnen zu lassen.

Sodann werden gemäß Fig. 4B die Schichten 42 und 43 ent fernt und eine Gate-Oxidationsschicht 46 auf dem Sub strat 41 erzeugt. Wahlweise braucht die Schicht 42 nicht entfernt zu werden; in diesem Fall kann die Schicht 42 als Gate-Isolierschicht 46 benutzt werden.

Danach wird gemäß Fig. 4C eine Photoresistschicht 49 eines vorgegebenen Musters auf der Oxidationsschicht 46 ausgebildet. In einem Ionenimplantationsschritt werden unter Verwendung der Photoresistschicht 49 als Maske P-Typ-Fremdatomionen, z. B. Borionen, in das Substrat 41 implantiert, so daß in den Oberflächenbereichen der N-Zonen 44 ein Bereich 47 des P⁺-Leitfähigkeitstyps erzeugt wird und außerdem in dem Oberflächenbereich des Bereichs 74 im Substrat 41, der zwischen den Zonen 44 liegt und diese voneinander trennt, ein Bereich 48 des P⁺-Leitfähigkeitstyps entsteht. Der Bereich 48 erstreckt sich im Substrat 41 zu dem Bereich 76, der zwischen der Ladungs übertragungs-Elementzone 45 und der Wandler-Elementzone 44 (derjenigen an der rechten Seite der Ladungsübertragungs-Ele mentzone 45) liegt. Der Bereich 76 trennt die genannten Zonen 45 und 44 voneinander. Der Bereich 48 erstreckt sich dabei nicht zu dem Bereich 75 des Substrats 41, der zwischen der Ladungsübertragungs-Elementzone 45 und der Wandler-Elementzone 44 (derjenigen an der linken Seite der Ladungsübertragungs-Elementzone 45), aus welcher die Ladungsüber tragungs-Elementzone 45 die Ladungen ausliest, liegt. Der Bereich 75 trennt wiederum die genannten Zonen 45 und 44 voneinander. Die P⁺-Bereiche 47 und 48 besitzen eine höhere Fremdatomkonzentration als das Substrat 41 und gehen ineinander über. Im Anschluß hieran wird die Photo resistschicht 49 entfernt.

Anschließend wird gemäß Fig. 4D eine erste Elektroden schicht 50 aus Polysilizium (polykristallinem Silizium) auf dem Bereich der Oxidationsschicht 46 ausgebildet, welcher der Ladungsübertragungs-Elementzone 45 und dem Trennbe reich 75 entspricht. Durch Niedertemperaturbehandlung von nicht über 1000°C wird auf der Oberfläche des Ge bildes eine Isolierschicht 51 aus z. B. SiO₂ erzeugt. Auf dem der ersten Elektrodenschicht 50 entsprechenden Be reich der Isolierschicht 51 wird eine zweite Elektroden schicht 52 aus Polysilizium ausgebildet. Auf der Ober fläche des Gebildes wird dann eine Schutzisolierschicht 53 aus z. B. SiO₂ erzeugt. Auf dem Bereich der zweiten Isolierschicht 53, welcher dem von den photoelektrischen Wandler-Elementzonen 44 verschiedenen Bereich entspricht, wird eine Lichtabschirmschicht 54 vorgesehen.

Auf die beschriebene Weise wird die Abbildungsvorrichtung gemäß Fig. 3 hergestellt. Beim beschriebenen Herstel lungsverfahren werden die P⁺-Bereiche 47 und 48 in einem gemeinsamen Verfahrensschritt ausgebildet. Infolgedessen wird die Größe L4 (Fig. 4C) des Bereichs 74 auf einen Wert eingestellt, der im Hinblick auf die Lithographie- Technik kritisch festgelegt ist.

Aufgrund des beschriebenen Herstellungsverfahrens wird außerdem die Größe L3 (Fig. 4C) der N-Zone 44 gering fügig größer als die Größe L2 (Fig. 4A), weil sich die N-Zone 44 während des thermischen Diffusionsprozesses seitlich ausdehnt. Hierdurch wird der Umwandlungswir kungsgrad bzw. die Umwandlungsleistung der Wandlerzonen 44 verbessert.

Beim beschriebenen Verfahren werden weterhin die P⁺-Be reiche 47 und 48 nach dem Verfahrensschritt zur Ausbil dung der Gate-Isolierschicht 46 erzeugt. Infolgedessen tritt eine geringere seitliche Diffusion der p⁺-Bereiche 47 und 48 auf, wobei die Menge des zu implantierenden Ions unterdrückt bzw. verringert wird. Auf diese Weise werden die Genauigkeit der Größenbe messung der Elemente und außerdem die Gleichmäßigkeit der Fremdstoffkonzentration verbessert.

Die Oxidationsschicht 46, die etwas beschädigt ist, kann nach dem Verfahrensschritt zur Ausbildung der P⁺- Bereiche 47 und 48 abgetragen und durch eine neue Oxi dationsschicht ersetzt werden.

Aufgrund des beschriebenen Herstellungsverfahrens ge hen außerdem die P⁺-Bereiche 47 und 48 ohne Bildung eines Stufenabschnitts zwischen ihnen ineinander über. Infolgedessen bildet sich kein Stufenabschnitt an der Oxidationsschicht 46. Hierdurch werden die Fertigungs anforderungen für die Erzielung einer hohen Packungs dichte gemildert, wodurch wiederum die Größe L4 des Trennbereichs 74 (Fig. 4C) auf den genannten kriti schen Wert verringert wird.

Da darüber hinaus beim beschriebenen Verfahren der P⁺- Bereich 48 nicht auf dem Trennbereich 75 ausgebildet wird, wird die erforderliche Steuerspannung für die Ladungsübertragung verringert.

Obgleich beim beschriebenen Verfahren die N-Zonen 44 und 45 im selben Verfahrensschritt erzeugt werden, können sie auch in getrennten Verfahrensschritten ausgebildet werden.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 4D erscheint, wie in Fig. 5A dargestellt, eine Verarmungsschicht 55 am PN- Übergang zwischen dem Substrat 41 und der N-Zone 44, während eine weitere Verarmungsschicht 56 auch am PN- Übergang zwischen dem P⁺-Bereich 47 und der N-Zone 44 auftritt. Das Potentialprofil des Gebildes gemäß Fig. 5A entspricht dem in Fig. 5B dargestellten. Der P⁺-Bereich 47 verhindert das Auftreten einer Verarmungsschicht an der Oberfläche des Substrats 41. Ein über oder durch die Oberfläche des Substrats 41 fließender Streu strom wird daher auf eine Mindestgröße unter drückt.

Bei der in Fig. 6 dargestellten anderen Ausführungs form der Erfindung ist eine Halbleiterschicht 72 des P^--Leitfähigkeitstyps auf einem Halbleiter-Substrat 61 des N-Leitfähigkeitstyps ausgebildet. Auf der P^--Schicht 62 werden in denselben Verfahrensschritten, wie sie vor stehend anhand von Fig. 4A bis 4D beschrieben sind, Elemente desselben Aufbaus wie bei der vorher beschrie benen Ausführungsform ausgebildet. Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 6 dient das N-Substrat 61 als Drain-Bereich zum Absorbieren der Überschußladungen, die dann erzeugt werden, wenn auf die Wandler-Element zonen 44 eine große Lichtmenge auftrifft. Zur Verbesse rung der Drain-Funktion des Substrats 61 ist es nötig, die Fremdstoffkonzentration oder die Dicke der P^-- Schicht 62 herabzusetzen. Eine Herabsetzung der Fremd stoffkonzentration hat eine Verringerung der zwischen der N-Zone 44 und der P^--Schicht 62 gebildeten Über gangskapazität zur Folge. Trotzdem besitzt die N-Zone 44 eine große Gesamt-Speicherkapazität, weil die N-Zone 44 zwischen sich und dem P⁺-Bereich 47 eine ausreichend große Übergangskapazität aufweist. Ersichtlicherweise werden die mit der zuerst beschriebenen Ausführungs form erzielten Wirkungen auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 erreicht. In Fig. 6 sind den Teilen oder Elementen von Fig. 4A bis 4D und Fig. 5 gleiche oder entsprechende Elemente mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet. Bei den beschriebenen Ausfüh rungsformen betragen die Fremdstoff konzentration der P⁺-Bereiche 47 und 48 etwa 1 × 10¹⁷/cm³ bis etwa 10 × 10¹⁷/cm³ und ihre Dicke etwa 0,1-0,4 µm. Bei den beschriebenen Ausführungs formen können die N- und P-Leitfähigkeitstypen er sichtlicherweise auch gegeneinander vertauscht sein.

Claims

1. Festkörper-Abbildungsvorrichtung mit

- einer Halbleiterschicht (41, 62) eines ersten Leit fähigkeitstyps,
- mehreren in der Halbleiterschicht (41, 62) ausgebil deten und in einem vorgegebenen Muster angeordneten photoelektrischen Wandlerelementzonen (44) eines zwei ten Leitfähigkeitstyps,
- mehreren in der Halbleiterschicht (41, 62) ausgebil deten Ladungsübertragungselementzonen (45) des zwei ten Leitfähigkeitstyps, die zur Übertragung der in den Wandlerelementzonen (44) erzeugten Ladungen die nen, und
- weiteren, jeweils in den photoelektrischen Wandler elementzonen (44) und in einem dazwischen festgeleg ten Trennbereich (74) ausgebildeten Bereichen (47, 48) des ersten Leitfähigkeitstyps (P), die eine höhere Fremdstoffkonzentration als die Halbleiterschicht (41, 62) besitzen,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die weiteren Bereiche (47, 48) gleichzeitig in einem gemeinsamen Schritt hergestellt sind und stufenlos ineinander übergehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Halbleiter-Substrat (61) des zweiten Leitfähigkeitstyps (N), auf dem die Halbleiterschicht (62) ausgebildet ist.

3. Verfahren zur Herstellung einer Festkörper-Abbildungs vorrichtung bei dem

- mehrere, in einem vorgegebenen Muster angeordnete photo elektrische Wandlerelementzonen (44) des zweiten Leit fähigkeitstyps in einer Halbleiterschicht (41, 62) des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet werden,
- in der Halbleiterschicht (41, 62) mehrere Ladungsüber tragungselementzonen (45) des zweiten Leitfähigkeits typs ausgebildet werden, die zum Übertragen von in den Wandlerelementzonen (44) erzeugten Ladungen dienen,
- in einem Trennbereich (74) zwischen den Wandlerelement zonen (44) ein erster weiterer Bereich (48) des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Fremdstoffkonzen tration als diejenige der Halbleiterschicht (41, 62) ausgebildet wird, und
- in den Wandlerelementzonen (44) ein zweiter weiterer Bereich (47) des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Fremdstoffkonzentration als diejenige der Halb leiterschicht (41, 62) ausgebildet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der erste weitere Bereich (48) und der zweite weitere Bereich (47) in einem gemeinsamen Schritt ausgebildet werden, so daß der erste weitere Bereich (48) und der zweite weitere Bereich (47) gleichzeitig in dem gemein samen Schritt entstehen und stufenlos ineinander über gehen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor einer Ionenimplantation zur Erzeugung des ersten weiteren Bereichs und des zweiten weiteren Bereichs auf der Halbleiterschicht (41, 62) eine Gate-Isolierschicht (46) und in einem weiteren Verfahrensschritt nach der Ionenimplantation auf den Bereichen der Gate-Isolier schicht (46), welche den Ladungsübertragungselementzonen (45) entsprechen, mehrere leitende Elektroden (50, 52) zur Steuerung der Ladungsübertragung geformt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zuletzt genannten Verfahrensschritt erste leitende Elektrodenschichten (50) auf den den Ladungsübertragungs elementzonen (45) entsprechenden Bereichen der Gate-Iso lierschicht (46), eine Zwischen-Isolierschicht (51) auf den ersten leitenden Elektrodenschichten (50) und zweite leitende Elektrodenschicht (52) auf den den ersten leitenden Elektrodenschichten (50) entsprechenden Berei chen der Zwischen-Isolierschicht (51) ausgebildet wer den.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelementzonen (44) und die Ladungsübertragungs elementzonen (45) in einem gemeinsamen Verfahrensschritt ausgebildet werden.