DE3706278C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fotosensor- Halbleitervorrichtung, mit einem Halbleitersubstrat eines er­ sten Leitfähigkeitstyps, einem lichtaufnehmenden Element mit einem Halbleiterbereich des ersten Leitfähigkeitstyps und einem Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der dem er­ sten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, und einem von dem lichtaufnehmenden Element verschiedenen Halbleiterelement.

Aus der gattungsgemäßen DE 34 25 908 A1 ist eine Halbleiterbildsensoreinrich­ tung bekannt, bei der von einer fotoelektrischen Wandlerdiode PD und einem MOS-Transistor TRs ausgegangen wird, die auf dem­ selben Substrat ausgebildet sind. Zur Erhöhung des fotoelektri­ schen Stromes wird zwischen die Wandlerdiode PD und den MOS- Transistor TRs ein weiterer Transistor TRa als Verstärker ange­ ordnet. Durch diesen Aufbau soll die Lichtempfindlichkeit der Halbleiterbildsensoreinrichtung verbessert werden.

Ferner ist auch ein als integrierte Schaltung zusammengesetzter Fotosensor bekannt, der ein lichtaufnehmendes Element und einen bipolaren Transistor aufweist, bei dem eine direkte Verarbei­ tung des Ausgangssignals des lichtaufnehmenden Elements ermöglicht wird. Fig. 1A zeigt ein Beispiel für eine solche in­ tegrierte Schaltung, während Fig. 1B eine Ansicht eines Schnittes längs einer Linie I-I in Fig. 1A ist.

Gemäß Fig. 1A und 1B sind auf einem P-Halbleitersubstrat 1 ein lichtaufnehmendes Element PD und ein bipolarer Transistor BI ausgebildet, die voneinander durch eine P⁺-Trennzone 4 getrennt sind. Im einzelnen sind auf versenkten bzw. tiefliegenden N⁺- Schichten 2 epitaxiale N-Schichten 3 als N-Domäne bzw. N-Zone des lichtaufnehmenden Elements und der Kollektorzone des Transistors ausgebildet, danach sind eine P-Zone 5 des lichtaufnehmenden Elements und eine P-Basiszone 6 des Transistors ausgebildet. Ferner ist in der P-Basiszone 6 eine N⁺-Emitterzone 7 ausgebildet, während zugleich eine N⁺-Zone 8 als ohmsche Kontaktschicht für die epitaxiale m-Schicht 3 des Transistors ausgebildet ist.

Die Kontaktschicht 8 reicht bei der dargestellten Gestaltung nicht bis zur versenkten Schicht 2, kann aber auf nicht darge­ stellte Weise mit der versenkten Schicht 2 in direkte Verbindung gebracht werden. Dieses lichtaufnehmende Element wird durch Licht nicht beeinträchtigt, da auf dem bipolaren Transistor BI ein nicht dargestelltes Lichtabschirmelement an­ gebracht ist, so daß ein parasitärer Transistoreffekt außer Acht gelassen werden kann, falls die P-Basiszone 6 von der Trennzone um 10 bis 20 µm beabstandet wird.

Jedoch tritt bei diesen beiden bekannten Schaltungen infolge der Trägererzeugung durch einfallendes Licht ein parasitärer Effekt auf, zu dessen Unterdrückung ein breiter Rand erforder­ lich ist. Ferner muß zum Verhindern eines parasitären Effekts zwischen der P-Zone 5 und dem Halbleitersubstrat 1 die ver­ senkte Schicht 2 viel größer als die P-Zone 5 sein, was zu ei­ ner unzureichenden Spannungsfestigkeit zwischen der versenkten Zone 2 und der Trennzone 4 führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fotosensor-Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß die Empfindlichkeit des lichtaufnehmenden Elementes gesteigert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Element-Isolationsbereich des ersten Leitfähigkeitstyps zwi­ schen dem lichtaufnehmenden Element und dem Halbleiterelement angeordnet ist, und daß der Halbleiterbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps des lichtaufnehmenden Elementes einen ersten und einen zweiten Bereich hat, wobei der zweite Bereich eine höhere Störstoffkonzentration als der erste Bereich hat, wobei der erste Bereich den Halbleiterbereich des ersten Leitfähigkeitstyps und der zweite Bereich den ersten Bereich wannenförmig umgibt.

Auf diese Weise wird erreicht, daß parasitäre Effekte mit dem Substrat, die in Folge der Trägererzeugung durch einfallendes Licht entstehen, weitgehend unterdrückt werden. Durch den er­ findungsgemäßen Aufbau der Fotosensor-Halbleitervorrichtung wird außerdem die parasitäre Kapazität verringert, was die Verarbeitung von sehr schwachen Strömen aus der Fotodiode im Dunkelzustand ermöglicht und die Zuverlässigkeit erhöht. Desweiteren wird durch die Tiefe des Lichtempfangsfensters an­ nähernd die Antireflexionsbedingung für die mittlere Wellenlänge der menschlichen Sehempfindlichkeit erfüllt und da­ durch der Umsetzungswirkungsgrad für einfallendes Licht verbes­ sert und dadurch die Empfindlichkeit erhöht.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1A eine schematische Draufsicht auf einen herkömm­ lichen Fotosensor,

Fig. 1B eine Ansicht eines Schnitts längs einer Linie I- I in Fig. 1A,

Fig. 2A und 2B Ansichten, die schematisch ein erstes Aus­ führungsbeispiel einer Fotosensor-Halbleitervorrich­ tung veranschauli­ chen,

Fig. 3A bis 3C Ansichten, die schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Fotosensor-Halbleitervorrichtung veranschaulichen,

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf einen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel her­ gestellten Fotosensor.

Die Fig. 2A und 2B veranschaulichen schematisch ein erstes Aus­ führungsbeispiel eines Fotosensors.

Die Fig. 2A zeigt ein P-Substrat 131, versenkte N⁺-Schichten 132 und 132′, P⁺-Trennzonen 133, epitaxiale N-Schichten 134, P⁺-Zonen 135 und tief eindiffundierte N⁺-Zonen 136 und 136′.

In einem lichtaufnehmenden Element 148 bildet die P⁺-Zone 135 mit der epitaxialen N-Schicht 134 einen P⁺N-Übergang. Die eindiffun­ dierte N⁺-Zone 136 umgibt das lichtaufnehmende Element in Zusammenwirkung mit der versenkten Schicht 132, um einen parasitären Transisto­ reneffekt der Fotodiode zu verhindern.

Es ist ersichtlich, daß der parasitäre Effekt beträchtlich herabgesetzt wird, da gemäß der Schnittansicht in Fig. 2 und der Draufsicht in Fig. 4 die eindiffundierte N⁺-Schicht 136 so geformt ist, daß sie die ganze Seitenfläche des Bereichs des lichtauf­ nehmenden Elements umschließt. Daher ist diese Gestaltung der ein­ diffundierten N⁺-Schicht 136 sehr vorteilhaft. Ferner wird der Kollektorwiderstand eines bipolaren Transistors 150 ver­ ringert.

Gemäß Fig. 2B ist auf einer Diffusionsöffnung in einer Gate-Oxidschicht eine Polysiliciumschicht 137 mit einem N-Störstoff sowie über der Gate-Oxidschicht eines MOS-Tran­ sistors 149 eine Gateelektroden-Polysiliciumschicht 138 aus­ gebildet.

Darauf ist mittels Wärmeoxidierung eine Wärmeoxidierungsschicht 141 in einer Dicke von ungefähr 150 nm ausgebildet und der Störstoff aus der Polysiliciumschicht 137 diffundiert, dadurch werden N⁺-Zonen 139 geformt, die eine Emitterzone und eine Kontaktzone für ohmschen Kontakt bilden. Dann sind aufeinanderfolgend eine PSG-Schicht 142 in einer Dicke von 600 nm, eine Aluminiumleiterschicht 143 und eine Plasma-Nitridzwischenschicht 144 ausgebildet. Darüber ist eine Lichtabschirmschicht 145 und eine Plasma-Nitrid- Passivierungsschicht 146 aufgebracht, wobei durch Plasma- Ätzung die Nitridschichten 144 und 146 so entfernt sind, daß ein Lichtempfangsfenster 147 über der Fotodiode 148 existiert.

Bei diesem Fotosensor wird bei der Herstellung die parasitäre Kapazität verringert, was die Verarbeitung von sehr schwachen Strömen aus der Fotodiode im Dunkelzustand ermöglicht und die Zuverlässigkeit verbessert.

Durch das Abtragen der Plasma-Nitridschichten hat das Licht­ empfangsfenster 147 der Fotodiode eine Tiefe von ungefähr 750 nm, was gleich der Summe der Dicken der Wärmeoxidierungs­ schicht 141 und der PSG-Schicht 142 ist, so daß auf diese Weise annähernd die Antireflexionsbedingung für die mittlere Wellenlänge der menschlichen Sehempfindlichkeit erfüllt ist. Auf diese Weise wird der Umsetzungswirkungsgrad für das ein­ fallende Licht verbessert und dadurch die Empfindlichkeit erhöht.

Die Fig. 3A bis 3C sind schematische Ansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Fotosensors, während die Fig. 4 eine schematische Schnittansicht des gemäß diesem Ausführungsbeispiel hergestellten Fotosensors ist, wobei die Fig. 3C die Ansicht eines Schnitts längs einer Linie II-II in Fig. 4 ist.

Gemäß Fig. 3A sind auf einem Halbleitersubstrat 211 versenkte N⁺-Schichten 212 ausgebildet, auf die durch Wachstum eine epitaxiale N-Schicht 213 aufgebracht ist. Darauffolgend ist durch Bor-Diffusion eine P⁺-Trennzone 214 ausgebildet, die Inseln der epitaxialen Schicht für das Ausbil­ den eines lichtaufnehmenden Elements PD und eines bipolaren Transistors BI begrenzt.

Gemäß Fig. 3B ist Phosphor beispielsweise mittels POCl₃ in einer Konzentration eindiffundiert, die höher als diejenige der epitaxialen N-Schicht 213 ist, um für das lichtaufnehmende Element eine tiefreichende N⁺-Diffusionsschicht 215 und für den bipolaren Transistor eine tiefreichende N⁺-Diffusionsschicht 216 zu bilden, welche die versenkte Schicht 212 erreichen.

Gemäß Fig. 3C ist in der von der versenkten Schicht 212 und der N⁺-Diffusionsschicht 215 umgebenen epi­ taxialen N-Schicht 213 des lichtaufnehmenden Elements eine P-Schicht 217 ausge­ bildet, wodurch ein PN-Übergang entsteht. In der den Kollektor des bipolaren Transistors bildenden epita­ xialen N-Schicht 213 ist eine P-Basisschicht 218 ausgebildet, in welcher eine N⁺-Schicht 219 als Emitterzone ausgebil­ det ist.

Gemäß Fig. 4 ist die P-Schicht 217 des lichtaufnehmenden Elements vollständig von der N⁺-Diffusionsschicht 215 umgeben.

Auf diese Weise ist ein Fotosensor mit dem lichtaufnehmenden Element PD und dem bipolaren Transistor BI gemäß Fig. 3C und Fig. 4 aufgebaut.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der PN-Übergang des lichtaufnehmenden Elements PD von der versenkten N⁺-Schicht 212 und der N⁺-Diffu­ sionsschicht 215 mit Störstoffkonzentrationen umgeben, die höher als diejenige der epitaxialen N-Schicht 213 sind, so daß ein parasitärer Effekt wie ein Transistoreffekt zwischen der P⁺-Trennzone 214 und dem P-Halbleitersubstrat 211 verrin­ gert wird und von dem Fotosensor zufriedenstellend stabile Eigenschaften zu erwarten sind.

Es ist anzumerken, daß es zum Erzielen dieses beträchtlichen Vorteils hinsichtlich der Leistungsfähigkeit erforderlich ist, die epitaxiale N-Schicht 213 an dem ganzen Boden und den ganzen Seitenflächen mit der N⁺-Diffusionsschicht 215 und der versenkten Schicht 212 sowie der Trennzone 214 abzudecken. D.h., falls gemäß der Beschreibung des Stands der Technik die N⁺-Schicht nur an einem Teil des Bodens und der Seitenwand angebracht ist, ist eine in der Praxis ausreichende Verringe­ rung parasitärer Effekte nicht erreichbar.

Ferner ist bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel der Kollek­ torwiderstand des bipolaren Transistors BI verringert, da die N⁺-Diffusionsschicht 216 die versenkte N -Schicht 212 er­ reicht.

Hinsichtlich der Halbleitervorrichtungen besteht keine Ein­ schränkung auf die vorangehend erläuterten Ausführungsbei­ spiele; vielmehr können die Halbleitervorrichtungen mehrere bipolare Transistoren und mehrere Feldeffekttransistoren auf dem gleichen Substrat enthalten.

Gemäß der vorstehenden ausführlichen Erläuterung wird bei dem zweiten Ausführungsbeispiel eine beträchtliche Verringerung parasitärer Effekte und eine Stabilisierung der Eigenschaften eines Fotosensors dadurch erreicht, daß das lichtaufnehmende Element voll­ ständig mit einer Halbleiterzone eines Leitfähigkeitstyps, der zu demjenigen des Halbleitersubstrats entgegengesetzt ist, mit hoher Störstoffkonzentration umgeben wird.

Claims (6)

1. Fotosensor-Halbleitervorrichtung, mit einem Halbleitersubstrat (131) eines ersten Leit­ fähigkeitstyps,
einem lichtaufnehmenden Element (148) mit einem Halbleiterbereich (135) des ersten Leitfähigkeitstyps und einem Halbleiterbereich (134, 136) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, und
einem von dem lichtaufnehmenden Element (148) verschiedenen Halbleiterelement (149, 150), dadurch gekennzeichnet,
daß ein Element-Isolationsbereich (133) des er­ sten Leitfähigkeitstyps zwischen dem lichtaufnehmenden Element (148) und dem Halbleiterelement (149, 150) an­ geordnet ist, und
daß der Halbleiterbereich des zweiten Leitfähig­ keitstyps des lichtaufnehmenden Elementes einen ersten (134) und einen zweiten Bereich (136) hat, wobei der zweite Bereich eine höhere Störstoffkonzentration wie der erste Bereich hat,
wobei der erste Bereich (134) den Halbleiterbe­ reich (135) des ersten Leitfähigkeitstyps und der zweite Bereich (136) den ersten Bereich (134) wannen­ förmig umgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtaufnehmende Element (148) durch eine Diode gebildet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Halbleiterelement (149, 150) einen Bipolartransistor (150) umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (149, 150) einen Feldeffekttransistor (149) umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (149) durch einen MOS- Transistor gebildet wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß über dem lichtaufnehmenden Element (148) und dem Halbleiterelement (149, 150) eine durchgehende Lichtabschirmschicht (145) vorgesehen ist, die im Bereich des lichtaufnehmenden Elementes (148) ein Lichtempfangsfenster (147) aufweist.