DE3835700A1 - Anordnung und verfahren zur herstellung eines bildsensors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 3.

Derartige optische Sensoren finden u. a. Verwendung in der Bilderkennung oder als Video-Array.

Vorbekannte Lösungen sind

• a) photosensitive CCD′s, z. B. IR-CCD′s, bei denen durch Lichteinwirkung elektrische Ladungen unter MOS-Kapazitäten an der Eingangselektrode eines CCD erzeugt werden (Lite­ ratur: H. T. Brown, GEC J. Sience and Technology, Vol. 43, No. 3 (1977), 125),
• b) Photodioden-Arrays mit CCD-Auslesung entsprechend der DE-OS 36 22 879, wobei in einer Photodiode Licht in elek­ trische Spannung verwandelt wird, diese Spannung auf die Eingangselektrode des CCD′s gelegt wird und dadurch elek­ trische Ladung unter der Elektrode erzeugt wird, die vom CCD weiter transportiert wird,
• c) Photodioden-Array mit MOS-Transistor-Auslesung, wobei jeder zu verarbeitende Bildpunkt aus einer Photodiode und mindestens einem MOS-Transistor besteht. Die Gate-Ansteue­ rung des MOS-Transistors erfolgt über ein externes Schie­ beregister. Sobald am Gate des MOS-Transistors elektrische Spannung liegt, wird die Spannung der Photodioden, z. B. einer Zeile, ausgelesen. Bei einer derartigen Anordnung sind die Drain-Bereiche der MOS-Transistoren durch Silizi­ umdioxid vom parasitären Photostrom abgeschirmt (Lit.: K. Senda et al. IEDM 86, Seite 369).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors dahin­ gehend zu verbessern, daß Photodioden mit hoher spektraler Empfindlichkeit verwendbar sind und mit einer verschmie­ rungsarmen Ausleseschaltung oder Verstärkerschaltung inte­ grierbar sind und eine hohe Packungsdichte von Photodioden und dazugehörigen Transistoren erreicht wird.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnendnen Teil der Patentansprüche 1 und 3 angegebenen Merkmale gelöst. Vor­ teilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch eine Anordnung von Transistoren in einer ersten Ebene und den dazugehöri­ gen Photodioden in einer zweiten Ebene ein platzsparender dreidimensionaler Bildsensor aufgebaut wird, dessen Photo­ dioden und dazugehörigen Transistoren aus einem unter­ schiedlichen Halbleitermaterial hergestellt werden.

In der ersten Ebene ist z. B. eine konventionelle Verstärkerschaltung (z. B. CPT=charge priming transfer) und ein Schieberegister oder eine Ausleseschaltung beste­ hend aus einem oder mehreren MOS-Transistoren angeordnet. Derartige Schaltungen werden zum Teil mit entsprechenden Photodioden bedeckt. Der Herstellungprozeß, z. B. ein dif­ ferentielles Molekularstrahl-Epitaxie(MBE)-Verfahren, der Photodioden in der zweiten Ebene der Anordnung wird vor­ teilhafterweise bei niedrigen Temperaturen durchgeführt (T<800°C), dadurch wird die Halbleiterstruktur der ersten Ebene nicht beschädigt. Durch das differentielle Epitaxie- Verfahren lassen sich gleichzeitig ein- und polykristal­ line Halbleiterstrukturen herstellen. Die einkristallinen Halbleiterbereiche bilden die aktiven Bauelementschichten, die polykristallinen Bereiche wirken als Sperr- bzw. Kon­ taktbereiche für die jeweiligen Bauelemente.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.

In den Fig. 1 bis 4 sind die wesentlichen Herstellungs­ schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.

Die Fig. 5 zeigt eine Gesamtansicht der dreidimensionalen Bildsensoranordnung.

Die Fig. 6 bis 9 zeigen unterschiedliche Kontaktierungs­ möglichkeiten für die jeweiligen Bauelemente.

Gemäß Fig. 1 wird an ein p-leitendes Substrat oder eine entsprechend dotierte Epitaxieschicht oder rekristalli­ sierte Halbleiterschicht 1 aus z. B. einkristallinem Sili­ zium, über eine etwa 1 µm dicke erste Oxidschicht 2 als Maske, n⁺-Diffusionszonen 3 eingebracht die im wesentli­ chen mit den späteren Drain-Bereichen 9, 16 übereinstim­ men. Nach Abnahme des Maskierungsoxids 2 wird durch er­ neute Oxidation eine etwa 1 µm dicke zweite Oxidschicht 4, ein Feldoxid, erzeugt und in diese durch einen Maskie­ rungs- und Ätzschritt Fenster 5 in die aktiven Zonen 3 eingebracht, Fig. 2. Durch eine weitere thermische Oxida­ tion wird in diesen Fenstern 5 eine dritte Oxidschicht 6, ein Gate-Oxid erzeugt. Anschließend wird ganzflächig z. B. polykristallines Silizium (poly-Si) abgeschieden. Bei ei­ ner Strukturierung dieser Schicht entstehen die poly-Si Gates 7 und die Leiterbahnen aus poly-Si 7 a (Fig. 3). An­ schließend werden durch Implantation die Source- 8 und Drain-Bereich 9 dotiert. Das an diesen Stellen noch vor­ handene Gate-Oxid 6 dient als Streuoxid. Die poly-Si Gates 7 bewirken eine Selbstjustierung der Drain-Source-Bereiche 8, 9 in bezug zum Gate 7. An Stellen, an denen noch das Feldoxid 4 vorhanden ist, erfolgt keine Dotierung. Durch thermische Oxidation werden die poly-Si Gates 7 mit einer Oxidschicht 10 isoliert (Fig. 4). Danach kann das freilie­ gende Gate-Oxid 6 im Source-Bereich 8 entfernt werden. Ge­ gebenenfalls wird der Gate-Bereich 7, der Drain-Bereich 9 und der Feldoxidbereich 4 noch mit einer die Stufen eineb­ nenden Schicht aus z. B. Fließglas 10 a bedeckt (Fig. 5).

Zur Ausbildung des Bildsensors 11 ist eine Öffnung eines Fensters im Source-Bereich 8 notwendig. Da nur in diesem Fenster Si freiliegt, während die übrigen Flächen völlig mit SiO₂ abgedeckt sind, wächst bei einem differentiellen Molekularstrahl-Epitaxie (MBE)-Prozeß nur an diesen Stel­ len z. B. monokristallines Silizium 11 a, 11 b, während an allen anderen Stellen z. B. nur polykristallines Silizium 12 a, 12 b entsteht (Fig. 4). Das polykristalline Silizium hat zudem die Eigenschaft, daß es bei Dotierungen <10¹⁸cm^-3 sehr hochohmig ist und daher als Isolations­ schicht dienen kann. Die übliche Isolation durch abge­ schiedenes SiO₂ kann daher entfallen, muß aber durchge­ führt werden, wenn außerhalb des Bildsensorarrays zusätz­ liche Elemente erzeugt werden (Fig. 8). Der MBE-Prozeß wird so gesteuert, daß in den monokristallinen Fenstern, die für einen optischen Bildsensor optimale n-Dotierung der einkristallinen Bereiche 11 a entsteht. Das schließt auch die Erzeugung einer z. B. p⁺-Si-Schicht 11 b als ober­ ste Schicht ein, welche vorzugsweise durch eine Verfah­ rensvariante des MBE-Prozesses, der Molekular-Beam-Solid- Phase-Epitaxie (MB-SPE), hergestellt wird. Dabei wird auch ein gleichzeitig entstandener poly-Si Sperrbereich 12 a, teilweise leitfähig. Es entstehen polykristalline Kontakt­ bereiche 12 b. Über diese Kontaktbereiche 12 b werden die Sensoren an der Begrenzung ihrer optisch wirksamen Flächen 13 kontaktiert. Die dazugehörigen Kontakte 14 sind z. B. in Form eines Metallgitters (Fig. 5) ausgebildet, welches über den im Poly-Silizium 12 a, b vergrabenen Transistoren 15 liegt. Das Metallgitter ersetzt somit die üblicherweise notwendige durchsichtige Metallschicht auf der Sensorflä­ che 13. Die Metallbahnen des Gitternetzes schirmen dann zugleich die Drain-Bereiche 9 der Silizium-Transistoren 15 vor Lichteinfluß ab.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsge­ mäßen Anordnung und des Verfahrens wird durch die Verwen­ dung von Metall oder Silizid-Leiterbahnen für die Drain- Verbindungen als Signallinie erreicht. Dadurch kann die erste n⁺-Diffusion zur Herstellung der Zonen 3, die ledig­ lich durchgeführt wurde, um die Leitfähigkeit der Drain- Anschlüsse zu erhöhen, entfallen (Fig. 6). Sinnvollerweise werden dann auch die Gate-Bahnen 7, 7 a in Metall- oder Si­ lizid-Technik hergestellt. Allerdings kann dies nicht in einem Verfahrensschritt erfolgen, da sich die Bahnen über­ kreuzen müssen (Fig. 3).

Eine weitere Möglichkeit, die Widerstände der Drain-Zulei­ tungen zu erniedrigen, besteht in einer metallischen Kon­ taktierung über die Oberfläche (Fig. 7). Die vertikalen Zuleitungen 16 b können entweder mit einer konventionellen Grabenätztechnik hergestellt werden, wobei die Gräben mit Metall oder leitendem Silizid oder leitendem poly-Si ge­ füllt werden. Oder es wird ein in der nicht vorveröffent­ lichten deutschen Patentanmeldung P 38 13 837 beschriebe­ nes Verfahren verwendet, bei dem über dem Drain-Bereich eine vertikale monokristalline Zuleitungszone 16 b, z. B. aus Si, gleichzeitig mit dem aktiven Sensorbereich 11 a mit der differentiellen MBE gewachsen wird. Bei diesem Her­ stellungsverfahren wird zuerst die dritte Oxidschicht 6 über dem Drain-Bereich 9 entfernt. Danach werden im Source- und Drain-Bereich 8, 9 monokristalline Si-Bereiche 11 a, 16 b gewachsen. Anschließend wird lediglich der Si-Be­ reich 16 b hochdotiert, z. B. durch Phosphor Implantation.

Seperationswannen 18, z. B. Sauerstoff implantierte Berei­ chen, werden seitlich in die poly-Si-Bereiche 12 a einge­ bracht. Auf die Zuleitungszonen 16 b werden Metallbahnen 19 zur Kontaktierung der Drain-Bereiche 9 aufgebracht. Das Metallnetz 14 a der Sensorkontaktierung muß separat von den Metallbahnen 19 der Transistorkontaktierung auf der Ober­ fläche der Sensoranordnung angeordnet werden. Eine Oxid­ schicht 20 isoliert das Metallnetz 14 a von den Metallbah­ nen 19 (Fig. 7).

Innerhalb des Sensorarrays sind Anschlüsse von außen nicht notwendig, da Drain- und Gate-Bahnen bis an den Rand der Arrays herausgeführt werden. Außerhalb des Arrays (Bereich 22 in Fig. 8), muß dann eine metallische Verdrahtung 23 durchgeführt werden. Zweckmäßigerweise werden dann außer­ halb des Sensorarrays die durch den MBE-Prozeß entstan­ denen polykristallinen Siliziumschichten 12 a, b wieder abgeätzt. Jetzt befindet man sich in einem Verfahrenssta­ dium, welches dem konventionellen MOS-Prozeß vor dem Ätzen der Kontakte entspricht. Folglich schließen sich als wei­ tere Prozesse an: Kontaktfenster ätzen, Aluminium bedamp­ fen, Aluminium-Ätzen, Abdeckoxid auftragen, Pad-Fenster ätzen. Bei der Erzeugung der Aluminiumleiterbahnen wird vorteilhafterweise zugleich das oben erwähnte Gitternetz 14 a im Sensorarray mit hergestellt.

Der Vorteil der Prozeßfolge besteht darin, daß zur Her­ stellung, des Auslesetransistors auf konventionelle MOS-Technologien zurückgegriffen werden kann, während beim Aufbau des Bildsensors vorzugsweise die MBE-Technik mit ihren grundlegende Vorteilen verwendet wird. Beide Techno­ logien beeinträchtigen sich gegenseitig nicht, da MBE bei tiefen Temperaturen (< 800°C) abläuft, so daß sich z. B. Dotierungsprofile nicht verändern.

Anstelle der gutleitenden poly-Si-Schicht 12 b kann ledig­ lich ein Teil der poly-Si-Schicht hochdotiert sein und der verbleibende Teil 21 wird durch Amorphisieren durch Si-Im­ plantation hochohmig (Fig. 9). Der schmale hochdotierte Si-Rand 12 b wirkt als seitlicher Sensorkontakt. Durch eine derartige Kontaktierung des Sensors wird verhindert, daß der polykristalline Bereich als ganzes einen Beitrag zum optischen Signal liefert.

Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt eine hohe Bild­ punktzahl eines Gesamtbildes, wobei jeder Bildpunkt einem Sensor entspricht. Der Bildpunktabstand ist lediglich durch die Abmessungen des Gate- und Drain-Bereiches festgelegt. Bei sub-µm-Dimensionierung beträgt der Bildpunktabstand z. B. ungefähr 1 µm.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern es sind verschiedene Materia­ lien zur Herstellung der Photodioden und MOS-Transistoren geeignet. Es sind Kombinationen von Si-Transistoren mit Photodioden aus III/V-, II/VI- oder IV/VI-Halbleiterver­ bindungen und Si/SiGe-Materialien möglich. Außerdem können sowohl die Transistoren als auch die Photodioden aus gleichartigen oder unterschiedlichen Halbleiterverbindun­ gen der o. g. Art hergestellt werden. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf eine bestimmte Anzahl von Photodioden und Transistoren zur Herstellung einer Bildsensoranordnung beschränkt, sondern es eignet sich sowohl zur Herstellung eines lediglich aus einem Transi­ stor und einer Photodiode bestehenden Sensors, als auch zur Herstellung von Video-Arrays mit einer Vielzahl (<1000) von Sensoren mit entsprechender MOS-Auslese­ schaltung.

Claims (6)

1. Bildsensoranordnung, bestehend aus mindestens einem MOS-Transistor und zumindest einer Photodiode, dadurch ge­ kennzeichnet,

• - daß zumindest ein MOS-Transistor in einer ersten und zu­ mindest eine Photodiode in einer zweiten Ebene angeordnet sind,
• - daß die Kontaktierung sowie die Isolierung des Bildsen­ sors über geeignet dotierte, polykristalline Bereiche (12 a, 12 b) erfolgt, und
• - daß die polykristallinen Bereiche (12 b) mit einem Me­ tallgitter (14) bedeckt sind (Fig. 1).

2. Bildsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere MOS-Transistoren in einer ersten Ebene und mehrere Photodioden in einer zweiten Ebene an geordnet sind und eine dreidimensionale Bildsensoranord­ nung entsteht (Fig. 1).

3. Verfahren zur Herstellung einer Bildsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche unter Verwendung differentieller Epitaxie-Verfahren, insbesondere der dif­ ferentiellen Molekularstrahl-Epitaxie, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß auf einem einkristallinen Substrat (1) ganzflächig eine zweite Oxidschicht (4) abgeschieden wird, in die durch geeignete Maskierungs- und Ätzschritte Fenster (5) eingebracht werden,
• - daß in die Fensteröffnungen eine dritte Oxidschicht (6) eingebracht wird,
• - daß anschließend eine polykristalline Schicht ganzflä­ chig aufgewachsen und derart strukturiert wird, daß zumin­ dest polykristalline Gate-Anschlüsse (7) und entsprechende polykristalline Leiterbahnen (7 a) ausgebildet werden,
• - daß durch Ionenimplantation Source- und Drain-Bereiche (8, 9) im Substrat (1) erzeugt werden, wobei die noch vor­ handene zweite Oxidschicht (6) als Streuoxid wirkt,
• - daß die polykristallinen Gate-Anschlüsse (7) und poly­ kristallinen Leiterbahnen (7 a) durch thermische Oxidation elektrisch isoliert werden,
• - daß die dritte Oxidschicht (6) im Source-Bereich (8) entfernt wird,
• - daß mit der differentiellen Molekularstrahl-Epitaxie eine Halbleiterschicht ganzflächig gewachsen wird, derart, daß gleichzeitig auf dem einkristallinen Source-Bereich (8) ein n⁻-dotierter, einkristalliner Halbleiterbereich (11 a) und auf der zweiten und dritten Oxidschicht (6, 4), sowie den mit Oxid isolierten, polykristallinen Gate­ Anschlüssen (7) und Leiterbahnen (7 a), ein polykristalli­ ner Sperrbereich (12 a) entsteht,
• - daß durch einen nachfolgenden MB-SPE-Prozeß gleichzeitig ein p⁺-dotierter, einkristalliner Halbleiterbereich (11 b) auf dem einkristallinen, n⁻-dotierten Halbleiterbereich (11 a) und auf dem polykristallinen Sperrbereich (12 a) ein polykristalliner Kontaktbereich (12 b) aufgewachsen wird, und
• - daß auf dem polykristallinen Kontaktbereich (12 b) ein Metallgitter (14) aufgebracht wird (Fig. 4).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontaktierung des Drain-Bereiches (9) das Substrat (1) vorbehandelt wird, derart, daß hochdotierte Diffusionszo­ nen (3) in das Substrat (1) eingebracht werden, auf denen die Drain-Bereiche (9) in einem nachfolgenden Verfahrens­ schritt angeordnet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Gate- und Drainanschlüsse (7, 16) gleichzeitig hergestellt werden, derart, daß die zweite Oxidschicht (6) im Drain-Bereich (9) teilweise entfernt wird und an­ schließend ganzflächig eine Metall- oder Silizidschicht abgeschieden wird und durch Maskierungs- und Ätzverfahren die Gate-, Drainanschlüsse (7, 16) und entsprechende Lei­ terbahnen (7 a, 16 a) hergestellt werden (Fig. 2).

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Drainkontakte (19) auf der Bildsensoroberfläche angeordnet werden, und
• - daß die Drain-Bereiche (9) über vertikale Zuleitungszo­ nen (16 b) kontaktiert werden (Fig. 7).