DE60029908T2

DE60029908T2 - Leitfähiger Schutzring für aktive Bildsensoren

Info

Publication number: DE60029908T2
Application number: DE60029908T
Authority: DE
Inventors: Min Mountain View Cao; Wayne M. Los Gatos Greene; Dietrich W. Menlo Park Vook
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Aptina Imaging Corp
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2020-09-23
Also published as: JP2001210814A; EP1102321A2; US6229191B1; EP1102321A3; EP1102321B1; DE60029908D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Photodioden-Aktiv-Pixelsensoren. Insbesondere bezieht sie sich auf spannungsvorgeladene leitfähige Schutzringe, die die Photodioden-Aktiv-Pixelsensoren umgeben.
Hintergrund
Ein Array von Bildsensoren oder aktiven Pixelsensoren erfasst die Lichtintensität, die durch die Bildsensoren empfangen wird. Die Bildsensoren erzeugen typischerweise elektronische Signale, die Amplituden aufweisen, die proportional zu der Intensität des Lichts sind, das durch die Bildsensoren empfangen wird. Die Bildsensoren können ein optisches Bild in einen Satz von elektronischen Signalen umwandeln. Die elektronischen Signale können Intensitäten von Farben von Licht darstellen, das durch die Bildsensoren empfangen wird. Die elektronischen Signale können konditioniert und abgetastet werden, um Bildverarbeitung zu ermöglichen.
Die Integration der Bildsensoren mit Signalverarbeitungsschaltungsanordnungen wird wichtiger, weil die Integration die Miniaturisierung und Vereinfachung von Bilderfassungssystemen ermöglicht. Die Integration von Bildsensoren zusammen mit analoger und digitaler Signalverarbeitungsschaltungsanordnung ermöglicht es, dass elektronische Bilderfassungssystem kostengünstig sind, kompakt sind und einen geringen Leistungsverbrauch erfordern.
In der Vergangenheit waren Bildsensoren hauptsächlich ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCDs). CCDs sind relativ klein und können einen hohen Füllungsgrad liefern. CCDs sind jedoch sehr schwierig zu integrieren mit digitaler und analoger Schaltungsanordnung. Ferner dissipieren CCDs große Mengen an Leistung und leiden an Bildnachziehproblemen.
Eine Alternative zu CCD-Sensoren sind aktive Pixelsensoren. Aktive Pixelsensoren können unter Verwendung von Standard-CMOS-Prozessen hergestellt werden. Daher können aktive Pixelsensoren ohne Weiteres mit digitaler und analoger Signalverarbeitungsschaltungsanordnung integriert werden. Ferner dissipieren CMOS-Schaltungen geringe Menge an Leistung.
1 zeigt einen Querschnitt eines herkömmlichen Arrays von Bildsensoren. Diese Array von Bildsensoren umfasst erhöhte Photodiodensensoren, die über einem Substrat 100 angeordnet sind. Eine Verbindungsstruktur 110 verbindet eine N-Schicht 112 der Photodiodensensoren elektrisch mit dem Substrat 100. Eine I-Schicht 114 ist über der N-Schicht 112 gebildet. Eine P-Schicht 116 ist über der I-Schicht 114 gebildet. Die P-Schicht 116, die I-Schicht 114 und die N-Schicht 112 bilden das Array von Photodiodensensoren. Leitfähige Durchgangslöcher 120, 122, 124, 126 verbinden Anoden eines ersten Photodiodensensors, eines zweiten Photodiodensensors, eines dritten Photodiodensensors und eines vierten Photodiodensensors elektrisch mit dem Substrat 100. Eine transparente leitfähige Schicht 118 ist über dem Array von Photodiodensensoren angeordnet, und verbindet Kathoden des ersten Photodiodensensors, des zweiten Photodiodensensors, des dritten Photodiodensensors und des vierten Photodiodensensors elektrisch mit dem Substrat 100.
Die Photodiodensensoren leiten Ladung, wenn die Photodiodensensoren Licht empfangen. Das Substrat 100 umfasst allgemein eine Erfassungsschaltungsanordnung und Signalverarbeitungsschaltungsanordnung. Die Erfassungsschaltungsanordnung erfasst, wie viel Ladung die Photodiodensensoren geleitet haben. Die geleitete Ladungsmenge stellt die Intensität des Lichts dar, das durch die Pixelsensoren empfangen wird.
2 ist ein Schema einer typischen Schaltung, die auf dem Substrat 100 enthalten ist, die mit jedem Photodiodensensor 136 elektrisch verbunden ist. Die Schaltung umfasst einen Schalter 132, der die Kathode jedes Photodiodensensors 136 auf eine Anfangskathodenspannung treibt und einen Kathodenkondensator 134 lädt. Der Schalter 132 wird dann geöffnet und der Kathodenkondensator 134 entlädt sich, während der Photodiodensensor 136, der mit dem Kathodenkondensator 134 verbunden ist, Ladung leitet. Die Rate, mit der der Kathodenkondensator 134 entlädt, hängt von der Intensität des Lichts ab, das durch den Photodiodensensor 136 empfangen wird, der mit den Kathodenkondensator 134 verbunden ist. Daher kann die Intensität des Lichts, das durch den Photodiodensensor 136 empfangen wird, bestimmt werden durch Abtasten der Spannung auf dem Kathodenkondensator 134 eine Zeitperiode, nachdem der Schalter 132 geöffnet wurde.
Die Ladung, die durch eine umgekehrt vorgespannte Diode geleitet wird, wird in einer Raumladungsregion und neutralen Region der Diode erzeugt. Photodiodensensoren sind konfiguriert, so dass die Ladung, die durch einen umgekehrt vorgespannten Photodiodensensor geladen wird, in der Raumladungsregion erzeugt wird. Die Größe der Ladung, die geleitet wird, hängt direkt von dem Volumen der Raumladungsregion ab. In einem Array von Photodiodensensoren erstreckt sich die Raumladungsregion jedes Photodiodensensors über die physikalischen Grenzen des Photodiodensensors hinaus. Die Raumladungsregion ist durch das elektrische Feld zwischen der Anode und der Kathode des Photodiodensensors definiert.
3 ist eine Darstellung, die etwa die Kathodenspannung von jedem der Photodiodensensoren 136 darstellt, die durch eine elektronische Schaltung getrieben werden, die ähnlich ist wie die in 2 gezeigte Schaltung. Der Schalter 132 der Schaltung wird zu einem Zeitpunkt 160 geöffnet. Die Kathodenspannung jedes Photodiodensensors verringert sich dann, während der Kathodenkondensator 134 sich entlädt, während der Photodiodensensor 136, der mit dem Kathodenkondensator 134 verbunden ist, Ladung leitet. Die Kathodenspannung wird zum Zeitpunkt 162 abgetastet. Je größer die Intensität des empfangenen Lichts, um so geringer ist die Kathodenspannung zum Zeitpunkt 162, zu dem Kathodenspannung abgetastet wird. Die Kathodenspannung verringert sich zum Zeitpunkt 164 nicht mehr, weil der Photodiodensensor gesättigt ist.
Falls die Intensität des Lichts, das durch den Photodiodensensor 136 empfangen wird, zu stark ist, werden sich die Photodiodensensoren sättigen. Das heißt, der Kathodenkondensator 134 entlädt sich vollständig, bevor die Kathodenspannung abgetastet wird. Die Sättigung der Photodiodensensoren kann vermieden werden, entweder durch Begrenzen der Intensität des empfangenen Lichts oder durch Begrenzen der Zeit, während es den Photodiodensensoren ermöglicht ist, aufgrund der Belichtung Ladung zu leiten.
Wenn die Photodiodensensoren gesättigt sind, sammeln die Sensoren keine Ladung mehr und die elektrischen Felder über den Photodiodensensoren fallen zusammen. Wenn die elektrischen Felder über dem Sensor zusammenfallen, wird Ladung in Defekten innerhalb der I-Schicht der Sensoren gesammelt oder eingefangen. Die Ladung, die in den Defekten der I-Schicht gesammelt wird, kann bewirken, dass die Photodiodensensoren an Bildnachlauf leiden.
Bildnachlauf tritt allgemein auf, wenn Photodiodensensoren eine Reihe von aufeinander folgenden Bildern erfassen. Das heißt, die Photodiodensensoren erfassen mehrere Bilder, eines nach dem anderen. Beispielsweise kann ein Array von Photodiodensensoren verwendet werden, um einen Videostrom von Bildern zu erzeugen. Bildnachlauf tritt auf, wenn ein Bild, das erfasst wird, ein Bild beeinträchtigt, das in der Zukunft erfasst wird. Das zukünftige Bild ist typischerweise das nächste nachfolgende Bild.
Auf die Erfassung eines „nächsten Bildes" hin wird die Ladung, die in den Defekten gesammelt ist, freigegeben. Der Effekt ist, dass die inhärente Kapazität des Photodiodensensors sich schneller entlädt als die Kapazität des Photodiodensensors sich entlanden hätte, wäre keine Ladung in den Defekten angesammelt gewesen. Das heißt, die Ladung, die in den Defekten angesammelt ist, beeinträchtigt das Erfassen des nächsten nachfolgenden Bildes und verursacht Bildnachlauf.
Es ist wünschenswert, ein Aktiv-Pixelsensorarray zu haben, das benachbart zu einem Substrat gebildet ist, das eine Reihe von Bildern erfassen kann, ohne so viel Bildnachlauf zu erleiden wie herkömmliche Aktiv-Pixelsensorarrays. Es ist wünschenswert, dass das Aktiv-Pixelsensorarray eine Struktur umfasst, die keine zusätzlichen Bildungsverarbeitungsschritte erfordert.
Die US-A-4740824 bezieht sich auf einen Festkörperbildsensor. Eine Halbleiterstruktur mit Bildabschnitten und einem Übertragungsabschnitt ist in einem Substrat gebildet, und ein Isolierfilm ist auf dem Substrat gebildet. Ladungsübertragungselektroden sind in einem Isolierfilm über den Übertragungsabschnitt vergraben, und Pixelelektroden sind auf dem Isolierfilm gebildet und sind mit den Speicherabschnitten durch Elektroden elektrisch verbunden. Ein photoleitfähiger Film zum Umwandeln einfallender Lichtstrahlen zu elektrischen Ladungen ist auf dem Isolierfilm gebildet, eine Barriereschicht ist auf dem Film gebildet und eine transparente Elektrode ist auf der Barriereschicht gebildet. Elektroden und Halbleiterschichten sind in dem Isolierfilm vergraben, so dass jede der Halbleiterschichten teilweise durch den photoleitfähigen Film kontaktiert wird, wodurch eine Diodenstruktur gebildet wird durch den photo leitfähigen Film, die Halbleiterschicht und die Pixelelektroden.
Die US-A-5936261 bezieht sich auf einen Bildsensor. Das Bildsensorarray umfasst ein Substrat. Eine Verbindungsstruktur ist benachbart zu dem Substrat gebildet. Eine Mehrzahl von Bildsensoren sind benachbart zu der Verbindungsstruktur gebildet. Jeder Bildsensor umfasst eine Pixelelektrode, und einen getrennten I-Schicht-Abschnitt, der benachbart zu der Pixelelektrode gebildet ist. Das Bildsensorarray umfasst ferner ein Isoliermaterial zwischen jedem Bildsensor. Eine transparente Elektrode ist über den Bildsensoren gebildet. Eine Innenoberfläche der transparenten Elektrode ist elektrisch verbunden mit einer äußeren Oberfläche der Bildsensoren und der Verbindung.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist ein erhöhtes Aktiv-Pixelsensorarray, das benachbart zu einem Substrat gebildet ist, in dem die Aktiv-Pixelsensoren durch Schutzringe umgeben sind. Die Schutzringe sind auf ein Spannungspotential vorgespannt, das den Bildnachlauf des Aktiv-Pixelsensorarrays reduziert, wenn eine Reihe von Bildern erfasst wird. Das Aktiv-Pixelsensorarray erfordert keine zusätzlichen Bildungsverarbeitungsschritte.
Ein erstes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung umfasst ein Array von aktiven Pixelarraysensoren. Das Array von aktiven Pixelsensoren umfasst ein Substrat, das elektronische Schaltungsanordnung umfasst. Eine Verbindungsstruktur ist auf dem Substrat gebildet. Die Verbindungsstruktur umfasst eine Mehrzahl von leitfähigen Durchgangslöchern. Eine Mehrzahl von leitfähigen Schutzringen sind auf der Verbindungsstruktur gebildet. Jeder leitfähige Schutzring ist mit der elektronischen Schaltungsanordnung durch zumindest eines der leitfähigen Durchgangslöcher elektrisch verbun den. Eine Mehrzahl von Photodiodensensoren sind über der Verbindungsstruktur gebildet. Jeder Photodiodensensor ist durch zumindest einen der leitfähigen Schutzringe umgeben. Jeder Photodiodensensor umfasst eine Pixelelektrode. Die Pixelelektrode ist mit dem Substrat durch ein entsprechendes leitfähiges Durchgangsloch elektrisch verbunden. Eine I-Schicht ist über der Pixelelektrode gebildet. Das Array von aktiven Pixelsensoren umfasst ferner eine transparente leitfähige Schicht, die auf den Photodiodensensoren gebildet ist. Eine Innenoberfläche der leitfähigen Schicht ist physikalisch verbunden mit Photodiodensensoren, und durch ein leitfähiges Durchgangsloch elektrisch verbunden mit den Substrat. Die elektronische Schaltungsanordnung spannt die Photodiodensensoren vor und steuert ein Schutzspannungspotential der leitfähigen Schutzringe.
Ein zweites Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist ähnlich wie das erste Ausführungsbeispiel. Das zweite Ausführungsbeispiel umfasst die Pixelelektrode, die aus einer N-Schicht besteht.
Ein drittes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist ähnlich wie das zweite Ausführungsbeispiel. Das dritte Ausführungsbeispiel umfasst die I-Schicht und die Pixelelektroden, die jeweils aus amorphem Silizium gebildet sind.
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich werden, die die Prinzipien der Erfindung beispielhaft darstellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Querschnitt eines herkömmlichen Arrays von Photodiodensensoren.
2 zeigt eine typische Schaltung, die mit einer Kathode von jedem der Photodiodensensorarrays von dem Array von Photodiodensensoren verbunden ist.
3 zeigt ein Diagramm einer Kathodenspannung von jedem der Photodiodensensoren, währen dieselben Licht empfangen.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 zeigt eine Draufsicht des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels.
6 zeigt eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8 ist ein Flussdiagramm, das Schritte zeigt, die beim Bilden eines Ausführungsbeispiels der Erfindung aufgenommen werden können.
Detaillierte Beschreibung
Wie es in den Zeichnungen zu Darstellungszwecken gezeigt ist, ist die Erfindung in einem erhöhten Aktiv-Pixelsensorarray ausgeführt, das benachbart zu einem Substrat gebildet ist, in dem die aktiven Pixelsensoren durch Schutzringe umgeben sind. Die Schutzringe sind auf ein Spannungspotential vorgespannt, das den Bildlauf des Aktiv-Pixelsensorarrays reduziert, wenn eine Reihe von Bildern erfasst wird. Das Aktiv-Pixelsensorarray erfordert keine zusätzlichen Bildungsverarbeitungsschritte.
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst ein Substrat 200, das elektronische Schaltungsanordnungen umfasst. Eine Verbindungsstruktur 210 ist benachbart zu dem Substrat 200 gebildet. Die Verbindungsstruktur 210 umfasst eine Mehrzahl von leitfähigen Durchgangslöchern 211, 212, 213, 214 215, 216. Eine Mehrzahl von leitfähigen Schutzringen 225 sind benachbart zu der Verbindungsstruktur 210 gebildet. Jeder Schutzring 225 ist elektrisch mit dem Substrat 200 verbunden, durch zumindest eines der leitfähigen Ringdurchgangslöcher 223, 227. Eine Mehrzahl von Photodiodensensoren sind benachbart zu der Verbindungsstruktur 210 gebildet. Jeder Photodiodensensor ist durch zumindest einen der leitfähigen Schutzringe 225 umgeben. Jeder Photodiodensensor umfasst eine Pixelelektrode 220, die durch ein entsprechendes leitfähiges Pixeldurchgangsloch 211, 213, 215 elektrisch mit dem Substrat verbunden ist. Eine I-Schicht 230 ist benachbart zu den Pixelelektroden 220 und den leitfähigen Schutzringen 225 gebildet. Eine P-Schicht 240 ist benachbart zu der I-Schicht gebildet. Das Array von aktiven Pixelsensoren umfasst ferner eine transparente leitfähige Schicht 250, die benachbart zu den Photodiodensensoren gebildet ist. Eine Innenoberfläche der leitfähigen Schicht 250 ist elektrisch und physikalisch mit den Photodiodensensoren verbunden, und durch ein leitfähiges Durchgangsvorspannungsdurchgangsloch 216 elektrisch mit dem Substrat verbunden. Die elektronische Schaltungsanordnung spannt die Photodiodensensoren vor und steuert ein Schutzspannungspotential der leitfähigen Schutzringe 225.
Wie es vorher erwähnt wurde, wenn die Photodiodensensoren gesättigt sind, leiten die Sensoren keine Ladung mehr. Wenn dieselben gesättigt sind, fallen die elektrischen Felder über den herkömmlichen Photodiodensensoren zusammen. Allgemein, wenn die elektrischen Felder über den Sensoren zusammenfallen, wird Ladung in Defekten innerhalb I-Schicht 230 der Sensoren gesammelt oder gefangen. Die Ladung, die in den Defekten der I-Schicht 230 gesammelt wird, kann bewirken, dass die herkömmlichen Photodiodensensoren an Bildnachlauf leiden.
Bildnachlauf tritt allgemein auf, wenn Photodiodensensoren verwendet werden, um eine Reihe von aufeinander folgenden Bildern zu erfassen. Das heißt, die Photodiodensensoren werden verwendet, um mehrere Bilder zu erfassen, eines nach dem anderen. Bildnachlauf tritt auf, wenn ein Bild, das erfasst wird, beeinträchtigt wird durch ein Bild, das in der Vergangenheit erfasst wurde. Das vergangene Bild ist typischerweise das Bild, das kurz vor dem aktuellen Bild erfasst wurde.
Auf die Erfassung eines „nächsten Bilds" hin wird die Ladung, die in den Defekten gesammelt wird, freigegeben. Das Ergebnis ist, dass die inhärente Kapazität des Photodiodensensors sich schneller entlädt als die Kapazität des Photodiodensensors sich entladen hätte, hätte sich keine Ladung in den Defekten der I-Schicht 230 gesammelt. Das heißt, die Ladung, die in den Defekten gesammelt wird, beeinträchtigt das Erfassen des nächsten nachfolgenden Bildes und verursacht Bildnachlaufen.
Das feste Schutzspannungspotential der Schutzringe 225 liefert ein externes elektrisches Feld. Das externe elektrische Feld verhindert, dass jemals Ladung in den Defekten der I-Schicht 230 gespeichert wird. Als Folge wird Bildnachlauf der Photodiodensensoren reduziert. Die vorgespannten Schutzringe 227 entleeren zusätzlichen Photostrom und reduzieren den Bildnachlauf der Photodiodensensoren. Das fest Schutzspannungspotential wird allgemein experimentell bestimmt. Der optimale Wert des festen Schutzspannungspotentials minimiert den beobachtbaren Bildnachlauf. Das feste Schutzspannungspotential liegt typischerweise zwischen 0 Volt und 2 Vdd Volt, wobei Vdd eine Leistungsversorgungsspannung der elektronischen Schaltungsanordnung des Substrats ist.
5 zeigt eine Draufsicht des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels. 5 zeigt, dass die Schutzringe 225 die Pixelelektroden 220 umgeben. Die Schutzringe 225 werden durch die gleichen Verarbeitungsschritte gebildet wie die Pixelelektroden 220. Daher erfordert die Bildung der Schutzringe 225 keine zusätzlichen Verarbeitungsschritte.
6 zeigt eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. 6 zeigt, dass die Schutzringe 225 mehr als eine Pixelelektrode 220 umgeben können.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst eine Pixelmetallisierungsschicht 710, die zwischen den Pixelelektroden 220 und den leitfähigen Pixeldurchgangslöchern 211, 213, 215 gebildet ist. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst ferner eine Ringmetallisierungsschicht 720, die zwischen den leitfähigen Schutzringen 225 und den leitfähigen Ringdurchgangslöchern 212, 214 gebildet ist.
Die Schutzringe können zwischen den Photodiodensensoren verteilt sein. Je weniger Schutzringe 225, um so größer ist der Bildnachlauf, den das Array von Photodiodensensoren erfährt. Je größer die Anzahl von Schutzringen 225, um so geringer der Bildnachlauf. Mehr Schutzringe 225 reduzieren jedoch das „Füllverhältnis" eines Arrays von Photodiodensensoren. Das heißt, die Aufnahme der Schutzringe 225 reduziert die Anzahl von Photodiodensensoren.
Die Pixelsensoren leiten Ladung, wenn die Pixelsensoren Licht empfangen. Das Substrat 200 umfasst allgemein Erfassungsschaltungsanordnung und Signalverarbeitungsanordnung. Die Erfassungsschaltungsanordnung erfasst, wie viel Ladung die Pixelsensoren geleitet haben. Die geleitete Menge an Ladung stellt die Intensität von Licht dar, das durch die Pixelsensoren empfangen wird. Allgemein kann das Substrat CMOS (komplementäres Metalloxid-Silizium), BICMOS oder Bipolar sein. Das Substrat kann verschiedene Typen von Substrattechnologie umfassen, einschließlich ladungsgekoppelte Vorrichtungen.
Typischerweise ist die Verbindungsstruktur 210 eine Standard-CMOS-Verbindungsstruktur. Die Struktur und Verfahren zum Bilden dieser Verbindungsstruktur sind auf dem Gebiet der Herstellung von elektronischen integrierten Schaltungen gut bekannt. Die Verbindungsstruktur 210 kann eine subtraktive Metallstruktur sein, oder eine Einzel- oder Dual-Damaszenerstruktur sein.
Der innere Metallabschnitt 710, 720 sollte ein dünnes leitfähiges Material umfassen. Die inneren Metallabschnitte 710, 720 können beispielsweise aus einer degeneriert dotierten Halbleiterschicht, Aluminium, Titan, Titannitrid, Kupfer oder Wolfram gebildet sein. Die inneren Metallabschnitte 710, 720 sollten dünn (etwa 500 Angström) und glatt sein. Die inneren Metallabschnitte 710, 720 sollten glatt genug sein, dass jede Oberflächenrauheit im Wesentlichen geringer ist als die Dicke der Pixelelektroden 220 oder der leitfähigen Schutzringe 225, die über den inneren Metallabschnitten 710, 720 gebildet sind. Um die Glätte-Anforderung zu erfüllen, kann Polieren der inneren Metallabschnitte 710, 720 erforderlich sein.
Die inneren Metallabschnitte 710, 720 sind optional. Die inneren Metallabschnitte 710, 720 haben einen geringeren Widerstand als die Materialen, die verwendet werden, um die Pixelelektroden 220 zu bilden. Daher liefern die inneren Metallabschnitte 710 eine bessere Stromsammlung.
Die Pixelelektroden 220 und die Schutzringe 225 sind allgemein aus einem dotierten Halbleiter gebildet. Der dotierte Halbleiter kann eine N-Schicht aus amorphen Silizium sein. Die Pixelelektroden 220 müssen dick genug sein, und stark genug dotiert sein, damit die Pixelelektroden 220 nicht vollständig entleert werden, wenn sie während dem Betrieb vorgespannt werden. Die Pixelelektroden 220 und die Schutzringe 225 sind typischerweise mit Phosphor dotiert.
Die Pixelelektroden 220 und die Schutzringe 225 sind typischerweise unter Verwendung von plasmageätzter chemischer Dampfaufbringung aufgebracht (PECVD). PECVD wird mit einem phosphorhaltigen Gas durchgeführt. Das Phosphorgas kann PH₃ sein. Ein siliziumhaltiges Gas ist enthalten, wenn Pixelelektroden aus amorphem Silizium gebildet werden.
Eine N-Schicht aus amorphen Silizium wird typischerweise verwendet, wenn PIN-Dioden-Aktiv-Pixelsensoren gebildet werden. Die Dioden-Aktiv-Pixelsensoren können jedoch eine NIP-Sensorkonfiguration umfassen. In diesem Fall sind die Pixelelektroden 220 aus einer P-Schicht gebildet, und die P-Schicht 250 von 2 wird mit einer N-Schicht ersetzt.
Die I-Schicht 230 ist allgemein aus einem hydrierten amorphen Silizium gebildet. Die I-Schicht 230 kann unter Verwendung einer PECVD oder eines reaktiven Sputterprozesses aufgebracht werden. Der PECVD-Prozess muss ein siliziumhaltiges Gas enthalten. Die Aufbringung sollte bei einer ausreichend niedrigen Temperatur sein, damit Wasserstoff in dem Film enthalten ist. Die I-Schicht 230 ist etwa 1 μm dick.
Die P-Schicht 240 ist allgemein aus amorphem Silizium gebildet. Typischerweise ist die P-Schicht mit Bor dotiert. Die P-Schicht 240 kann unter Verwendung von PECVD aufgebracht werden. Die PECVD wird mit einem borhaltigen Gas durchgeführt. Das borhaltige Gas kann P₂H₆ sein. Ein siliziumhaltiges Gas ist enthalten, wenn eine amorphe Silizium-P-Schicht 240 gebildet wird. Die Dicke der P-Schicht 240 muss allgemein gesteuert werden, um sicherzustellen, dass die P-Schicht 240 nicht zuviel kurzwelliges (blaues) Licht absorbiert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst keine P-Schicht 240. Die P-Schicht kann eliminiert werden mit einer ordnungsgemäßen Auswahl der Zusammensetzung des Materials in dem transparenten Leiter 250, und ordnungsge mäßer Auswahl der Dotierpegel der Pixelelektroden 220. Für dieses Ausführungsbeispiel liefert der transparente Leiter 250 eine leitfähige Verbindung zwischen einer oberen Oberfläche der I-Schicht 230 der Pixelsensoren und der Verbindungsstruktur 210, anstatt nur zwischen einer Randoberfläche der I-Schicht 230 und der Verbindungsstruktur 210.
Wie es vorher beschrieben wurde, sind die Pixelelektroden 220, die I-Schicht 230 und die P-Schicht 240 allgemein aus amorphen Silizium gebildet. Die Pixelelektroden 220, die I-Schicht 230 und die P-Schicht 240 können jedoch auch aus amorphem Kohlenstoff, amorphem Siliziumcarbid, amorphem Germanium und amorphem Siliziumgermanium gebildet sein. Es sollte klar sein, dass diese Liste nicht erschöpfend ist.
Der transparente Leiter 250 liefert eine leitfähige Verbindung zwischen der P-Schicht 240 der I-Schicht 230 der Pixelsensoren und der Verbindungsstruktur 210. Licht muss durch den transparenten Leiter 250 verlaufen, das durch die Pixelsensoren empfangen wird. Allgemein ist der transparente Leiter 250 aus einem Indium-Zinnoxid gebildet. Der transparente Leiter 250 kann jedoch auch aus Titannitrid, dünnem Silizid oder bestimmten Typen von Übergangsmetallnitriden oder -Oxiden gebildet sein.
Sowohl die Auswahl des Materialtyps, des in dem transparenten Leiter 250 verwendet werden soll, als auch die Bestimmung der gewünschten Dicke des transparenten Leiters 250 basieren auf dem Minimieren der optischen Reflexion von Licht, das durch den Pixelsensor empfangen wird. Die Minimierung der Reflexion des Lichts, das durch den Pixelsensor empfangen wird, trägt dazu bei, die Lichtmenge zu optimieren, die durch den Pixelsensor erfasst wird.
Der transparente Leiter 250 kann durch einen Sputterprozess aufgebracht werden. Aufbringung durch Sputtern ist in der Technik der Herstellung integrierter Schaltungen gut bekannt.
Eine Schutzschicht kann über dem transparenten Leiter 250 gebildet sein. Die Schutzschicht liefert mechanischen Schutz, elektrische Isolierung und kann Antireflexionscharakteristika liefern.
8 ist ein Flussdiagramm, das Schritte zeigt, die beim Bilden eines Ausführungsbeispiels der Erfindung aufgenommen werden können.
Ein erster Schritt 810 umfasst das Bilden einer Standardverbindungsstruktur 210 über dem Substrat 200. Die Struktur und Verfahren zum Bilden dieser Verbindungsstruktur sind auf dem Gebiet der Herstellung elektronischer integrierter Schaltungen gut bekannt. Die Verbindungsstruktur 210 kann eine subtraktive Metallstruktur sein oder eine Einzel- oder Dual-Damaszenerstruktur.
Die Verbindungsstruktur 210 umfasst leitfähige Durchgangslöcher 211, 212, 213, 214, 215, 216. Allgemein sind die leitfähigen Durchgangslöcher 211, 212, 213, 214, 215, 216 aus Wolfram gebildet. Wolfram wird allgemein während der Herstellung verwendet, Wolfram kann Löcher mit hohem Seitenverhältnis füllen. Das heißt, Wolfram kann verwendet werden, um schmale und relativ lange Verbindungen zu bilden. Typischerweise werden die leitfähigen Durchgangslöcher 211, 212, 213, 214, 215, 216 unter Verwendung eines chemischen Dampfaufbringungs- (CVD-) Prozesses gebildet. Andere Materialien, die verwendet werden können, um die leitfähigen Durchgangslöcher 211, 212, 213, 214, 215, 216 zu bilden, umfassen Kupfer, Aluminium oder jedes andere elektrisch leitfähige Material.
Ein zweiter Schritt 820 umfasst das Aufbringen und Ätzen der inneren Metallabschnitte 710, 720 und das Aufbringen und Ätzen der Pixelelektroden 220 und leitfähigen Schutzringe 225 auf der Verbindungsstruktur 210. Eine innere Metallschicht wird zuerst über der Verbindungsstruktur 210 aufgebracht. Die innere Metallschicht wird dann gemäß einer vorbestimmten Struktur geätzt, die den inneren Metallabschnitt 710, 720 bildet, der den Pixelelektroden und den leitfähigen Schutzringen 225 entspricht. Eine Elektrodenschicht wird über die inneren Metallabschnitte 710, 720 aufgebracht. Die Elektrodenschicht wird gemäß einer vorbestimmten Struktur geätzt, die die Pixelelektroden 220 und die leitfähigen Schutzringe 225 über dem inneren Metallabschnitt 710, 720 bildet. Eine einzelne Pixelelektrode 220 und ein innerer Metallabschnitt 710 werden für jeden Pixelsensor gebildet.
Die Pixelelektroden 220 und die leitfähigen Schutzringe 225 können mit N-Schicht-Abschnitten gebildet werden. Alternativ können die Pixelelektroden 220 und die leitfähigen Schutzringe 225 mit einem leitfähigen Nitrid, wie z. B. Titannitrid gebildet werden.
Die Pixelelektroden 220 und die leitfähigen Schutzringe werden typischerweise unter Verwendung von PECVD aufgebracht. Die PECVD wird mit einem phosphorhaltigen Gas durchgeführt. Das phosphorhaltige Gas kann PH₃ sein. Ein siliziumhaltiges Gas, wie z. B. Si₂H₆ oder SiH₄, ist enthalten, wenn Pixelelektroden aus amorphem Silizium 220 und leitfähige Schutzringe 225 gebildet werden. Die vorbestimmte Pixelelektrodenstruktur wird durch Nass- oder Trockenätzen des aufgebrachten Pixelelektrodenmaterials gebildet.
Ein dritter Schritt 830 umfasst das Aufbringen einer I-Schicht 230 und einer P-Schicht 240 über den Pixelelektroden 220 und den leitfähigen Schutzringen 225. Die I-Schicht 230 ist allgemein unter Verwendung einer PECVD oder eines reaktiven Sputterprozesses aufgebracht. Der PECVD muss ein siliziumhaltiges Gas enthalten. Die Aufbringung sollte bei einer ausreichenden niedrigen Temperatur sein, dass Wasserstoff in dem Film gehalten wird.
Die P-Schicht 240 kann auch unter Verwendung von PECVD aufgebracht werden. Die PECVD wird mit einem borhaltigen Gas durchgeführt. Das borhaltige Gas kann B₂H₆ sein. Ein siliziumhaltiges Gas ist enthalten, wenn eine amorphe Silizium-P-Schicht 240 gebildet wird.
Ein vierter Schritt 840 umfasst das Ätzen der P-Schicht 230 und der I-Schicht 220, was Zugriff zu dem leitfähigen Vorspannungsdurchgangsloch 216 liefert. Das leitfähige Vorspannungsdurchgangsloch 260 ist elektrisch Verbunden mit einer Referenzspannung auf dem Substrat 200, die verwendet wird, um das Array von Pixelsensoren vorzuspannen.
Ein fünfter Schritt 850 umfasst das Aufbringen der transparenten leitfähigen Schicht 250 über der P-Schicht 240, die eine elektrische Verbindung zwischen der P-Schicht 240 und dem leitfähigen Vorspannungsdurchgangsloch 216 liefert. Allgemein ist der transparente Leiter 250 aus einem Indiumzinnoxid gebildet. Der transparente Leiter 250 kann jedoch auch aus Titannitrid, dünnem Silizid oder bestimmten Typen von Übergangsmetallnitriden oder -Oxiden gebildet sein.
Die transparente leitfähige Schicht 250 ist allgemein durch reaktives Sputtern aufgebracht. Die transparente leitfähige Schicht 250 kann jedoch auch durch Verdampfung aufgewachsen werden. Falls die transparente leitfähige Schicht 250 aus Titaniumnitrid gebildet ist, dann muss typischerweise ein CVD-Prozess oder ein Sputterprozess verwendet werden, um die transparente leitfähige Schicht 250 aufzubringen.
Wie es vorher angemerkt wurde, kann eine Schutzschicht über dem transparenten Leiter 250 gebildet werden. Die Schutzschicht liefert mechanischen Schutz, elektrische Isolation und kann antireflektierende Charakteristika liefern.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und dargestellt wurden, ist die Erfindung nicht auf spezifische Formen oder Anordnungen von Teilen be schränkt, die so beschrieben und dargestellt sind. Die Erfindung ist nur durch die Ansprüche begrenzt.

Claims

Ein Array von aktiven Pixelsensoren, das folgende Merkmale umfasst: ein Substrat (200), das elektronische Schaltungsanordnung umfasst; eine Verbindungsstruktur (210) auf dem Substrat (200), wobei die Verbindungsstruktur (210) eine Mehrzahl von leitfähigen Durchgangslöchern (211–216) umfasst; eine Mehrzahl von leitfähigen Schutzringen (225) auf der Verbindungsstruktur (210), wobei jeder Schutzring (225) durch zumindest eines (212, 214) der leitfähigen Durchgangslöcher mit dem Substrat (200) elektrisch verbunden ist; eine Mehrzahl von Photodiodensensoren (230, 240) über der Verbindungsstruktur (210), wobei jeder Photodiodensensor durch zumindest einen der leitfähigen Schutzringe (225) umgeben ist, wobei jeder Photodiodensensor folgende Merkmale umfasst: eine Pixelelektrode (220), wobei die Pixelelektrode (220) durch ein entsprechendes leitfähiges Durchgangsloch (211, 213, 215) mit dem Substrat (200) elektrisch verbunden ist; eine eigenleitende Halbleiterschicht (230), die über der Pixelelektrode (220) gebildet ist; wobei das Array von aktiven Pixelsensoren ferner folgende Merkmale umfasst: eine transparente leitfähige Schicht (250), die auf den Photodiodensensoren gebildet ist, wobei eine Innenoberfläche der leitfähigen Schicht (250) mit den Photodiodensensoren physikalisch verbunden ist, und durch ein leitfähiges Durchgangsloch (216) mit dem Substrat (200) elektrisch verbunden ist; wobei: die elektronische Schaltungsanordnung die Photodiodensensoren vorspannt und ein Schutzspannungspotential der leitfähigen Schutzringe (225) steuert, wobei die Schutzringe (225) und die Pixelelektroden (220) auf der Verbindungsstruktur (210) angeordnet sind.
Der aktive Pixelsensor gemäß Anspruch 1, bei dem jeder leitfähige Schutzring (225) folgendes Merkmal umfasst: eine Schutzringelektrodenschicht.
Der aktive Pixelsensor gemäß Anspruch 1, bei dem jeder leitfähige Schutzring (225) folgendes Merkmal umfasst: eine Schutzringmetallschicht (720).
Der aktive Pixelsensor gemäß Anspruch 1, bei dem jede Pixelelektrode eine Elektrodenmetallschicht (710) umfasst.
Der aktive Pixelsensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Verbindungsstruktur (210) die Pixelelektroden (220) elektrisch mit dem Substrat (200) verbindet.
Der Photodioden-Aktiv-Pixelsensor gemäß Anspruch 1, bei dem die eigenleitende Halbleiterschicht (230) und die Pixelelektroden (220) jeweils amorphes Silizium umfassen.
Der Photodioden-Aktiv-Pixelsensor gemäß Anspruch 1, der ferner eine dotierte Halbleiterschicht (240) umfasst, die zwischen der eigenleitenden Schicht (230) und der leitfähigen transparenten Schicht (250) gebildet ist, wobei die Innenoberfläche der leitfähigen transparenten Schicht (250) mit der dotierten Halbleiterschicht (240) und der eigenleitenden Halbleiterschicht (230) physikalisch verbunden ist, und durch ein leitfähiges Durchgangsloch (216) mit dem Substrat (200) elektrisch verbunden ist.
Der Photodioden-Aktiv-Pixelsensor gemäß Anspruch 5, bei dem die dotierte Halbleiterschicht (240) amorphes Silizium umfasst.
Der Photodioden-Aktiv-Pixelsensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Innenoberfläche der leitfähigen transparenten Schicht (250) durch einen Wolframstecker mit dem Substrat (200) elektrisch verbunden ist.
Der Photodioden-Aktiv-Pixelsensor gemäß Anspruch 1, bei dem die leitfähige transparente Schicht (250) Indium-Zinnoxid umfasst.
Der Photodioden-Aktiv-Pixelsensor gemäß Anspruch 1, bei dem das Substrat (200) CMOS umfasst.
Der Photodioden-Aktiv-Pixelsensor gemäß Anspruch 1, bei dem das Substrat (200) aktive Schaltungen umfasst, die Ladung erfassen, die durch die Photodiodensensoren akkumuliert wird, aufgrund dessen, dass die Photodiodensensoren Licht empfangen.
Der Photodioden-Aktiv-Pixelsensor gemäß Anspruch 1, bei dem das Substrat (200) ladungsgekoppelte Vorrichtungen umfasst.
Der Photodioden-Aktiv-Pixelsensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Innenoberfläche der leitfähigen transparenten Schicht (250) durch eine Mehrzahl von Wolframsteckern mit dem Substrat (200) elektrisch verbunden ist.
Der aktive Pixelsensor gemäß Anspruch 1, bei dem jede Pixelelektrode (220) eine dotierte Halbleiterschicht umfasst.