DE60033722T2

DE60033722T2 - Bildsensoranordnung

Info

Publication number: DE60033722T2
Application number: DE60033722T
Authority: DE
Inventors: Min Mountain View Cao; Jeremy A. Mountain View Theil; Gary W. Mountain View Ray; Dietrich W. Menlo Park Vook
Original assignee: Micron Technology Inc
Current assignee: Aptina Imaging Corp
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2020-04-08
Also published as: US20030107100A1; EP1045450A2; JP2000340780A; EP1045450A3; DE60033722D1; US6586812B1; EP1045450B1; US6759724B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Bildsensorarrayvorrichtung, wie etwa PIN-Photodiodenbildsensoren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Mehrzahl von erhöhten PIN-Diodenbildsensoren, bei der die Diodenbildsensoren durch Ionenimplantationsregionen physikalisch voneinander getrennt sind.
Ein Array von Bildsensoren oder lichtempfindlichen Sensoren erfasst die Intensität des Lichtes, das von den Bildsensoren empfangen wird. Die Bildsensoren generieren normalerweise elektronische Signale, die Amplituden aufweisen, die proportional zu der Intensität des Lichts, das von den Bildsensoren empfangen wird, sind. Die Bildsensoren können ein optisches Bild in einen Satz von elektronischen Signalen umsetzen. Die elektronischen Signale können Intensitäten von Farben des Lichts, das von den Bildsensoren empfangen wird, darstellen. Die elektronischen Signale können konditioniert und abgetastet werden, um eine Bildverarbeitung zu ermöglichen.
Eine Integration von den Bildsensoren mit einer Signalverarbeitungsschaltungsanordnung wird zunehmend wichtiger, da eine Integration eine Miniaturisierung und Vereinfachung von bilderzeugenden Systemen ermöglicht. Eine Integration von Bildsensoren mit einer analogen oder digitalen Signalverarbeitungsschaltungsanordnung ermöglicht es, dass elektronische Bilderfassungssysteme kostengünstig und kompakt sind und eine niedrige Leistungsaufnahme benötigen.
In der Vergangenheit waren Bildsensoren vornehmlich ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD = charged coupled devices). CCDs sind relativ klein und können einen Hochfüllfaktor bereitstellen. Jedoch sind CCDs nur sehr schwierig mit einer digitalen und analogen Schaltungsanordnung zu integrieren. Außerdem dissipieren CCDs große Mengen von Energie und leiden unter Bildverschmierungsproblemen.
Eine Alternativ zu CCD-Sensoren sind aktive Pixelsensoren. Aktive Pixelsensoren können unter Verwendung von Standard-CMOS-Prozessen hergestellt werden. Daher können aktive Pixelsensoren ohne Weiteres mit einer digitalen und analogen Signalverarbeitungsschaltungsanordnung integriert werden. Außerdem dissipieren CMOS-Schaltungen kleine Mengen von Energie.
1 zeigt einen Querschnitt eines bekannten Arrays von Bildsensoren. Dieses Array von Bildsensoren umfasst PIN-Diodensensoren, die über einem Substrat 10 angeordnet sind. Eine Verbindungsstruktur 12 verbindet eine N-Schicht 14 der PIN-Dioden elektrisch mit dem Substrat 10. Eine I-Schicht 16 ist über der N-Schicht 14 gebildet. Eine P-Schicht 18 ist über der I-Schicht 16 gebildet. Die P-Schicht 18, die I-Schicht 16 und die N-Schicht 14 bilden das Array von PIN-Diodensensoren. Ein erstes leitfähiges Durchgangsloch 20 verbindet einen ersten Diodensensor elektrisch mit dem Substrat 10, und ein zweites leitfähiges Durchgangsloch 22 verbindet einen zweiten Diodensensor elektrisch mit dem Substrat 10. Eine transparente leitfähige Schicht 24 ist über dem Array von Diodensensoren angeordnet. Eine leitfähige Anschlussleitung 26 ist mit der transparenten leitfähigen Schicht 24 verbunden. Die leitfähige Anschlussleitung 26 ist mit einer Vorspannungsspannung, die das Vorspannen der P-Schicht 18 des Arrays von PIN-Diodensensoren zu einem gewählten Spannungspotential ermöglicht, verbunden.
Eine Beschränkung der Bildsensorenstruktur von 1 ist, dass die einzelnen Bildsensoren nicht voneinander getrennt sind. Das heißt, dass das Licht, das durch einen gegebenen Bildsensor empfangen wird, benachbarte Bildsensoren beeinflusst, da Strom durch die N-Schicht 14 zwischen benachbarten Bildsensoren fließen kann. Insbesondere wenn die Lichtintensität des empfangenen Lichts zwischen benachbarten Bildsensoren stark variiert fließt Ladung zwischen den Bildsensoren. Die P-Schicht 18, die I-Schicht 16 und die N-Schicht 14 werden von benachbarten Bildsensoren gemeinschaftlich verwendet. Ein Graben 28 ist gebildet, um etwas Isolation zwischen den Bildsensoren zu liefern, durch Erhöhen des Widerstandswerts zwischen den N-Schichten-Abschnitten von benachbarten Bildsensoren.
Es ist erwünscht, dass eine Mehrzahl von aktiven Pixelsensoren vorliegt, die benachbart zu einem Substrat gebildet ist und in dem die Pixelsensoren voneinander getrennt sind, um Kopplungen zwischen den Pixelsensoren zu reduzieren. Es ist erwünscht, dass der Prozess, der zum Bilden der getrennten Pixelsensoren erforderlich ist, einfach zu implementieren ist.
Die EP 0 494 694 offenbart eine photoelektrische Umsetzungsvorrichtung, die ein Substrat, Pixelelektroden, Verunreinigungsschicht mit hoher Dichte, einen Pixelisolationsbereich, einen photoleitenden Film aus z. B. amorphem Silizium und eine transparente Elektrode umfasst. Die Hochkonzentrationsverunreinigung ist durch Implantieren von Sauerstoff- oder Stickstoffionen nur in dem Pixelisolationsbereich durch einen photolithografischen Prozess gebildet, wobei die Pixelelektroden elektrisch isoliert werden.
Die WO 98/47181 offenbart einen elektromagnetischen Strahlungssensor, der eine elektromagnetische strahlungsempfindliche Sequenz von Schichten, die amorphes Silizium enthalten, umfasst. Bildpunkteinheiten sind innerhalb einer Struktur durch zumindest eine Grenzregion, mit einer geringeren Leitfähigkeit als die Schichten der Sequenz von Schichten, räumlich getrennt. Die zumindest eine Grenzregion weist ein isolierendes Material auf, das auf der Oberfläche aufgebracht wird und sich durch zumindest eine Schicht der Sequenz von Schichten erstreckt.
Die JP 60-47574 offenbart ein Trennen einer Elektrode ohne Ätzen und Verhindern von Rissbildung in dem photoleitenden Film an einem Elektrodenendteil durch Verwenden von (n)-Typ amorphem Silizium als das zweite Elektrodenmaterial, das gemäß einzelnen Elementen getrennt ist, und Anwenden von Inneninjektion zur Trennung der Elektroden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist hierin eine Bildsensorarrayvorrichtung gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Die Erfindung umfasst ein Array von Bildsensoren, das benachbart zu einem Substrat gebildet ist. Das Array umfasst Ionenimplantationsregionen, die zwischen den Bildsensoren angeordnet sind. Die Ionenimplantationsregionen liefern physikalische Isolation zwischen Bildsensoren. Die physikalische Isolation reduziert Kopplung und Übersprechen zwischen den Bildsensoren. Das Array von getrennten Bildsensoren kann durch einen einfachen Herstellungsprozess gebildet werden.
Ein erstes Ausführungsbeispiel umfasst ein Bildsensorarray. Das Bildsensorarray umfasst ein Substrat. Eine Verbindungsstruktur ist benachbart zu dem Substrat gebildet. Eine amorphe Siliziumelektrodenschicht ist benachbart zu der Verbindungsstruktur. Die amorphe Siliziumelektrodenschicht umfasst Elektrodenionenimplantationsregionen zwischen Pixelelektrodenregionen. Die Pixelelektrodenregionen definieren Kathoden eines Arrays von Bildsensoren. Die Elektrodenionenimplantationsregionen liefern eine physikalische Isolation zwischen den Pixelelektrodenregionen. Die Kathoden sind mit der Verbindungsstruktur elektrisch verbunden. Eine amorphe Silizium-I-Schicht ist benachbart zu der amorphen Siliziumelektrodenschicht. Die amorphe Silizium-I-Schicht bildet eine Innenschicht von jedem der Bildsensoren. Eine transparente Elektrodenschicht ist benachbart zu den Bildsensoren gebildet. Eine Innenoberfläche der transparenten Elektrode ist mit Anoden der Bildsensoren und der Verbindungsstruktur elektrisch verbunden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ähnelt dem ersten Ausführungsbeispiel. Die amorphe Silizium-I-Schicht-Region des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst I-Schicht-Ionenimplantationsregionen, die eine physikalische Isolation zwischen den Innenschichten der Bildsensoren liefern. Die I-Schicht-Ionenimplantationsregionen richten sich mit den Elektrodenionenimplantationsregionen aus.
Ein drittes Ausführungsbeispiel ähnelt dem ersten Ausführungsbeispiel. Das dritte Ausführungsbeispiel umfasst eine amorphe Silizium-P-Schicht, die benachbart zu der amorphen Silizium-I-Schicht ist. Die amorphe Silizium-P-Schicht bildet eine Außenschicht von jedem der Bildsensoren.
Ein viertes Ausführungsbeispiel ähnelt dem dritten Ausführungsbeispiel. Die amorphe Silizium-P-Schicht-Region des vierten Ausführungsbeispiels umfasst P-Schicht-Ionenimplantationsregionen, die eine physikalische Isolation zwischen den Außenschichten der Bildsensoren liefern.
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich werden, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen zu betrachten ist, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellen.
1 zeigt einen Querschnitt eines bekannten Arrays von Bildsensoren.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 bis 11 zeigen Verarbeitungsschritte, die verwendet werden können, um die Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der 2 und der 5 gezeigt sind, herzustellen.
12 ist ein Ablaufdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens zum Bilden der Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigt.
Wie in den Zeichnungen zu Zwecken der Darstellung gezeigt ist, ist die Erfindung in einem erhöhten Bildsensorarray benachbart zu einem Substrat, das eine Isolation zwischen den Bildsensoren umfasst, ausgeführt. Die Ionenimplantationsregionen liefern physikalische Isolation zwischen Bildsensoren. Die physikalische Isolation reduziert Kopplung und Übersprechen zwischen den Bildsensoren. Das Array von getrennten Bildsensoren kann durch einen einfachen Herstellungsprozesse gebildet werden.
Die 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst ein Substrat 200. Eine Verbindungsstruktur 210 ist benachbart zu dem Substrat 200 gebildet. Metallinnenabschnitte 220 sind benachbart zu der Verbindungsstruktur 210 gebildet. Eine Elektrodenschicht 250 ist benachbart zu der Verbindungsstruktur 210 gebildet. Die Elektrodenschicht 250 deckt die Metallinnenabschnitte 220 ab. Die Elektrodenschicht 250 umfasst Elektrodenionenimplantationsregionen 240 und Pixelelektroden 230. Die Positionen der Elektrodenionenimplantationsregionen 240 definieren die Positionen der Pixelelektroden 230. Die Elektrodenionenimplantationsregionen 240 liefern eine physikalische Isolation zwischen den Pixelelektroden 230. Die Pixelelektroden 230 bilden Kathoden von einem Array von Bildsensoren.
Dieses Ausführungsbeispiel umfasst ferner eine Innenschicht 260, die benachbart zu der Elektrodenschicht 250 ist, und eine Außenschicht 270, die benachbart zu der Innenschicht 260 ist. Ein transparenter Leiter 280 ist benachbart zu der Außenschicht 270. Jeder Bildsensor des Arrays von Bildsensoren umfasst einen individuellen Metallinnenabschnitt 220 und eine Pixelelektrode 230.
Die Pixelelektrode 230 eines ersten Bildsensors ist mit dem Substrat 200 durch ein erstes leitfähiges Durchgangsloch 202 elektrisch verbunden. Die Pixelelektrode 230 eines zweiten Bildsensors ist mit dem Substrat 200 durch ein zweites leitfähiges Durchgangsloch 204 elektrisch verbunden.
Die Bildsensoren leiten Ladung, wenn die Bildsensoren Licht empfangen. Das Substrat 200 umfasst im Allgemeinen eine Erfassungsschaltungsanordnung und eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung. Die Erfassungsschaltungsanordnung erfasst, wie viel Ladung die Bildsensoren geleitet haben. Die Menge der geleiteten Ladung stellt die Intensität des durch die Bildsensoren empfangenen Lichts dar. Generell kann das Substrat 200 CMOS (complementary metal Oxide silicon = Komplementär-Metalloxid-Silizium), BiCMOS oder Bipolar sein. Das Substrat 200 kann verschiedene Typen von Substrattechnologie umfassen, einschließlich ladungsgekoppelter Vorrichtungen.
Normalerweise ist die Verbindungsstruktur 210 eine Standard-CMOS-Verbindungsstruktur. Die Struktur und die Verfahren zur Bildung dieser Verbindungsstruktur 210 sind auf dem Gebiet der Herstellung von elektronischen integrierten Schaltungen gut bekannt. Die Verbindungsstruktur 210 kann eine subtraktive Metallstruktur oder eine Einfach- oder Dual-Damaszenerstruktur sein.
Die leitfähigen Durchgangslöcher 202, 204 führen durch die Verbindungsstruktur 210 und verbinden die Pixelelektroden 230 elektrisch mit dem Substrat 200. Normalerweise sind die leitfähigen Durchgangslöcher 202, 204 aus Wolfram gebildet. Wolfram wird allgemein während der Herstellung verwendet, da Wolfram Löcher mit großem Seitenverhältnis füllen kann. Das heißt, dass Wolfram verwendet werden kann, um schmale und relativ lange Verbindungen zu bilden. Gewöhnlich werden die leitfähigen Durchgangslöcher 202, 204 unter Verwendung eines Prozesses einer chemischen Dampfaufbringung (CVD = chemical vapor deposition) gebildet. Andere Materialien, die verwendet werden können, um die leitfähigen Löcher 202, 204 zu bilden, umfassen Kupfer, Aluminium oder jedes andere elektrisch leitfähige Material.
Es bestehen mehrere strukturelle Vorteile eines Vorhandenseins der Pixelverbindungsstruktur 210 zwischen den Pixelelektroden 230 und dem Substrat 200. Diese Struktur ermöglicht es, dass die Verbindungsschaltungsanordnung dicht gepackt ist. Zuallererst wird lateraler Raum eingespart, da die Durchgangslöcher 202, 204 direkt unterhalb der Pixelelektroden angeordnet sind. Zweitens ermöglicht die Struktur die Bildung der Durchgangslöcher 202, 204 mit einem minimalen Durchmesser. CVD-Prozesse sind generell die besten Verfahren zum Bilden der Durchgangslöcher 202, 204. Ein Wolfram-CVD-Prozess ermöglicht die Bildung von Durchgangslöchern mit geringem Durchmesser. Jedoch sind die Temperaturen, die zum Bilden von Wolframdurchgangslöchern mit einem CVD-Prozess benötigt werden, größer als die Temperaturen, denen viele der Materialien (beispielsweise amorphes Silizium), die verwendet werden können, um die Pixelelektroden zu bilden, standhalten können. Durch ein Bilden der Pixelverbindungsstruktur 210 über dem Substrat 200 und der Pixelelektroden 220 über der Pixelverbindungsstruktur 210 können die Durchgangslöcher 202, 204 vor den Pixelelektroden 220 gebildet werden, und daher sind die Pixelelektroden 230 nicht den hohen Temperaturen, die zur Bildung der Durchgangslöcher 202, 204 benötigt werden, ausgesetzt.
Die Metallinnenabschnitte 220 sollten ein dünnes leitfähiges Material umfassen. Die Metallinnenabschnitte 220 können z. B. aus einer degeneriert dotierten Halbleiterschicht, Aluminium, Titan, Titannitrid, Kupfer oder Wolfram gebildet sein. Die Metallinnenabschnitte 220 sollten dünn sein (ungefähr 500 Angström betragen) und glatt sein. Die Metallinnenabschnitte 220 sollten glatt genug sein, dass jegliche Oberflächenrauhigkeit im Wesentlichen geringer ist als die Dicke der Pixelelektroden 230, die über den Metallinnenabschnitten 220 gebildet sind. Um der Glätteanforderung zu entsprechen, kann ein Polieren der Metallinnenabschnitte 220 erforderlich sein.
Die Metallinnenabschnitte 220 können optional sein. Jedoch weisen die Metallinnenabschnitte 220 einen geringeren Widerstandswert als die Materialien auf, die zum Bilden der Pixelelektroden 230 verwendet werden. Daher liefern die Metallinnenabschnitte 220 bessere Sammlung von Strom.
Die amorphe Siliziumelektrodenschicht 250 umfasst sowohl die Pixelelektroden 230 als auch die Elektrodenionenimplantationsregionen 240. Die Elektrodenschicht 250 ist normalerweise aus einem dotierten Halbleiter gebildet. Der dotierte Halbleiter kann eine N-Schicht aus amorphem Silizium sein.
Die Elektrodenschicht wird normalerweise unter Verwendung von plasmageätzter chemischer Dampfaufbringung (PECVD = plasma etched chemical vapor deposition) aufgebracht. Wenn eine amorphe Siliziumelektrodenschicht 250 gebildet wird, ist ein Gas umfasst, das Silizium enthält (wie etwa Si₂H₆ oder SiH₄). Wenn eine N-Schicht-Elektrodenschicht 250 gebildet wird, wird der PECVD-Prozess mit einem Gas durchgeführt, das Phosphor enthält (wie etwa PH₃).
Die Elektrodenionenimplantationsregionen 240 werden gemäß einem vorbestimmten Muster gebildet. Die Elektrodenionenimplantationsregionen 240 definieren die Pixelelektroden 230 und liefern eine physikalische Isolation zwischen den Pixelelektroden 230. Ionenimplantationsregionen wurden bisher verwendet, um elektrische Isolation zwischen aktiven Vorrichtungen zu liefern, aber nicht um physikalische Isolation zwischen Bildsensoren eines Arrays von Bildsensoren zu liefern. Elemente, die implantiert werden können, um die Elektrodenionenimplantationsregionen 240 zu liefern, umfassen N, Ar, O, B, F und C. Geätztes Si oder Ge können ebenfalls als Elektrodenionenimplantationsregionen 240 dienen. Isolation wird durch weiteres Amorphisieren einer Alphasiliziumschicht (die Elektrodenschicht) zwischen den Bildsensoren (Pixel) geliefert. Das geätzte Si oder Ge oder die Ionenimplantationsregionen 240 unterbrechen die Nahordnung des amorphen Siliziums, um Leitung von Löchern und Elektronen in den unterbrochenen Bereichen zu verhindern.
Die Ionenimplantationsregionen 240 werden normalerweise dadurch gebildet, dass die amorphe Siliziumelektrodenschicht 250 mit einem Resist beschichtet wird, und das Resist gemäß einem vorbestimmten Muster dort, wo die Ionenimplantationsregionen 240 gebildet werden sollen, entfernt wird. Methoden zum Beschichten und selektiven Entfernen des Resists sind auf dem Gebiet der Halbleiterverarbeitung gut bekannt. Dann werden Ionen in die freiliegenden Regionen der amorphen Siliziumelektrodenschicht 250 implantiert. Methoden zum Implantieren von Ionen sind auf dem Gebiet der Halbleiterverarbeitung ebenfalls gut bekannt.
Die Pixelelektroden 230 müssen ausreichend dick sein und ausreichend stark dotiert sein, damit sich die Pixelelektroden 230 nicht vollständig aufbrauchen, wenn dieselben während des Betriebs vorgespannt werden. Die Pixelelektroden 230 sind normalerweise mit Phosphor dotiert.
Eine N-Schicht aus amorphem Silizium wird normalerweise als Elektrodenschicht 250 verwendet, wenn PIN-Diodenbildsensoren gebildet werden. Jedoch können die Diodenbildsensoren eine NIP-Sensorkonfiguration umfassen.
In diesem Fall ist die Elektrodenschicht 250 aus einer P-Schicht gebildet.
Die Innenschicht 260 ist normalerweise eine I-Schicht, die aus hydriertem amorphem Silizium gebildet ist. Die I-Schicht kann unter Verwendung eines PECVD-Prozesses oder eines Reaktive-Zerstäubung-Prozesses aufgebracht werden. Der PECVD-Prozess muss ein Gas umfassen, das Silizium enthält. Die Aufbringung sollte zu einer Temperatur erfolgen, die niedrig genug ist, damit Wasserstoff innerhalb des Filmes gehalten wird. Die I-Schicht besitzt normalerweise eine Dicke in der Größenordnung von einem Mikron.
Die Außenschicht 270 ist gewöhnlicherweise eine P-Schicht 270, die aus amorphem Silizium gebildet ist. Normalerweise ist die P-Schicht mit Bor dotiert.
Die P-Schicht kann unter Verwendung eines PECVD-Prozesses aufgebracht werden. Der PECVD-Prozess wird mit einem Gas durchgeführt, das Bor enthält. Bei dem Gas, das Bor enthält, kann es sich um B₂H₆ handeln. Ein Gas, das Silizium enthält, ist beim Bilden einer amorphen Silizium-P-Schicht enthalten. Die Dicke der P-Schicht muss generell überprüft werden, um sicherzustellen, dass die P-Schicht nicht zuviel kurzwelliges (blaues) Licht absorbiert.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst nicht die P-Schicht-Außenschicht 270. Die P-Schicht kann mit der zweckmäßigen Auswahl der Zusammensetzung des Materials innerhalb des transparenten Leiters 280 und der zweckmäßigen Auswahl der Dotierungspegel der Pixelelektroden 230 eliminiert werden. Für das vorliegende Ausführungsbeispiel liefert der transparente Leiter 280 eine elektrische Verbindung zwischen einer oberen Oberfläche des I-Schicht-Innenabschnitts 260 der Bildsensoren und der Verbindungsstruktur 210.
Wie bereits erläutert, sind die Pixelelektroden 230, die Innenschicht 260 und die Außenschicht 270 allgemein aus amorphem Silizium gebildet. Jedoch können die Pixelelektroden 230, die Innenschicht 260 und die Außenschicht 270 auch aus amorphem Kohlenstoff, amorphem Siliziumcarbid, amorphem Germanium oder amorphem Silizium-Germanium gebildet sein. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Liste nicht erschöpfend ist.
Der transparente Leiter 280 liefert eine leitfähige Verbindung zwischen Anoden der Bildsensoren (normalerweise der Außenschicht 270) und der Verbindungsstruktur 210. Licht muss durch den transparenten Leiter 280 gelangen, das durch die Bildsensoren aufgenommen ist. Grundsätzlich ist der transparente Leiter 280 aus einem Indium-Zinnoxid gebildet. Jedoch kann der transparente Leiter 280 auch aus Titaniumnitrid, dünnem Silizid oder bestimmten Typen von Übergangsmetallnitriden oder -oxiden gebildet sein.
Sowohl die Auswahl des Materialtyps, der innerhalb des transparenten Leiters 280 verwendet werden soll, als auch die Bestimmung der gewünschten Dicke des transparenten Leiters 280 basieren auf einem Minimieren der optischen Reflektion des Lichts, die durch den Bildsensor empfangen wird. Die Minimierung der Reflektion des Lichts, die durch den Bildsensor empfangen wird, trägt dazu bei, die Menge des Lichts, das durch den Bildsensor erfasst wird, zu optimieren.
Der transparente Leiter 280 kann durch einen Zerstäubungsprozess aufgebracht werden. Eine Aufbringung durch Zerstäuben ist auf dem Gebiet der Herstellung von integrierten Schaltungen gut bekannt.
Eine Schutzschicht kann über dem transparenten Leiter 280 gebildet sein. Die Schutzschicht liefert mechanischen Schutz, elektrische Isolierung und kann einige Antireflektionscharakteristika liefern.
Die 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst jeder Bildsensor einen individuellen I-Schicht-Abschnitt 310, statt dass mehrere Bildsensoren eine I-Schicht der Innenschicht 260 gemeinschaftlich verwenden. Das heißt, jeder PIN-Diodensensorbildsensor umfasst einen eigenen I-Schicht-Abschnitt 310.
Ähnlich wie die Pixelelektroden 230 sind die I-Schicht-Abschnitte 310 zwischen I-Schicht-Ionenimplantationsregionen 320 gebildet. Die I-Schicht-Ionenimplantationsregionen 320 sind üblicherweise gemäß demselben vorbestimmten Muster wie für die Elektrodenionenimplantationsregionen 240 gebildet. Die I-Schicht-Ionenimplantationsregionen 320 definieren die I-Schicht-Abschnitte 310 und liefern physikalische Isolation zwischen den I-Schicht-Abschnitten 310. Die Ionenimplantationsregionen wurden bisher dazu verwendet, um elektrische Isolation zwischen aktiven Vorrichtungen zu liefern, aber nicht um physikalische Isolation zwischen Bildsensoren eines Arrays von Bildsensoren zu liefern. Elemente, die implantiert werden können, um die I-Schicht-Ionenimplantationsregionen 320 zu liefern, umfassen N, Ar, O, B, F und C. Geätztes Si oder Ge können ebenfalls als I-Schicht-Ionenimplantationsregionen 320 dienen. Eine Isolation wird durch weiteres Amorphisieren einer Alpha-Siliziumschicht (die Innenschicht 260) zwischen den Bildsensoren (Pixel) geliefert. Das geätzte Si oder Ge oder Ionenimplantationsregionen 240 unterbrechen die Nahordnung des amorphen Siliziums, um Leitung von Löchern und Elektronen in den unterbrochenen Bereichen zu verhindern.
Das Verfahren zum Bilden der I-Schicht-Ionenimplantationsregionen 320 kann dasselbe wie das oben beschriebene Verfahren zum Bilden der Ionenimplantationsregionen 240 sein.
Die 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst jeder Bildsen sor einen individuellen P-Schicht-Abschnitt 410, statt dass mehrere Bildsensoren eine P-Schicht der Außenschicht 270 gemeinschaftlich verwenden. Das heißt, jeder PIN-Diodensensorbildsensor umfasst einen eigenen P-Schicht-Abschnitt 410.
Gleichartig zu den Pixelelektroden 230 sind die P-Schicht-Abschnitte 410 zwischen P-Schicht-Ionenimplantationsregionen 420 gebildet. Die P-Schicht-Ionenimplantationsregionen 420 sind normalerweise gemäß demselben vorbestimmten Muster wie für die Elektrodenionenimplantationsregionen 240 gebildet. Die P-Schicht-Ionenimplantationsregionen 420 definieren die P-Schicht-Abschnitte 410 und liefern physikalische Isolation zwischen den P-Schicht-Abschnitten 410. Ionenimplantationsregionen wurden bisher dazu verwendet, um elektrische Isolation zwischen aktiven Vorrichtungen zu liefern, aber nicht um physikalische Isolation zwischen Bildsensoren eines Arrays von Bildsensoren zu liefern. Elemente, die implantiert werden können, um die P-Schicht-Ionenimplantationsregionen 420 zu liefern, umfassen N, Ar, O, B, F und C. Geätztes Si oder Ge können ebenfalls als P-Schicht-Ionenimplantationsregionen 420 dienen. Eine Isolation wird durch weiteres Amorphisieren einer Alpha-Siliziumschicht (die Außenschicht 270) zwischen den Bildsensoren (Pixel) geliefert. Das geätzte Si oder Ge oder die Ionenimplantationsregionen 240 unterbrechen die Nahordnung des amorphen Siliziums, um Leitung von Löchern und Elektronen in den unterbrochenen Bereichen zu verhindern.
Das Verfahren zum Bilden der P-Schicht-Ionenimplantationsregionen 420 kann dasselbe sein wie das oben beschriebene Verfahren zum Bilden der Ionenimplantationsregionen 240.
Die 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst eine Innenoberfläche des transparenten Leiters 280, die mit dem Substrat 200 durch ein drittes leitfähiges Durchgangsloch 502 elektrisch verbunden ist. Das Ausführungsbeispiel, das in 5 gezeigt ist, umfasst nur die Pixelelektroden 230 und die Elektrodenionenimplantationsregionen 240 der Elektrodenschicht 250. Jedoch können auch die I-Schicht-Abschnitte 310 und die I-Schicht-Ionenimplantationsregionen 320 der I-Schicht der Innenschicht 260 der 3 umfasst sein. Außerdem können auch die P-Schicht-Abschnitte 410 und die P-Schicht-Ionenimplantationsregionen 420 der P-Schicht der Außenschicht 270 von 4 umfasst sein.
Die 6 bis 11 zeigen Verarbeitungsschritte, die zum Herstellen der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der 2 und der 5 gezeigt sind, verwendet werden können.
Die 6 zeigt ein Substrat 200 mit einer Standardverbindungsstruktur 210, die über dem Substrat 200 gebildet ist. Die Metallinnenschichtabschnitte 220, eine Elektrodenschicht 250 und eine Photoresistschicht 610 sind über die Verbindungsstruktur 210 aufgebracht.
Die Struktur und die Verfahren zum Bilden dieser Verbindungsstruktur 210 sind auf dem Gebiet der Herstellung von elektronischen integrierten Schaltungen gut bekannt. Die Verbindungsstruktur 210 kann eine subtraktive Metallstruktur oder eine Einfach- oder Dual-Damaszenerstruktur sein.
Die Pixelverbindungsstruktur 210 umfasst leitfähige Durchgangslöcher 202, 204, 502. Allgemein sind die leitfähigen Durchgangslöcher 202, 204, 502 aus Wolfram gebildet. Während der Herstellung wird normalerweise Wolfram verwendet, da Wolfram Löcher mit großem Seitenverhältnis füllen kann. Das heißt, Wolfram kann dazu verwendet werden, um schmale und relativ lange Verbindungen zu bilden. In der Regel werden die leitfähigen Durchgangslöcher 202, 204, 502 unter Verwendung eines Prozesses einer chemischen Dampfaufbringung (CVD = chemical vapor deposition) gebildet. Andere Materialien, die verwendet werden können, um die leitfähi gen Durchgangslöcher 202, 204, 502 zu bilden, umfassen Kupfer, Aluminium oder jedes andere elektrisch leitfähige Material.
Die Metallinnenschicht 60 wird normalerweise durch einen Zerstäubungsprozess aufgebracht.
Wie bereits angemerkt, wird die Elektrodenschicht 250 normalerweise unter Verwendung von plasmageätzter chemischer Dampfaufbringung (PECVD) aufgebracht. Ein Gas, das Silizium enthält (wie etwa Si₂H₆ oder SiH₄), ist enthalten, wenn eine amorphe Siliziumelektrodenschicht 250 gebildet wird. Beim Bilden einer N-Schicht-Elektrodenschicht 250 wird der PECVD-Prozess mit einem Gas durchgeführt, das Phosphor enthält (wie beispielsweise PH₃).
Die Photoresistschicht 610 wird über die Verbindungsstruktur 210 aufgebracht. Ein Aufbringen des Photoresists 610 ist ein Prozess, der auf dem Gebiet der Halbleiterverarbeitung gut erforscht ist.
Die 7 zeigt das Photoresist 610, bei dem ein vorbestimmtes Muster des Photoresists entfernt worden ist. Die Inseln von Photoresist, die nicht entfernt wurden, definieren die Positionen der Pixelelektroden 230 der Elektrodenschicht 250. Die Abschnitte von Photoresist, die entfernt wurden, definieren die Positionen der Elektrodenimplantationsregionen 240. Verfahren zum Entfernen von Photoresist sind auf dem Gebiet der Halbleiterverarbeitung gut bekannt.
Die Pfeile 710 in 7 zeigen, wo die Ionen der Auswahlgruppe von Materialien implantiert sind. Wie bereits vorher angemerkt, umfassen die Materialien, die implantiert werden können, N, Ar, O, B, F und C. Geätztes Si oder Ge können ebenfalls als Elektrodenionenimplantationsregionen 240 dienen.
Die 8 zeigt die strukturierte Photoresistschicht, die entfernt wurde. 8 zeigt außerdem die Pixelelektroden 230 und die Elektrodenionenimplantationsregionen 240.
Die 9 zeigt die Innenschicht 260 und die Außenschicht 270, die über die Elektrodenschicht 250 aufgebracht sind. Wie bereits erwähnt, ist die Innenschicht 260 normalerweise eine I-Schicht, und die Außenschicht 270 ist normalerweise eine P-Schicht. Die Struktur, die in 9 gezeigt ist, ist gleichartig zu dem Ausführungsbeispiel von 2. Ein Aufbringen eines transparenten Leiters 280 über die Struktur, die in 9 gezeigt ist, führt zu dem Ausführungsbeispiel, das in 2 gezeigt ist.
Die I-Schicht wird normalerweise unter Verwendung eines PECVD-Prozesses oder eines Reaktive-Zerstäubung-Prozesses aufgebracht. Der PECVD-Prozess muss ein Gas umfassen, das Silizium enthält. Die Aufbringung sollte zu einer Temperatur erfolgen, die niedrig genug ist, damit Wasserstoff innerhalb des Films gehalten wird.
Die P-Schicht kann ebenfalls unter Verwendung eines PECVD-Prozesses aufgebracht werden. Der PECVD-Prozess wird mit einem Gas, das Bor enthält, durchgeführt. Das Gas, das Bor enthält, kann B₂H₆ sein. Ein Gas, das Silizium enthält, ist bei Bildung einer amorphen Silizium-P-Schicht enthalten.
Die 10 zeigt die Elektrodenschicht 250, die Innenschicht 260 und die Außenschicht 270, die gemäß einem vorbestimmten Muster nass- oder trockengeätzt wurden, um einen Zugriff auf das dritte leitfähige Durchgangsloch 502 zu ermöglichen.
Die 11 zeigt die transparente leitfähige Schicht 280, die über der Außenschicht 270 aufgebracht ist. Die transparente leitfähige Schicht 280 liefert eine elektrische Verbindung zwischen der Außenschicht 270 und dem leitfähigen Durchgangsloch 56. üblicherweise ist der transparente Leiter 280 aus einem Indium-Zinnoxid gebildet. Jedoch kann der transparente Leiter 280 auch aus Titaniumnitrid, dünnem Silizid oder bestimmten Typen von Übergangsmetallnitriden oder -oxiden gebildet sein.
Die transparente leitfähige Schicht 280 wird normalerweise durch reaktive Zerstäubung aufgebracht. Jedoch kann die transparente leitfähige Schicht 280 auch durch Verdampfung aufgewachsen werden. Wenn die transparente leitfähige Schicht 280 aus Titaniumnitrid gebildet ist, dann muss normalerweise ein CVD-Prozess oder ein Zerstäubungsprozess verwendet werden, um die transparente leitfähige Schicht 280 aufzubringen.
Wie bereits angemerkt, kann unter Umständen eine Schutzschicht über dem transparenten Leiter 280 gebildet sein. Die Schutzschicht liefert mechanischen Schutz, elektrische Isolierung und kann einige Antireflektionscharakteristika liefern.
Die 12 zeigt ein Ablaufdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens zum Bilden des Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt. Ein erster Schritt 1210 umfasst ein Bilden einer Verbindungsstruktur über einem Substrat. Ein zweiter Schritt 1220 umfasst ein Aufbringen einer Pixelelektrodenschicht über der Verbindungsstruktur. Ein dritter Schritt 1230 umfasst ein Aufbringen eines Photoresist über der Elektrodenschicht. Ein vierter Schritt 1240 umfasst ein Strukturieren der Photoresistschicht gemäß einem vorbestimmten Muster. Ein fünfter Schritt 1250 umfasst ein Implantieren von Ionen in die Elektrodenschicht, dort wo das Photoresist entfernt wurde. Ein sechster Schritt 1260 umfasst ein Entfernen der strukturierten Photoresistschicht. Ein siebter Schritt 1270 umfasst ein Aufbringen einer I-Schicht über der Pixelelektrodenschicht. Ein achter Schritt 1280 umfasst ein Aufbringen einer P-Schicht über der I-Schicht. Und schließlich umfasst ein neunter Schritt 1290 ein Aufbringen einer transparenten Leiter schickt, die die Außenoberfläche der Bildsensoren mit der Verbindungsstruktur elektrisch verbindet.
Der dritte Schritt 1230, der vierte Schritt 1240 und der fünfte Schritt 1250 können sowohl für die I-Schicht als auch die P-Schicht wiederholt werden, um die I-Schicht-Implantationsregionen und die P-Schicht-Implantationsregionen zu bilden.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und dargestellt wurden, soll die Erfindung nicht auf die spezifischen Formen oder Anordnungen der beschriebenen und dargestellten Teile beschränkt sein. Die Erfindung wird nur durch die Patentansprüche beschränkt.

Claims

Eine Bildsensorarrayvorrichtung, die folgende Merkmale umfasst: ein Substrat (200); eine Verbindungsstruktur (210) benachbart zu dem Substrat (200); eine amorphe Siliziumelektrodenschicht (250) benachbart zu der Verbindungsstruktur (210), wobei die amorphe Siliziumelektrodenschicht (250) Elektrodenionenimplantationsregionen (240) zwischen Pixelelektrodenregionen (230) umfasst, wobei die Pixelelektrodenregionen (230) Kathoden eines Arrays von Bildssensoren definieren, wobei die Elektrodenionenimplantationsregionen (240) eine physikalische Isolation zwischen den Pixelelektrodenregionen (230) liefern, wobei die Kathoden mit der Verbindungsstruktur (210) elektrisch verbunden sind; eine amorphe Silizium-I-Schicht (260) benachbart zu der amorphen Siliziumelektrodenschicht (250), wobei die amorphe Silizium-I-Schicht (260) eine Innenschicht von jedem der Bildsensoren bildet, wobei die amorphe Silizium-I-Schicht (260) sowohl mit den Elektrodenionenimplantationsregionen (240) als auch den Pixelelektrodenregionen (230) der amorphen Siliziumelektrodenschicht (250) in direktem Kontakt ist; und eine transparente Elektrodenschicht (280), die benachbart zu den Bildsensoren gebildet ist, wobei eine Innenoberfläche der transparenten Elektrodenschicht (280) mit Anoden der Bildsensoren und der Verbindungsstruktur (210) elektrisch verbunden ist.
Das Bildsensorarray gemäß Anspruch 1, bei dem die amorphe Silizium-I-Schicht (260) I-Schicht-Ionenimplantationsregionen (320) umfasst, die physikalische Isolation zwischen den Innenschichten der Bildsensoren liefern, wobei die I-Schicht-Ionenimplantationsregionen (320) mit den Elektrodenionenimplantationsregionen (240) der amorphen Siliziumelektrodenschicht (250) ausgerichtet und in direktem Kontakt sind.
Das Bildsensorarray gemäß Anspruch 1, das ferner eine amorphe Silizium-P-Schicht (270) benachbart zu der amorphen Silizium-I-Schicht (260) umfasst, wobei die amorphe Silizium-P-Schicht (270) eine Außenschicht von jedem der Bildsensoren bildet.
Das Bildsensorarray gemäß Anspruch 3, bei dem die amorphe Silizium-P-Schicht (270) P-Schicht-Ionenimplantationsregionen (420) umfasst, die physikalische Isolation zwischen den Außenschichten der Bildsensoren liefern.
Das Bildsensorarray gemäß Anspruch 1, bei dem die amorphe Siliziumelektrodenschicht (250) eine N-Schicht umfasst.
Das Bildsensorarray gemäß Anspruch 1, bei dem die Verbindungsstruktur (210) die Pixelelektrodenregionen (230) elektrisch mit dem Substrat (200) verbindet.
Das Bildsensorarray gemäß Anspruch 1, bei dem die Innenoberfläche der transparenten Elektrodenschicht (280) durch ein leitfähiges Durchgangsloch (502) mit der Verbindungsstruktur (210) elektrisch verbunden ist.
Das Bildsensorarray gemäß Anspruch 1, bei dem die transparente Elektrodenschicht (280) Indium-Zinnoxid umfasst.
Das Bildsensorarray gemäß Anspruch 1, bei dem die Implantationsregionen (240) Bor-Implantate, Stickstoff-Implantate, Argon-Implantate oder Oxid-Implantate umfassen.
Das Bildsensorarray gemäß Anspruch 1, bei dem das Substrat CMOS umfasst.