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Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Bildsensoren und insbesondere
in MOS-Vorrichtungen verwendete Elektrodenstrukturen.
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US-A
5 483 090 zeigt einen Bildsensor mit einem ersten und einem zweiten
Abtastbereich. Jeder Bereich enthält Schichten transparenten
Materials. Die Dicken der beiden Schichtbereiche sind gleich, sodass
beide Bereiche das gleiche optische Ansprechverhalten aufweisen.
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US-A
5 798 542 vom 25. August 1998, Anagnostopoulos u.a., zeigt einen
Bildsensor mit Fotosensoren, die einen ersten und einen zweiten
Bereich aufweisen. Jeder Bereich enthält einen Stapel aus transparenten
Schichten, die sich aus einer dielektrischen Gate-Schicht, transparenten
Elektrodenschichten, Isolationsschichten und Passivierungsschichten über einem
Halbleitersubstrat zusammensetzen. Das spektrale Ansprechverhalten
der Fotosensoren wird von den Schichtmaterialien und deren relativen
Dicken stark beeinflusst. Infolgedessen ändert sich die Spektralempfindlichkeit
des Bildsensors für
einfallendes Licht mit der Wellenlänge, sodass eine Spektralempfindlichkeitskurve
mit Höchst-
und Tiefstwerten erzeugt wird. Besonders akut kann dieses Problem
auftreten, wenn die Stapel transparenter Schichten für beide
Bereiche gleich sind.
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Es
besteht somit ein Bedarf für
einen Bildsensor mit verbesserter Gleichmäßigkeit des spektralen Ansprechverhaltens.
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Dieser
Bedarf wird erfindungsgemäß durch die
Schaffung eines Bildsensors gedeckt, der ein Halbleitersubstrat
aufweist sowie einen Fotosensor, der umfasst: einen ersten Abtastbereich
mit einem ersten Stapel aus einer Schicht oder mehreren Schichten
aus transparenten Materialien, die das Substrat überlagern, wobei der erste
Abtastbereich ein spektrales Ansprechver halten mit Höchst- und Tiefstwerten
aufweist, und einen zweiten Abtastbereich mit einem zweiten Stapel
aus einer Schicht oder mehreren Schichten aus transparenten Materialien, die
das Substrat überlagern,
wobei der zweite Abtastbereich ein spektrales Ansprechverhalten
mit Höchst-
und Tiefstwerten aufweist und wobei mindestens ein Höchst- oder
Tiefstwert des spektralen Ansprechverhaltens des ersten Bereichs
angeglichen wird an mindestens einen entsprechenden Tiefst- oder
Höchstwert
des spektralen Ansprechverhaltens des zweiten Bereichs, wodurch
das durchschnittliche spektrale Ansprechverhalten des Fotosensors
ausgeglichener ist als das individuelle spektrale Ansprechverhalten
des ersten oder zweiten Abtastbereichs.
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Der
Bildsensor hat den Vorteil, dass die Gleichmäßigkeit des spektralen Ansprechverhaltens verbessert
wird. Wenn durch Hinzufügen
von Farbfiltern zu dem Bildsensor ein Farbbildsensor erzeugt wird,
ergibt sich infolgedessen eine erhebliche Verbesserung der Gleichmäßigkeit
der Spektralempfindlichkeit des Sensors.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Pixelarchitektur nach dem Stand der
Technik;
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2A einen
Querschnitt der Darstellung in 1 durch
die von der Linie A-A angezeigten Speicherbereiche des Pixels in 1;
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2B einen
Querschnitt der Darstellung in 1 durch
eine der Phasen des Pixels entlang der Linie B-B;
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3 das
spektrale Ansprechverhalten für einen
typischen Polysilicon-Indiumzinnoxid-CCD und einen erfindungsgemäß spektral
optimierten Polysilicon-Indiumzinnoxid-Gate-Elektroden-CCD;
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4 den
Aufbau einer erfindungsgemäßen doppelten
Indiumzinnoxid-Gate-Elektrodenstruktur und
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5 und 6 spektrale
Transmissionskurven für
Kombinationen von Indiumzinnoxid-Gate-Elektroden mit verschiedenen optischen Endstapeln.
Jedes Bild zeigt die individuelle Gate-Transmission und die zusammengesetzte End-Transmission
der beiden Elektroden.
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1 zeigt
eine für
die Erfindung geeignete Fotosensorausführung nach dem Stand der Technik. Der
Fotosensor 10 weist einen ersten Speicherbereich 11 und
einen zweiten Speicherbereich 12 mit entsprechenden Sperrbereichen 21 und 22 auf,
die verhindern, dass gespeicherte Ladung aus den Speicherbereichen 11, 12 abfließt. Zum
Schutz gegen Überstrahlung
ist ein seitlicher Überlaufdrainanschluss 16 vorgesehen.
Ein erster Abtastbereich umfasst den Speicherbereich 11,
den Sperrbereich 21 und einen ersten Stapel aus Schichten,
der eine überlagernde
dielektrische Schicht 28, eine Polysilicon-Elektrode 32 und
gegebenenfalls weitere Schichten, wie zum Beispiel nicht dargestellte
Isolations- und Passivierungsschichten, umfasst. Entsprechend umfasst
ein zweiter Abtastbereich den Speicherbereich 12, den Sperrbereich 22 und
einen zweiten Stapel aus Schichten, der eine überlagernde dielektrische Schicht 28,
eine Polysilicon-Elektrode 30 und gegebenenfalls weitere
Schichten, wie zum Beispiel nicht dargestellte Isolations- und Passivierungsschichten,
umfasst.
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Die
in 2A dargestellte Querschnittsansicht von 1 entlang
der Linie A-A durch die Speicherbereiche 11, 12 und
die Sperrbereiche 21, 22, veranschaulicht die
Ausführung
des Fotosensors 10 mit einem Substrat 24, das
hier vorzugsweise als hochdotiertes P-Substrat mit einer darauf
ausgebildeten Epitaxialschicht 26 aus weniger hoch dotiertem P-Material,
die sich bis zur Oberfläche
erstreckt, besteht. Die Speicherbereiche 11 und 12 werden
vorzugsweise aus einer leicht dotierten N-Implantation in die Epitaxialschicht 26 gebildet.
Die zur Herstellung des Fotosensors 10 verwendeten zusätzlichen Strukturen
werden ebenfalls in der Epitaxialschicht 26 ausgebildet,
wie zum Beispiel die Sperrbereiche 21, 22, für deren
Bildung die gleiche N-Implantierung wie im Speicherbereich und eine
zusätzliche
leichte P-Implantierung verwendet werden.
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In
der in 2B dargestellten Querschnittsansicht
von 1 entlang der Linie B-B ist der Sperrbereich 19,
der die Überlaufsperre
zum Drainanschluss zur Verhinderung von Überstrahlung darstellt, exakt
so ausgebildet wie die Sperrbereiche 21 und 22,
aber schmaler dargestellt, um den "Kurzkanaleffekt" zu nutzen, wodurch ein geringfügig tieferes Oberflächenkanalpotential
erzeugt wird. Ein Kanalstopper 15 wird vorzugsweise aus
einer P+-Implantierung gebildet. Zur Bildung des seitlichen Überlaufdrainanschlusses 16 wird
eine hochdotierte N-Implantierung in einer P-Implantierung 17 verwendet. Diese
auf der Epitaxialschicht 26 ausgebildeten Strukturen haben
ein Potential, das über
eine Indiumzinnoxid-Elektrode 30 und Polysilicon-Elektroden 32,
die von diesen Strukturen durch ein Siliziumdioxid-Siliziumnitrid-Siliziumdioxid(ONO)-Dielektrikum 28 getrennt
sind, gesteuert wird.
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Das
spektrale Ansprechverhalten eines Vollbild-Zweiphasen-CCD wird von
den Gate-Elektrodenmaterialien und der relativen Dicke und Zusammensetzung
dielektrischer Filme über
den Gate-Elektroden stark beeinflusst. Die Spektralempfindlichkeit
des CCD für
einfallendes Licht ändert
sich mit der Wellenlänge.
CCDs sind für
rotes Licht typischerweise empfindlicher als für blaues Licht. Dieser Unterschied
im optischen Ansprechverhalten erfordert eine elektronische Verarbeitung
des erfassten Bildes, um die unterschiedliche Spektralempfindlichkeit
auszugleichen. Bei den herkömmlichen
Vollbild-Mehrgate-CCDs können
alle Elektroden die gleiche Dicke aufweisen. Die Lichtwege und folglich
die Absorption und Reflexion des Films und deren Schnittstellen
sind fast exakt gleich. Dies führt
zu einem periodischen Anstieg und Abfall des optischen Ansprechverhaltens
des Bilderzeugers über
die interessierenden Wellenlängen.
Der Anstieg und Abfall des optischen Ansprechverhaltens wird durch
Absorption, Reflexion und konstruktive und destruktive Einwirkung
des einfallenden Lichts verursacht. Diese Wechselwirkungen führen zu
einer ständig
zu- und abnehmenden Lichtmenge, die pro Wellenlänge in die CCD-Wannen eintritt,
im gesamten sichtbaren Spektrum. Der Anstieg und Abfall des optischen
Ansprechverhaltens ändert
sich mit der Änderung
der Wellenlänge,
weil sich die optischen Wechselwirkungen des Lichts mit den CCD-Filmen ändern, wenn sich
die Wellenlänge
des einfallenden Lichts ändert.
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3 zeigt
eine Kurve 34 des spektralen Ansprechverhaltens für einen
Bildsensor der in 1 und 2A-B gezeigten
Art. Wie ersichtlich, weist die Kurve des Ansprechverhaltens eine
Reihe von Höchst-
und Tiefstwerten auf, die auf die Mehrschichteinwirkung der Schichten über den
Speicherbereichen 11 und 12 zurückzuführen sind.
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Die
Filme und deren optische Eigenschaften steuern in Kombination die
konstruktiven und destruktiven Einwirkungseffekte des in das CCD-Pixel eintretenden
einfallenden Lichts. Ein Zweiphasen-CCD verfügt über zwei Elektroden über jedem Pixel.
Die Gesamtmenge des in jedes Pixel eintretenden Lichts wird von
den überlagernden
Filmen gesteuert. Durch eine zweckmäßige Wahl der Filme und der
Filmdicke kann die wellenabhängige
kombinierte Transmission eines jeden Gate-Elektrodenpaars veranlasst
werden, sich ausgeglichen und stetig über das gesamte Spektrum von
UV bis annähernd
IR zu ändern.
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Erfindungsgemäß wird die
Dicke der Schichten eines oder beider Abtastbereiche so eingestellt, dass
mindestens ein Höchst-
oder Tiefstwert des spektralen Ansprechverhaltens des ersten Bereichs angeglichen
wird an mindestens einen entsprechenden Tiefst- oder Höchstwert
des spektralen Ansprechverhaltens des zweiten Bereichs, sodass das durchschnittliche
spektrale Ansprechverhalten des Fotosensors ausgeglichener ist als
das individuelle spektrale Ansprechverhalten des ersten oder zweiten Abtastbereichs.
So bestand die ursprüngliche
Dicke der Elektrodenschicht 30 zum Beispiel aus 175 nm Indiumzinnoxid
und die ursprüngliche
Dicke der Elektrodenschicht 32 aus 170 nm Polysilicion.
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Mittels
einer Computersimulation der Einwirkungseffekte der Schichten in
der Vorrichtung nach dem Stand der Technik wurde für jeden
der Abtastbereiche eine Kurve des spektralen Ansprechverhaltens
erzeugt. Nach Einstellen der Dicken der Elektrodenschichten wurden
mittels einer neuen Simulation modifizierte Kurven des spektralen
Ansprechverhaltens erzeugt und untersucht, um festzustellen, ob
ein oder mehrere Höchstwerte
einer der Kurven mit einem oder mehreren Tiefstwerten der anderen
Kurve zusammenfielen. Darauf wurde der Prozess bis zur Erzeugung
einer kombinierten Kurve mit einem gleichförmigeren spektralen Ansprechverhalten
wiederholt. Das so ermittelte, mit einer Elekrodenschicht 30 aus
95 nm dickem Indiumzinnoxid und einer Elektrodenschicht 32 aus
170 nm dickem Polysilicon erzeugte spektrale Ansprechverhalten ist
in 3 als Kurve 36 dargestellt. Zusätzlich wurden
die Dicken der überlagernden
dielektrischen Passivierungsschichten (in 1 und 2A-B
nicht dargestellt) eingestellt, um das Ansprechverhalten des Sensors weiter
anzupassen.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung bestehen beide Elektrodenschichten 30 und 32 aus
Indiumzinnoxid. In diesem Fall werden zur Optimierung der Gleichmäßigkeit
des spektralen Ansprechverhaltens des Bildsensors die individuellen
Dicken der Elektroden eingestellt. Durch Einstellen der Dicke einer
jeden Elektrode kann der Lichtweg des einfallenden Lichts so optimiert
werden, dass die normale periodische Veränderung der Transmission über interessierende
Wellenlängen
des Filmstapels reduziert oder eliminiert werden kann.
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4 zeigt
den Aufbau eines erfindungsgemäßen doppelten
Indiumzinnoxid-Gate-Elektrodensensors mit unterschiedlichen Elektrodendicken zur
Erzeugung eines spektral ausgeglichenen Ansprechverhaltens. Der
Sensor umfasst ein Substrat 24, eine Epitaxialschicht 26,
eine dielektrische Siliziumdioxid-Siliziumnitrid-Siliziumdioxid(ONO)-Schicht 28 und
Gate-Elektroden 30 und 30' aus Indiumzinnoxid
unterschiedlicher Dicke. Die Elektroden werden von einer Siliziumdioxidschicht 38,
einer Passivierungsschicht 40 aus Siliziumoxydnitrid und
einer Antireflexionsschicht 42 aus Siliziumdioxid überlagert. Wie
ersichtlich, können
sich die Dicken der Oxidschicht über
den Gate-Elektroden 30 und 30' aus Indiumzinnoxid unterscheiden
und wirken sich dann auf das spektrale Ansprechverhalten des Sensors aus.
Jede Gate-Elektrode
und die sie überlagernde Oxidschicht
weist bzw. weisen eine optische Transmission auf, die so angepasst
werden kann, dass die relative Transmission einer jeden Gate-Elektrode
das Komplement der anderen für
eine bestimmte Wellenlänge
darstellt. Eine Gate-Elektrode (z.B. 30) kann für eine bestimmte
Wellenlänge
eine hohe Transmission aufweisen, während die andere Gate-Elektrode
(z.B. 30')
eine deutlich geringere Transmission aufweist. Das Endergebnis ist
ein Mittelwert der Transmission der beiden Elektroden und ein flacheres
Ansprechverhalten über
einen weiten Wellenlängenbereich.
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5 veranschaulicht
das spektrale Ansprechverhalten einer ersten Ausführungsform
der Erfindung. Die Ausführungsform
umfasst eine Elektrode 30 mit einer Dicke von 290 nm, eine
Elektrode 30' mit
einer Dicke von 100 nm, eine Siliziumdioxidschicht 38 mit
einer Dicke von 110 nm über
der Elektrode 30 und einer Dicke von 300 nm über der
Elektrode 30',
eine Oxynitridschicht 40 mit einer Dicke von 400 nm und
eine Antireflexionsschicht 42 mit einer Dicke von 100 nm.
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Die
Kurven 44 und 46 veranschaulichen das spektrale
Ansprechverhalten der Gate-Elektroden 30 und 30'. Die Kurve 48 zeigt
das durchschnittliche spektrale Ansprechverhalten der beiden Gate-Elektroden.
Diese Anordnung ergibt ein relativ flaches optisches Ansprechverhalten
mit ausgeglichener Veränderung.
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Das
durchschnittliche spektrale Ansprechverhalten des Sensors kann durch
Anpassen der Dicken der überlagernden
Schichten weiter eingestellt werden, indem man für die Siliziumdioxidschicht 38 eine
Dicke von 10 nm über
der Elektrode 30 und eine Dicke von 200 nm über der
Elektrode 30' wählt. In 6 wird
das so erhaltene spektrale Ansprechverhalten der Gate-Elektroden 30 und 30' von den Kurven 50 und 52 dargestellt.
Die Kurve 54 zeigt das durchschnittliche spektrale Ansprechverhalten
der beiden Gate-Elektroden.
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Die
Erfindung wurde hier anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen
ausführlich
beschrieben, lässt
jedoch Variationen und Modifikationen zu, ohne den Schutzumfang
der Erfindung zu verlassen. So kann zum Beispiel statt der beschriebenen
Verwendung von zwei Gate-Elektroden aus Indiumzinnoxid als Material
für die
Gate-Elektrode auch jedes andere transparente, leitende Material verwendet
und erfindungsgemäß angepasst
werden, um ein gleichförmiges
spektrales Ansprechverhalten zu erzielen. Ferner kann ein Sensor
mit mehr als zwei Gates, z.B. vier Gates, auf ähnliche Weise angepasst werden.
Statt der beschriebenen Verwendung von Gate-Elektroden mit unterschiedlicher
Materialdicke können
natürlich
auch Gate-Elektroden mit gleicher Materialdicke verwendet und die
Dicken der überlagernden
Schichten angepasst werden, um ein gleichmäßigeres Ansprechverhalten des
Sensors zu erzielen.