DE69833760T2 - Schutzring zur verminderung des dunkelstroms - Google Patents

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Description

  • 1. Gebiet der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Fotodetektions-Halbleiterstrukturen. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung Fotodioden, die unter Verwendung dem Stand der Technik entsprechender moderner CMOS-Fertigungsprozesse hergestellt werden (CMOS als englische Abkürzung von Complementary Metal Oxide Semiconductor bzw. für Komplementär-Metalloxid-Halbleiter).
  • 2. Stand der Technik
  • Eine Schlüsselkomponente von Bilddarstellungssystemen ist ein Fotodiodendetektor. Dabei handelt es sich um eine Vorrichtung, die dazu eingesetzt wird, einfallende Photonen sichtbaren Lichts zu detektieren, die von einem Objekt stammen, das ein zu erfassendes Bild aufweist. Die Fotodiode wird dem einfallenden Licht ausgesetzt, das durch eine transparente Oxidisolationsschicht der Diode und in einen Siliziumbereich dieser tritt, welche einen P-N-Übergang aufweisen kann. Wenn die P-N-Übergangsdiode bzw. die P-N-Flächendiode eine Sperr-Vorspannung aufweist, kann ein Verarmungsbereich ausgebildet werden, und es können Elektron-Loch-Paare sowohl innerhalb als auch außerhalb des Verarmungsbereichs als Reaktion auf einfallende Photonen von sichtbarem Licht erzeugt werden, die auf die transparente Oxidisolationsschicht auftreffen. Die durch Foto erzeugten Elektron-Loch-Paare werden durch Diffusions- und Drift-Mechanismen weggewischt und in dem Verarmungsbereich gesammelt, wodurch ein Fotostrom induziert wird, der einen Abschnitt des Bilds darstellt, dem die Fotodiode ausgesetzt worden ist.
  • Ein wesentlicher Faktor, der zu einer Empfindlichkeit einer Fotodiode beiträgt, ist deren Fähigkeit, so viele einfallende Photonen wie möglich zu erfassen. Die Empfindlichkeit der Fotodiode wird teilweise durch Dunkelstrom beeinflusst, der dem Wert des Sperr-Vorspannungs-Diodenverluststroms entspricht, der in der Fotodiode induziert wird, wenn sich die Fotodiode im Dunkeln befindet, d.h. Strom, der nicht durch Licht induziert wird. Dunkelstrom wird im Besonderen an einer Grenzfläche zwischen der transparenten Isolationsschicht und dem Verarmungsbereich erzeugt. Der Dunkelstrom bewirkt Störungen bzw. Rauschen in dem Signal, das als Reaktion darauf erzeugt wird, wenn die Fotodiode Licht ausgesetzt worden ist. Übermäßiger Dunkelstrom kann eine Verkleinerung des Auslese-Dynamikbereichs bewirken. Es werden Anstrengungen unternommen, den Dunkelstrom so gering wie möglich zu halten, wodurch die detektierten Störungen in dem Signal reduziert werden und der Auslese-Dynamikbereich aufrechterhalten wird.
  • Eine bekannte Fotodiode wird in dem U.S. Patent US-A-5.438.217 offenbart, welches den Oberbegriff des gegenständlichen Anspruchs 1 bildet.
  • Wünschenswert ist die Reduzierung der Menge des erzeugten Dunkelstroms an der Grenzfläche zwischen der Verarmungsschicht und dem transparenten Isolationsbereich einer Fotodiode.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Fotodiode – gemäß dem gegenständlichen Anspruch 1.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung, den anhängigen Ansprüchen sowie den beigefügten Zeichnungen besser verständlich. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine Querschnittsansicht durch eine Fotodiode, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
  • 2 eine Querschnittsansicht durch ein Ausführungsbeispiel einer Fotodiode mit einem Schutzring gemäß der vorliegenden Erfindung;
    die 3a und 3b Querschnittsansichten durch zwei Ausführungsbeispiele der Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung, die jeweils Schutzringe mit unterschiedlichen Breiten aufweisen;
    die 4a und 4b erste und zweite Ausführungsbeispiele einer Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 5a eine Querschnittsansicht durch ein Ausführungsbeispiel einer Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem mit dieser gekoppelten Metallkontakt;
  • 5b ein beispielhaftes Layout einer CMOS-Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 6 eine mögliche Implementierung einer Fotozellenschaltung, welche ein Ausführungsbeispiel der Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche besondere Einzelheiten ausgeführt, um ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird jedoch erkennen, dass die vorliegende Erfindung auch ohne diese besonderen Einzelheiten ausgeführt werden kann. In einigen Fällen wurde auf die genaue Darstellung allgemein bekannter Schaltungen, Strukturen und Techniken verzichtet, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verschleiern.
  • Die Abbildung aus 1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht durch einen Dioden-Fotorezeptor (nachstehend „Fotodiode") 100. Die Fotodiode 100 weist ein Halbleitersubstrat 104 auf. Das Substrat 104 weist einen darin ausgebildeten N-Senken-Bereich 106 auf. Ferner weist die Fotodiode 100 einen Bereich 102 mit einer flachen Grabenisolation (STI) auf. Wenn ein P-N-Übergang, der zwischen dem Substrat 104 und der Senke 106 ausgebildet ist, eine Sperr-Vorspannung aufweist, wird ein Verarmungsbereich 114 in einer Umgebung einer Oberfläche 116 ausgebildet, wobei die N-Senke 106 von dem P-Substrat 104 abgegrenzt wird.
  • Dunkelstrom wird im Besonderen an einer Grenzfläche zwischen dem STI- und dem Verarmungsbereich 114 erzeugt. Da die STI 102 breiter ist als die N-Senke 106, wird eine Grenzfläche 124 zwischen dem Verarmungsbereich 114 und der STI 102 an einer unteren Oberfläche 118 der STI 102 ausgebildet. Es konnte festgestellt werden, dass die Erzeugung/Rekombination von Elektron-Loch-Paaren an der unteren Oberfläche 118 der STI erhöht wird. Es wird davon ausgegangen, dass das Auftreten der erhöhten Erzeugung/Rekombination an der unteren Oberfläche 118 der STI durch beschädigte Bereiche erzeugt wird, die an der unteren Oberfläche des Grabens existieren und durch ein Ätzverfahren der STI bewirkt werden. Ein derartiges Verfahren wird ausgeführt, um einen flachen Graben zu ermöglichen. Nach der Durchführung des Ätzverfahrens verbleiben Reste bzw. Rückstände, im Besonderen Kohlenstoff, auf dem Boden des Grabens.
  • Die Abbildung aus 2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht durch ein Ausführungsbeispiel einer Fotodiode 200 mit einem stark dotierten Bereich 220 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Fotodiode 200 kann Bestandteil eines CMOS-Bildsensors sein, der durch ein moderndes Silizium-CMOS-Fertigungsverfahren hergestellt werden kann, wie etwa ein Verfahren, das für die Fertigung von Mikroprozessoren entwickelt worden ist. Ferner kann der CMOS-Bildsensor Bestandteil einer aktiven CMOS-Pixelsensoranordnung sein, die im Fach bekant ist. Ferner kann die aktive CMOS-Pixelsensoranordnung in Verbindung mit einem Bilddarstellungssystem wie etwa einer Digitalkamera oder einer Videovorrichtung eingesetzt werden.
  • Die Fotodiode 200 weist sehr ähnlich dem Ausführungsbeispiel der Fotodiode aus 1 einen Siliziumsubstratbereich 204 auf, der einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, und einen Senkenbereich 206, der in dem Siliziumsubstrat ausgebildet ist. Der Senkenbereich weist einen zweiten Leitfähigkeitstyp auf. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das hierin beschrieben ist, weist der Substratbereich 204 ein P-Typ-Siliziumsubstrat auf, und der Senkenbereich 206 weist eine N-Typ-Siliziumsenke auf. Hiermit wird festgestellt, dass das hierin beschriebene Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ebenso mit einem N-Typ-Substrat und einer P-Typ-Senke implementiert werden kann. In einem Ausführungsbeispiel der Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Senke 206 durch Ionenimplantierung des Substrats 204 oder jedes andere allgemein bekannte Verfahren zur Herstellung einer Senke ausgebildet werden.
  • Die Fotodiode 200 weist ferner einen elektrisch isolierenden Bereich (dielektrisch) 202 auf, der oben auf der N-Senke 206 ausgebildet ist. Dieser dielektrische Bereich ist für Licht transparent, wobei er es ermöglicht, dass Licht durch ihn hindurch tritt. Der dielektrische Bereich 202 wird durch Ätzen eines flachen Grabens auf der Oberseite des Substrats ausgebildet. Der flache Graben wird danach mit Oxid (SiO2) gefüllt, wodurch ein Bereich einer flachen Grabenisolation (STI) gebildet wird (dargestellt durch schraffierte Linien, die einen spitzen Winkel in Bezug auf eine horizontale Richtung bilden). Flache Gräben und Verfahren zur Herstellung dieser Gräben sind für den Fachmann auf dem Gebiet allgemein bekannt.
  • Der flache Graben weist eine Breite (in eine horizontale Richtung) auf, die größer ist als eine Breite (in eine horizontale Richtung) der N-Senke 206, wodurch der N-Senken-Bereich 206 abgedeckt wird. Die N-Senke 206 ist durch die N-Senken-Oberfläche 216 definiert, welche die N-Senke 206 in Bezug auf das P-Substrat 204 begrenzt (diese voneinander trennt). Wenn die N-Senke und das P-Substrat eine Sperr-Vorspannung aufweisen, wird über und nahe dem P-N-Übergang ein Diodenverarmungsbereich ausgebildet. Im Besonderen wird der Diodenverarmungsbereich über und nahe der Oberfläche 216 (erste Oberfläche) ausgebildet, welche die N-Senke 206 von dem Substrat 204 trennt. Nach dem Anlegen einer richtigen Sperr-Vorspannung an die Fotodiode kann ein Fotostrom in dem Diodenverarmungsbereich 214 als Reaktion auf das Auftreffen des übertragenen Lichts auf die STI induziert werden.
  • Das hierin beschriebene Ausführungsbeispiel der Fotodiode 200 gemäß der vorliegenden Erfindung weist ferner einen stark dotierten Bereich (HDR) (nachstehen als „Schutzring" bezeichnet) 220 auf, der in der STI 202 ausgebildet ist. Der HDR 220 weist einen zweiten Leitfähigkeitstyp N auf, und da er stark dotiert ist, handelt es sich bei dem HDR 220 um N+. Die Form des Schutzrings 220 kann jede geschlossene Form darstellen, welche die STI 202 in zwei Bereiche aufteilt: den internen Bereich 203 und den externen Bereich 205. In einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung weist die STI 202 eine rechteckige Form auf, wobei der interne Bereich 203 eine rechteckige Form aufweist, und wobei der Schutzring 220 eine ringförmig-rechteckförmige Form aufweist, wie dies in der Abbildung aus 5 dargestellt und näher beschrieben ist.
  • In einem Ausführungsbeispiel der Fotodiode 200 gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Schutzring 220 in der STI 202 durch Ätzen eines Teils der STI 202 an einer und um eine erste Position ausgebildet, die durch die gestrichelte Linie 222 dargestellt ist. Der Schutzring 220 wird in dem geätzten Abschnitt ausgebildet. Der Schutzring 220 wird danach dem Prozess der Ionenimplantierung ausgesetzt, um den stark dotierten Schutzring 220 zu realisieren. Die erste Position 222 kann als die Position definiert werden, an welcher die Oberfläche 216, welche die N-Senke 206 von dem Substrat 204 trennt, auf die untere Oberfläche 218 der STI 202 trifft, wäre der Schutzring 220 nicht in der STI 202 ausgebildet worden. Der Schutzring 220 wird somit so ausgebildet, dass die Oberfläche 216 auf eine untere Oberfläche des Schutzrings trifft (diese schneidet), und zwar an einer Position, die sich im Wesentlichen dicht an der ersten Position befindet. Es wird bevorzugt, dass der Schutzring 220 in der STI 202 ausgebildet wird, so dass die Oberfläche 216 die untere Oberfläche des Schutzrings an einer mittleren Position an dem Schutzring schneidet.
  • Die Gegenwart des N+ dotierten Schutzrings 220 an der ersten Position bewirkt, dass der Verarmungsbereich 214 eine Schnittstellenfunktion mit der STI 202 an einer lateralen inneren Oberfläche 228 des externen Bereichs 205 erfüllt, entgegengesetzt zu der unteren Oberfläche 218 der STI 202. Der Schutzring 220 gibt somit vor, wie der Verarmungsbereich 214 den Kontakt mit der STI 202 herstellt. Der Abschluss des Verarmungsbereichs 214 an der lateralen Oberfläche 228 der STI 202 wird bevorzugt gegenüber dem Abschluss des Verarmungsbereichs 214 an der unteren Oberfläche 218, da bestimmt worden ist, dass die laterale Oberfläche 228 sauberer ist (d.h. sie weist eine geringere Siliziumbeschädigung und weniger Rückstände auf als die untere Oberfläche 218 der STI). Ein saubererer Grenzflächenbereich zwischen dem Verarmungsbereich 214 und der Oberfläche 228 sorgt für eine geringere Erzeugung/Rekombination von Löchern und Elektronen an der Grenzfläche zwischen dem Verarmungsbereich und der STI und somit für eine geringere Erzeugung von Dunkelstrom. Da die Kontaktfläche 224 an der lateralen Oberfläche 228 ferner umgekehrt proportional ist zu der Dotierung des Schutzrings 220, bewirkt der Schutzring 220 ferner eine kleinere Kontakt- bzw. Berührungsfläche zwischen dem Verarmungsbereich 214 und der STI als für den Fall, wenn der Verarmungsbereich 214 die untere Oberfläche 218 der STI schneidet.
  • Der Schutzring 220 bewegt den Verarmungsbereich von dem Boden der STI weg zu der lateralen Oberfläche 228 der STI. Der Schutzring 220 bewirkt eine Verkleinerung der Kontaktfläche zwischen dem Verarmungsbereich und der STI aufgrund der retrograden P-Senken-Dotierung, d.h. die P-Dotierung ist in der Nähe der Oberfläche höher. Der Schutzring 220 trägt somit in dem Ausführungsbeispiel der Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung zu einer Verringerung des Dunkelstroms bei.
  • Die Abbildungen der 3a und 3b veranschaulichen Querschnittsansichten durch Abschnitte eines Ausführungsbeispiels der Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei sich die Breiten des Schutzrings unterscheiden. In der Abbildung aus 3a des Ausführungsbeispiels ist ein Schutzring mit einer Breite 350 vorgesehen, die kleiner ist als eine Breite 352 des Schutzrings des Ausführungsbeispiels aus 3b. Eine Grenzfläche zwischen dem Verarmungsbereich 314 und der lateralen Oberfläche 328 der STI ist größer für einen Schutzring mit einer schmaleren Breite 350 (3a) als für einen Schutzring mit einer größeren Breite 352 (2b). Je breiter somit der Schutzring, desto kleiner ist die Fläche der Grenzfläche des Verarmungsbereichs mit der STI und desto geringer ist der um diese Fläche erzeuge Dunkelstrom.
  • Während breitere Schutzringe aufgrund der kleineren Grenzfläche an der lateralen Oberfläche 328 der STI bevorzugt werden, gilt, je breiter der Schutzring ist, desto kleiner ist die optische Erfassungsfläche, d.h. der interne Bereich 303 der STI. Je breiter somit der dunkele Ring, desto weniger Dunkelstrom wird erzeugt, wobei jedoch die Empfindlichkeit der Diode durch den kleineren optischen Erfassungsbereich reduziert wird. Für jedes bestimmte Verfahren kann somit ein optimaler Wert bestimmt werden, und zwar unter Berücksichtigung der Empfindlichkeit und des Dunkelstroms der Fotodiode.
  • Die Abbildungen der 4a und 4b veranschaulichen erste und zweite Ausführungsbeispiele einer Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Schutzring aus dem Ausführungsbeispiel aus 4a entspricht im Wesentlichen dem Schutzring aus dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Das Ausführungsbeispiel aus 4b weist einen Abschnitt 407 auf, der einen internen Abschnitt 405 und einen externen Abschnitt 403 definiert. An Stelle eines stark dotierten N+ Schutzrings ist jedoch ein Gate-Oxid-Schutzring 455 zwischen den Bereichen 403 und 405 ausgebildet. Eine Schicht eines Polysilizium-Gates 453 über dünnem Oxid 361 wird über dem STI Bereich ausgebildet, und zwar entsprechend zwischen den internen und externen Bereichen 405 und 403. Die Schlicht aus Polysilizium wird silizidiert und mit der Erde gekoppelt. Hiermit wird festgestellt, dass die Siliziumgrenzfläche innerhalb der N-Senke invertiert wird, wenn die Gate-Spannung 0 Volt beträgt und die Senkenspannung während dem Betrieb positiv ist. Der Verarmungsbereich wird in Gate-Oxid-Bereichen hoher Güte abgeschlossen. Der Gate-Oxid-Bereich weist eine hohe Qualität auf, um einen guten MOSFET-Betrieb bereitzustellen.
  • Die Abbildung aus 5a veranschaulicht eine Querschnittsansicht durch ein Ausführungsbeispiel einer Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Metallkontakt 560. Der N+ Schutzring erfüllt ferner die Funktion des ohmschen Kontakts mit der Senke der Fotodiode, da der N+ Bereich leitfähig ist. Der silizidierte Bereich 562 ist oben auf dem Schutzring 520 ebenfalls leitfähig und für gewöhnlich mit einem Metallkontakt 560 gekoppelt, der die Fotodiode vorspannt. Der Metallkontakt 560 ist mit einem Pixelknoten 618 gekoppelt, der nachstehend in der Abbildung aus 6 abgebildet ist.
  • Die Abbildung aus 5b veranschaulicht ein beispielhaftes Layout einer CMOS-Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung, die in der Abbildung aus 5 dargestellt ist. Der Schutzring 520 umgibt den inneren fotoempfindlichen Abschnitt 503 der Fotodiode. Die N-Senke weist den durch die gestrichelte Linie 512 begrenzten Abschnitt auf. Der Metallkontakt 560 berührt den N+ Schutzring 520, um die Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung vorzuspannen.
  • Die Abbildung aus 6 veranschaulicht eine mögliche Implementierung eines Bilddarstellungssystems 603, wie etwa einer Digitalkamera oder einer Videovorrichtung, mit einer aktiven Pixelsensorzellenschaltung 600, die ein Ausführungsbeispiel der Fotodiode 602 gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Die aktive Pixelsensorzelle kann in einer aktiven CMOS-Pixelsensoranordnung 605 enthalten sein. Die Bilddarstellungssysteme 603 können ferner eine Steuervorrichtung 607 aufweisen, die mit der Anordnung 605 gekoppelt ist, sowie eine Nachverarbeitungsvorrichtung 609, die sowohl mit der Anordnung als auch mit der Steuervorrichtung 607 gekoppelt ist.
  • Die aktive Pixelsensorzelle 600 weist einen Rücksetztransistor 614 und einen Source-Follower-Baustein 616 auf. Der Rücksetztransistor 614 setzt einen Pixelknoten 618 selektiv auf eine vorbestimmte Spannung zurück. Wenn ein Auslesesignal an den Zeilenwechseltransistor 622 geltend gemacht wird, sieht der Source Follower 616 eine Spannung, die im Verhältnis zu der Spannung an dem Pixelknoten 618 steht, an ein Bilderfassungssystem (nicht abgebildet) vor. Einfallendes Licht bewirkt einen Rückgang der Spannung des Pixeiknotens 618, indem Elektronen gesammelt werden, die in dem Verarmungsbereich der Diode fotogeneriert werden. Die Fotodiode 602. gemäß der vorliegenden Erfindung, welche den vorstehend erläuterten Schutzring aufweist, minimiert die negative Auswirkung des Dunkelstroms, da dieser Strom durch den darüber vorgesehenen und vorstehend erläuterten Schutzring erheblich reduziert wird.

Claims (6)

  1. Fotodiode (200), die folgendes umfasst: ein Substrat (204) eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine Senke (206) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die in dem Substrat angeordnet ist; wobei die Senke durch einen Übergang (216) von dem Substrat getrennt ist; ein isolierender Bereich (202) auf der oberen Oberfläche der Senke, der das Hindurchtreten von Licht ermöglicht; einen Schutzring (220), der mit einem Dotierstoff des zweiten Leitfähigkeitstyps stark dotiert ist, wobei der Ring den isolierenden Bereich umgibt, wobei der Schutzring in der Substratoberfläche über dem Übergang zwischen der Senke und dem Substrat angeordnet ist; gekennzeichnet durch einen isolierenden Ring (205), der um den Schutzring angeordnet ist und sich an einer lateralen Oberfläche (228) in Kontakt mit dem Schutzring (220) befindet.
  2. Fotodiode nach Anspruch 1, wobei der isolierende Bereich im Wesentlichen eine Kreisform aufweist.
  3. Fotodiode nach Anspruch 1, wobei der Schutzring im Wesentlichen eine Ringform aufweist.
  4. Fotodiode nach Anspruch 1, wobei der isolierende Bereich im Wesentlichen eine rechteckige Form aufweist, und wobei der Schutzring eine rechteckige Form aufweist, welche den isolierenden Bereich einschließt.
  5. Fotodiode nach Anspruch 1, wobei bei einer Sperr-Vorspannung des Substrats und der Senke ein Verarmungsbereich (314) in der Senke und in dem Substrat in der Nähe des Übergangs ausgebildet wird, der an der lateralen Oberfläche des isolierenden (324) Rings endet.
  6. Fotodiode nach Anspruch 1, wobei diese in ein Bildwandlersystem (603) integriert ist, das eine Steuervorrichtung (607) und eine Nachverarbeitungseinrichtung (609) aufweist, die mit der Steuervorrichtung sowie mit der Fotodiode (602) gekoppelt ist.
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