NL1011381C2

NL1011381C2 - Fotodiode voor een CMOS beeldsensor en werkwijze voor het vervaardigen daarvan.

Info

Publication number: NL1011381C2
Application number: NL1011381A
Authority: NL
Inventors: Woodward Yang; Ju Il Lee; Nan Yi Lee
Original assignee: Hyundai Electronics Ind
Priority date: 1998-02-28
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 2000-02-15
Also published as: US6184055B1; JP4390896B2; GB9904689D0; JPH11317512A; CN1231516A; DE19908457A1; FR2779870B1; FR2775541A1; KR19990072885A; FR2779870A1; GB2334817A; NL1014309A1; KR100278285B1; US6180969B1; CN1171315C; GB2334817B; CN100377362C; NL1014309C2; CN1534790A; NL1011381A1

Description

Korte aanduiding: Fotodiode voor een CMOS beeldsensor en werkwijze voor het vervaardigen daarvan.

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING

1. Gebied,van de uitvinding

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een 5 fotodiode voor gebruik in een vastestof- beeldaftastinrichting welke in staat is een beeld van hoge kwaliteit te leveren, en meer in het bijzonder op een fotodiode voor een beeldsensor welke is gebaseerd op CMOS-technologie, en een werkwijze voor het vervaardigen 10 daarvan.

2. Beschrijving van de bijbehorende techniek

Met de ontwikkeling van telecommunicatie- en computersystemen kunnen CMOS beeldsensoren worden gebruikt 15 in elektronische afbeeldingssystemen. De vraag naar CMOS beeldsensoren zal sterk toenemen in verhouding met de ontwikkeling van digitale fotocamera's, PC-camera's, digitale camerarecorders en PC.S (Persoonlijke Communicatie Systemen), alsmede standaard analoge en geavanceerde 20 digitale TV- en videosystemen. Verder kan de CMOS = beeldsensor worden gebruikt in videospelmachines, beveiligingscamera's en microcamera's voor medische behandeling.

Fig. 1 is een blokschema dat een conventionele CCD 25 (Eng.: Charge Coupled Device-ladingsgekoppelde inrichting) beeldsensor illustreert. Zoals in fig. 1 is getoond, omvat de CCD beeldsensor 100 een fotoelektrische omzettings- en ladingsaccumulator 10 voor het absorberen van licht dat afkomstig is van een voorwerp en het verzamelen van de door 30 licht opgewekte ladingen in signaalladingspakketten. Tevens omvat de CCD beeldsensor 100 een ladingsoverdrachtsgebied 20 om ladingspakketten van de fotoelektrische omzettings-en ladingsaccumulator 10 een een lading-naar-spanningssignaalomzetter 30 te brengen voor het opwekken 1011381 2 van een spanningsuitgangssignaal van de signaalladingspakketten zoals deze worden overgedragen door het ladingsoverdrachtgebied 20.

Een fotodiode wordt algemeen gebruikt als een 5 fotoelektrische omzettings- en ladingsaccumulator. De fotodiode met een PN-junctie vormt een potentiaalput voor het accumuleren van de ladingen die zijn opgewekt door licht dat afkomstig is van het voorwerp. De ladingen die zijn opgewekt in de fotoelektrische omzettings- en 10 ladingsaccumulator 10, worden gevangen in de potentiaalput van de fotodiode, en de gevangen ladingen worden overgebracht naar een gewenste positie volgens de beweging van de potentiaalput. Een dergelijke ladingsbeweging wordt bestuurd door het ladingsoverdrachtsgebied 20.

15 De lading-naar-spanningssignaalomzetter 30 wekt een spanning op welke is gerelateerd aan de overgedragen signaalladingspakketten. Aangezien elektrische ladingen een elektrisch veld opwekken dat correspondeert met een elektrostatische potentiaal. De lading in elektrische 20 ladingsconcentratie als resultaat van het inbrengen van een signaalladingspakket, kan worden gemeten door middel van de lading in de elektrostatische potentiaal (d.w.z. de diepte van de potentiaalput). Deze potentiaalputdieptevariatie draagt bij aan een spanningsdetectie in de CCD beeldsensor. 25 Anderzijds dienen na het detecteren van het signaal, de ladingen in de huidige potentiaalput verwijderd te worden voor volgende signaaldetecties. Deze verwijdering van de ladingen wordt bereikt door het afvoeren van het signaalladingspakket in een afvoer. Door het verlagen van 30 de potentiaalbarrière tussen de potentiaalput en de afvoer kan de potentiaalput worden "teruggesteld".

Zoals hierboven is gesteld, detecteert de conventionele CDD beeldsensor de beeldsignalen via ladingskoppeling. De fotodiode, welke werkt als een 35 fotogevoelige plaat overeenkomstig een pixel extraheert niet onmiddellijk een fotoelektrische stroom, maar extraheert deze na het accumuleren van de ladingen 101 1381 3 gedurende een vooraf bepaalde tijd in een signaalpakket. Dienovereenkomstig heeft de CCD beeldsensor een goede gevoeligheid met een lage ruis. Aangezien de CDD beeldsensor echter voortdurend fotoelektrische 5 ladingspakketten moet overdragen, zijn de vereiste stuursignalen zeer gecompliceerd, vereisen deze een grote j spanningsverandering van ongeveer 8 V tot 10 V, hebben deze : een hoog energieverbruik, en vereisen deze zowel een positieve als een negatieve voedingsbron. Vergeleken met 10 submicron CMOS-technologie welke ongeveer 20 fotomaskers vereist, is CCD-technologie gecompliceerder en tevens duurder als gevolg van aanvullende fotomaskerprocessen (ongeveer 30 tot 40 fotomaskers). Daarnaast is het zeer moeilijk om de afmetingen van de beeldsensor te 15 miniaturiseren en deze te implementeren in een grote verscheidenheid aan toepassingen, aangezien de CCD beeldsensorchip niet geïntegreerd kan worden met signaalverwerkende schakelingen welke typisch worden r uitgevoerd als CMOS schakelingen.

20 Dienovereenkomstig is een bredere en diepere studie van de APS (Actieve Pixel Sensor), welke wordt bestuurd door de schakelwerking van een transistor, gemaakt met de = combinatie van CMOS- en CCD-technologieën.

Fig. 2 is een schakelschema dat een eenheidspixel van - 25 een conventionele APS illustreert zoals voorgesteld door U.S. octrooi 5 471 515 van Fossum et. al. De APS gebruikt een fotopoort 21 van de MOS-condensatorstructuur voor het verzamelen van fotoelektrische ladingen. Teneinde de onder de fotopoort 21 opgewekte ladingen over te brengen naar een 30 drijvend diffusiegebied 22, omvat de APS een z_ overdrachtstransistor 23. De APS omvat tevens een ~ terugsteltransistor 24, een afvoerdiffusiegebied 25, een stuurtransistor 26 welke werkt als een bronvolger, een

keuzetransistor 27 voor het kiezen van een pixelmatrixrij, L

35 en een laadtransistor 28.

In de APS zoals deze is getoond in fig. 2, is de MOS-condensator, welke werkt als een fotogevoelige plaat, 1011381 4 echter gemaakt van een dikke polysiliciumlaag, zodat een groot deel van blauw licht (met een kortere golflengte dan rood licht) bij voorkeur wordt geabsorbeerd door het polysilicium. Het resultaat is dat het moeilijk is 5 kleurbeelden met een hoge kwaliteit te verkrijgen bij een lage belichting.

Fig. 3 is een dwarsdoorsnedeaanzicht van de APS welke is voorgesteld in U.S. octrooi 5 625 210 van Lee et al.

U.S. 5 625 210 openbaarde de APS met een algemeen bekende 10 gepinde fotodiode. De APS in fig. 3 omvat een gepinde fotodiode (PPD) voor het verzamelen van de fotoelektrische ladingen en een overdrachtstransistor Tx met een N"-gebied 36 voor het overdragen van de elektrische ladingen van de PPD naar een drijvend N’-gebied 37 van een 15 uitgangsknooppunt. Er is een terugsteltransistor met het N*-gebied 37 verschaft voor één actief gebied en tevens met een N*-gebied 38 voor een ander actief gebied dat is gekoppeld met een voedingsbron VDD. De verontreinigingen zijn ingebracht in een licht gedoteerde P-epi (epitaxiaal) 20 laag 32 welke is gevormd op een zwaarder gedoteerd P-type substraat 31. De PPD is gevormd door een begraven N*-gebied en een P+-pingebied 34. Aanvullend duiden in fig. 3 elk van de verwijzingscijfers 35a, 35b en 35c een transistorpoort aan.

25 Meer in het bijzonder, zoals is getoond in fig. 4 en in U.S. octrooi 5 625 210 van Lee et al., is de PPD gevormd door sequentiële ionenimplantatie van N+- en P*-verontreinigingen, onder gebruikmaking van een enkele maskerlaag 41 (bijvoorbeeld fotoresistpatroon). In het 30 bijzonder is de PPD gevormd door slechts één masker voor zowel N* als P* ionenimplantatieprocessen.

Indien de N+- en de P+-ionenimplantatie echter sequentieel worden uitgevoerd onder gebruikmaking van slechts één masker, zal het P*-pingebied 34 dat is gevormd 35 boven het N*-gebied 33 niet betrouwbaar elektrisch zijn verbonden met de P-epi-laag 32. In het bijzonder zal, aangezien een hogere energie wordt gebruikt voor het 101 1381 5 implanteren van het N+-gebied 33 in vergelijking met het P*-pingebied 34, een dergelijk ionenimplantatieproces resulteren in het feit dat het P+-pingebied 34 elektrisch is geïsoleerd van de P-epi 32. Het resultaat is, dat het P*-5 pingebied 34 en de P-epi-laag 32 zich op een verschillende potentiaal zullen bevinden, in het bijzonder bij gebruik van een lage voedingsspanning van 3,3 V. Dit verschil in potentiaal belemmert de volledige verarming van de het N*-gebied 33, en daardoor kan een stabiele pinspanning niet 10 worden verkregen. Voorts kan doteermiddelscheiding van booratomen in veldoxydelaag 39 ook bijdragen aan het isoleren van het P*-pingebied 34 van de P-epi-laag 32.

Een ander U.S. octrooi 5 567 632 van Nakashiba en Uchiya openbaarde de begraven (of gepinde} 15 fotodiodevervaardigingswerkwijze, welke gebruik maakt van ionenimplantatie onder een hoek en een enkele maskerlaag.

In dit geval is het moeilijk om de ionenimplantatiehoek in een massaproductieomgeving te besturen en te bewaken. Dit wil zeggen, dat het zeer moeilijk is de precieze uitlijning 20 van het N+-gebied 34 en het P+-gebied 33 te meten, en de begraven fotodiode uniform en betrouwbaar te maken.

Bovendien beperkt het gebruik van een georiënteerde, onder een hoek staande ionenimplantatie van N' of P* de plaatsing van de overdrachtspoort in een specifieke oriëntatie ten 25 opzichte van de chip en plak als gevolg van de ionenimplantatie onder een hoek.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

30 Het is een doel van de onderhavige uitvinding een fotodiode voor gebruik in een CMOS beeldaftastinrichting te verschaffen, omvattende: een halfgeleiderlaag van een eerste geleidend type; een isolatielaag welke de halfgeleiderlaag verdeelt in een veldgebied en een actief 35 gebied; een eerste verontreinigingsgebied van een tweede geleidend type, dat is gevormd binnen de halfgeleiderlaag, waarbij het eerste verontreinigingsgebied gescheiden is van 1011381 6 de isolatielaag; en een tweede verontreinigingsgebied van het eerste geleidende type, dat is gevormd onder een oppervlak van de halfgeleiderlaag en op het eerste verontreinigingsgebied, waarbij een breedte van het tweede 5 verontreinigingsgebied groter is dan die van het eerste verontreinigingsgebied, zodat een gedeelte van het tweede verontreinigingsgebied op de halfgeleiderlaag is gevormd, waarbij het tweede verontreinigingsgebied dezelfde potentiaal heeft als de halfgeleiderlaag.

10 In overeenstemming met een ander aspect van de onderhavige uitvinding is een werkwijze voor het vervaardigen van een fotodiode voor gebruik in een CMOS beeldaftastinrichting verschaft, omvattende de stappen: verschaffen van een halfgeleiderlaag van een eerste 15 geleidend type; vormen van een isolatielaag welke de halfgeleiderlaag verdeelt in een veldgebied en een actief gebied; vormen van een eerste verontreinigingsgebied van een tweede geleidend type binnen de halfgeleiderlaag onder gebruikmaking van een eerste ionenimplantatiemasker, 20 waarbij het eerste ionenimplantatiemasker een gedeelte van de halfgeleiderlaag bedekt zodat het eerste verontreinigingsgebied is gescheiden van de isolatielaag; en vormen van een tweede verontreinigingsgebied van het eerste geleidende type onder een oppervlak van de 25 halfgeleiderlaag en op het eerste verontreinigingsgebied onder gebruikmaking van een tweede ionenimplantatiemasker, waarbij het tweede ionenimplantatiemasker een gedeelte van de halfgeleiderlaag opent, zodat een breedte van het tweede verontreinigingsgebied groter is dan die van het eerste 30 verontreinigingsgebied, en een gedeelte van het tweede verontreinigingsgebied in contact is met de halfgeleiderlaag.

KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENING

35

Andere doelen en aspecten van de uitvinding zullen duidelijk worden uit de volgende beschrijving van de 1011381 i 7 uitvoeringsvormen onder verwijzing naar de bijgaande tekening, waarin: fig. 1 een blokschema is dat een conventionele CCD beeldsensor illustreert; 5 fig. 2 een schakelschema is dat een eenheidspixel van de conventionele APS illustreert; fig. 3 en 4 dwarsdoorsnedeaanzichten zijn welke de conventionele APS van fig. 2 illustreren; fig. 5 een schakelschema is dat een eenheidspixel van 10 een CMOS beeldsensor volgens de onderhavige uitvinding illustreert; fig. 6 een dwarsdoorsnedeaanzicht is dat een eenheidspixel van een CMOS beeldsensor volgens de onderhavige uitvinding illustreert; 15 fig.7A tot en met 7J dwarsdoorsnedeaanzichten zijn welke een werkwijze voor het vervaardigen van de eenheidspixel van fig. 6 illustreren; en fig. 8A en 8B bovenaanzichten zijn van maskerpatronen die worden gebruikt voor het implanteren van 20 verontreinigingsionen in een actief gebied.

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING VAN DE VOORKEURSUITVOERINGSVORMEN

25 Hierna zal onderhavige uitvinding in detail worden beschreven onder verwijzing naar de bijgaande tekeningen.

Er wordt verwezen naar fig. 5. Aldaar is een eenheidspixel van een CMOS beeldsensor getoond. De eenheidspixel omvat een laagspanningsfotodiode (LVPD) 510 30 en vier NMOS transistoren. Een overdrachtstransistor (Tx) 520 brengt een fotoelektrische lading over die is verzameld door de laagspanningsfotodiode 510 voor aftasting op een ~ drijvend knooppunt 560. Een terugsteltransistor (Rx) 530 stelt het drijvende knooppunt 560 terug door het afvoeren 1.

35 van ladingen en het instellen van de potentiaal van het knooppunt op een bekende waarde. Een stuurtransistor (Dx) 540 werkt als een bronvolgerbufferversterker, en een 1011381 8 keuzetransistor 550 verschaft een mogelijkheid tot adresseren aan een gemeenschappelijke belastingstransistor 570 .

De beeldsensor met de laagspanningsfotodiode 510 en 5 NMOS transistoren kan vervaardigd worden onder gebruikmaking van algemene CMOS-technologie. Verder worden de overdrachtstransistor (Tx) 520 en de terugsteltransistor (Rx) 530 gevormd als een NMOS transistor met verarmingsmodes of een lage drempelspanning teneinde de 10 ladingsoverdrachtsefficiëntie te verbeteren en enige spanningsval en/of verlies van signaallading in het uitgangssignaal te verminderen. In het bijzonder kan een geschikte NMOS transistor worden vervaardigd door gebruik te maken van de P-epi-laag zonder de P-put. Deze negatieve 15 NMOS transistor kan een enigszins negatieve drempelspanning hebben.

Fig. 6 is een dwarsdoorsnedeaanzicht dat de eenheidspixel van de CMOS beeldsensor illustreert. Zoals in fig. 6 is getoond, is een epitaxiale laag gebruikt voor het 20 bouwen van CMOS inrichtingen voor het verbeteren van de gevoeligheid van de CMOS beeldsensor en voor het verbeteren van de modulatieoverdrachtsfunctie door het verminderen van de "misverzameling" van gefotogenereerde ladingen. Er wordt namelijk een plak met een P-epi-laag 602, welke is gevormd 25 op een P+-substraat 601 met een verontreinigingsconcentratie van ongeveer 1014 ionen/cm3, gebruikt. De P-epi-laag 602 wordt gebruikt om de volgende redenen: 1) de P-epi-laag 602 maakt het mogelijk dat het verarmingsgebied van de laagspanningsfotodiode groot en 30 diep is, wat de gevoeligheid verbetert door het vergroten van het vermogen van de laagspanningsfotodiode tot het verzamelen van fotogegenereerde ladingen. De dikte van de P-epi-laag 602 is in een gebied van ongeveer 2 tot 5 μπι.

2) het hooggedoteerde P+-substraat 601 onder de P-epi-35 laag 32 verbetert de sensormatrixmodulatieoverdrachts- functie door het reduceren van de willekeurige diffusie van de fotoelektrische ladingen. De willekeurige diffusie van 101 1381 9 1 ladingen in het P-type substraat leidt tot de mogelijke ; "misverzameling" van de fotogegenereerde ladingen door aangrenzende pixels, en resulteert direct in een verlies aan beeldscherpte of een lagere 5 modulatieoverdrachtsfunctie. De kortere minderheidsladingsdragerlevensduur en hogere ; doteringsconcentratie van het P*-substraat 601 reduceert de "misverzameling" van fotoelektrische ladingen aanzienlijk, - aangezien de ladingen snel gerecombineerd worden voordat 10 zij diffunderen naar de aangrenzende pixels. In de onderhavige uitvinding hebben het P+-substraat 601 en de P-epi-laag 602 bij voorkeur een specifieke weerstand van ongeveer 0,01 Qcm respectievelijk 10-25 Qcm·

Dienovereenkomstig zou de verontreinigingsconcentratie van I

15 het P+-substraat 601 veel hoger moeten zijn dan die van de P-epi-laag 602, en de bijbehorende

minderheidsladingsdragerlevensduur van het P*-substraat 601 I

zou veel korter moeten zijn dan die van de P-epi-laag 602. I

Er wordt opnieuw verwezen naar fig. 6. De 20 laagspanningsfotodiode volgens de onderhavige uitvinding

omvat een laaggedoteerd N'-gebied 603 dat is gevormd in de Z

P-epi-laag 602 en een laaggedoteerd P°-gebied 604 dat is I

gevormd rond het laaggedoteerde N'-gebied 603. Deze d laagspanningsfotodiode heeft een uitstekende gevoeligheid - 25 en foton-naar-elektron kwantumrendement, aangezien het = lichtaftastende gebied niet is bedekt met een _ polysiliciumlaag. In het bijzonder is de gevoeligheid voor “

korte golflengten, blauw licht, aanzienlijk verbeterd. Als Z

gevolg van de laaggedoteerde P-epi-laag heeft het 30 ladingsverarmingsgebied van de laagspanningsfotodiode ook „ een hoge gevoeligheid voor lange golflengten, rood of _ infrarood licht. Bovendien heeft deze laagspanningsfotodiode het vermogen om snel en efficiënt _ lading over te brengen naar het drijvende aftastknooppunt = 35 vanaf het lichtaftastende gebied. Verder is de donkerstroom 3 verminderd door het besturen van de potentiaal van 1011381 - 10 grensvlakgeneratietoestanden bij het silicium-silicium dioxyde grensvlak.

Teneinde de bovengenoemde voordelen tot stand te brengen, dient de laagspanningsfotodiode geheel verarmd te 5 zijn bij een lage spanning welke verenigbaar is met een voedingsbron van 5 V, 3,3 V of 2,5 V. De conventionele CCD's vereisen echter een hoge stuurspanning boven 8 v teneinde effectief ladingen over te dragen en de begraven fotodiode die is vervaardigd in een typisch CCD-proces 10 geheel te verarmen. Als gevolg van processen bij hoge temperatuur na ionenimplantatie van de begraven fotodiode in een CCD-proces, kan de resulterende begraven fotodiode niet geheel worden verarmd bij een spanning van minder dan 5 V. Verder kunnen begraven fotodioden die gebruik maken 15 van ionenimplantatietechnieken onder een hoek, niet stabiel tot stand worden gebracht door middel van een typisch submicron-CMOS proces dat gebruik maakt van de processen bij lage temperatuur.

Een 0,5 μπι CMOS-proces voor werking bij 3,3 V zou 20 bijvoorbeeld een begraven fotodiodestructuur moeten hebben s welke volledig is verarmd in het gebied van 1,2 V-2,8 V.

ia

Indien deze spanning te hoog is, zal een onvolledige ladingsoverdracht van de fotoelektrische ladingen naar het drijvende aftastknooppunt vele ongewenste 25 beeldvormingsartefacten veroorzaken. Anderzijds zal, indien deze spanning te laag is, de ladingscapaciteit van de begraven fotodiode zeer laag zijn, hetgeen resulteert in \ een klein uitgangssignaal.

j Zonder een aanvullende thermische behandeling welke ! 30 is gebruikt in de conventionele CCD-processen, door slechts j twee maskers, twee ionenimplantatieprocessen en de thermische behandeling van het conventionele submicron CMOS-proces te gebruiken, vervaardigt de onderhavige uitvinding een laagspanningsfotodiode welke geheel verarmd 35 kan zijn in een spanningsgebied van 1,2 V-4,5 V in het geval van de voedingsbron van 3,3 V en 5 V. Dit zal concreet worden geïllustreerd in de verwerkingsstappen 1011381 11 ! volgens de onderhavige uitvinding. Zoals is getoond in fig.

6, is het P°-gebied 604 elektrisch verbonden met de P-epi-laag 602, en is zeker op dezelfde potentiaal, omdat de rand I

van een veldoxydelaag 607 en de rand van het N"-gebied 603 Z

5 zich voldoende op afstand bevinden (zie "A" in fig. 6). Dit wil zeggen, dat een zijwand en een ondergedeelte van het P°- = gebied 604 in contact is met de P-epi-laag 602, waardoor dezelfde potentiaal in twee lagen 603 en 602 tot stand wordt gebracht. Aldus kan door een geschikte keuze van de 10 N"- en P°-implantatie-energie de N'-laag 603 op een :

betrouwbare wijze geheel verarmd zijn bij een spanning I

tussen 1,2 V-4,5 V.

Van vier NMOS transistoren zijn de overdrachtstransistor (TJ en de terugsteltransistor (Rx) “ 15 transistoren met een lage drempelspanning of

verarmingsmodes om een gehele terugstelling van het I

drijvende knooppunt te waarborgen en het dynamisch bereik van de uitgangsspanning zo groot mogelijk te maken. De

stuurtransistor (Dx) en de keuzetransistor (Sx) zijn Z

20 typische NMOS transistoren. Dienovereenkomstig zijn de Z

stuurtransistor (Dx) en de keuzetransistor (Sx) in de P-put Ξ gevormd. Een zijdelingse putdiffusie binnen de pixel leidt ~ echter tot een verslechtering van de elektrische ï eigenschappen van de laagspanningsfotodiode en de 25 bijbehorende transistoren. Dienovereenkomstig is de P-put 605 beperkt tot een kleine oppervlakte, maar omvat deze via = een zijdelingse diffusie alle stuur- en keuzetransistoren zonder invloed te hebben op de laagspanningsfotodiode en bijbehorende terugstel- en overdrachtstransistoren. In een = 30 voorkeursuitvoeringsvorm omvat het P-putgebied een gedeelte Γ van de afvoer 606 van de terugsteltransistor (Rx) en strekt =j deze zich uit naar de veldoxydelaag 607 (hierna wordt naar z deze P-put 605 verwezen als een mini-P-put). Verder gebruiken de stuurtransistor (Dx) en de keuzetransistor (Sx) 35 die zijn gevormd in de P-put 605 de LDD (Eng.: Lightly ^

Doped Drain; licht gedoteerde afvoer) structuur. De overdrachtstransistor (Tx) en de terugsteltransistor (Rx) — 1011381 12 die zijn gevormd in de P-epi-laag 602 gebruiken niet de LDD (Eng.: Lightly Doped Drain) structuur, welke de isolatie van het drijvende knooppunt van de terugstelspanning verbetert, de hoeveelheid koppeling tussen het terugstel-5 en overdrachtskloksignaal vermindert door het verminderen van de overlapcapaciteit, en de algehele gevoeligheid van de pixel verbetert door de totale capaciteit die behoort bij het drijvende knooppunt, vermindert.

Het beeldaftastmechanisme zal in detail worden 10 beschreven: a) de overdrachtstransistor Tx) , de terugsteltransistor (Rx) en de keuzetransistor (Sx) worden uitgeschakeld. Op dit tijdstip is de laagspanningsfotodiode volledig verarmd.

15 b) in het siliciumsubstraat worden fotonen geabsorbeerd en wekken deze fotoelektrische ladingen op.

c) de fotoelektrische ladingen worden verzameld door de laagspanningsfotodiode.

d) na een vooraf bepaalde integratietijd voor het 20 verzamelen van fotoelektrische ladingen wordt het drijvende aftastknooppunt teruggesteld door het inschakelen van de terugsteltransistor (Rx) .

e) de eenheidspixel wordt gekozen voor uitlezen door i het inschakelen van de keuzetransistor (Sx) .

; 25 f) de uitgangsspanning VI van het bronvolgerbuffer wordt gemeten (deze spanning betekent slechts de gelijkspanningsniveauverschuiving van het drijvende aftastknooppunt).

g) de overdrachtstransistor (Tx) wordt ingeschakeld.

30 h) alle verzamelde fotoelektrische ladingen worden overgebracht naar het drijvende aftastknooppunt.

! i) de overdrachtstransistor (Tx) wordt uitgeschakeld.

j) de uitgangsspanning V2 van het bronvolgerbuffer wordt gemeten. Het resulterende uitgangsverschilsignaal, 35 VI-V2, wordt veroorzaakt door de overdracht van ’ fotoelektrische ladingen. Deze methode wordt de CDS (Eng.:

Correlated Double Sampling; gecorreleerde dubbele 1011381 13 bemonstering) methode genoemd en verschaft een wegvallen van voorspanning, terugstelschakelruis en l/f flikkerruis.

k) herhalen van stappen (a) tot en met (j). De laagspanningsfotodiode is geheel verarmd bij stap (h).

5 Fig. 7A tot en met 7J zijn dwarsdoorsnedeaanzichten _

welke een werkwijze illustreren voor het vervaardigen van I

de eenheidspixel van de CMOS beeldsensor.

Er wordt verwezen naar fig. 7A. Een P-epi-laag 702 wordt gevormd op een P+-substraat 701 en verontreinigingen I

10 worden in de blootliggende P-epi-laag ingebracht. Op dit ï tijdstip wordt, aangezien er binnen de eenheidspixel één laagspanningsfotodiode en twee bijbehorende NMOS-transistor i (overdrachts- en terugsteltransistoren) alsmede submicron NMOS-transistoren (stuur- en keuzetransistoren) zijn, een 15 conventioneel P-putsubstraat zoals aanwezig is in een “ typisch submicron CMOS-proces, niet gebruikt voor de CMOS ” beeldsensor. De conventionele putstructuur zoals deze aanwezig is in een typisch submicron CMOS-proces zal de elektrische eigenschappen van de laagspanningsfotodiode en = 20 de bijbehorende NMOS transistoren verslechteren als gevolg ï van de beperkte tolerantie voor zijdelingse _ doteermiddeldiffusie binnen de kleine pixel. Dit wil zeggen “

dat, zoals boven is geïllustreerd, het mini-P-putproces Z

wordt uitgevoerd.

25 Onder verwijzing naar fig. 7B wordt, na het verwijderen van het P-put ionenimplantatiemasker 703, een “ P-put 705 welke zowel de stuur- als keuzetransistoren _ omvat, gevormd door de zijdelingse diffusie tijdens een _ thermische behandeling.

30 Er wordt verwezen naar fig. 7C. Voor een inrichtingsisolatie wordt een veldoxydelaag 707 voor het = definiëren van een veldgebied en een actief gebied gevormd ΞΞ door het LOCOS-proces, het geulisolatieproces of ^ dergelijke. In deze uitvoeringsvorm wordt een meerlaags _ 35 maskerpatroon 706, waarbij een kussenoxydelaag, ^ bufferpolysiliciumlaag en een nitridelaag in deze volgorde __ worden gevormd, gebruikt als een nat oxydatiemasker voor ~ 011381 14 het vormen van de veldoxydelaag. De isolatie is algemeen bekend bij de normale deskundige op het gebied van de techniek waarop de materie betrekking heeft.

Er wordt verwezen naar fig. 7D. Na het verwijderen 5 van het meerlaags maskerpatroon 706 wordt een maskerpatroon 740 gevormd voor het blootgeven van de P-put 705, en wordt een ionenimplantatie uitgevoerd voor het aanpassen van de N-kanaal drempelspanning en de doorbraak. Door een dergelijke ionenimplantatie te gebruiken kunnen de 10 stuur- en keuzetransistoren binnen de eenheidspixel de typische eigenschappen van de submicron NMOS transistoren vertonen. Ondertussen wordt deze ionenimplantatie voor het aanpassen van drempelspanning niet uitgevoerd in een gebied ^ waarin de laagspanningsfotodiode en twee bijbehorende 15 transistoren dienen te worden gevormd.

Er wordt verwezen naar fig. 7E. Voor het vormen van vier NMOS transistoren binnen de eenheidspixel, worden een ; polysiliciumlaag 709 en een wolfraamsilicidelaag 710 in deze volgorde gevormd op de P-epi-laag 702 en in een 20 patroon gebracht door masker- en etsprocessen, waardoor vier poortelektroden 711 worden gevormd welke zich op een : vooraf bepaalde afstand van elkaar bevinden.

: Vervolgens wordt, verwijzend naar fig. 7F, een maskerpatroon 713 gevormd op de resulterende structuur voor É 25 het vormen van een lichtgedoteerd N'-gebied 721 van de ] laagspanningsfotodiode, en worden verontreinigen in de P- ] epi-laag 702 gebracht met een concentratie van ongeveer 1017 I ionen/cm3. Op dit tijdstip dient te worden opgemerkt dat het zeer belangrijk is een ionenimplantatiegebied te definiëren 30 onder gebruikmaking van het maskerpatroon 713 als een implantatiemasker. Zoals is getoond in het dwarsdoorsnedeaanzicht van fig. 7F, is één einde 715 van het maskerpatroon 713 gepositioneerd in het midden van de poortelektrode van de overdrachtstransistor, en is het 35 andere 716 daarvan gepositioneerd binnen het actieve gebied. Met andere woorden, het grensvlak tussen het veldgebied en het actieve gebied is bedekt met het 1 n 1 13 ft 1 15 maskerpatroon 713 zodat een gedeelte van het actieve gebied, dat zich nabij het grensvlak bevindt, niet is

onderworpen aan de ionenimplantatie. Het maskerpatroon 713 I

wordt langs lijn A-A' van een fotomasker in fig. 8A r 5 gebracht. Zoals is getoond in fig. 8A, wordt het maskerpatroon 713 uitgelijnd langs een grensvlak

(stippellijnen in fig. 8A) tussen het actieve gebied en het I

veldgebied, maar het bedekt een gedeelte 800 van het actieve gebied, waardoor wordt voorkomen dat Ν'- = 10 verontreinigingsionen in de rand daarvan worden ingebracht.

Er wordt verwezen naar fig. 7G. Het maskerpatroon 713 I

wordt verwijderd en een ander maskerpatroon 717 wordt _

gevormd voor het vormen van een lichtgedoteerd P°-gebied 722. De verontreinigingen worden in P-epi-laag 702 gebracht I

15 bij een concentratie van ongeveer 1018 ionen/cm3. Op dit = tijdstip is de versnellingsenergie van de P°-ionen lager dan die van de Ν'-ionen van fig. 7F, zodat het lichtgedoteerde P°-gebied 722 is gepositioneerd op het lichtgedoteerde Ν'- i gebied 721. Zoals is getoond in het dwarsdoorsnedeaanzicht 20 van fig. 7G, is één einde 719 van het maskerpatroon 717 = gepositioneerd in het midden van de poortelektrode van de ” overdrachtstransistor, en het andere 720 daarvan is -

gepositioneerd op de veldoxydelaag 707. Fig. 8B toont een L

bovenaanzicht van het maskerpatroon 717. Dienovereenkomstig ~ 25 is het gehele actieve gebied van de laagspanningsfotodiode volgens de onderhavige uitvinding blootgelegd, zodat de __

voldoende elektrische verbinding A wordt bereikt tussen het I

P°-gebied 720 en de P-epi-laag 702, vergeleken met de z.

elektrische verbinding die is getoond in fig. 3. Hoewel __ 30 gebruik wordt gemaakt van twee maskers met verschillende ~ afmetingen, dient te worden opgemerkt dat een dergelijke ~ verbinding A kan worden bereikt door het besturen van de 1_ diepte van de verontreinigingsgebieden. ^

Anderzijds dient met betrekking tot deze r~

35 ionenimplantatieprocessen van fig. 7F en 7G, de dikte van H

de poortelektrode van de overdrachtstransistor te worden iz bestuurd. Aangezien het doteringsprofiel van de 1 n1 1381 16 laagspanningsfotodiode de ladingsoverdrachtsefficiëntie bepaalt, is het doteringsgebied zelf-uitgelijnd met het ene einde van de poortelektrode van de overdrachtstransistor. Dienovereenkomstig dient de poortelektrode van de 5 overdrachtstransistor een zodanige dikte te hebben dat deze de versnelde ionen blokkeert. Als dit niet het geval is, dringen de ionen in de poortelektrode, zodat de met ionen gedoteerde lagen 721 en 722 niet zelf-uitgelijnd zijn met de rand van de poortelektrode van de overdrachtstransistor. 10 Deze misuitlijning degradeert het ladingsoverdrachtsrendement. De polysiliciumlaag en de wolfraamsilicidelaag worden gevormd met een dikte van ongeveer 1500 A respectievelijk lager dan 1500 A in het conventionele CMOS-proces, maar in de 15 voorkeursuitvoeringsvorm zijn zij gevormd met een dikte van meer dan 2000 A respectievelijk meer dan 1500 A. Het ; resultaat is dat de dikte van de poortelektrode van de overdrachtstransistor relatief dikker is dan die van de NMOS-transistor die is vervaardigd door de conventionele 20 CMOS-processen.

Bovendien heeft het P°-gebied 722 en de P-epilaag 702 dezelfde potentiaal, zelfs bij een voedingsspanning lager dan 5 V, aangezien de rand van het lichtgedoteerde N'-gebied - 721 is gescheiden van de rand van de veldoxydelaag 707 en 25 de voldoende elektrische verbinding A is bereikt tussen het P°-gebied 722 en de P-epi-laag 702. Dienovereenkomstig zal | het lichtgedoteerde N'-gebied 721 geheel verarmd zijn bij

j 1,2-4,5 V. Indien een voldoende elektrische verbinding A

i tussen het P°-gebied 722 en de P-epi-laag niet wordt 30 bereikt, kan de fotodiode niet als een laagspanningsfotodiode werken en geen volledige verarming bereiken.

Vervolgens wordt verwezen naar fig. 7H. Na het verwijderen van het maskerpatroon 717 wordt een 35 maskerpatroon 723 gevormd op de resulterende structuur, waarbij het P-putgebied wordt blootgegeven teneinde de stuur- en keuzetransistoren met de LDD-structuur te '1011381 17 - verschaffen. Daardoor zullen de stuur- en keuzetransistoren in de P-put dezelfde eigenschappen hebben als de conventionele submicron NMOS-transistoren. Aangezien deze ionenimplantatie voor de LDD-structuur niet wordt 7= 5 uitgevoerd in de P-epi-laag 702, hebben de overdrachts- en terugsteltransistoren geen LDD-structuur, d.w.z. i bijbehorende NMOS-transistoren.

Er wordt verwezen naar fig. 71. Na het verwijderen i van het maskerpatroon 723 wordt een oxydelaag aangebracht 10 op de resulterende structuur door middel van de LPCVD Γ (Eng.: Low Pressure Chemical Vapor Deposition; lage druk chemische damp depositie) werkwijze voor vormen van de bron/afvoergebieden van de vier transistoren binnen de eenheidspixel. Het terugetsproces wordt uitgevoerd op de =

15 oxydelaag, en vervolgens worden oxydeafstandshouderlagen I

726 op de zijwanden van alle transistoren gevormd. Een I

maskerpatroon 727 voor het implanteren van -

verontreinigingsionen in de P-epi-laag 702 en de P-put 705, I

behalve het laagspanningsfotodiodegebied, wordt gevormd op 20 de resulterende structuur, en er wordt een N*- ionenimplantatie uitgevoerd, waardoor een hoog gedoteerd N+-gebied 729 voor bronnen/afvoeren wordt gevormd.

Zoals boven is beschreven, hebben de bijbehorende transistoren Tx en Rx gevormd op de P-epi-laag 702, een I

25 negatieve drempelspanning (verarmingsmodus). De _

eigenschappen van de bijbehorende verarmingsmodustransistor Z

worden effectief gebruikt in de overdrachtstransistor.

Wanneer bijvoorbeeld de ladingscapaciteit van de fotodiode = wordt bereikt, zullen overtollige fotoelektrische ladingen = 30 de fotodiode overstromen en worden verzameld door — aangrenzende pixels. De resulterende overspraak van een =

intense lichtbron in een beeld wordt "blooming" genoemd. Z

Zoals is geïllustreerd in het geval waarin de —

bijbehorende overdrachtstransistor in een verarmingsmodus Z

35 wordt gebruikt, hoewel 0 V wordt aangelegd op de poort van __ de bijbehorende overdrachtstransistor, kan stroom vloeien — als gevolg van het toegenomen potentiaalverschil tussen de 1 η Ί 13 81 18 laagspanningsfotodiode en het drijvende aftastknooppunt, waardoor het "blooming" wordt verwijderd.

Anderzijds ondergaan het zelf-uitgelijnde N'-gebied 721 en het P°-gebied 722 binnen de laagspanningsfotodiode 5 het uitdiffunderingsproces door middel van het hoge temperatuur LPCVD-proces voor het vormen van de oxydeafstandhouderlaag 726. In het geval waarin het P°-gebied 722 diffundeert voorbij het N'-gebied 721 onder de overdrachtstransistorpoort, wordt een potentiaalbarrière 10 welke het ladingsoverdrachtsrendement vermindert, gevormd aan één zijde van de overdrachtstransistor.

Dienovereenkomstig wordt het zijdelingse profiel van de P°-en N'-gebieden 722 en 721 met zorg bestuurd, opdat deze ongewenste potentiaalbarrière niet wordt gevormd wanneer 15 het hoge temperatuur LPCVD-proces wordt uitgevoerd.

Fig. 7J is een dwarsdoorsnedeaanzicht van de eenheidspixel na de algemene nabehandelingsprocessen. Zoals is getoond in fig. 7J worden, na het vormen van een hooggedoteerd N+-gebied 729, tussenlaag isolatielagen PMD, 20 IMD1 en IMD2 en metaallagen Ml en M2 gevormd, en wordt een passivatielaag gevormd voor het beschermen van de inrichting tegen vocht en krassen. Tenslotte wordt een kleurfiltermatrix bestaande uit een rood, groen en blauw kleurenvoorziening of geel, magenta en cyaan i 25 kleurenvoorziening gevormd op de passivatielaag. Er zijn j slechts de isolatielaag, passivatielaag en kleurenfilter in het gevoeligheidsgebied van de laagspanningsfotodiode.

! Verder kunnen andere metaallagen of ondoorlatende lichtafscherming worden gebruikt om niet-fotoaftastende 30 gebieden af te schermen voor invallend licht.

Hoewel de voorkeursuitvoeringsvormen van de uitvinding zijn geopenbaard voor illustratieve doeleinden, zullen de deskundigen begrijpen dat verschillende wijzigingen, toevoegingen en substituties mogelijk zijn 35 zonder het kader en de geest van de uitvinding zoals deze is geopenbaard in de bijgaande conclusies, te verlaten.

1 CM 1 0P 1

Claims

1. Fotodiode, gebruikt in een CMOS beeldaftastinrichting, omvattende een halfgeleiderlaag van een eerste geleidend type; ' een isolatielaag welke de halfgeleiderlaag verdeelt 5 in een veldgebied en een actief gebied; 1 een eerste verontreinigingsgebied van een tweede geleidend type, dat is gevormd binnen de halfgeleiderlaag, waarbij het eerste verontreinigingsgebied gescheiden is van de isolatielaag; en 10 een tweede verontreinigingsgebied van het eerste l: geleidende type, dat is gevormd onder een oppervlak van de r halfgeleiderlaag en op het eerste verontreinigingsgebied, waarbij een breedte van het tweede verontreinigingsgebied groter is dan die van het eerste verontreinigingsgebied, 15 zodat een gedeelte van het tweede verontreinigingsgebied op ~ de halfgeleiderlaag is gevormd, waarbij het tweede verontreinigingsgebied dezelfde Γ potentiaal heeft als de halfgeleiderlaag.

2. Fotodiode volgens conclusie 1, waarbij de fotodiode I verder een halfgeleidersubstraat van het eerste geleidende ~ type omvat, dat onder de halfgeleiderlaag is gevormd, _ waarbij een verontreinigingsconcentratie van het halfgeleidersubstraat hoger is dan die van de 25 halfgeleiderlaag.

3. Fotodiode volgens conclusie 2, waarbij een specifieke ~ weerstand van de halfgeleiderlaag in een gebied van ongeveer 10-25 Qcm en een specifieke weerstand van het — 30 halfgeleidersubstraat ongeveer 0.01 Qcm is. —

4. Fotodiode volgens conclusie 2, waarbij de halfgeleiderlaag een epitaxiale laag is die is gevormd op [J het halfgeleidersubstraat. 1 n 1 13 ft 1

5. Fotodiode volgens conclusie 2, waarbij een dikte van de halfgeleiderlaag in een gebied van ongeveer 2-5 μτη is.

6. Fotodiode volgens conclusie 5, waarbij de epitaxiale laag is gevormd met een verontreinigingsconcentratie van ongeveer 1014 ionen/cm3.

7. Fotodiode volgens conclusie 6, waarbij het tweede 10 verontreinigingsgebied is gevormd met een verontreinigingsconcentratie van ongeveer 1018 ionen/cm3·

8. Fotodiode volgens conclusie 7, waarbij het eerste verontreinigingsgebied is gevormd met een 15 verontreinigingsconcentratie van ongeveer 1017 ionen/cm3.

9. Fotodiode volgens conclusie 8, waarbij de fotodiode een volledige verarmingslaag in de halfgeleiderlaag heeft bij ongeveer 1,2-4,5 V.

10. Fotodiode volgens conclusie 1, waarbij het eerste •j geleidende type een P-type en het tweede geleidende type een N-type is. -3 i j 25

11. Werkwijze voor het vervaardigen van een fotodiode ; voor gebruik in een CMOS beeldaftastinrichting, omvattende de stappen: ' verschaffen van een halfgeleiderlaag van een eerste geleidend type; 30 vormen van een isolatielaag welke de halfgeleiderlaag verdeelt in een veldgebied en een actief gebied; vormen van een eerste verontreinigingsgebied van een tweede geleidend type binnen de halfgeleiderlaag onder gebruikmaking van een eerste ionenimplantatiemasker, 35 waarbij het eerste ionenimplantatiemasker een gedeelte van de halfgeleiderlaag bedekt zodat het eerste Z verontreinigingsgebied is gescheiden van de isolatielaag; 1011381 j f en vormen van een tweede verontreinigingsgebied van het eerste geleidende type onder een oppervlak van de halfgeleiderlaag en op het eerste verontreinigingsgebied ‘ 5 onder gebruikmaking van een tweede ionenimplantatiemasker, i waarbij het tweede ionenimplantatiemasker een gedeelte van : de halfgeleiderlaag opent, zodat een breedte van het tweede verontreinigingsgebied groter is dan die van het eerste I verontreinigingsgebied, en een gedeelte van het tweede 10 verontreinigingsgebied in contact is met de halfgeleiderlaag.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij een " verontreinigingsconcentratie van het eerste 15 verontreinigingsgebied groter is dan die van de - halfgeleiderlaag, en een verontreinigingsconcentratie van 1 het tweede verontreinigingsgebied groter is dan die van het eerste verontreinigingsgebied.

13. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij de halfgeleiderlaag een epitaxiale laag is welke is gevormd op een halfgeleidersubstraat van het eerste geleidende type. - 1011381