NL9100825A - Structuur en werkwijze voor de vervaardiging van een ccd-beeldsensor. - Google Patents

Description

UITTREKSEL

De uitvinding heeft betrekking op een structuur en een werkwijze voor het fabriceren van een CCD-beeldsensor met een structuur, waarbij een p-type epitaxiale laag gevormd wordt op een n-type substraat voor het reduceren van een vervuilingsruis en een n-type gebied voor het besturen van een OFD-spanning, welke aangebracht is tussen een n-type substraat onder een n-type fotodiode en een p-type epitaxiale laag, en een p+-type gebied voor het reduceren van het vervuilingsverschijnsel, dat optreedt tussen een n-type substraat onder een n-type BCCD en een p-type epitaxiale laag.

Volgens deze structuur en werkwijze kan een CCD-beeldsensor eenvoudig en snel en met een gereduceerde vervuilingsruis gefabriceerd worden.

Titel: Structuur en werkwijze voor de vervaardiging van een CCD-beeld-sensor.

De uitvinding heeft betrekking op een verbeterde structuur en een werkwijze voor de vervaardiging van een CCD-beeldsensor voor het reduceren van vervuilingsruis.

In het algemeen heeft een CCD-(lading gekoppelde inrichting)-beeldsensor een structuur, waarbij een p-type potentiaalput gevormd is op een n-type substraat en een n-type fotodiode en een n-type VCCD (verticale lading gekoppelde inrichting) gevormd zijn op de p-type potentiaalput op een aangewezen afstand en waarbij een overdrachts-poort, voor het verbinden van de n-type fotodiode en de n-type VCCD, gevormd is over het oppervlak van het gebied tussen hen en de n-type VCCD.

In de CCD-beeldsensor kan de n-type VCCD vervangen worden door een BCCD (begraven lading gekoppelde inrichting) of SCCD (oppervlak lading gekoppelde inrichting). Tegenwoordig vindt echter de SCCD nagenoeg geen toepassing meer. In een CCD-beeldsensor van de hiervoor genoemde conventionele structuur, wordt, voor het reduceren van het op het scherm optredende overstralingsverschijnsel, een anti-overstra-lingsinstelspanning, voor het besturen van een OFD-(overloop afvoer) spanning, gebruikelijk toegevoerd aan het gebied onder de n-type fotodiode.

Aldus wordt een bepaalde potentiaal barrière gevormd om te voorkomen dat een signaal opgeslagen wordt in potentiaalput overloop.

Een werkwijze voor het besturen van een OFD-spanning is de HOFD-(horizontale overloop afvoer) werkwijze en de VOED-(verticale overloop afvoer) werkwijze.

Aangezien de HOFD-werkwijze een klokmethode is, dient de met elke fotodiode corresponderende VCCD echter in een lijn aangebracht te worden. Overeenkomstig wordt het open oppervlak van een fotodiode relatief gereduceerd en de vulfactor wordt verkleind en daardoor wordt de gevoeligheid van de CCD-beeldsensor verlaagd.

Tegenwoordig wordt de VOFD-methode gebruikt als methode voor het besturen van een OFD-spanning. In de VOFD-methode is een ondiepe p-type potentiaalput van een passende diepte gevormd onder het fotodio-degebied en een diepe p-type potentiaalput van een passende diepte gevormd onder het resterende gebied door het tweemaal implanteren van ionen zodat de juiste anti-overstraling instelspanning geleverd dient te worden.

Een structuur van een CCD-beeldsensor volgens de VOFD-methode is weergegeven in fig. 1(a). Een n-type epitaxiale laag (2) is gevormd op een n-type substraat (1) en een ondiepe p-type potentiaalput (3) en een diepe p-type potentiaalput (4) zijn gevormd op de n-type epitaxiale laag (2) door het tweemaal implanteren van ionen. Een n-type foto-diode (5) en een n-type BCCD (6) zijn respectievelijk gevormd in het gebied boven de ondiepe p-type potentiaalput (3) en de diepe p-type potentiaalput (4). Daarna zijn een overdrachtspolypoort (7), voor het verbinden van de n-type fotodiode (5) en de n-type BCCD, en een poly-poort electrode (7a), voor het leveren van een kloksignaal aan de n-type BCCD (6), gevormd over het oppervlak van het gebied tussen hen en de n-type BCCD (6).

Wanneer, zoals weergegeven in fig. 1(a), licht invalt op de n-type fotodiode (5) en een signaallading gegenereerd wordt onder de n-type fotodiode, dan wordt een signaallading verschoven naar de n-type BCCD (6) door een hoog niveau signaal, dat toegevoerd wordt aan de overdrachtspolypoort (7) en opgeslagen onder de n-type BCCD (6). Tegenwoordig wordt een signaallading verschoven naar de BCCD door middel van het conventioneel klokken van de CCD.

Fig. 1(b) toont een electrische potentiaaldistributie langs de lijn a-a' van fig. 1(a).

Tegelijkertijd echter beweegt zich een onder de n-type fotodiode (5) gegenereerde signaallading zich voort tussen de diepe p-type potentiaalput (4) en de n-type BCCD (6) of wordt ontladen naar het n-type substraat (1) en deze lading veroorzaakt het vervuilingsver-schijnsel.

Wanneer bovendien een sluiterspanning, die in de orde van 30 tot 40 V ligt, geleverd wordt aan het n-type substraat (1), dan wordt deze vervuilingslading ontladen naar het n-type substraat (1) en het ver-vuilingsverschijnsel kan verder verhoogd worden.

Ter voorkoming van het vervuilingsverschijnsel is het bekend om een p+-type BPL (blokkerende p-type laag) te vormen in een aangewezen gebied tussen de n-type BCCD (6) en de diepe p-type potentiaalput (4) door het implanteren van p-ionen met hoge energie.

Het proces van de vervaardiging van een CCD-beeldsensor, gebruikmakend van een p+-type BPL volgens de stand van de techniek, zal beschreven worden met verwijzing naar de bijbehorende figuren 2(a) tot 2(f).

In fig. 2(a) wordt allereerst een n-type epitaxiale laag (2) gevormd op een n-type substraat (1) en in fig. 2(b) worden p-type ionen tweemal geïmplanteerd in een n-type epitaxiale laag (2) voor het besturen van een OFD-spanning en in fig. 2(c) worden een ondiepe p-type potentiaalput (3) en een diepe p-type potentiaalput (4) van een bepaalde diepte gevormd door middel van warmtebehandeling, die gebruikt wordt voor het diffunderen van de geïmplanteerde p-type ionen.

In fig. 2(d) is vervolgens een p+-type BPL (8) gevormd in een aangewezen gebied van de diepe n-type potentiaalput (4) door het implanteren van p-type ionen door middel van een ionenimplantatie-in-richting van hoge energie (ongeveer 600KeV). De p+-type BPL (8) voorkomt daarna het vervuilingsverschijnsel, waarbij een in de BCCD opgeslagen signaallading ontladen wordt naar het substraat door middel van een sluiterspanning van het substraat en waarbij een in de fotodiode gegenereerde signaallading niet getransporteerd wordt naar de BCCD, maar ontladen wordt naar het substraat.

In fig. 2(e) is een n-type fotodiode (5) gevormd in een aangewezen gebied van het bovengebied van de ondiepe p-type potentiaalput (3) door middel van het implanteren van n-type ionen en een n-type BCCD (6) is door middel van het implanteren van n-type ionen gevormd in de diepe p-type potentiaalput (4).

Op dit ogenblik wordt een conventionele p+-type dunne film (9) gevormd in het oppervlak van de n-type fotodiode (5).

In fig. 2(f) worden vervolgens een overdrachtspolypoort (7) voor het verbinden van de n-type fotodiode (5) en de n-type BCCD (6), en een polypoort electrode (7a), voor het leveren van een kloksignaal aan de n-type BCCD (6), gevormd over het oppervlak van het gebied tussen hen en de n-type BCCD (6). In dit proces wordt polysilicium toegepast voor de overdrachtspoort. Metaal, zoals bijvoorbeeld Al, kan in plaats van polysilicium gébruikt worden, maar metaal vindt nagenoeg geen toepassing meer vanwege zijn slechte overdrachtskarakteristiek.

Fig. 3 (a) toont een referentiediagram voor het toelichten van de werking van een door middel van het bovengenoemde proces vervaardigde CCD-beeldsensor en de werking van een CCD-beeldsensor zal beschreven worden met verwijzing naar fig. 3(a).

Wanneer licht invalt op de n-type fotodiode (5), wordt nu een signaallading gegenereerd in het 1 ichtsignaallading-uitgangsgebied (0), dat zich bevindt tussen de n-type fotodiode (5) en de ondiepe p-type potentiaalput (3). Wanneer een stuursignaal van hoog niveau geleverd wordt aan de overdrachtspolypoort (7), dan wordt deze signaalla- ding via het signaallading-overdrachtskanaalgebied (P), dat zich bevindt tussen de n-type fotodiode (5) en de n-type BCCD (6), opgesla-gen in het aan de n-type BCCD (6) grenzende signaallading-opslaggebied (Q) ·

Vervolgens wordt een in het signaallading-opslaggebied (Q) opgeslagen signaallading verschoven naar een HCCD (horizontale lading gekoppelde inrichting) (niet-weergegeven) door middel van de conventionele klokwerking.

Wanneer nu. een in het 1 ichtsignaallading-uitgangsgebied (0) gegenereerde signaallading het signaallading-overdrachtskanaalgébied (P) niet passeert, maar ontladen wordt naar het vervuilingssignaal-uit-gangsgebied (R), dat zich bevindt tussen de diepe p-type potentiaalput (4) en de p+-type BPL (8), dan wordt het vervuilingsverschijnsel gegenereerd op het scherm van een CCD-beeldsensor.

Fig. 3(b) toont een electrische potentiaaldistributie langs de lijn b-b' van fig. 3 (a). In deze figuur is te zien, dat het moeilijk is om een signaallading te ontladen naar het vervuilingssignaal-uit-gangsgébied (R) door de aanwezigheid van de hoge potentiaalbarrière van de p+-type BPL (8) en daardoor wordt het vervuilingsverschijnsel gereduceerd.

Een signaallading, die zich voortbeweegt in de n-type BCCD (6) in plaats van een vervuilingssignaal, dat ontladen wordt naar het n-type substraat (1) wordt verder besproken.

In de structuur van een bekende CCD-beeldsensor, is een ondiepe p-type potentiaalput en een diepe p-type potentiaalput gevormd in de vorm van een plat vlak door middel van het tweemaal implanteren van ionen voor het leveren van een anti-overstral ingsinstelspanning, maar de eerste kan gevormd worden in de vorm van een hart.

Door het vormen van de p-type potentiaalput in de algemene platte vlakvorm en het besturen van de doteringsconcentratie van het gebied onder de fotodiode en de BCCD bij het implateren van ionen, werd een structuur en een werkwijze voor de fabricage van een CCD-beeldsensor, waarin het vervuilingsverschijnsel voorkomen wordt en een OFD-spanning bestuurd wordt, onderzocht. Maar zij vinden tegenwoordig geen toepassing meer vanwege de moeilijkheid van het ion-implantatieproces.

Een structuur en werkwijze voor de fabricage van een in fig. 2 weergegeven CCD-beeldsensor heeft de volgende nadelen.

Vanwege de ion-implantatie apparatuur voor het vormen van de p+-type is de werkwijze allereerst zeer kostbaar en het gébruik ervan beperkt.

Doordat p-type ionen geïmplanteerd worden onder hoge energie van ongeveer 600 KéV, worden onvolkomenheden in het substraat veroorzaakt bij het implanteren van ionen. Het vervuilingsverschijnsel als gevolg van door onvolkomenheden in een bekende CCD-beeldsensor gegenereerde ruis kan gereduceerd worden, maar dit vraagt een hoog niveau procestechnologie voor het vormen van de p+-type BPL.

Het is een doel van de uitvinding een werkwijze voor het verkorten en vergemakkelijken van het proces voor de fabricage van een CCD-beeldsensor te verschaffen.

Het is ander doel van de uitvinding een verbeterde structuur van een CCD-beeldsensor te verschaffen voor het besturen van een OFD-span-ning en het reduceren van het vervuilingsverschijnsel.

Volgens een voorkeursuitvoering van de uitvinding wordt een werkwijze voor de fabricage van een CCD-beeldsensor verschaft, bevattende een stap van het vormen van een n-type gebied voor het besturen van een OFD-spanning en een p-type gebied voor het reduceren van het vervuilingsverschij nsel met een bepaalde tussenruimte op een épitaxiale, door het implanteren van n-type ionen en p-type ionen van een hoge doteringsconcentratie en door warmtebehandeling, een stap van het aangroeien van een p-type epitaxiale laag van een bepaalde dikte over het hele oppervlak, een stap van het vormen van een n-type fotodiode en een n-type BCCD met een bepaalde tussenruimte door het implanteren van n-type ionen in potentiaalputten, die zich bevinden boven het n-type gebied voor het besturen van een OFD-spanning en een p+-type gebied voor het reduceren van de vervuilingsverschijnsellaag, een stap van het vormen van een overdrachtspolypoort om een n-type fotodiode en een n-type BCCD te verbinden, en een polypoort electrode voor het leveren van een kloksignaal aan de n-type BCCD boven het oppervlak van het gebied tussen hen en de n-type BCCD.

Bovendien wordt een verbeterde structuur van een CCD-beeldsensor verschaft, die een n-type fotodiode en een n-type BCCD bevat, ingesloten door een p-type epitaxiale laag en een overdrachtspolypoort om hen te verbinden, gekenmerkt door een n-type gebied voor het besturen van een OFD-spanning, die zich bevindt tussen een n-type substraat onder de n-type fotodiode en een p-type epitaxiale laag, en een p+-type gebied voor het reduceren van het vervuilingsverschijnsel, dat zich voordoet tussen een het n-type substraat onder de n-type BCCD en de p-type epitaxiale laag, waarbij de gebieden een bepaalde diepte en breedte hébben en met een bepaalde tussenruimte in de horizontale richting gevormd zijn.

Bovenstaande en andere doelen en kenmerken van de uitvinding zullen duidelijk worden uit de volgende beschrijving van de in de bijbehorende tekeningen weergegeven uitvoeringsvormen.

Fig. 1(a) is een dwarsdoorsnedeaanzicht van een structuur van een CCD-beeldsensor, waarin de reductie van het vervuilingsver-schijnsel niet beschouwd wordt; fig. 1(b) is een electrische potentiaaldistributie langs de lijn a-a7 van fig. 1(a); fig. 2(a) tot fig. 2(f) zijn dwarsdoorsnedeaanzichten voor het toelichten van een bekende werkwijze voor de fabricage van een CCD-beeldsensor, waarin reductie van het vervuil ingsverschij nsel beschouwd wordt; fig. 3(a) is een referentiediagram voor het toelichten van de werking van een bekende CCD-beeldsensor; fig. 3(b) is een electrische potentiaaldistributie langs de lijn b-b7 van fig. 3 (a) ; fig. 4(a) tot 4(e) zijn dwarsdoorsnedeaanzichten voor het toelichten van een werkwijze voor de fabricage van een CCD-beeldsensor volgens de uitvinding, waarin reductie van het vervuil ingsverschij n-sel beschouwd wordt; fig. 5(a) is een referentiediagram voor het toelichten van de werking van een CCD-beeldsensor volgens de uitvinding; en fig. 5(b) is een electrische potentiaaldistributie langs de lijn c-c7 van fig. 5 (a).

De werkwijze voor de fabricage van een CCD-beeldsensor volgens de uitvinding zal in detail beschreven worden met verwijzing naar fig. 4(a) tot fig. 4(e).

Allereerst worden in fig. 4(a) n-type ionen geïmplanteerd in een aangewezen gebied van een n-type substraat (11) als startmateriaal en in fig. 4(b) worden p-type ionen geïmplanteerd in een gebied, dat zich op een bepaalde afstand van het n-type ion-geïmplanteende gebied bevindt.

In fig. 4(c) wordt weergegeven dat door middel van het diffunderen van de geïmplanteerde n-type en p-type ionen door middel van warmtebehandeling, een n-type gebied (12), voor het besturen van een OFD-spanning en een p+-type gebied (13), voor het reduceren van het vervuil ingsverschi j nsel, gevormd worden met een bepaalde tussenruimte en daarna wordt een p-type epitaxiale laag (14) over het hele oppervlak gevormd.

Een bepaalde afstand tussen het n-type gebied (12) voor het besturen van een OFD-spanning en het p+-type gebied (13) voor het reduceren van het vervuil ingsverschij nsel heeft de functie van een door-laatweg voor het ontladen van een vervuilingssignaal naar het n-type substraat (11) en de epitaxiale laag (14) heeft dezelfde functie als de p-type potentiaalputten (3 en 4) in een in fig. 2 weergegeven bekende CCD-beeldsensor.

In fig. 4(d) worden een n-type fotodiode (15) en een n-type BCCD (16) gevormd op het oppervlak van de p-type epitaxiale laag (14) boven respectievelijk het n-type gebied (12) voor het besturen van de OFD-spanning en het p+-type gebied (13) voor het reduceren van het vervui-lingsverschijnsel.

De in fig. 4(e) weergegeven p+-type dunne film (18) wordt gewoon gevormd in het oppervlak van de n-type fotodiode (15).

In fig. 4(e) worden daarna een overdrachtspolypoort (17) voor het verbinden van de n-type fotodiode (15) en de n-type BCCD (16), en een polypoort electrode (17a), voor het leveren van een kloksignaal aan de n-type BCCD (16), gevormd over het oppervlak van het gebied tussen hen en de n-type BCCD (16). In dit proces wordt polysilicium gébruikt voor de overdrachtspolypoort (17), naar metaal, zoals bijvoorbeeld Al kan ook gébruikt worden.

Fig. 5(a) is een referentiediagram voor het toelichten van de werking van een door middel van het hiervoor beschreven proces vervaardigde CCD-beeldsensor en de werking van de CCD-beeldsensor zal beschreven worden met verwijzing naar fig. 5(a).

Wanneer licht valt op het oppervlak van de n-type fotodiode (15), dan wordt een signaallading gegenereerd in het lichtsignaalla-ding-uitgangsgébied (0) onder de n-type fotodiode (15). Wanneer een hoog-niveausignaal geleverd wordt aan de overdrachtspolypoort (17), aldus ingeschakeld, wordt een signaallading verschoven naar en opgeslagen in het signaallading-opslaggébied (Q) onder de n-type BCCD (16) via het signaallading-overdrachtskanaalgebied (P) van de p-type epitaxiale laag (14).

Daarna wordt het in het signaallading-opslaggébied (Q) onder de n-type BCCD (16) opgeslagen signaal verschoven naar een HCCD (niet-weergegeven) door middel van klokwerking van de CCD.

Op dit moment wordt een gedeelte van de in het lichtsignaalla- 8 ding-uitgangsgebied (O) gegenereerde signaallading niet verschoven naar het signaallading-opslaggébied (Q) via het signaallading-over-drachtskanaalgebied (P) en deze signaallading veroorzaakt een vervuilingsverschijnsel.

Een naar het gebied onder de n-type BCCD (16) gedreven vervui-lingslading, in plaats van dat de vervuilingslading ontladen wordt naar het n-type substraat (11), beïnvloedt verder de kwaliteit van het beeld op het scherm, omdat, wanneer een groot aantal CCD-beeldsensoren toegepast worden op een vaste toestand beeldopneeminrichting, een in de fotodiode gegenereerde vervuilingslading zich voortbeweegt en deze lading zou in andere fotodioden gegenereerde signaalladingen kunnen beïnvloeden.

In de structuur van een CCD-type beeldsensor volgens de uitvinding' met de vorm van het p+-type gebied (13), voor het reduceren van het vervuilingsverschijnsel onder de n-type BCCD (16), zoals weergegeven in fig. 5 (a), wordt een hogere potentiaalbarrière gevormd in dit gebied.

Overeenkomstig blijft de vervuilingslading niet bestaan in dit gebied, maar wordt ontladen naar het n-type substraat (11) via het vervuilingslading-uitgangsgebied (R), waar geen potentiaalbarrière gevormd is.

Fig. 5(b) toont een electrische potentiaaldistributie langs de lijn c-c' van fig. 5 (a).

Omdat in fig. 5(b) de hogere potentiaalbarrière en het bredere neutrale gebied gevormd zijn in het p+-type gebied (13) voor het reduceren van het vervuilingsverschijnsel, blijft een vervuilingslading niet bestaan in dit gebied en wordt ontladen naar het n-type substraat (11) via het vervuilingssignaal-uitgangsgébied (R). Het vervuilings-signaal-uitgangsgebied (R) is gevormd in het gebied tussen het n-type gebied (12), voor het besturen van de OFD-spanning, en het p+-type gebied (13) voor het reduceren van het vervuilingsverschijnsel, welk gebied een lagere potentiaalbarrière heeft.

De voordelen van de hierboven beschreven uitvinding zijn als volgt. Aangezien een kostbare ion-implantatieinrichting en hoge energie voor het implanteren van ionen niet noodzakelijk zijn, heeft de uitvinding allereerst economische voordelen en worden onvolkomenheden in het substraat voorkomen.

Ten tweede vindt het proces snel plaats, aangezien een hoge nauwkeurigheid in het proces niet noodzakelijk is.

Ten derde kan het vervuil ingsverschij nsel verder voorkomen worden.

Hoewel de uitvinding in het bijzonder weergegeven en beschreven is met verwijzing naar voorkeursuitvoeringsvormen daarvan, zal het duidelijk zijn dat verschillende modificaties en wijzigingen aangebracht kunnen worden met gebruikmaking van de principes van de uitvinding zonder buiten de in de bijbehorende conclusies aangegeven gedachte en omvang daarvan te treden.

Claims (2)

1. Structuur van een CCD-beeldsensor, die een n-type fotodiode en een n-type BCCD, omsloten door een p-type epitaxiale laag bevat en een overdrachtspolypoort voor het roet elkaar verbinden van hen en een po-lypoortelectrode voor het leveren van een kloksignaal aan de n-type BCCD, gekenmerkt door een n-type gebied voor het besturen van een OFD-spanning, die aangebracht is tussen een n-type substraat onder de n-type fotodiode en de p-type epitaxiale laag, en een p+-type gebied voor het reduceren van het vervuilingsverschijnsel, dat optreedt tussen het n-type substraat onder de n-type BCCD en de p-type epitaxiale laag, waarbij de gebieden een aangewezen diepte en breedte hebben en gevormd zijn met een aangewezen tussenruimte in de horizontale richting.

2. Werkwijze voor de fabricage van een CCD-beeldsensor, volgens conclusie 1, gekenmerkt door: een stap voor het inplanteren van n-type ionen in een aangewezen gebied van een n-type substraat en het implanteren van p-ionen in een gebied, dat op een aangewezen afstand van het met n-type ionen geirplanteerde gebied ligt, een stap voor het vormen van een n-type gebied voor het besturen van een OFD-spanning en een p+-type gebied voor het reduceren van het vervuilingsverschijnsel door het diffunderen van de geïmplanteerde ionen door middel van warmtebehandeling, een stap voor het aangroeien van een p-type epitaxiale laag van een aangewezen dikte over het gehele oppervlak, een stap voor het vormen van een n-type fotodiode en een n-type BCCD op de p-type epitaxiale laag boven het n-type gebied voor het besturen van de OFD-spanning en een p+-type gebied voor het reduceren van het vervuilingsverschijnsel door middel van het implanteren van n-type ionen, een stap voor het vormen van een overdrachtspolypoort voor het verbinden van de n-type fotodiode en de n-type BCCD en een polypoortelectrode voor het leveren van een kloksignaal aan de n-type BCCD over het oppervlak van het gebied tussen hen en de n-type BCCD.