DE69637103T2 - Mit einer pinned-fotodiode integrierter aktiver pixelsensor - Google Patents

Mit einer pinned-fotodiode integrierter aktiver pixelsensor Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft Bildabtastvorrichtungen und insbesondere die Integration von CCD-Technik in CMOS-Technik.
  • Aktive Pixelsensoren sind elektronische Bildsensoren in aktiven Vorrichtungen, wie zum Beispiel Transistoren, die jedem einzelnen Pixel zugeordnet sind. Ein aktiver Pixelsensor hat den Vorteil, dass er die Möglichkeit bietet, Signalverarbeitungs- und Entscheidungsfindungsschaltungen problemlos auf ein und demselben Chip zu integrieren. Bei herkömmlichen aktiven Pixelsensoren bestehen die aktiven Bildabtastelemente typischerweise aus Polysilizium-Fotokodensatoren oder -Fotodioden. Nachteile dieser herkömmlichen aktiven Pixelsensoren sind schlechte Blauempfindlichkeit, hoher Dunkelstrom und Bildverzögerung.
  • Pinned-Fotodioden sind in CCDs bereits verwendet worden und haben sich hinsichtlich Farbempfindlichkeit für Blaulicht, Dunkelstromdichte und Bildverzögerung als vorteilhaft erwiesen. Aus diesem Grunde werden pinned-Fotodioden normalerweise Hochleistungsbildsensoren zugeordnet. Bisher sind pinned-Fotodioden typischerweise als Fotoelemente für CCDs verwendet worden. Ein Beispiel einer solchen Verwendung einer pinned-Fotodiode wird in THE PINNED PHOTODIODE FOR AN INTERLINE-TRANSFER CCD IMAGE SENSOR, Burkey u.a., IEDM 84, 1984, Seite 28-31 beschrieben. Die CCD-Technik hat jedoch den Nachteil, dass Menge und Art der Schaltelemente, die auf einer Vorrichtung angeordnet werden können, Einschränkungen unterliegen.
  • US-A-5 262 871 offenbart einen Bildsensor, der eine Anordnung von Fotoelementen umfasst, die eine Vorrichtung zur Einzeladressierung individueller Pixel und eine Vorrichtung zum wahlweisen Verändern der Anzahl von Pixeln, die aus einem beliebi gen Lesezyklus ausgelesen werden können, beinhalten. Die Einzeladressierung von Pixeln ermöglicht das Auslesen von Pixeln, die in ausgewählten interessierenden Bereichen angeordnet sind. Die Begrenzung des Auslesens der Bilder auf interessierende Bereiche ermöglicht eine Erhöhung der Bildfrequenz der Bilder. Verhältnismäßig große Pixelgruppen können rechtzeitig ausgelesen und die resultierenden Signale zu Superpixelsignalen gemischt werden, um eine schnelle Datenerfassung zu erzielen, wobei allerdings eine entsprechend geringere Auflösung in Kauf genommen werden muss, weil jedes Einzelbild weniger Datenabtastungen enthält. Dieses Merkmal ist nützlich, wenn eine betrachtete Szene rasch abgetastet und analysiert werden soll, um einen interessierenden Bereich zu lokalisieren. Nach erfolgter Lokalisierung eines interessierenden Bereichs kann die Anzahl der pro Zyklus ausgelesenen Pixel reduziert werden, um den interessierenden Bereich mit höherer Auflösung und geringerer Geschwindigkeit auszulesen.
  • US-A-5 369 039 offenbart eine neue Hochleistungs-CCD-Bildsensortechnik, die zur Herstellung einer vielseitigen Bildsensorfamilie verwendet werden kann, bei der die Sensoren sich durch hohe Auflösung und hohe Pixeldichte auszeichnen. Die beschriebenen Sensorarchitekturen basieren auf einem neuen Ladungssuperabtastkonzept, das entwickelt wurde, um so bekannte Probleme wie Überstrahlung und Bildunschärfe zu überwinden. Diese Ladungssuperpixelabtastung findet in den sehr engen senkrechten Kanälen zwischen den lichtempfindlichen Elementen in ähnlicher Weise wie bei den Interline Transfer CCD-Vorrichtungen statt. Der Unterschied besteht darin, dass die Ladung niemals längere Zeit in diesen Bereichen gespeichert und mit einer neuen Wandlerwellenabtasttechnik mit einem Widerstandsgate ausgetastet wird. Das Ladungssuperabtastverfahren ermöglicht auch die schnelle Ladungsübertragung mehrerer Datenzeilen aus den lichtempfindlichen Elementen an beliebiger Stelle in der Anordnung in den Zwischenspeicher mit nur einer waagerechten Austastlücke.
  • Aus der vorangehenden Erörterung dürfte hervorgehen, dass in der Halbleitertechnik nach wie vor ein Bedarf für die Verwendung einer pinned-Fotodiode in einer Halbleitertechnik besteht, die hochentwickelte Schaltkreiselemente bereitstellen kann.
  • Die Erfindung überwindet die Unzulänglichkeiten des Stands der Technik durch Optimierung von zwei Techniken (CMOS und CCD) derart, dass eine pinned-Fotodiode entsprechend dem Verfahren gemäß Anspruch 1 und der Vorrichtung gemäß Anspruch 6 in das Bildabtastelement eines aktiven Pixelsensors integriert wird. Pinned-Fotodioden werden in der Regel mit CCD-Technik hergestellt. Durch Integrieren der entsprechenden Prozessschritte aus der CCD-Technik kann eine pinned-Fotodiode in die aktive Pixelarchitektur integriert werden. Zur Verbesserung der Einschränkungen des aktiven Pixelsensors hinsichtlich Blauempfindlichkeit und Dunkelstrom wurde ein neuer CMOS-Bilderzeuger unter Einsatz einer gemischten Prozesstechnik mit einer pinned-Fotodiode integriert. Diese Technik kombiniert CMOS- und CCD-Prozesse, um die besten Merkmale beider Techniken bereitzustellen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung der auf dem erfindungsgemäßen aktiven Pixelsensor basierenden pinned-Fotodiode.
  • 2 einen schematischen Querschnitt der zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sensors verwendeten Vorrichtungen.
  • 3a bis einschl. 3g die bei der Herstellung der in 2 dargestellten Vorrichtung angewandten verschiedenen Prozessschritte.
  • Es hat sich gezeigt, dass durch Anwendung technischer Merkmale eines CCD auf CMOS-Halbleiter unter Einsatz beider Techniken ein aktiver Pixelsensor mit einer pinned-Fotodiode hergestellt werden kann.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung der auf dem erfindungsgemäßen aktiven Pixelsensor basierenden pinned-Fotodiode in einem CMOS-basierten Signalverarbeitungssystem. Zur Verbesserung der Blauempfindlichkeit, Reduzierung der Verzögerung und Minimierung der Dunkelstrommerkmale des aktiven Pixelsensors wurde unter Einsatz einer Mischprozesstechnik ein neuer CMOS-Bilderzeuger mit einer pinned-Fotodiode 12 integriert. Durch Kombination einer CMOS-Technik mit n-Einlagerung mit den CCD-Prozessen einer pinned-Fotodiode wird auf diese Weise ein Sensor geschaffen, der die besten Merkmale beider Techniken in sich vereint. Dies ermöglicht die Konstruktion und Herstellung eines n × m aktiven Pixelsensors mit einer pinned-Fotodiode, wobei n und m die Anzahl von Pixeln an den Kanten des Sensors angeben. Die vorliegende Erfindung erzielt Vorteile durch Integrieren der Bildsensor-CCD-Technik in einen aktiven CMOS-Sensor.
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt der bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Sensors verwendeten Vorrichtungen. Dies ist das Ergebnis der Integration einer typischerweise in Komplementär-Metalloxid-Halbleiter(CMOS)-Technik hergestellten Architektur eines aktiven Pixelsensors (APS) mit einer pinned-Fotodiodenvorrichtung (PPD) 12 unter Einsatz einer Mischprozesstechnik. Diese neue Technik macht es möglich, CMOS-und Hochleistungs-CCD-Module zu mischen. Die PDD 12 wird zum fotoaktiven Element in einer Anordnung mit einem XY-adressierbaren Bereich, wobei jedes Pixel aktive Vorrichtungen für die Funktionen Übertragung 14, Auslesen über schwimmende Diffusion 16 und Rücksetzung 18 enthält. Eine CMOS-Technik mit n-Einlagerung wurde mit dem CCD-Prozess kombiniert, um die besten Merkmale aus beiden Techniken bereitzustellen. Durch Austausch des Polysilizium-Fotokondensators oder -Fotogates herkömmlicher aktiver Pixelsensoren gegen die pinned-Fotodiode 12 werden als schlechte Blauempfindlichkeit, Bildverzögerung und hoher Dunkelstrom auftretende Mängel minimiert.
  • Ein im Akkumulationsmodus vorgespannter Fotokondensator mit vergrabenem Kanal (nicht dargestellt) unterläge nicht den Einschränkungen der CMOS-Technik hinsichtlich Dunkelstrom. Ein Fotokondensator mit vergrabenem Kanal weist Dunkelstromeigen schaften auf, die denen der PPD im Wesentlichen gleichwertig sind. Durch Verwendung transparenten Gatematerials kann das Problem der Blauempfindlichkeit ebenfalls gelöst werden. Ein solches Material wäre beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO). Durch die Verwendung sowohl eines Fotokondensators mit vergrabenem Kanal als auch einer transparenten Gateelektrode werden daher für Blaulichtempfindlichkeit und Dunkelstrom bessere, den mit der PPD erzielten ähnliche Eigenschaften erzielt. Sowohl der Fotokondensator mit vergrabenem Kanal in Verbindung mit einem transparenten Gate als auch die PPD sind Vorrichtungen, die typischerweise der CCD-Technik zugeordnet werden. Die vorliegende Erfindung integriert diese Vorrichtungen aus der CCD-Technik mit CMOS-Verarbeitungsfähigkeiten. Der Aufbau eines aktiven Pixelsensors unter Verwendung eines Fotokondensators mit vergrabenem Kanal würde ähnlich aussehen wie die in 2 dargestellte PPD, wobei die Struktur des Fotokondensators weitgehend dem Übertragungsgate der PPD-Ausführung entsprechen würde. Das Übertragungsgate der Fotokondensatorausführung würde dann den vergrabenen Kanal des für die PPD-Ausführung verwendeten Übertragungsgates nicht aufweisen.
  • Das Mischen der beiden Techniken durch Prozessintegration ergibt eine Leistung, die mit der von jedem der herkömmlichen Prozesse für sich allein erzielten Leistung vergleichbar ist. Dies wurde an linearen Bildsensoren und CMOS-Testschaltkreisen nachgewiesen.
  • Für die Mischprozesstechnik ist der Prozessablauf schematisch in 3a bis einschließlich 3g dargestellt.
  • 3a veranschaulicht die erfindungsgemäße Bemusterung und Innenimplantation zum Ausbilden der n-Einlagerung 40 für die Aufnahme der PMOS-Transistoren, die einen Teil der erfindungsgemäßen Steuerschaltkreise bilden.
  • 3b und 3c zeigen die Bemusterung und das Wachstum des für auf der Siliziumschicht 2 mit oder ohne Epitaxialschichten und mit oder ohne Einlagerungsstrukturen auszubildende Isolationsvorrichtungen verwendeten Isolationsoxids/Feldoxids.
  • 3d veranschaulicht die Bemusterung und Innenimplantation eines vergrabenen n-Kanals 15, der im Rahmen der Erfindung zum Ausbilden des Übertragungsgates 14 des Pixels verwendet wird. Nach Implantierung des vergrabenen Kanals 15 wird die Fotolackschicht 52 entfernt und auf dem Substrat eine Polysiliziumschicht 26 ausgebildet. Die Polysiliziumschicht 26 dient zur Ausbildung lokaler Verbindungen und der Gates von Transistoren. Die Gates von PMOS- ebenso wie von NMOS-Transistoren werden von dieser Polysiliziumschicht 26 gebildet.
  • 3e zeigt die Bemusterung der Polysiliziumschicht 26 mit Fotolack 54 und die Implantierung von N+-Dotierungsmaterial zur Ausbildung von Source- und Drainbereichen. Dies ergibt Source- und Drainbereiche, die sich mit der verbleibenden Polysiliziumschicht 26 selbsttätig ausrichten. Auf diese Weise werden die NMOS-Transistoren in der bevorzugten Ausführungsform ausgebildet.
  • 3f zeigt den Aufbau der pinned-Fotodiode (PPD) durch Bemustern mit Fotolackbereichen 56 für zwei zusätzlich Implantierungen. Mit der ersten Implantierung soll durch Implantieren einer N+-Verunreinigung, die tiefer ist als die vorher für die oben erwähnten Source- und Drainimplantierungen verwendete Verunreinigung, eine Fotodiode erzeugt werden. Die tiefere Implantierung ergibt wesentliche Erhöhungen der Fotoempfindlichkeit durch eine Verlängerung des Auffangwegs für die einfallenden Fototräger bei der tieferen Implantierung. Anschließend wird mit hohen Dosen eines energiearmen P+-Dotierungsmaterials, das in der Nähe der Oberfläche der Fotodiode 32 verbleibt, eine Pinning-Schicht 22 implantiert.
  • 3g zeigt die Bemusterung mit Fotolack 58 und die darauf folgende Ionenimplantation der Source-/Drainbereiche der PMOS-Transistoren. Wie bei den NMOS-Transistoren, richten sich die Source-/Drainimplantierungen für die PMOS-Transistoren selbsttätig mit dem ausgewählten Polysilizium aus. Für den Aufbau der PMOS-Transistoren werden P+-Implantierungen verwendet.
  • Abschließend wird die Vorrichtung den entsprechenden Planarisierungs- und Metallisierungsschritten unterzogen.
  • Die erfindungsgemäße Bilderzeugerarchitektur kann auf Signalverarbeitungsschaltungen bekannter Vorrichtungen angewandt werden, um deren Gesamtleistung zu verbessern. Ein Beispiel dafür ist die Integration des Erfindungsgegenstands in eine frühere Ausführung durch Jet Propulsion Laboratory. Diese frühere Ausführung wird in IEEE Transactions an Electron Devices, Vol. 41, No. 3, März 1994 (nachstehend als JPL bezeichnet) beschrieben. Dort wird zwar ein in einen aktiven Pixelsensor integriertes Fotogate beschrieben, die von JPL beschriebene Vorrichtung stellte jedoch keinen Sensor mit einer zufriedenstellenden Farbempfindlichkeit für Blaulicht bereit. Außerdem war das Dunkelstromrauschen bei der JPL-Vorrichtung nicht gering genug. Die vorliegende Erfindung überwindet diese Unzulänglichkeiten durch Integration der bisher in der CMOS-Technik nicht angewandten pinned-Fotodioden-Technik. Dies ergibt einen Bildsensor mit hervorragender Blaulichtempfindlichkeit und verbesserten Dunkelstromrauscheigenschaften.
  • Die bevorzugte Ausführungsform offenbart die beste dem Erfinder bekannte Lösung. Verschiedene Modifikationen sind jedoch für den Fachmann naheliegend. Diese naheliegenden Modifikationen sollten nur im Hinblick auf die folgenden Ansprüche betrachtet und begrenzt werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Integrieren einer pinned-Fotodiode (12) in einen aktiven Pixelsensor mit den Schritten: Bereitstellen eines Substrats (2), das aus einem Halbleitermaterial eines ersten Typs von Leitfähigkeit mit einer Reihe von Maskierungsschichten besteht, die auf einer Hauptfläche des Substrats mindestens eine leitfähige Schicht umfassen; Ausbilden mindestens einer Einlagerung mit einem zweiten Typ von Leitfähigkeit, der dem ersten Typ von Leitfähigkeit entgegengesetzt ist in einem Bereich, in dem ein Steuerschaltkreis hergestellt werden soll, und zum Ausbilden eines aktiven Bereichs über dem Substrat; Bemustern mindestens eines Übertragungsgates (14) und einer Reihe von lokalen Verbindungen; Ausbilden von Strukturen für ein Ladungsabtastmittel (36), mit dem Schritt des Erzeugens von Mustern, die einen ersten Satz von Sources (32) und Drains (36) für einen vorbestimmten Satz von Transistoren darstellen, mit mindestens einem Drain (36) für jedes Übertragungsgate (14) derart, dass sich der Drain (36) mit dem Übertragungsgate (14) selbsttätig ausrichtet; Einsetzen eines zweiten Typs von Leitfähigkeit, der dem ersten Typ von Leitfähigkeit entgegengesetzt ist, um den ersten Satz von Sources und Drains zu erzeugen; Bemustern mindestens eines Bildabtastbereichs (12), welcher dem Übertragungsgate benachbart ist; Einsetzen eines Materials aus dem zweiten Typ von Leitfähigkeit (32) in den Bildabtastbereich (12) zum Erzeugen einer Fotodiode; Einsetzen einer Pinning-Schicht (22) aus dem ersten Typ von Leitfähigkeit oben auf die Fotodiode; Erzeugen von Mustern, die einen zweiten Satz von Sources und Drains für einen vorbestimmten Satz von Transistoren darstellen; Einsetzen des ersten Typs von Leitfähigkeit zum Erzeugen des zweiten Satzes von Sources und Drains; Erzeugen eines vorbestimmten Satzes von Kontakten auf einem ersten und zweiten Satz von Sources und Drains; und Bereitstellen eines Auslese-Ausgangs (16) als aktives Element, wobei der Auslese-Ausgang in jedem Pixel vorhanden und mit dem Drain (36) verbunden ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt des Bereitstellens eines Übertragungsbereichs aus dem zweiten Typ von Leitfähigkeit unterhalb des Übertragungsgates (14) derart, dass er sich im wesentlichen mit der Übertragungsgateseite gegenüber der Fotodiode selbsttätig ausrichtet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, worin der Schritt des Einsetzens einer Pinning-Schicht (22) oben auf der Fotodiode den Schritt des Einsetzens des ersten Typs von Leitfähigkeit umfasst, derart, dass sie mindestens eine Kante aufweist, die den Übertragungsbereich (14) überlappt und sich an der Oberfläche des zweiten Typs von Leitfähigkeit befindet.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt des Bereitstellens des Drains (36) in selbsttätiger Ausrichtung mit dem Übertragungsgate (14) in einem schwimmenden Diffusionsbereich, der mit dem zweiten Satz von Sources und Drains verbunden ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Schritte, die sich auf das Einsetzen des ersten und zweiten Satzes von Sources und Drains beziehen, umgekehrt werden.
  6. Aktiver Pixelsensor mit mindestens einer pinned-Fotodiode (12), die umfasst: ein Substrat (2), das aus einem Halbleitermaterial eines ersten Typs von Leitfähigkeit mit einer Reihe von Maskierungsschichten besteht, die mindestens eine leitfähige Schicht umfassen; und mit mindestens einem Ladungsabtastmittel; mindestens ein Übertragungsgate (14) und eine Reihe von lokalen Verbindungen auf der leitfähigen Schicht; einen ersten Satz von Einlagerungen, die aus einem zweiten Typ von Leitfähigkeit bestehen, der dem ersten Typ von Leitfähigkeit entgegengesetzt ist, wobei der ersten Satz von Einlagerungen als Sources (32) und Drains (36) für einen ersten Satz von Transistoren funktioniert, mit mindestens einer Source (32) für jedes Übertragungsgate (14) derart, dass der Drain (36) mit dem Übertragungsgate (14) selbsttätig ausgerichtet ist; mindestens einen Bildabtastbereich (12), der dem aus einer der Sources (32) gebildeten Übertragungsgate (14) benachbart und in das Substrat eingesetzt ist, um die Fotodiode mit einer Pinning-Schicht (22) zu erzeugen, die aus einem Material aus dem ersten Typ von Leitfähigkeit oben auf der Fotodiode besteht; einen zweiten Satz von Einlagerungen, die als Sources und Drains für einen zweiten Satz von Transistoren verwendet werden, die aus Einlagerungen des ersten Typs von Leitfähigkeit bestehen, wobei der zweite Satz von Transistoren in Verbindung mit einem beliebigen verbleibenden ersten Satz von Transistoren gebildet wird, die nicht verwendet wurden, um Bildsensoren zu erzeugen und eine mit dem Bildsensor verbundene CMOS Steuerschaltung zu bilden; einen vorbestimmten Satz von Kontakten auf einem ersten und zweiten Satz von Sources und Drains; und gekennzeichnet durch einen Auslese-Ausgang (16) als ein aktives Element, das innerhalb eines jeden Pixels mit dem Drain (36) verbunden ist.
  7. Pixelsensor nach Anspruch 6, mit einem Übertragungsbereich des zweiten Typs von Leitfähigkeit unterhalb des Übertragungsgates derart, dass er sich im wesentlichen mit der der Fotodiode benachbarten Seite des Übertragungsgates (14) selbsttätig ausrichtet.
  8. Pixelsensor nach Anspruch 7, worin die Pinning-Schicht (22) mindestens eine Kante umfasst, die mit der der Fotodiode benachbarten Seite des Übertragungsbereichs selbsttätig ausgerichtet ist.
  9. Pixelsensor nach Anspruch 6, wobei das Ladungsabtastmittel (36) ein Drain ist, der selbsttätig mit dem Übertragungsgate (14) ausgerichtet ist, wobei das Gate einen schwimmenden Diffusionsbereich umfasst, der mit dem zweiten Satz von Sources und Drains verbunden ist.
  10. Pixelsensor nach Anspruch 6, worin der Bildabtastbereich eine Anordnung von pinned-Fotodioden (12) ist, die über die lokalen Verbindungen mittels der CMOS Steuerschaltung steuerbar ist.
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