Title:
Semiconductor component, has isolation area doped for p-conductivity type and exhibiting factor of two higher dopant concentration than semiconductor material of p-conductivity type
Kind Code:
A1


Abstract:
The component has a photodiode array, in which sensor areas (9) are arranged in a semiconductor material at an upper side of a semiconductor body. The sensor areas are doped for a n-conductivity type and the semiconductor material is doped for p-conductivity type. An isolation area is provided between the sensor areas. The isolation area is doped for the p-conductivity type and exhibits a factor of two higher dopant concentration than the semiconductor material of the p-conductivity type. The isolation area lies on undetermined potential.



Inventors:
Vescoli, Verena, Dr. (Graz, AT)
Jonak-Auer, Ingrid, Dr. (Graz, AT)
Application Number:
DE102006058827
Publication Date:
07/03/2008
Filing Date:
12/13/2006
Assignee:
austriamicrosystems AG (Unterpremstätten, AT)
International Classes:



Foreign References:
58411761998-11-24
200100173672001-08-30
EP02752171988-07-20
JP2001352094A2001-12-21
Attorney, Agent or Firm:
Epping Hermann Fischer, Patentanwaltsgesellschaft mbH (München, 80339)
Claims:
1. Halbleiterbauelement mit Fotodiodenarray, bei dem an einer Oberseite eines Halbleiterkörpers (1) Sensorbereiche (9), die für einen ersten Leitfähigkeitstyp dotiert sind, in Halbleitermaterial, das für einen entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp dotiert ist, angeordnet sind und zwischen den Sensorbereichen (9) ein Isolationsbereich (3) vorhanden ist, der für den zweiten Leitfähigkeitstyp dotiert ist und eine mindestens um den Faktor 2 höhere Dotierstoffkonzentration aufweist als das übrige Halbleitermaterial des zweiten Leitfähigkeitstyps, in dem die Sensorbereiche (9) angeordnet sind.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem der erste Leitfähigkeitstyp n-leitend und der zweite Leitfähigkeitstyp p-leitend ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem der erste Leitfähigkeitstyp p-leitend und der zweite Leitfähigkeitstyp n-leitend ist.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Isolationsbereich (3) auf schwebendem Potential liegt.

5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zwischen einem Sensorbereich (9) und dem Isolationsbereich (3) an der Oberseite des Halbleiterkörpers (1) ein Feldoxid (12) vorhanden ist.

6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine der Oberseite des Halbleiterkörpers (1) gegenüberliegende Grenzfläche zwischen einem Sensorbereich (9) und dem angrenzenden, entgegengesetzt dotierten Halbleitermaterial einen Abstand von der Oberseite von 0,4 μm bis 1,5 μm aufweist.

7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Isolationsbereich (3) sich von der Oberseite des Halbleiterkörpers (1) mindestens halb so tief in den Halbleiterkörper (1) hinein erstreckt wie ein Sensorbereich (9).

8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Isolationsbereich (3) von der Oberseite des Halbleiterkörpers (1) gemessen tiefer in den Halbleiterkörper (1) hineinreicht als ein Sensorbereich (9).

9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Sensorbereiche (9) in einem matrixartigen Array zur Bilderfassung angeordnet sind.

10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem
mit den Sensorbereichen (9) verbundene Kontrollschaltungen (CC) integriert sind und
die Kontrollschaltungen (CC) CMOS-Komponenten aufweisen.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer Mehrzahl integrierter Fotodioden, die voneinander elektrisch isoliert sind und ein Array bilden.

Eine Fotodiode besitzt einen pn-Übergang im Halbleitermaterial zwischen zwei Gebieten, die für einander entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen dotiert sind. An dem pn-Übergang bildet sich eine Raumladungszone aus, in der ein elektrisches Feld vorhanden ist, dessen Feldstärkevektor vom n-Gebiet zum p-Gebiet gerichtet ist. Die Raumladungszone und der Betrag des elektrischen Feldes werden im Betrieb der Fotodiode vorzugsweise dadurch vergrößert, dass eine Vorspannung in Sperrrichtung an die dotierten Gebiete angelegt wird. Wenn im Bereich der Raumladungszone Ladungsträger vorhanden sind, führt das zu einem Influenzstrom in einem an die dotierten Gebiete angeschlossenen externen Stromkreis. Der Influenzstrom kann mit einer elektronischen Kontrollschaltung oder Ausleseschaltung detektiert werden. Durch die angelegte Vorspannung wird auch dann ein Diodenstrom, der so genannte Dunkelstrom, hervorgerufen, wenn kein Licht eingestrahlt wird. Bei Lichteinstrahlung werden in dem kristallinen Halbleitermaterial Elektron Loch-Paare erzeugt, indem Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband angehoben werden und dadurch bewegliche Ladungsträger generiert werden. Wenn das im Bereich der Raumladungszone geschieht, umfasst der Influenzstrom zusätzlich zu dem Dunkelstrom den so genannten Fotostrom. Der Fotostrom wird mittels der elektronischen Schaltung erfasst, um auf diese Weise die Lichteinstrahlung nachzuweisen.

Sensoren zur Bilderfassung lassen sich mit einer flächigen, vorzugsweise matrixförmigen Anordnung von Fotodioden, hier als Fotodiodenarray bezeichnet, realisieren. Jede Fotodiode erfasst ein Pixel des Bildes, d. h., einen Bildpunkt, indem sie das auf das Pixel einfallende Licht in ein elektrisches Signal umwandelt. Jeder Fotodiode ist eine Kontrollschaltung oder Ausleseschaltung zur Signalerfassung und gegebenenfalls Aufbereitung zwecks weiterer Auswertung zugeordnet.

Die elektronische Schaltung kann insbesondere eine CMOS-Schaltung sein. Bildsensoren mit CMOS-Schaltung haben den Vorteil, dass das Fotodiodenarray mit der Kontrollschaltung oder Ausleseschaltung monolithisch integriert werden kann. Die mit der Schaltung erfassten Ströme oder Spannungen können mittels eines A/D-Wandlers in digitale Signale umgewandelt werden, so dass hochintegrierte CMOS-Bildsensoren mit digitalem Ausgangssignal und hohem Auflösungsvermögen realisierbar sind.

Für die Beurteilung der Qualität der Fotodioden wichtige Kenndaten sind: hohe Effizienz in der Umwandlung der Photonen in Fotostrom (Empfindlichkeit oder Quanteneffizienz), hoher Signal-Rausch-Abstand, niedriger Dunkelstrom und niedrige Kapazität. Ein weiteres wesentliches Qualitätsmerkmal ist der so genannte Füllfaktor (fill factor), der definiert ist als das Verhältnis der gesamten fotosensitiven Fläche, die durch die Fotodioden gebildet wird, zu der Bildfläche. Der ideale Füllfaktor 1 ist nicht realisierbar, da die Fotodioden nicht beliebig dicht angeordnet werden können. Das ist insbesondere bei CMOS-Bildsensoren der Fall, bei denen Leckströme zwischen dicht benachbarten Fotodioden auftreten und daher eine besonders gute elektrische Isolation zwischen den zueinander benachbarten Fotodioden erforderlich ist.

Für eine gute Isolation zwischen den Fotodioden eines Arrays ist insbesondere ein an der Oberseite des Halbleitermateriales ausgebildetes Feldoxid geeignet, das z. B. mit einem an sich bekannten LOCOS-Prozess hergestellt werden kann. Die Abstände zwischen zueinander benachbarten Fotodioden müssen hierbei relativ groß gewählt werden, um ein randseitiges Überlappen der Raumladungszonen und ein daraus resultierendes Übersprechen zwischen den Pixeln zu vermeiden. Das Gleiche gilt für schnell ansprechende Fotodioden, die relativ weit ausgedehnte Raumladungszonen benötigen, so dass die Raumladungszonen folglich auch einen größeren lateralen Bereich zwischen den Fotodioden einnehmen. Die Abstände zwischen zueinander benachbarten Fotodioden müssen auch in diesem Fall relativ groß gewählt werden, um ein deutliches Übersprechen zwischen den Pixeln zu verhindern. In jedem Fall ergibt sich ein entsprechend geringer Füllfaktor.

In der US 2001/017367 ist als Isolationsstruktur zwischen den Fotodioden eine Anordnung aus einem abgeschiedenen Spacer Oxidfilm über einem dotierten Bereich, der mit einer Antipunch-through-Implantation hergestellt wird, beschrieben. Zwischen der Fotodiode und der Kontrollschaltung wird ein Bereich einer ausreichenden Mindestbreite vorgesehen, der eine einigermaßen geringe mechanische Spannung zwischen dem bilderfassenden Bereich der Fotodiode und dem LOCOS-Feldoxid des Schaltungsbereiches sicherstellt. Damit kann zwar der Dunkelstrom deutlich reduziert werden; zur Herstellung ist jedoch eine zusätzliche Maske zur Strukturierung des Spacer-Oxidfilms erforderlich. Der Füllfaktor ist hierbei ebenfalls relativ gering.

Eine verbesserte Isolation der Fotodioden voneinander bei gleichzeitig hohem Füllfaktor kann mit einem Fotodiodenarray gemäß der JP 2001/352094 erreicht werden, bei dem sich zwischen den Fotodioden Isolationsgräben befinden, die mit SiO2 gefüllt sind. Die aufwendigen Herstellungsschritte zum Ätzen und anschließenden Füllen der Gräben erhöhen jedoch die Herstellungskosten und können außerdem die Betriebseigenschaften der Fotodioden verschlechtern, was insbesondere in einem verschlechterten Signal-Rausch-Abstand oder einem erhöhten Dunkelstrom resultieren kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein möglichst einfach herstellbares Halbleiterbauelement mit Fotodiodenarray anzugeben, das bei allenfalls unerheblich geringem Übersprechen zwischen den Pixeln einen möglichst hohen Füllfaktor aufweist.

Diese Aufgabe wird mit dem Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei dem Halbleiterbauelement befindet sich an einer Oberseite eines Halbleiterkörpers eine Mehrzahl von Sensorbereichen, die für einen ersten Leitfähigkeitstyp dotiert sind, in Halbleitermaterial, das für den entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp dotiert ist. Zwischen den Sensorbereichen ist ein Isolationsbereich vorhanden, der für den zweiten Leitfähigkeitstyp dotiert ist und eine mindestens um den Faktor 2 höhere Dotierstoffkonzentration aufweist, als das außerhalb des Isolationsbereiches an die Sensorbereiche angrenzende Halbleitermaterial. Der Isolationsbereich erstreckt sich vorzugsweise tiefer in den Halbleiterkörper hinein als die Sensorbereiche.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Halbleiterbauelementes anhand der beigefügten 1 bis 5.

Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer schematischen Aufsicht auf ein Sensorfeld.

Die 2 zeigt eine schematische Detailansicht einer Anordnung von Fotodioden und Kontrollschaltungen.

Die 3 zeigt den in der 2 mit III markierten Querschnitt.

Die 4 zeigt den in der 2 mit IV markierten Querschnitt.

Die 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Querschnitt der 4 für einen spezifischen Implantationsprozessschritt.

Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Aufsicht auf das Fotodiodenarray mit vier Pixeln im Schema. An der Oberseite des Halbleiterkörpers 1 sind die Fotodioden PD in einem matrixförmigen Array angeordnet und mit einer jeweiligen Kontrollschaltung CC verbunden. Aus den eingangs angegebenen Gründen muss der Zwischenbereich 2 zwischen den Fotodioden PD hinreichend groß sein, was einen Füllfaktor ergibt, der deutlich kleiner als 1 ist. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, den Zwischenbereich 2 möglichst zu verringern.

In der 2 ist ein ebenfalls schematisierter Ausschnitt aus der Oberseite des Bauelementes dargestellt, mit dem zumindest im Prinzip gezeigt ist, wie die Kontrollschaltungen bei einem Ausführungsbeispiel als CMOS-Bildsensor realisiert sein können. Die Fotodioden PD weisen jeweils einen Sensorbereich 9 auf, der durch einen in dem Halbleiterkörper dotierten Bereich gebildet ist. Der Sensorbereich 9 weist eine streifenförmige Verlängerung auf, in der die Source-/Drain-Bereiche 4 eines Transistors angeordnet sind. Über dem Kanalbereich 5, der sich zwischen den Source-/Drain-Bereichen 4 befindet, ist eine Gate-Elektrode 6 angeordnet, die in dem dargestellten Beispiel mit elektrisch isolierenden Seitenwandspacern 7 an den Flanken versehen ist. Die Gate-Elektrode 6 ist in einer an sich bekannten Weise mit einem Gate-Dielektrikum von dem Halbleitermaterial des Kanalbereiches 5 getrennt. Für den elektrischen Anschluss der Gate-Elektrode 6 ist ein Kontakt 8 vorgesehen. Wie von CMOS-Bauelementen an sich bekannt ist, sind für die Verdrahtung Metallisierungsebenen vorgesehen, die durch Zwischenmetalldielektrika getrennt über der Oberseite des Halbleiterkörpers angeordnet sind. Die dargestellten Komponenten dienen nur als Beispiel zur Vervollständigung der Beschreibung des Bauelementes; sie können im Rahmen der Erfindung auch anders und insbesondere in entsprechender Weise wie bei beliebigen konventionellen CMOS-Bildsensoren ausgestaltet sein.

In der 3 ist der in der 2 markierte Querschnitt durch ein Pixel im Ausschnitt dargestellt. Der in dem Halbleiterkörper 1 angeordnete Sensorbereich 9 ist ein dotierter Bereich und kann z. B. n+-leitend, d. h., hoch n-leitend, dotiert sein, wenn zumindest das an den Sensorbereich 9 angrenzende Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers 1 p-leitend dotiert ist. Die streifenförmige Verlängerung des Sensorbereiches 9 bildet die Source-/Drain-Bereiche 4 des Transistors. Angrenzend an den Kanalbereich 5 können insbesondere noch LDD-Bereiche 10 (lightly doped drain) vorgesehen sein, die eine geringere Dotierstoffkonzentration aufweisen als die Source-/Drain-Bereiche 4. Die Gate-Elektrode 6 ist elektrisch leitfähiges Material, z. B. leitfähig dotiertes Polysilizium, und ist durch ein Gate-Dielektrikum 11 von dem Kanalbereich 5 elektrisch isoliert. Spacer 7 aus dielektrischem Material können als Seitenwandisolationen vorgesehen sein. Bei der dargestellten Struktur handelt es sich um den prinzipiellen Aufbau eines Feldeffekttransistors, der jedoch beliebig abgewandelt sein kann, was jedenfalls im Rahmen dieser Erfindung liegt. Eine bevorzugte Ausführungsform des Halbleiterbauelementes als CMOS-Bildsensor weist in CMOS-Technologie herstellbare Transistoren in den Kontrollschaltungen auf.

Die 4 zeigt den in der 2 markierten Querschnitt durch zueinander benachbarte Sensorbereiche 9. Zwischen den Sensorbereichen 9 und dem angrenzenden Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers 1 befindet sich jeweils ein pn-Übergang, wobei der Halbleiterkörper 1 insbesondere eine p-leitende Grunddotierung aufweisen kann, wenn die Sensorbereiche 9 n+-leitend dotiert sind. Erfindungsgemäß befindet sich zwischen den Sensorbereichen 9 ein Isolationsbereich 3, der hoch für denjenigen Leitfähigkeitstyp dotiert ist, der zu dem Leitfähigkeitstyp der Sensorbereiche 9 entgegengesetzt ist. Wenn also die Sensorbereiche 9 n+-leitend dotiert sind, ist der Isolationsbereich 3 p+-leitend dotiert. Der Isolationsbereich 3 kann vorzugsweise zusammenhängend ausgebildet sein oder statt dessen auch in separaten Anteilen, die jeweils zwischen zwei Sensorbereichen (9) angeordnet sind.

Die Sensorbereiche 9 können an ihren Rändern an der Oberseite des Halbleiterkörpers 1 mit rahmenartig ausgebildetem Feldoxid 12 eingefasst sein. Außerdem kann zwischen den Sensorbereichen 9 fakultativ ein Guardring 13 vorgesehen sein, der entgegengesetzt zu den Sensorbereichen 9 dotiert ist. Ein solcher Guardring 13 ist oberflächennah angeordnet und mit einem Anschluss der Vorspannung verbunden. Ein p-leitender Guardring zum Beispiel ist mit dem negativen Potential der Vorspannung verbunden. Abgesehen von dem Anlegen der Vorspannung an die Fotodioden dient der Guardring dazu, im Bereich der Oberfläche zwischen den Pixeln Ladungsträger abzusaugen, die andernfalls einen unerwünschten zufälligen Beitrag zu einem der Fotoströme der beiden Pixel liefern würden. Ein Guardring, der diese Funktionen erfüllt, hat im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Isolationsbereich 3 allenfalls einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Raumladungszonen. Falls kein Guardring vorgesehen ist, bleibt der erfindungsgemäße Isolationsbereich 3 vorzugsweise auf schwebendem Potential (floating). Die Vorspannung kann in diesem Fall zum Beispiel über einen rückseitigen Substratanschluss an die Fotodioden angelegt werden.

Die in der Zeichnung vorhandenen Abmessungen sind nicht maßstabsgetreu und können zwischen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen variieren. Insbesondere kann der Isolationsbereich 3 auch an die Sensorbereiche 9 unmittelbar angrenzend ausgebildet werden.

Der Isolationsbereich 3 ist in der 4 idealisierend mit scharfen Konturen dargestellt; wegen des stetigen Dotierstoffprofils ist jedoch keine scharfe Abgrenzung gegenüber dem Halbleitermaterial, das die Grunddotierung aufweist, vorhanden. Bei Ausführungsbeispielen des Halbleiterbauelementes kann es genügen, wenn sich derjenige Bereich, in dem die Dotierstoffkonzentration des Isolationsbereiches 3 mindestens um den Faktor 2 höher ist als die Dotierstoffkonzentration des außerhalb des Isolationsbereiches 3 an die Sensorbereiche 9 angrenzenden Halbleitermateriales, typisch etwa bis zur Hälfte der Tiefe der Sensorbereiche 9 erstreckt. Statt dessen kann dieser Bereich etwa dieselben vertikalen Abmessungen bezüglich der Oberseite besitzen wie die Sensorbereiche 9 oder auch, wie in der 4 angedeutet ist, noch etwas tiefer in den Halbleiterkörper 1 hineinreichen.

Die 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Querschnitt gemäß der 4 für einen Anteil des Isolationsbereiches 3 zwischen zwei benachbarten Sensorbereichen 9. Es ist hier wieder ein Guardring 13 eingezeichnet, der jedoch auch weggelassen sein kann. Zur Herstellung des Isolationsbereiches 3 wird eine Implantationsmaske 14 verwendet, die die Sensorbereiche 9 bei der Implantation abschirmt. Die Richtung der Implantation ist in der 5 mit den senkrecht nach unten weisenden Pfeilen angedeutet. Als Dotierstoff kommt insbesondere Bor in Frage, wenn der Isolationsbereich 3 p+-leitend dotiert wird.

Im Betrieb des Bauelementes bewirkt der Isolationsbereich 3, dass die Raumladungszonen an den pn-Übergängen zwischen den Sensorbereichen und dem umgebenden Halbleitermaterial zueinander benachbarter Fotodioden voneinander getrennt bleiben. Die Raumladungszonen der Sensorbereiche 9 überlappen daher einander nicht, was insbesondere in einer deutlich höheren Durchbruchspannung resultiert.

Ein Vergleich zwischen dem Bauelement mit Isolationsbereich 3 gemäß der 4 und einem herkömmlichen Fotodiodenarray im Hinblick auf den Füllfaktor ergab, dass bei vergleichbarem Isolationsgrad und gleicher Durchbruchspannung die Fläche des Zwischenbereiches 2 erfindungsgemäß um etwa 80% reduziert werden kann.

Durch die Anwendung der Erfindung wird gleichzeitig der Dunkelstrom wesentlich reduziert, ohne dass negative Auswirkung auf die Größe des Fotostroms und die Empfindlichkeit feststellbar sind. Es wird angenommen, dass die Verringerung des Dunkelstromes darauf zurückzuführen ist, dass wegen des Isolationsbereiches 3 die Raumladungszonen an den lateralen pn Übergängen nicht bis an die Oberseite des Halbleiterkörpers reichen und die laterale Raumladungszonenweite reduziert ist.

Der Isolationsbereich 3 ist insbesondere vorteilhaft, wenn die der Oberseite des Halbleiterkörpers gegenüberliegende Grenzfläche zwischen einem Sensorbereich und dem angrenzenden, entgegengesetzt dotierten Halbleitermaterial (unterer pn-Übergang) einen Abstand von der Oberseite von 0,4 μm bis 1,5 μm aufweist.

1
Halbleiterkörper
2
Zwischenbereich
3
Isolationsbereich
4
Source-/Drain-Bereich
5
Kanalbereich
6
Gate-Elektrode
7
Spacer
8
Kontakt
9
Sensorbereich
10
LDD-Bereich
11
Gate-Dielektrikum
12
Feldoxid
13
Guardring
14
Implantationsmaske

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • - US 2001/017367 [0007]
  • - JP 2001/352094 [0008]