DE19630434A1 - Bipolarphototransistorpixelelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein vertikales Bipolarpho­ totransistorpixelelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In dem Aufsatz "Active-Pixel Sensor Challenge CCDs" von Eric Fossum, erschienen in: Laser Focus World, Juni 1993, Seiten 83-87, wer­ den die aufkommende aktive Pixelsensortechnik und die Technik der la­ dungsgekoppelten Schaltung (CCD), die in vielen Bildverarbeitungsanwen­ dungen verdrängt werden soll, gegenübergestellt. Eine CCD beruht auf ei­ ner Ladungsverschiebung zum Auslesen eines Bildes. Da es sehr schwer ist, einen 100%igen Ladungstransfer in einer CCD-Struktur zu erzielen, sinkt die Leistung manchmal unter ein akzeptables Niveau. CCDs sind auch sehr leistungsintensiv und erfordern eine komplizierte Herstellung.

Im Gegensatz zur CCD-Technik arbeiten aktive Pixelsensoren wie ein Direktzugriffsspeicher (RAM), indem jedes Pixel seinen eigenen An­ wähl- und Auslesetransistor umfaßt. Die Signalausgabe erfolgt dann über Leitungsdrähte anstatt mittels Ladungsverschiebung. Daher ist die aktive Pixelsensortechnik der CCD-Technik überlegen, indem sie wahlfreien Zu­ griff, zerstörungsfreies Auslesen und leichte Integrierbarkeit in eine auf einem Chip angeordnete Treiber- und Signalverarbeitungsschaltung schafft.

Aus der US-PS 5 289 023 ist eine aktive Pixelsensorzelle be­ kannt, die einen bipolaren npn-Phototransistor sowohl als integrierender Photosensor als auch als Anwähleinrichtung einsetzt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Phototransistor eine vertikale Struktur, de­ ren Kollektor in einem Si-Substrat vom n-Typ angeordnet ist. Der Basis­ anschluß des bipolaren Phototransistors, der einen p-dotierten Bereich innerhalb des Kollektorbereichs aufweist, wird als Anwählknoten für das Pixel verwendet. Konventionelle Feldoxidbereiche werden zum Isolieren der Basisbereiche benachbarter Phototransistoren eingesetzt. Eine n-do­ tierte Polysiliciumleitung ist über der Oberfläche des Substrats ange­ ordnet und gegenüber dieser isoliert mit Ausnahme derjenigen Bereiche, in denen sie mit den p-dotierten Basisbereichen in Kontakt steht. Dort, wo sich die n-dotierte Polysiliciumschicht in Kontakt mit der Oberfläche des p-dotierten Basisbereichs befindet, bildet sie einen n⁺-Epitaxialbe­ reich, der als Emitter des Phototransistors dient. Die Polysiliciumlei­ tung liefert den Emitterkontakt.

Eine Vielzahl von derartigen Phototransistoren kann in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sein. Die Basen aller Photo­ transistoren in einer Zeile der Matrix sind kapazitiv an eine gemeinsame Zeilenanwählleitung gekoppelt, und die Emitter aller Phototransistoren in einer Spalte sind einstückig mit einer Spaltenleseleitung ausgebil­ det. Der Eingang des Leseverstärkers ist mit der Leseleitung einer jeden Spalte von integrierenden Photosensoren verbunden. Die Leseleitung ist mit dem invertierenden Eingang eines Verstärkerelements eines integrie­ renden Leseverstärkers verbunden. Ein Kondensator, vorzugsweise ein Va­ ractor, ist ebenfalls zwischen den invertierenden Eingang und den Aus­ gang des Verstärkerelements geschaltet. Eine exponentielle Rückkopplung wird in dem Leseverstärker zur Signalkomprimierung bei hohen Lichtpegeln vorgesehen. Die Ausgänge der Leseverstärker sind mit Abtast-und-Halte- Schaltungen verbunden. Die Zeilen der Matrix werden einzeln angewählt, und die Ausgänge der Abtast-und-Halte-Schaltungen werden für jede Zeile aus der Matrix heraus abgetastet, während die Pixeldaten für die nächste Zeile abgetastet werden.

Da dieser Bildgeber eine hohe Empfindlichkeit bei geringen Lichtintensitäten aufweist, in einem größeren dynamischen Bereich als mit CCDs erreichbar arbeitet und eine relativ kleine Zellenfläche erfor­ dert, ist er für die Zukunft vielversprechend. Jedoch weist die gegen­ wärtige Technik gewisse Unzulänglichkeiten auf. Der Ausgang des aktiven Pixels, der den integrierten Photostrom wiederspiegelt, ist direkt pro­ portional zur Stromverstärkung des npn-Bipolartransistors mit Polyemit­ ter. Da es keine Möglichkeit gibt, diesen Effekt zu korrigieren, kann der Dynamikbereich der Zelle durch Stromverstärkungsangleichung unter den unzähligen Komponenten begrenzt werden, die in der Matrix enthalten sind. Seit jeher ist es schwierig gewesen, eine gute Stromverstärkungs­ angleichung in Transistoren mit Polyemitter zu erzielen.

Ferner verwendet das bekannte aktive Pixel einen vertikalen npn-Transistor mit einem n-Substrat als Kollektor. Aufgrund bekannter technischer Probleme stellen n-Substrate keine Industriestandards für die CMOS-Technik dar. Obgleich ein p-Substrat mit einer vergrabenen n-Schicht eingesetzt werden könnte, erfordern vergrabene n-Schichten ei­ ne komplexe Herstellung und können zu erhöhten Pixelleckverlusten füh­ ren, was ein kritisches Problem darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bipolarphoto­ transistorpixelelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das einfacher in der Herstellung und mit üblicher CMOS-Technik kompati­ bel ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Bipolarphototransistorpixel­ element mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Ein derartiges, für eine aktive Pixelsensormatrix geeignetes Bipolarphototranistorpixelelement ist mit den Kernprozessen der CMOS- Technik vollständig kompatibel. Über einen Poly/n⁺-Kopplungskondensator werden hohe Kopplungsverhältnisse (ca. 90%) erzielt, wobei parasitäre Kapazitäten an der Basis sehr niedrig sind. Es werden keine Polyemitter verwendet, so daß eine bessere Stromverstärkungsangleichung im Vergleich zu bekannten aktiven Pixelsensoren erzielt wird. Gewöhnliche Substrate vom p-Typ können verwendet werden, wodurch keine vergrabenen n-Schichten benötigt werden.

Ein bevorzugtes pnp-Bipolarphototransistorpixelelement weist einen p-Kollektorbereich auf, der in p-Halbleitermaterial ausgebildet ist. Ein n-Basisbereich ist im Kollektorbereich ausgebildet. Ein p-Emit­ terbereich ist im Basisbereich ausgebildet. Ein ringförmiger n-Kondensa­ torbereich ist im Basisbereich, vom Emitterbereich mit Abstand umgeben, ausgebildet. Leitermaterial ist über dem Kondensatorbereich angeordnet und von diesem durch darunterliegendes dielektrisches Material getrennt, wodurch der Kopplungskondensator des Pixelelements definiert wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittdarstellung eines vertikalen pnp- Bipolarphototransistorpixelements.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht eines vertikalen pnp-Bipolarpho­ totransistorpixelelements.

Die Herstellung eines Elements 10, nämlich eines vertikalen pnp-Bipolarphototransistorpixelements gemäß Fig. 1, kann durch Verwen­ dung jedes geläufigen elementaren CMOS-Verfahrens unter Hinzufügung ei­ nes Kondensatormoduls erfolgen. Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich auf Elemente 10 eines Zwillingswannen-CMOS-Verfahrensablaufs, der konventionelles p⁻/p⁺-Epi-(100)-Siliciumausgangsmaterial verwendet.

Um eine Zwillingswannenstruktur zu bilden, wird an der Ober­ fläche der p-Epitaxialschicht 14 eine Auflageoxidschicht mit einer Dicke von ca. 45 nm gebildet. Eine Nitridschicht von ca. 135 nm Dicke wird an­ schließend auf der Auflageoxidschicht gebildet. Anschließend wird eine Zwillingswannenmaske verwendet, um n-Wannenbereiche abzugrenzen und das exponierte Nitrid zu ätzen. Eine n-Wannenimplantierung erfolgt an­ schließend unter Verwendung eines n-Dotierungsmittels, beispielsweise Phosphor auf 1,0E13, 140 keV, um n-Wannenbereiche 16 zu schaffen. Ein an­ schließender selektiver Oxidationsschritt bei 950°C resultiert in einem Aufwachsen von Siliciumdioxid mit einer Dicke von ca. 500 nm an der Oberfläche des n-Wannenbereichs 16. Die verbleibende Nitridschicht wird dann entfernt und eine p-Wannenimplantierung erfolgt unter Verwendung beispielsweise von BF₂ auf 6,3E12, 150 keV, um einen p-Wannenbereich 18 zu schaffen. Das Zwillingswannenmodul wird vervollständigt durch selek­ tives Rückätzen des Oxides auf den n-Wannenbereich 16 und p-Wannenbe­ reich 18 bei ca. 1100°C und Entfernen des Oxides, das sich beim Dotieren ergeben hat.

Bei einem konventionellen CMOS-Verfahrensablauf würde an­ schließend die Implantierung eines Feldoxidisolmoduls zur Bestimmung von aktiven Bereichen des CMOS-Bausteins sowohl in den n-Wannenbereichen 16 als auch in den p-Wannenbereichen 18 und dann die Bildung der CMOS-Bau­ steinelemente erfolgen. Wie in Fig. 1 dargestellt, dienen hier ausge­ wählte n-Wannenbereiche 16 als Basisbereich des Elements 10 einer akti­ ven Pixelbildmatrix, wobei die p-Epitaxialschicht 14 als Phototransi­ storkollektor dient. Die peripheren CMOS-Komponenten werden zur Bildung beispielsweise von Steuer- und Signalverarbeitungsschaltungen einge­ setzt, die in Zusammenhang mit der Pixelbildmatrix verwendet werden. Die nachstehend beschriebenen Verfahrensschritte sind, mit Ausnahme des Kon­ densatormoduls, vom konventionellen CMOS-Kernprozeß zur Vervollständi­ gung der Struktur des Elements 10 übernommen.

Bevor der CMOS-Prozeß fortgesetzt wird, wird ein Kondensator­ modul zu dem Zweck eingesetzt, um n⁺-Kondensatorbereiche 20 in den n-Wannenbereichen 16 durch Implantieren von n-Dotierungsmittel, bei­ spielsweise Phosphor auf 5E15, 150 keV, zu definieren. Dann wird eine Plattenzwischenlageoxidschicht von ca. 20-30 nm Stärke über dem n⁺-Kon­ densatorbereich 20 gebildet.

Das Verfahren setzt sich dann mit dem normalen CMOS-Ablauf fort, der darin besteht, daß eine Polysiliciumschicht von ca. 325 nm Stärke aufgebracht wird. Im folgenden Ätzschritt des CMOS-Ablaufs wird das Polysilicium über den n⁺-Kondensatorbereichen 20 zur Bildung von oberen Polysiliciumplatten 22 der Kopplungskondensatoren des Elements 10 geätzt. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Polysiliciumplatten 22 mit einer Wortleitung 24 verbunden, die eine Zeile von Elementen 10 in der Bildma­ trix definiert.

Eine nachfolgende Implantierung eines p-Dotierungsmittels, beispielsweise BF₂ auf 3.5E15, 45 keV, wird zur Bildung von p⁺-Emitterbe­ reichen 26 des vertikalen pnp-Phototransistorelements 10 verwendet. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Emitterbereich 26 mit einer Bitleitung 28 verbunden, die eine Spalte von Elementen 10 in der Bildmatrix definiert.

Fig. 2 zeigt ein Layout für die Pixelelementstruktur von Fig. 1. Hierbei ist der n⁺-Kondensatorbereich 20 ringförmig ausgebildet und umgibt mit Abstand den Emitterbereich 26.

Das Element 10 funktioniert wie folgt:
Das p-Substrat 12 liegt immer bei 0V, wie es für CMOS-Kompo­ nenten typisch ist. Während des Rücksetzens wird die Wortleitung 24 von +5V auf 0V zurückgenommen. Die n-Wanne 16, d. h. die pnp-Basis, ist kapa­ zitiv durch den ebenfalls negativen Poly/n⁺-Kondensator angekoppelt, der den vertikalen pnp-Transistor anschaltet, dessen Emitter 26 auf einem positiven Spannungswert (+5V) durch externe Schaltungen auf der Bitlei­ tung 28 gehalten ist. Die schwimmende Basis 16 liegt bei einem Potential von nicht weniger als Vcc-Vbe (4,4V).

Nach diesem Rücksetzen wird die Wortleitung 24 wieder auf +5V gesetzt, was erneut die n-Wanne 16 kapazitiv ankoppelt, aber nun die Emitter-Basis-Sperrschicht des pnp-Transistors umgekehrt vorspannt. Die umgekehrt vorgespannte Emitter-Basis-Sperrschicht wirkt als Kollektor für den Photostrom. Nach Rücksetzen liegt die Basis 16 bei ca. +8V. Wenn ein Elektron-Loch-Paar durch ein auftreffendes Photon erzeugt wird, wer­ den die Löcher durch die relativ negativen Emitter 26 und Kollektor 14, die vom p-Typ sind, gesammelt, während die Elektronen in der Basis 16 verbleiben und bewirken, daß diese immer negativer wird. Die negative Ladung wird während der Photointegrationsperiode weiterhin akkumuliert, und die Basis 16 driftet in negative Richtung. Natürlich darf sie nicht unter das Emitterpotential (+5V) abdriften, sonst geht Ladung verloren.

Demzufolge muß dafür Sorge getragen werden, daß die entsprechende Be­ lichtung begrenzt bleibt.

Wenn ein Rücksetzen am Ende der Integrationsperiode erneut er­ folgt, wird die an der Basis 16 akkumulierte negative Ladung in den Emitter 26 entladen und in dem Bitleitungsleseverstärker zur Bildung ei­ ner Spannung integriert, die dem integrierten Photostrom entspricht.

Der vorstehend beschriebene Vorgang ist ähnlich demjenigen aus der US-PS 5 289 023, allerdings mit dem grundlegenden Unterschied, daß hier eine pnp-Struktur vorhanden ist.

Claims (4)

1. Vertikales Bipolarphototransistorpixelelement (10) mit ei­ nem Kollektorbereich (14), einem Basisbereich (16) und einem Emitterbe­ reich (26) aus Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorbereich (14) und der Emitterbereich (26) p-leitend und der im Emitterbereich (26) ausgebildete Basisbereich (16) n-leitend sind, wobei ein vom Emitterbereich (26) beabstandeter Kondensator vorge­ sehen ist, der einen im Basisbereich (16) ausgebildeten, n-leitenden Kondensatorbereich (20) aufweist, auf dessen Oberfläche dielektrisches Material angeordnet ist, auf dem sich leitendes Material (22) befindet.

2. Bipolarphototransistorpixelelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatorbereich (20) eine im wesentlichen ge­ schlossene Form aufweist, die den Emitterbereich (26) umgibt.

3. Bipolarphototransistorpixelelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material Siliciumdioxid ist, das vorzugsweise eine Stärke von 20 bis 30 nm aufweist.

4. Bipolarphototransistorpixelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material (22) Polysi­ licium ist, das vorzugsweise eine Stärke von etwa 325 nm aufweist.