DE19630434C2 - 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 5 289 023 A ist eine aktive Pixelsensorzelle be­ kannt, die einen bipolaren npn-Phototransistor sowohl als integrierenden 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 Ausgang 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 ausgelesen, 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 erfordert, ist er für die Zukunft vielversprechend. Jedoch weist die gegenwärtige Technik gewisse Unzulänglichkeiten auf. Der Ausgang des aktiven Pixels, der den integrierten Photostrom widerspiegelt, ist direkt proportional zur Stromverstärkung des npn- Bipolartransistors mit Polyemitter. Da es keine Möglichkeit gibt, diesen Effekt zu korrigieren, kann der Dynamikbereich der Zelte durch Stromverstärkungsangleichung unter den unzähligen Komponenten begrenzt werden, die in der Matrix enthalten sind. Seit jeher ist es schwierig gewesen, eine gute Stromverstärkungsangleichung 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 eine komplexe Herstellung und können zu erhöhten Pixelleckverlusten führen, was ein kritisches Problem darstellt.

Aus EP 0 200 552 A1 ist ein Bipolarphototransistorpixelelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, das eine mit der CMOS-Technologie inkompatible npn-Struktur aufweist. Über der wannenförmigen Basis ist eine Kondensatorelektrode in Siliciumoxid eingebettet und befindet sich seitlich vom Emitterbereich, so daß durch diese Elektrode und die Basis ein Kondensator gebildet wird.

Aus EP 0 201 270 A2 ist ebenfalls ein Bipolarphototransistorpixelelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, das ebenso eine mit der CMOS- Technologie inkompatible npn-Struktur aufweist. Über der wannenförmigen Basis ist eine Kondensatorelektrode aus Polysilicium isoliert angeordnet und befindet sich seitlich vom Emitterbereich. Somit wird auch hier ein Kondensator durch diese Elektrode und die Basis gebildet.

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

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

Ein derartiges, für eine aktive Pixelsensormatrix geeignetes Bipolarphototransistorpixelelement 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-Emitterbereich ist im Basisbereich ausgebildet. Ein ringförmiger n-Kondensatorbereich 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 Querschnittsdarstellung eines vertikalen pnp- Bipolarphototransistorpixelelements.

Fig. 2A zeigt eine Draufsicht auf ein vertikales pnp- Bipolarphototransistorpixelelement, wobei die Bitleitung nicht dargestellt ist.

Fig. 2B zeigt eine Draufsicht auf ein vertikales pnp- Bipolarphototransistorpixelelement, wobei die Wortleitung nicht dargestellt ist.

Die Herstellung eines Elements 10, nämlich eines vertikalen pnp- Biplarphototransistorpixelelements gemäß Fig. 1, kann durch Verwendung jedes geläufigen elementaren CMOS-Verfahrens unter Hinzufügung eines 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 Oberfläche der p- Epitaxialschicht 14 eine Auflageoxidschicht mit der Dicke von ca. 45 nm gebildet. Eine Nitridschicht von ca. 135 nm Dicke wird anschließend auf der Auflageoxidschicht gebildet. Anschließend wird eine Zwillingswannenmaske verwendet, um n-Wannenbereiche abzugrenzen und das exponierte Nitrid zu ätzen. Eine n-Wannenimplantierung erfolgt anschließend unter Verwendung eines n-Dotierungsmittels, beispielsweise Phosphor bei 10¹³ Ionen/m² und 140 keV, um n-Wannenbereiche 16 zu schaffen. Ein anschließender 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 bei 6,3 × 10¹² Ionen/m² und 150 keV, um einen p-Wannenbereich 18 zu schaffen. Das Zwillingswannenmodel wird vervollständigt durch selektives Rückätzen des Oxides auf den n-Wannenbereich 16 und p- Wannenbereich 18 bei ca. 1100°C und Entfernen des Oxides, das sich beim Dotieren ergeben hat.

Bei einem konventionellen CMOS-Verfahrensablauf würde anschließend die Herstellung von Feldoxidbereichen zur Festlegung von aktiven Bereichen der CMOS-Bausteine sowohl in den n-Wannenbereichen 16 als auch in den p- Wannenbereichen 18 und dann die Bildung der CMOS-Bausteinelemente erfolgen. Wie in Fig. 1 dargestellt, dienen hier ausgewählte n-Wannenbereiche 16 als Basisbereich des Elements 10 einer aktiven Pixelbildmatrix, wobei die p- Epitaxialschicht 14 als Phototransistorkollektor dient. Die peripheren CMOS- Komponenten werden zur Bildung beispielsweise von Steuer- und Signalverarbeitungsschaltungen eingesetzt, die im Zusammenhang mit der Pixelbildmatrix verwendet werden. Die nachstehend beschriebenen Verfahrensschritte sind, mit Ausnahme des Kondensatormoduls, vom konventionellen CMOS-Kernprozeß zur Vervollständigung der Struktur des Elements 10 übernommen.

Bevor der CMOS-Prozeß fortgesetzt wird, werden n+-Kondensatorbereiche 20 in den n-Wannenbereichen 16 durch Implantieren von n-Dotierungsmittel, beispielsweise Phosphor bei 5 × 10¹⁵ Ionen/m² und 150 keV, definiert. Dann wird eine Plattenzwischenlageoxidschicht von ca. 20-30 nm Stärke über dem n⁺- Kondensatorbereich 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 Bildmatrix definiert.

Eine nachfolgende Implantierung eines p-Dotierungsmittels, beispielsweise BF₂ bei 3,5 × 10¹⁵ Ionen/m² und 45 keV, wird zur Bildung von p⁺-Emitterbereichen 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 Pixelementstruktur 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 OV, wie es für CMOS-Komponenten typisch ist. Während des Zurücksetzens wird die Wortleitung 24 von +5 V auf OV zurückgenommen. Die n-Wanne 16, d. h. die pnp-Basis, ist kapazitiv durch den ebenfalls negativen Poly/n⁺-Kondensator angekoppelt, der den vertikalen pnp- Transistor anschaltet, dessen Emitter 26 auf einem positiven Spannungswert (+5 V) durch externe Schaltungen auf der Bitleitung 28 gehalten ist. Die schwimmende Basis 16 liegt bei einem Potential von nicht weniger als Vcc - Vbe (4,4 V).

Nach diesem Rücksetzen wird die Wortleitung 24 wieder auf +5 V 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. +8 V. Wenn ein Elektron-Loch-Paar durch ein auftreffendes Photon erzeugt wird, werden 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 (+5 V) 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 5 289 023 A, allerdings mit dem grundlegenden Unterschied, daß hier eine pnp-Struktur vorhanden ist.

Claims (3)

1. Vertikales Bipolarphototransistorpixelelement mit einem auf einem Halbleitersubstrat (12) ausgebildeten Kollektorbereich (14), einem vom Kollektorbereich (14) umgebenen, wannenförmigen Basisbereich (16) und einem Emitterbereich (26), der von dem Basisbereich (16) umgeben ist, wobei ein Kondensator zur kapazitiven Ankopplung des Basisbereichs (16) vorgesehen ist, der mit einer Elektrode aus auf der Oberfläche des Basisbereichs (16) unter Zwischenschaltung einer dielektrischen Schicht aufgebrachtem, leitendem Material (22) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß es eine pnp-Struktur aufweist, bei der ein n⁺-leitender Kondensatorbereich (20) mit einer im wesentlichen geschlossenen, den Emitterbereich (26) umgebenden Form im n-leitenden Basisbereich (16) ausgebildet ist, auf dessen Oberfläche sich das leitende Material (22), durch die dielektrische Schicht vom Kondensatorbereich (20) getrennt, befindet.

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

3. Bipolarphototransistorpixelelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material (22) Polysilicium ist, das vorzugsweise eine Stärke von etwa 325 nm aufweist.