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HINTERGRUND
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Ein
Bildsensor ist ein Halbleiterbauelement zur Umwandlung eines optischen
Bildes in ein elektrisches Signal. Bildsensoren können grob
in Bildsensoren mit ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD) und in
Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)-Bildsensoren
(CIS) klassifiziert werden.
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In
einer CIS verwandten Technik wird eine Fotodiode in einem Substrat
mit Transistorschaltungen unter Verwendung von Ionenimplantation
ausgebildet. Da sich die Abmessungen einer Fotodiode immer mehr
verringern, um die Anzahl von Bildpunkten zu erhöhen, ohne die Chipfläche zu vergrößern, verringert
sich die Fläche
eines Licht empfangenden Teilbereichs, so dass sich die Bildqualität verschlechtert.
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Da
sich die Stapelhöhe
nicht so viel verringert, wie sich die Fläche des Licht empfangenden Teilbereichs
verringert, verringert sich auch die Anzahl der Photonen, die auf
den Licht empfangenden Teilbereich einfallen, durch Beugung des
Lichtes, Beugungsscheibchen (Airy Disk) genannt.
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Als
Alternative zur Beseitigung dieser Einschränkung wurde der Versuch unternommen,
eine Fotodiode unter Verwendung von amorphem Silizium (Si) auszubilden,
oder einen Auslese-Schaltkreis
in einem Si-Substrat auszubilden und eine Fotodiode auf dem Auslese-Schaltkreis
unter Verwendung eines Verfahrens, wie z. B. Wafer-Wafer-Ronden,
auszubilden (als "Dreidimensionaler
(3D) Bildsensor" bezeichnet).
Die Fotodiode ist durch eine Metallleitung mit dem Auslese-Schaltkreis
verbunden.
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Inzwischen
tritt in einer verwandten Technik, da sowohl Source, als auch Drain
des Transfer-Transistors des Auslese-Schaltkreises stark mit N-Typ-Fremdatomen
dotiert sind, ein Ladungs-Verteilungs-Phänomen auf. Wenn das Ladungs-Verteilungs-Phänomen auftritt,
wird die Empfindlichkeit eines ausgegebenen Bildes verringert und
es können Bildfehler
auftreten.
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Ebenfalls
wird in der verwandten Technik, da eine Fotoladung sich nicht leicht
zwischen der Fotodiode und dem Auslese-Schaltkreis bewegt, ein Dunkelstrom
erzeugt, oder die Sättigung
und die Empfindlichkeit verringern sich.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
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Ausführungen
der vorliegenden Erfindung können
einen Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung liefern.
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In
einer Ausführung
kann ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors folgendes umfassen:
Bereitstellen
eines ersten Substrates, auf dem Metallleitungen und ein Auslese-Schaltkreis
ausgebildet sind;
Bereitstellen einer Fotodiode, die einen
ersten Störstellen-Bereich und einen
zweiten Störstellen-Bereich
in einem kristallinen Bereich auf dem ersten Substrat enthält; und
Ausbilden
einer Vielzahl von ersten Kontakten und einer Vielzahl von zweiten
Kontakten, die die Fotodiode durchdringen, die mit entsprechenden
der Metallleitungen zu verbinden sind und einen Abstand voneinander
haben, wobei die Vielzahl der ersten Kontakte in Kontakt mit dem
ersten Störstellen-Bereich ist
und die Vielzahl der zweiten Kontakte in Kontakt mit dem zweiten
Störstellen-Bereich
ist.
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Der
erste Störstellen-Bereich
und der zweite Störstellen-Bereich können lateral
im kristallinen Bereich ausgebildet sein.
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In
einer anderen Ausführung
kann ein Bildsensor folgendes umfassen:
Ein Halbleitersubstrat,
das eine Metallleitung und einen Auslese-Schaltkreis hat, die darauf
ausgebildet sind;
eine Fotodiode auf dem Halbleitersubstrat,
wobei die Fotodiode einen ersten Störstellen-Bereich und einen
zweiten Störstellen-Bereich
in einem kristallinen Bereich enthält; und
einen ersten Kontakt
und einen zweiten Kontakt, die die Fotodiode durchdringen, wobei
der erste Kontakt den ersten Störstellen-Bereich
durchdringt und der zweite Kontakt den zweiten Störstellen-Bereich durchdringt,
um die Metallleitung anzuschließen.
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Die
Metallleitung kann die Fotodiode elektrisch mit dem Auslese-Schaltkreis
verbinden.
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In
einer Ausführung
kann der zweite erste Kontakt den zweiten Störstellen-Bereich mit peripheren
Schaltkreisen oder einer Elektrode zum Anwenden einer Rücksetz-Operation
verbinden.
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Die
Details einer oder mehrerer Ausführungen
werden in den begleitenden Zeichnungen und der unten stehenden Beschreibung
dargelegt. Weitere Eigenschaften sind aus der Beschreibung und den Zeichnungen,
sowie aus den Ansprüchen
ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die 1 bis 7 sind Querschnitts-Ansichten,
die ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß einer
Ausführung
veranschaulichen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ausführungen
eines Bildsensors und ein Verfahren zu dessen Herstellung werden
mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
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In
der Beschreibung der Ausführungen
versteht sich, dass wenn eine Ebene (oder Schicht) als "auf" einer anderen Ebene
oder einem Substrat bezeichnet wird, sie sich direkt auf der anderen
Ebene oder dem Substrat befinden kann, oder auch dazwischen liegende
Ebenen vorhanden sein können.
Ferner versteht sich, dass wenn eine Ebene als "unter" einer anderen Ebene bezeichnet wird,
sie sich direkt unter der anderen Ebene befinden kann, oder auch ein
oder mehrere dazwischen liegende Ebenen vorhanden sein können. Außerdem versteht
sich, dass wenn eine Ebene als "zwischen" zwei Ebenen bezeichnet
wird, sie die einzige Ebene zwischen den zwei Ebenen sein kann,
oder auch ein oder mehrere dazwischen liegende Ebenen vorhanden
sein können.
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Die
vorliegenden Ausführungen
sind nicht auf einen CMOS-Bildsensor
beschränkt
und können auf
andere Bildsensoren angewendet werden, die eine Fotodiode enthalten.
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Mit
Bezug auf 5A enthält ein Bildsensor gemäß einer
Ausführung
eine Schaltkreis-Schicht 20, eine Metallleitungs- Schicht 30,
eine Fotodiode 70 und erste und zweite Kontakte 81 und 82 auf
einem ersten Substrat 100.
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5B zeigt
eine detaillierte Ansicht des ersten Substrates 100, auf
dem die Schaltkreis-Schicht 20 und eine Metallleitung 150 der
Metallleitungs-Schicht 30 ausgebildet sind, und zeigt einen
Teil einer Bildpunkt-Einheit gemäß einer
Ausführung.
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Die
Schaltkreis-Schicht 20 kann einen Schaltkreis aufweisen,
der einen Auslese-Schaltkreis 120 umfasst, und die Metallleitungs-Schicht 30 kann die
Metallleitung 150 enthalten, die mit dem Schaltkreis verbunden
ist.
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Wie
in den 5A–5B gezeigt,
kann die Fotodiode in einem kristallinen Substrat ausgebildet werden
und einen ersten Störstellen-Bereich 71,
einen zweiten Störstellen-Bereich 72 und
einen dritten Störstellen-Bereich 73 enthalten.
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Der
erste Störstellen-Bereich 71 kann
unter Verwendung von p-Typ-Fremdatomen
ausgebildet werden, der zweite Störstellen-Bereich 72 kann unter Verwendung
von n-Typ-Fremdatomen mit hoher Konzentration ausgebildet werden,
und der dritte Störstellen-Bereich 73 kann
unter Verwendung von n-Typ-Fremdatomen
mit geringer Konzentration ausgebildet werden.
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Dabei
kann der zweite Störstellen-Bereich 72 für einen
ohmschen Kontakt ausgebildet werden. In bestimmten Ausführungen
kann jedoch einer der n-Typ-Bereiche weggelassen werden.
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Obwohl
die vorliegende Ausführung
die Fotodiode 70 als den ersten, zweiten und dritten Störstellen-Bereich 71, 72 und 73 enthaltend
zeigt und beschreibt, ist sie zum Beispiel nicht darauf beschränkt. Zum
Beispiel kann die Fotodiode 70 nur durch den ersten und
zweiten Störstellen-Bereich 71 und 72 ausgebildet
werden.
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Der
erste Kontakt 81 durchdringt den ersten Störstellen-Bereich 71,
und der zweite Kontakt 82 durchdringt den zweiten Störstellen-Bereich 72.
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Dabei
kann die Fotodiode 70 zwischen dem ersten Kontakt 81 und
dem zweiten Kontakt 82 positioniert sein und kann symmetrisch
zu einer anderen benachbarten Fotodiode ausgebildet sein. Zum Beispiel
können
benachbarte Fotodioden symmetrisch zur Längsachse jedes Kontaktes sein.
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Der
zweite Kontakt 82, der den ersten Störstellen-Bereich 71 kontaktiert,
kann dazu benutzt werden, Löcher
im ersten Störstellen-Bereich 71 zu entfernen,
und der erste Kontakt 81, der den zweiten Störstellen-Bereich 72 kontaktiert,
kann ein Signal, das in der Fotodiode 70 erzeugt wird,
zu einem Schaltkreis-Bereich übertragen.
Der zweite Kontakt 82 kann über die Metallleitungs-Schicht 30 mit
einer Stromversorgungs-/Masse-Leitung oder einem Schaltkreis verbunden
sein. In einer Ausführung kann
der zweite Kontakt 82 angeschlossen sein, um während einer
Reset-Operation ein Potential oder Masse anzulegen, so dass Löcher aus
dem ersten Störstellen-Bereich 71 entfernt
werden können.
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Obwohl
in den Zeichnungen nicht gezeigt, können ferner eine Farbfilter-Anordnung
und eine Mikrolinse auf der Fotodiode 70 ausgebildet werden.
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Die 1 bis 5 sind
Querschnitts-Ansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines
Bildsensors gemäß einer
Ausführung
zeigen.
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Wie
in den 1A und 1B gezeigt,
können
ein erstes Substrat 100, das eine Schaltkreis-Schicht 20 und
eine Metallleitungs-Schicht 30 enthält, bereitgestellt werden.
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1A ist
eine Querschnitts-Ansicht des ersten Substrates 100, das
die Schaltkreis-Schicht 20 und die Metallleitungs-Schicht 30 enthält, und 1B ist
eine detaillierte Ansicht gemäß einer
Ausführung
des ersten Substrates 100, auf dem die Schaltkreis-Schicht 20 und
eine Metallleitung 150a der Metallleitungs-Schicht 30 ausgebildet
sind.
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Die
Schaltkreis-Schicht 20 kann einen Auslese-Schaltkreis 120 enthalten,
und die Metallleitungs-Schicht 30 kann die mit dem Schaltkreis
verbundene Metallleitung 150a enthalten.
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Mit
Bezug auf 1B kann das erste Substrat 100,
auf dem die Metallleitung 150a und der Auslese-Schaltkreis 120 ausgebildet
sind, bereitgestellt werden. Das erste Substrat kann einen p-Typ-Bereich
oder eine p-Wanne 141 enthalten. In einer Ausführung kann
eine Bauelemente-Isolationsschicht 110 im ersten Substrat 100 ausgebildet
werden, um einen aktiven Bereich zu definieren, und der Auslese-Schaltkreis 120,
der einen Transistor enthält,
kann auf dem aktiven Bereich ausgebildet werden. Zum Beispiel kann
der Auslese-Schaltkreis 120 einen Transfer-Transistor (Tx) 121,
einen Reset-Transistor (Rx) 123, einen Ansteuerungs-Transistor
(Dx) 125 und einen Auswahl-Transistor (Sx) 127 enthalten. Nach
dem Ausbilden der Gates für
die Transistoren können
ein Ionenimplantations-Bereich 130,
der einen Floating-Diffusions-Bereich (FD) 131 enthält, und
Source- und Drain-Bereiche 133, 135, 137 für die entsprechenden
Transistoren ausgebildet werden. Gemäß einer Ausführung kann
ferner ein Rauschfilter-Schaltkreis (nicht gezeigt) bereitgestellt
werden, um die Empfindlichkeit zu verbessern.
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Das
Ausbilden des Auslese-Schaltkreises 120 im ersten Substrat 100 kann
das Ausbilden eines elektrischen Sperrschicht-Bereichs 140 im ersten Substrat 100 und
das Ausbilden eines Verbindungs-Bereichs eines ersten Leitungstyps 147,
der mit der Metallleitung 150a verbunden ist, auf dem elektrischen
Sperrschicht-Bereich 140 umfassen.
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Der
elektrische Sperrschicht-Bereich 140 kann ein PN-Übergang 140 sein,
Ausführungen
sind aber nicht darauf beschränkt.
In einer Ausführung kann
der elektrische Sperrschicht-Bereich 140 eine Ionenimplantations-Schicht
eines ersten Leitungstyps 143 auf einer Wanne eines zweiten
Leitungstyps 141 (oder einer Epitaxieschicht eines zweiten
Leitungstyps) und eine Ionenimplantations-Schicht eines zweiten
Leitungstyps 145 auf der Ionenimplantations-Schicht des
ersten Leitungstyps 143 umfassen. Zum Beispiel kann der
PN-Übergang ein
P0(145)/N–(143)/P–(141)-Übergang
sein, wie in 1B gezeigt, Ausführungen
sind aber nicht darauf beschränkt.
In einer Ausführung
kann das erste Substrat 100 ein Substrat eines zweiten
Leitungstyps sein, Ausführungen
sind jedoch nicht darauf beschränkt.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführung
kann es möglich
sein, eine Fotoladung von der Fotodiode vollständig zu entladen, indem man
erlaubt, dass zwischen Source und Drain des Transfer-Transistors Tx eine
Potentialdifferenz erzeugt wird. Somit kann, da die von der Fotodiode
erzeugte Fotoladung in den Floating-Diffusions-Bereich entladen
wird, die Empfindlichkeit eines ausgegebenen Bildes verbessert werden.
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Das
heißt
durch Ausbilden des elektrischen Sperrschicht-Bereichs 140 im ersten Substrat 100, auf
dem der Auslese-Schaltkreis 120 ausgebildet
ist, kann eine Potentialdifferenz zwischen Source und Drain des
Transfer-Transistors (Tx) 121 erzeugt werden, um die Fotoladung
vollständig
zu entladen.
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Im
Folgenden wird eine Struktur zum Entladen der Fotoladung gemäß einer
Ausführung
detaillierter beschrieben.
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Anders
als bei einem Knoten des Floating-Diffusions-Bereichs (FD) 131,
der ein N+-Übergang
ist, wird in dieser Ausführung
ein PNP-Übergang 140,
der der elektrische Sperrschicht-Bereich ist,
bei einer konstanten Spannung abgeschnürt, bevor eine angelegte Spannung
vollständig übertragen wird.
Diese konstante Spannung wird als "Haftspannung (Pinning-Spannung)" bezeichnet und ist
abhängig
von den Dotierungs-Konzentrationen
des P0-Bereichs 145 und des N–-Bereichs 143.
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Insbesondere
bewegen sich Elektronen, die in der Fotodiode 70 (siehe 5B)
erzeugt werden, zum PNP-Übergang 140,
und wenn der Transfer-Transistor (Tx) 121 eingeschaltet
wird, werden die Elektronen zum Knoten FD 131 übertragen
und dann in eine Spannung umgewandelt.
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Da
eine maximale Spannung des P0/N–/P–-Übergangs 140 die
Pinning-Spannung wird, und eine maximale Spannung des Knotens FD 131 die
Schwellspannung Vdd-Rx 123 wird, können die in der Fotodiode 70 erzeugten
Elektronen durch die Potentialdifferenz zwischen den Seiten des Transfer-Transistors
(Tx) 131 vollständig
entladen werden, ohne dass eine Ladungs-Verteilung auftritt.
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Das
heißt,
gemäß einer
Ausführung
wird der P0/N–/P–-Wannen-Übergang im ersten Substrat 100 ausgebildet,
um es zu ermöglichen,
eine positive (+)-Spannung an den N–-Bereich 143 des P0/N–/P–-Wannen-Übergangs
anzulegen, und während
einer Reset-Operation eines aktiven Bildpunkte-Sensors mit 4 Transistoren
(APS) eine Massespannung an den P0-Bereich 145 und die
P-Wanne 141 anzulegen, so dass am doppelten P0/N–/P–-Wannen-Übergang
bei einer Spannung über
einer vorher festgelegten Spannung, wie in einer BJT-Struktur eine
Abschnürung
hervorgerufen wird. Diese Spannung wird als "Haftspannung (Pinning-Spannung)" bezeichnet. Folglich
wird zwischen Source und Drain an den Seiten des Transfer-Transistors
(Tx) 121 eine Potentialdifferenz erzeugt. Außerdem kann
das Ladungs-Verteilungs-Phänomen während der
Ein-/Aus-Operationen des Transfer-Transistors (Tx) verhindert werden.
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Daher
können,
anders als nach der verwandten Technik, bei dem die Fotodiode einfach
mit einem N+-Übergang
verbunden wird, Ausführungen
der vorliegenden Erfindung die Verringerung der Sättigung
und der Empfindlichkeit verhindern.
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Gemäß einer
Ausführung
kann auch ein Verbindungs-Bereich eines ersten Leitungstyps 147 zwischen
der Fotodiode und dem Auslese-Schaltkreis ausgebildet werden, um
einen Pfad für
die leichte Bewegung der Fotoladung bereitzustellen, und dadurch eine
Dunkelstrom-Quelle zu minimieren und ferner die Verringerung der
Sättigung
und der Empfindlichkeit zu verhindern.
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Zu
diesem Zweck kann auf einem Teil der Oberfläche des P0/N–/P–-Übergangs 140 der
Verbindungs-Bereich des ersten Lei tungstyps 147 für einen ohmschen
Kontakt ausgebildet werden. Der N+-Bereich 147 kann so
ausgebildet werden, dass er den P0-Bereich 145 durchläuft und
den N–-Bereich 143 kontaktiert.
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Um
zu verhindern, dass der Verbindungs-Bereich des ersten Leitungstyps 147 eine Leckstrom-Quelle
wird, kann unterdessen die Breite des Verbindungs-Bereichs des ersten
Leitungstyps 147 minimiert werden. Zu diesem Zweck kann
in einer Ausführung
eine Zapfen-Implantation durchgeführt werden, nachdem ein Durchkontaktierungs-Loch
für einen
ersten Metallkontakt 151a geätzt wurde. In einer anderen
Ausführung
kann ein Ionenimplantations-Muster auf dem ersten Substrat ausgebildet
werden, und der Verbindungs-Bereich des ersten Leitungstyps 147 kann
dann ausgebildet werden, indem das Ionenimplantations-Muster als
Ionenimplantations-Maske verwendet wird.
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Das
heißt,
ein Grund dafür,
dass N+-Fremdatome lokal in nur einen Teil, in dem der Kontakt gebildet
wird, dotiert werden, ist es, ein Dunkelsignal zu minimieren und
die Bildung eines ohmschen Kontaktes zu erleichtern. Wenn der gesamte
Bereich der Source des Transfer-Transistors Tx N+ – dotiert
wird, kann das Dunkelsignal durch ungesättigte Bindungen auf dem Si-Substrat
vergrößert werden.
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Eine
Zwischenschicht-Isolations-Schicht 160 kann auf dem ersten
Substrat 100 ausgebildet werden, und eine Metallleitung 150a kann
in der Zwischenschicht-Isolations-Schicht 160 ausgebildet werden.
Die Metallleitung 150a kann den ersten Metall-Kontakt 151a,
ein erstes Metall 151, ein zweites Metall 152 und
ein drittes Metall 153 enthalten, Ausführungen sind aber nicht darauf
beschränkt.
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Mit
Bezug auf 2 kann ein erster Störstellen-Bereich 71 in
einem zweiten Substrat 50 ausgebildet werden.
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In
einer Ausführung
kann das zweite Substrat 50 aus kristallinem Silizium vom
n-Typ ausgebildet werden, das schwach mit n-Typ-Fremdatomen dotiert
ist. In einer weiteren Ausführung
kann eine Oxidschicht auf dem zweiten Substrat 50 bereitgestellt
werden.
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Gemäß einer
Ausführung
kann der erste Störstellen-Bereich 71 ausgebildet
werden, indem ein erstes Fotolack-Muster 61 auf dem zweiten
Substrat 50 ausgebildet wird und p-Typ-Fremdatome mit einem
ersten Ionenimplantations-Prozess in das erste Substrat 50 implantiert
werden.
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Danach
kann mit Bezug auf 3 das erste Fotolack-Muster 61 entfernt
werden, dann kann ein zweites Fotolack-Muster 62 auf dem
zweiten Substrat 50 ausgebildet werden, und ein zweiter
Ionenimplantations-Prozess kann ausgeführt werden, um einen zweiten
Störstellen-Bereich 72 im
zweiten Substrat 50 auszubilden.
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Der
zweite Störstellen-Bereich 72 kann durch
Implantation von n-Typ-Fremdatomen mit hoher Konzentration ausgebildet
werden.
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Hierbei
wird für
Ausführungen,
bei denen das zweite Substrat ein kristallines Silizium vom n-Typ
ist, der dritte Störstellen-Bereich 73,
der schwach mit n-Typ-Fremdatomen dotiert ist, zwischen dem ersten Störstellen-Bereich 71 und
dem zweiten Störstellen-Bereich 72 durch
das schwach dotierte n-Typ-Substrat
bereitgestellt, so dass eine Fotodiode 70 ausgebildet wird.
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Der
zweite Störstellen-Bereich 72 kann
für einen
ohmschen Kontakt ausgebildet werden. In bestimmten Ausführungen
kann der zweite Störstellen-Bereich 72 weggelassen
werden, und der dritte Störstellen-Bereich 73 kann
als der zweite Störstellen-Bereich
benutzt werden.
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Um
den ersten, zweiten und dritten Störstellen-Bereich 71, 72 und 73 zu
aktivieren, kann ein thermisches Ausheilen durchgeführt werden.
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Obwohl
die vorliegende Ausführung
beschreibt, dass das zweite Substrat 50 aus kristallinem Silizium
vom n-Typ ausgebildet ist, ist sie nicht darauf beschränkt. Zum
Beispiel kann das zweite Substrat 50 aus kristallinem Silizium
vom p-Typ ausgebildet sein.
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Wenn
das zweite Substrat 50 das n-Typ-Substrat ist, können der
erste Störstellen-Bereich 71 und
der zweite Störstellen-Bereich 72 durch einen
Ionenimplantations-Prozess ausgebildet werden. Wenn das zweite Substrat 50 jedoch
ein p-Typ-Substrat ist, kann die Fotodiode 70 ausgebildet
werden, indem n-Typ-Fremdatome
mit geringer Konzentration implantiert werden, um den dritten Störstellen-Bereich 73 auszubilden
und indem n-Typ-Fremdatome
mit hoher Konzentration implantiert werden, um den zweiten Störstellen-Bereich 72 auszubilden.
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Obwohl
die vorliegende Beschreibung zeigt und beschreibt, dass die Fotodiode 70 den
ersten Störstellen-Bereich 71,
der mit p-Typ-Fremdatomen dotiert ist, den dritten Störstellen-Bereich 73,
der schwach mit n-Typ-Fremdatomen dotiert ist, und den zweiten Störstellen-Bereich 72,
der stark mit n-Typ-Fremdatomen
dotiert ist, enthält,
sind Ausführungen
nicht darauf beschränkt.
Zum Beispiel kann die Fotodiode 70 nur den ersteh Störstellen-Bereich 71 und
den dritten Störstellen-Bereich 73 enthalten.
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Danach
kann das zweite Fotolack-Muster 62 entfernt werden, und
das zweite Substrat 50, das die Fotodiode 70 enthält, kann
mit dem ersten Substrat 100 verbunden werden, wie in 4 gezeigt.
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Als
Folge davon kann die Fotodiode 70 auf der Metallleitungs-Schicht 30 bereitgestellt
werden.
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Obwohl
die Fotodiode 70 als auf dem gesamten Bereich des zweiten
Substrates 50 ausgebildet beschrieben wird, kann die Fotodiode 70 lokal
in einem Teil des zweiten Substrates 50 ausgebildet sein.
Für den
Fall, dass die Fotodiode 70 lokal in einem Teil des zweiten
Substrates 50 ausgebildet ist, können dann die restlichen Teile
des zweiten Substrates 50, die nicht die Fotodiode 70 sind,
entfernt werden.
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Als
nächstes
können,
wie in 5A gezeigt, ein erster Kontakt 81 und
ein zweiter Kontakt 82, die die Fotodiode 70 durchdringen
und das dritte Metall (M3) kontaktieren, ausgebildet werden.
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5A ist
eine Querschnitts-Ansicht des ersten Substrates 100, das
die Schaltkreis-Schicht 20, die Metallleitungs-Schicht 30 und
die Fotodiode 70 enthält,
und 5B ist eine detaillierte Ansicht gemäß einer
Ausführung
des ersten Substrates 100, auf dem die Schaltkreis-Schicht 20 und
die Metallleitung 150a der Metallleitungs-Schicht 30 ausgebildet sind.
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Der
erste und der zweite Kontakt 81 und 82 können ausgebildet
werden, indem ein Ätzprozess zum
Ausbilden eines Durchkontaktierungs-Lochs, das die Fotodiode 70 durchdringt,
ausgeführt
wird. Dann kann das Durchkontaktierungs-Loch mit Metall, wie z.
B. Wolfram (W), Titannitrid (TiN) oder Aluminium (Al), gefüllt werden.
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Der
erste Kontakt 81 kann ausgebildet werden, um den ersten
Störstellen-Bereich 71 zu
durchdringen, und der zweite Kontakt 82 kann ausgebildet werden,
um den zweiten Störstellen-Bereich 72 zu durchdringen.
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Wenn
der erste Kontakt 81 und der zweite Kontakt 82 ausgebildet
werden, kann der zweite Kontakt 82 einen Teil der Metallleitungs-Schicht 30 durchdringen,
um das dritte Metall M3 (153) zu kontaktieren.
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Die
Fotodiode 70 ist zwischen dem ersten Kontakt 81 und
dem zweiten Kontakt 82 positioniert und kann bezüglich einer
benachbarten Fotodiode symmetrisch zum ersten Kontakt 81 oder
zum zweiten Kontakt 82 angeordnet sein.
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Der
erste Kontakt 82 kann dazu benutzt werden, ein in der Fotodiode 70 erzeugtes
Signal vom zweiten Störstellen-Bereich 72 durch
die Metallleitung 150 zu einem Schaltkreis-Bereich zu übertragen.
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Danach
können,
obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, eine Elektrode, eine Farbfilter-Anordnung
und eine Mikrolinse auf der Fotodiode 70 ausgebildet werden.
In einer Ausführung
kann der zweite Kontakt 82 mit der Elektrode verbunden
sein und/oder kann mit einem Peripherie-Schaltkreis-Bereich (nicht
gezeigt) verbunden sein.
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6 ist
eine Querschnitts-Ansicht eines Bildsensors gemäß einer anderen Ausführung und
ist eine detaillierte Ansicht eines ersten Substrates, auf dem eine
Metallleitung 150 ausgebildet ist.
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Die
vorliegende Ausführung
kann die technischen Charakteristiken der Ausführungen, die mit Bezug auf
die 1 bis 5 beschrieben
wurden, verwenden.
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Zum
Beispiel kann gemäß der vorliegenden Ausführung ein
Bauelement so konstruiert werden, dass eine Potentialdifferenz zwischen
Source und Drain des Transfer-Transistors Tx erzeugt wird, so dass
Fotoladungen vollständig
entladen werden.
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Gemäß einer
Ausführung
kann auch ein Ladungs-Verbindungs-Bereich zwischen der Fotodiode und dem
Auslese-Schaltkreis ausgebildet werden, um den Durchfluss der Fotoladung
zu erleichtern, wodurch eine Dunkelstrom-Quelle minimiert wird und die
Verringerung der Sättigung
und der Empfindlichkeit verhindert wird.
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Anders
als bei den mit Bezug auf 5B beschriebenen
Ausführungen
zeigt die vorliegende Ausführung
beispielhaft, dass ein Verbindungs-Bereich eines ersten Leitungstyps 148 an
einer Seite des elektrischen Sperrschicht-Bereichs 140 ausgebildet
werden kann.
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Gemäß Ausführungen
kann ein N+-Verbindungsbereich 148 für einen ohmschen Kontakt neben
dem P0/N–/P–-Übergang 140 ausgebildet
werden. Dabei können
der N+-Verbindungsbereich 148 und ein M1C-Kontakt 151a als
Leckstrom-Quelle wirken. Der Grund dafür ist, dass im Betrieb an den P0/N–/P–-Übergang 140 eine
Rückwärts-Vorspannung
angelegt wird und ein elektrisches Feld EF in der Oberfläche des
Si-Substrates erzeugt wird. In dem elektrischen Feld wirkt ein Kristalldefekt,
der beim Ausbilden des Kontaktes erzeugt wird, als Leckstrom-Quelle.
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Auch
im Fall, dass der N+-Verbindungsbereich 148 auf einer Oberfläche des
P0/N–/P–-Übergangs 140 ausgebildet
wird, wird durch den N+/P0-Übergang 148/145 ein
zusätzliches
elektrisches Feld erzeugt, das auch als Leckstrom-Quelle wirken
kann.
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Folglich
liefert die vorliegende Ausführung ein
Layout, bei dem keine Dotierung in die P0-Schicht durchgeführt wird.
Stattdessen wird ein erster Kontakt-Zapfen 151a auf einem
aktiven Bereich ausgebildet, der den N+-Verbindungsbereich 148 enthält, und
der erste Kontakt-Zapfen 151a wird über den N+-Verbindungsbereich 148 mit
der N–-Sperrschicht 143 verbunden.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführung
wird auf einer Oberfläche
des Silizium-Substrates kein elektrisches Feld erzeugt, was zu einer
Verringerung des Dunkelstroms des dreidimensionalen integrierten
CIS beitragen kann.
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7 ist
eine Querschnitts-Ansicht eines Bildsensors gemäß noch einer anderen Ausführung und
ist eine detaillierte Ansicht eines ersten Substrates, auf dem eine
Metallleitung 150 ausgebildet ist.
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Die
vorliegende Ausführung
kann die technischen Charakteristiken der Ausführungen, die mit Bezug auf
die 1 bis 5 beschrieben
wurden, verwenden.
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Zum
Beispiel kann gemäß der vorliegenden Ausführung ein
Bauelement so konstruiert werden, dass eine Potentialdifferenz zwischen
Source und Drain des Transfer-Transistors Tx erzeugt wird, so dass
Fotoladungen vollständig
entladen werden.
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Gemäß einer
Ausführung
kann auch ein Ladungs-Verbindungs-Bereich zwischen der Fotodiode und dem
Auslese-Schaltkreis ausgebildet werden, um den Durchfluss der Fotoladung
zu erleichtern, wodurch eine Dunkelstrom-Quelle minimiert wird und die
Verringerung der Sättigung
und der Empfindlichkeit verhindert wird.
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Der
Auslese-Schaltkreis 120 auf dem ersten Substrat 100 gemäß einer
Ausführung
wird mit Bezug auf 7 detaillierter beschrieben.
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Insbesondere
können
ein erster Transistor 121a und ein zweiter Transistor 121b auf
dem ersten Substrat 100 ausgebildet werden. Zum Beispiel
können
der erste Transistor 121a und der zweite Transistor 121b ein
erster Transfer-Transistor, bzw. ein zweiter Transfer-Transistor
sein, Ausführungen
sind aber nicht darauf beschränkt.
Der erste Transistor 121a und der zweite Transistor 121b können gleichzeitig oder
nacheinander ausgebildet werden.
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Danach
kann ein elektrischer Sperrschicht-Bereich 140 zwischen
dem ersten Transistor 121a und dem zweiten Transistor 121b ausgebildet werden.
In einer Ausführung
kann der elektrische Sperrschicht-Bereich 140 ein PN-Übergang 140 sein, Ausführungen
sind aber nicht darauf beschränkt.
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Zum
Beispiel kann der PN-Übergang 140 gemäß einer
Ausführung
eine Ionenimplantations-Schicht eines ersten Leitungstyps 143 auf
einer Epitaxieschicht (oder einer Wanne) eines zweiten Leitungstyps 141 und
eine Ionenimplantations-Schicht eines zweiten Leitungstyps 145 auf
der Ionenimplantations-Schicht des ersten Leitungstyps 143 umfassen.
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In
einer speziellen Ausführung
kann der PN-Übergang 140 ein P0(145)/N–(143)/P–(141)-Übergang
sein.
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Ein
Verbindungsbereich eines ersten Leitungstyps hoher Konzentration 131b,
der mit der Metallleitung 150 verbunden ist, kann an einer
Seite des zweiten Transistors 121b ausgebildet werden.
Der Verbindungsbereich des ersten Leitungstyps hoher Konzentration 131b ist
ein N+-Übergang
hoher Konzentration und kann als Floating-Diffusions-Bereich (FD2) 131b dienen.
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In
dieser Ausführung
kann der Auslese-Schaltkreis eine 4Tr-Operation ausführen, indem er Elektronen,
die in der Fotodiode erzeugt wurden, zum N+-Übergang 131b des Silizium-Substrates 100 bewegt
und die Elektronen des N+-Übergangs 131b wieder
zum N–-Übergang 143 bewegt.
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In
dieser Ausführung
werden der P0/N–/P–-Übergang 140 und
der N+-Übergang 131b getrennt
voneinander ausgebildet, wie in 7 gezeigt.
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Durch
Trennen des N+-Übergangs 131b und des
PNP-Übergangs 140 kann
verhindert werden, dass ein Dunkelstrom erzeugt wird.
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Folglich
kann ein Kontakt im N+/P–Epi-Übergang 131b ausgebildet
werden.
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Beim
Auslesen eines Signals wird ein Gate des zweiten Transistors (Tx2) 121b eingeschaltet, und
ein Gate des ersten Transistors (Tx1) 121a wird eingeschaltet,
so dass die in der Fotodiode 70 auf einem Chip erzeugten
Elektronen zum P0/N–/P–-Übergang 140 übertragen
werden und sich zum ersten Floating-Diffusions-Bereich (FD1) 131a bewegen, wodurch
ein korreliertes doppeltes Abtasten (CDS) möglich ist.
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Wie
oben beschrieben, kann das Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors
gemäß einer
Ausführung
die Dunkel-Charakteristik
verbessern und die Empfindlichkeit des Bildsensors erhöhen, indem ein
zweites kristallines Substrat, auf dem eine Fotodiode ausgebildet
ist, mit einem ersten Substrat verbunden wird, auf dem ein Schaltkreis,
der eine untere Metallleitung enthält, ausgebildet ist.
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In
der vorliegenden Beschreibung bedeutet jeder Verweis auf "eine Ausführung", "Ausführung", "beispielhafte Ausführung", usw., dass ein
spezielles Merkmal, eine Struktur oder eine Eigenschaft, welches
bzw. welche in Verbindung mit der Ausführung beschrieben wird, in
mindestens einer Ausführung der
Erfindung enthalten ist. Das Auftreten derartiger Ausdrucksweisen
an verschiedenen Stellen in der Beschreibung verweist nicht notwendig
sämtlich
auf die gleiche Ausführung.
Ferner sei bemerkt, dass, wenn ein besonderes Merkmal, eine Struktur
oder eine Eigenschaft beschrieben wird, es sich innerhalb des Bereichs
der Möglichkeiten
eines Fachmanns befindet, ein derartiges Merkmal, eine Struktur
oder ein Kennmerkmal in Verbindung mit anderen der Ausführungen
zu bewirken.
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Obwohl
Ausführungen
mit Bezug auf eine Anzahl erläuternder
Ausführungsbeispiele
beschrieben wurden, sei bemerkt, dass zahlreiche weitere Abwandlungen
und Ausführungen
durch Fachleute entworfen werden können, welche unter Prinzip
und Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen. Insbesondere sind
viele Änderungen
und Abwandlungen der Bauteile und/oder der Anordnungen der fraglichen
Kombinationsanordnung innerhalb des Umfangs der Offenbarung, der
Zeichnungen und der beigefügten
Ansprüche
möglich.
Zusätzlich
zu Änderungen
und Abwandlungen der Bauteile und/oder der Anordnungen sind alternative
Verwendungen gleichfalls für
Fachleute ersichtlich.